摘要：本文介紹了一種新型自動配料儀，其能夠解決配料儀器不能一機多用的問題。該配料儀是基于單片機的設(shè)計，通過軟件和硬件的緊密結(jié)合，使配料儀能適配不同種類傳感器和應(yīng)用于不同行業(yè)。且該配料儀還具有配料可預(yù)置、自動去皮、配料顯示、配方存儲、斷電保護等功能，使其達到高精度和通用性的目的。 關(guān)鍵詞：單片機；自動配料儀；信號采集；傳感器 Abstract: The paper introduces the development of automatic dosage apparatus, the dosage apparatus which is based on single chip microcomputer could settle the problem of currency. Through the combination of software and hardware, the automatic dosage apparatus could dispose all kinds of signal which come from different type sensor and field. And it has the function of initialize, automatic flay, display dosage, store dosage, power failure protection, and so on. Keywords: single chip microcomputer; automatic dosage apparatus; signal gathering; sensor 1.概述 當前針對某一行業(yè)，配料儀器所用傳感器種類、量程基本固定，配料的種類數(shù)基本固定，因此，目前的配料儀產(chǎn)品使用場合單一，針對不同行業(yè)，要設(shè)計出不同的配料儀，使大批量生產(chǎn)難于實現(xiàn)，這就使得資源的利用率不高，產(chǎn)品生產(chǎn)成本過高。因此，能夠開發(fā)出可適配多種不同類型的傳感器，具有智能去皮、精確配料、配料種類數(shù)由操作人員選擇的新型配料儀，具有廣泛的應(yīng)用價值。本設(shè)計就是以基于單片機為核心，設(shè)計出能適配不同種類傳感器和應(yīng)用于不同行業(yè)的通用型自動配料儀。 2.系統(tǒng)設(shè)計方案 目前傳感器技術(shù)已相當成熟，傳感器的輸出電壓信號已較為標準化。但是，不同的傳感器輸出的電壓信號仍然是有差別的，針對這種情況，在輸入信號初期處理上，對于不同的電壓信號，需要放大的倍數(shù)是不同的，在設(shè)計中采用放大倍數(shù)可調(diào)的放大器可方便解決這個難題。 在控制電路的設(shè)計上，可依據(jù)配料種類數(shù)最多的那個行業(yè)進行設(shè)計。例如，在飼料行業(yè)，配料種類數(shù)一般為8種，在建筑行業(yè)，配料種類數(shù)一般為2～3種，在其他行業(yè)，如冶金、化工等行業(yè)，配料種類數(shù)一般都少于8種。因此，在設(shè)計硬件時，以8種配料為基準。也就是說，配料儀可以配料種類數(shù)不超過8種，具體應(yīng)用于哪個行業(yè)時，再根據(jù)實際情況進行選擇，具體用軟件方法實現(xiàn)。 自動配料儀結(jié)構(gòu)如圖1所示： 傳感器送過來的電信號經(jīng)過相應(yīng)的調(diào)理電路進行調(diào)理，使之成為適合A/D轉(zhuǎn)換的0～10V的模擬電壓信號，該電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，由A/D轉(zhuǎn)換器輸出端輸出數(shù)字信號至單片機；單片機對數(shù)字信號進行處理，形成各種控制信號，以控制整個配料過程。 在電路中還設(shè)有數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤、顯示電路，通信及打印接口電路。在使用配料儀之前，可以將不同的配方通過鍵盤輸入控制器，這些數(shù)據(jù)將被保存在數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)，在使用時，只要通過鍵盤操作調(diào)出相應(yīng)的配方，按下確認鍵，配料儀就會自動完成配料，通過數(shù)碼管隨時監(jiān)視配料進行情況。此外，也可以有操作人員來確定配料種類數(shù)和每種料的量，只要按照操作程序由鍵盤輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)就可實現(xiàn)，輸入的配方可直接儲存到控制器，下次使用時，只需選擇該配方就可直接調(diào)用，操作相當簡單[4]。 3.硬件電路設(shè)計 3.1 信號采集電路設(shè)計 計量秤是自動配料系統(tǒng)的重要組成部分。使用精度高、性能穩(wěn)定的力傳感器是計量秤的關(guān)鍵，力傳感器通常以應(yīng)變片為敏感元件。傳感器傳送的信號采用4051模擬開關(guān)輸入。在放大電路的設(shè)計上，選用單端輸入的差分式測量放大電路。 要設(shè)計出一種通用的自動配料儀，在對輸入信號進行處理的時候應(yīng)考慮到傳感器變化，放大倍數(shù)也要根據(jù)不同的場合而變化，因此可將R變?yōu)榭烧{(diào)諧放大倍數(shù)的可調(diào)電阻，用多路開關(guān)選擇加入不同的電阻，從而改變其放大倍數(shù)，達到一定的通用性。在放大電路圖2中AD7501組成了可調(diào)諧電阻R，當多路開關(guān)的選通信號不同時，R的阻值就不一樣，放大器的放大倍數(shù)就會變化。但是，在實際應(yīng)用中，由于各種原因，使得輸入信號對放大倍數(shù)的要求很復(fù)雜，因此就要求R的阻值既要可變，又要可調(diào)。為滿足使用要求，在R內(nèi)部串聯(lián)一個電位器，在控制器出廠前，由工作人員通過實驗的方法調(diào)整電位器，使放大器放大倍數(shù)精確滿足放大要求。 3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計及復(fù)位電路 AD574A與8051單片機硬件接口電路如圖3所示。 AD574A片內(nèi)已有時鐘，故無需外加時鐘信號。該電路采用單極性輸入方式，可對0～10V和0～20V模擬信號進行轉(zhuǎn)換。當AD574A與89C51配置時，由于AD574A輸出12位數(shù)碼，因此單片機讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，需分兩次進行：先高8位、后低4位。由A0=0或A0=1來分別控制讀取高8位或低4位[1]。 單片機可以采用中斷、查詢、延時方式讀取AD574A轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，設(shè)計中單片機采用延時方式，在編寫程序時用延時語句來獲得一段時間，使AD574A有足夠的時間完成A/D轉(zhuǎn)換。 復(fù)位電路是保證單片機系統(tǒng)可靠工作的關(guān)鍵電路，在這里我們使用了專用看門狗集成芯片X25045，該芯片內(nèi)部有振蕩器、計數(shù)器、微分電路等組成。定時時間可以從200毫秒到2秒，同時該芯片內(nèi)部還有512字節(jié)的E2PROM，用于保存系統(tǒng)的參數(shù)，在系統(tǒng)中設(shè)置定時時間要根據(jù)程序的運行周期來確定。 3.3鍵盤及顯示電路設(shè)計 本設(shè)計中鍵盤顯示電路選用芯片zlg7289A。zlg7289A是廣州周立功單片機發(fā)展有限公司自行設(shè)計的，具有SPI串行接口功能的可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨立LED）的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。配合相應(yīng)的鍵盤顯示子程序，即可實現(xiàn)配料儀8位紅色LED顯示及包含有數(shù)字鍵和功能鍵在內(nèi)的15個按鍵正常工作。 4.軟件系統(tǒng)設(shè)計 單片機應(yīng)用系統(tǒng)軟件開發(fā)，常常要用到一些程序設(shè)計技巧。 ⑴ 模塊化設(shè)計方法 模塊化程序設(shè)計方法是把一個功能完整的較長的程序分解為若干個功能相對獨立的較小的程序模塊，各個程序模塊分別進行設(shè)計，編制程序和調(diào)試，最后把調(diào)試好的程序模塊連成一個大的程序。 ⑵ 自頂向下的程序設(shè)計方法 先從主程序開始設(shè)計，各輸出的終端程序和子程序用符號來代替。主程序編好后再編制各輸出的終端程序和子程序，最后完成整個系統(tǒng)軟件的設(shè)計。調(diào)試也是按這個次序進行的。 ⑶自下向上的程序設(shè)計方法 先了解適合系統(tǒng)中用到的各個芯片的編程方法，并編好設(shè)置和使用各個芯片的子程序模塊，然后再編寫主程序，而主程序往往是由調(diào)用各個字模塊的子程序來完成整個系統(tǒng)的功能。 自動配料系統(tǒng)在軟件設(shè)計中采用模塊化程序設(shè)計技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的功能，分成若干個功能相對獨立的模塊，包括串行通信模塊、顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和配料控制模塊等。 主程序主要完成數(shù)據(jù)采集、配料控制、數(shù)值顯示等功能。開機后首先初始化子程序，包括設(shè)置中斷入口、RAM區(qū)自檢、各標志位設(shè)置等，然后顯示儀表型號，接著進入主測量程序，并同時進行繼電器控制。此時，按功能鍵可進入按鍵散轉(zhuǎn)子程序，根據(jù)鍵值進行按鍵功能選擇，可選擇控制值設(shè)定、參數(shù)標定等。主程序流程如圖6所示。 5.抗干擾措施 一般來說，干擾主要是外界電磁場、接地線不合理和整流電源的交流紋波等原因造成的，即當放大電路輸入端輸入信號電壓Vi=0時，使輸出端可能出現(xiàn)交流干擾電壓[3]。 對于雜散電磁場的干擾，可采取合理布局和屏蔽的抑制措施。 將各級的共同端都直接接到直流電源負的共地點，則可克由于接地點安排不正確而引起的干擾服。 對于直流電源電壓波動引起的干擾，可采用穩(wěn)壓電源供電，并在穩(wěn)壓電源的輸入和輸出端加一足夠大的電解電容或鉭電容的濾波電路。對于運算放大器，為防止直流電源的干擾，可在電源引腳和地之間加一鉭電容防止低頻干擾，加一獨石電容防止高頻干擾。 對于交流電網(wǎng)負載突變產(chǎn)生的高頻干擾。可以采取以下措施加以抑制：⑴ 穩(wěn)壓電源中電源變壓器原副邊之間加屏蔽層，同時屏蔽層要很好接地；⑵ 在穩(wěn)壓電源交流進線處加濾波電路濾去高頻干擾；⑶ 采用“浮地”，即交流地線與直流地線分開，而且只有交流地線接大地。 在進行數(shù)據(jù)處理之前，一般先要對采樣數(shù)據(jù)進行濾波以消除或減弱被測信號中的噪聲干擾。本設(shè)計中采用的是平均值濾波，用純軟件的方法來排除噪聲干擾，可靈活修改濾波參數(shù)。 5.結(jié)束語 新型自動配料儀的開發(fā)，能使其適合不同種類傳感器，能用于不同行業(yè)，解決了目前配料儀不能一機多用的問題。該通用型配料儀結(jié)構(gòu)簡單，功能靈活，便于維護，并且具有良好的抗干擾能力，有利于提高系統(tǒng)的可靠性和性價比，具有明顯的應(yīng)用推廣價值。 參考文獻 [1] 宋定華.單片機原理及接口實驗[M].北京：清華大學出版社，2002.11. 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