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0  引言

稱重顯示控制器是一種具有數(shù)字顯示、 開關(guān)量輸出、 定值控制和通信功能的以微機(jī)為操作核心的稱重控制裝置。它是電子衡器的重要基礎(chǔ)部件, 直接影響電子衡器及電子稱重系統(tǒng)的功能和性能。與合適的傳感器及承重傳力復(fù)位系統(tǒng)組合可組成配料秤、 料斗秤、定值秤、 平臺(tái)秤、 汽車秤等, 廣泛應(yīng)用于電力、 化工、 建筑、冶金、 交通運(yùn)輸、 食品、 軍工等部門, 是進(jìn)行自動(dòng)稱重配料控制和生產(chǎn)過程自動(dòng)化必不可少的重要檢測(cè)、控制裝置。

隨著稱重計(jì)量自動(dòng)化水平的提高, 對(duì)稱重顯示控制器的要求也越來越高。為實(shí)現(xiàn)低漂移、 高穩(wěn)定, 本控制器采用低漂移、 高增益放大器 AD620 和高分辨率的A/ D 轉(zhuǎn)換器 CS5550。為提高穩(wěn)定性和可靠性, 采用集成度高的、 抗干擾能力強(qiáng)的 ST62 單片機(jī)。

1  ST62單片機(jī)介紹

ST62 系列單片機(jī)是法國某公司生產(chǎn)的簡(jiǎn)單、 靈活、 低價(jià)格的 8 位單片機(jī), 采用了獨(dú)特的制造工藝和技術(shù),大大提高了抗干擾能力。它專為嵌入式控制應(yīng)用設(shè)計(jì), 特別適用于抗噪聲和抗干擾能力強(qiáng)、 性價(jià)比高的控制系統(tǒng), 具有以下主要性能:

①工作電源電壓有很寬的適應(yīng)范圍( 3V~ 6V) 。

②豐富的 I/ O 功能, 可吸收電流達(dá) 20mA,并可直接驅(qū)動(dòng) LED/ 可控硅, 有多通道的復(fù)用 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器, 5 個(gè)中斷向量, 1 個(gè)外部不可屏蔽中斷。

③位定時(shí)器, 數(shù)字看門狗, 片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器及備份振蕩器, 振蕩器保護(hù)電路, 上電復(fù)位及低壓檢測(cè)復(fù)位, 等待及停止省電模式。

④多種內(nèi)部程序存儲(chǔ)器, 除有廉價(jià)的 OTP( onetime programming) 一次性編程寫入外, 還有非常方便的 Flash 程序存儲(chǔ)器, 可以在線編程, 易于修改程序代碼。存儲(chǔ)器( ROM/ EPROM/ OTP) 的容量從 1kB~ 8 kB不等, 還有 64~ 320 字節(jié)的 RAM 及 64~ 128 字節(jié)的EEPROM, 可以滿足各種編程的需要。

根據(jù) 控 制 器 功 能 的 需 要, 選 用 ST62 系 列 的ST62T42BQ6 單片機(jī)作控制芯片。該芯片具有 8 kB的Flash 內(nèi)部存儲(chǔ)器, 192 字節(jié)的 DATA RAM, 128 字節(jié)的 DATA EEPROM, 最大時(shí)鐘頻率 8 MHz,有 18 個(gè) I/ O引腳, 6 個(gè)復(fù)用 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器, 有 SPI 通信接口。控制器采用 ST62T42BQ6 自身的 A/ D 端口, 及 40 @ 4 的LCD驅(qū)動(dòng)功能, 構(gòu)成 6 個(gè)操作按鍵、 6 位段碼顯示及 6個(gè)保留圖符顯示的人機(jī)操作界面。

2  稱重顯示控制器的硬件設(shè)計(jì)

由于采用了集成程度高的 ST62 單片機(jī)及 AD 芯片 CS5550, 整個(gè)控制器的硬件結(jié)構(gòu)顯得非常簡(jiǎn)單, 提高了工作可靠性和抗干擾能力。
2.1  直流放大與 AD轉(zhuǎn)移

這是本控制器硬件設(shè)計(jì)中的重要部位。放大器具有低功耗、 低漂移、 低失調(diào)、 增益線性好的特點(diǎn), 才能對(duì)稱重傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行不失真的放大, 才能保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精確。因此我們選用了美國 某公司近年推出的精密儀表放大器 AD620 作為該變送器的直流放大器。它是一個(gè)體積很小的 8 腳塑封的( DIP) 器件。由于它的超 B先進(jìn)工藝, 使其最大工作電流為 113mA,輸入失調(diào)電壓為 5LV, 輸入失調(diào)漂移最大為 1LV/ e ,共模抑制比 93dB, 增益范圍 1~ 1000, 而且噪聲低, 使用簡(jiǎn)單方便, 只 需一個(gè)外接電 阻來設(shè)定 增益范圍。AD620 的增益計(jì)算:

G = (4914kΩ/ R _G ) + 1,  R G = 4914kΩ( G- 1)

式中: 4914kΩ 為 AD620 內(nèi)部設(shè)定電阻修正的標(biāo)準(zhǔn)阻值; R _G為外部增益調(diào)整, 可在放大器的腳 1 和腳 8 之間跨接此高精度電阻來滿足所需要的放大倍數(shù)。采用儀表放大器 AD620, 其增益誤差可小于 0101%, 非線性小于 01002%。

本控制器的AD 轉(zhuǎn)換則采用 某公司的兩通道Delta -Sigma 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 CS5550 芯片。CS5550 是一種便于設(shè)計(jì)、 性價(jià)比高的小體積高集成解決方案, 可確保電子秤廠商為客戶提供測(cè)量精確、 物美價(jià)廉的解決方案。

CS5550 集兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)移器、 兩個(gè)放大器、 一個(gè)基準(zhǔn)電壓電路和一個(gè)雙向串口于一身, 用于輸出精確測(cè)量結(jié)果。它是一個(gè)雙通道解決方案, 通道 1 具有13 位有效位, 通道 2 有 10 位有效位, 其卓越的性能建立在 可靠的 Delta -Sigma 模 數(shù)轉(zhuǎn)移 結(jié)構(gòu)之上。同時(shí), CS5550 還包括了一個(gè)片內(nèi)溫度傳感器, 用于測(cè)量和補(bǔ)償溫度波動(dòng)帶來的誤差, 使其具有很好的溫度穩(wěn)定性, 適于長(zhǎng)期工作。為與微控制器通信, 此芯片還具有雙向串行接口, 可以通過重新設(shè)置完成初始化和完全運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2  鍵盤和 LCD顯示電路

本控制器的鍵盤設(shè)計(jì)采用了 ST62 單片機(jī)自帶的 A/ D 采樣輸入 功能。如圖 2 所示, 對(duì)單 片機(jī)的AIN 腳進(jìn)行采樣, 根據(jù)采樣的電壓值判斷是否有按鍵發(fā)生, 若有, 是哪個(gè)按鍵被觸發(fā)。此種鍵盤電路設(shè)計(jì)可節(jié)省 MCU 的 I/ O 口, 根據(jù)合理的電壓分配可適用 20 個(gè)甚至更多按鍵的鍵盤設(shè)計(jì)。本控制器只用了6 個(gè)按鍵。

本控制器采用單片機(jī)本身的 40 × 4LCD 驅(qū)動(dòng)功能開發(fā)顯示系統(tǒng), 液晶片一共 54 個(gè)筆畫段, 組成了一個(gè) 6位七段數(shù)碼顯示器, 每個(gè)數(shù)碼還帶有小數(shù)點(diǎn)。還有 6段分別用于“調(diào)零”、 “ 穩(wěn)定”、 “ 凈重”、 “ 打印”、 “ kg”、“Lb” 6 個(gè)標(biāo)志, 如圖 3 所示。ST62T42BQ6 最多可驅(qū)動(dòng) 160 段筆畫, 這里只用了其中的 54 段。

根據(jù)不同的按鍵功能操作顯示對(duì)應(yīng)的內(nèi)容。

2. 3  RS- 232 通信接口

采 用 單 片 機(jī) SPI 接 口 的 SOUT、SIN 管 腳 與MAX232 芯片構(gòu)成通用的 RS- 232 接口, 使得控制器可方便地連接遠(yuǎn)端的電腦和打印機(jī)處理稱重值。

2. 4  開關(guān)量輸出電路

該電路作為控制器向外輸出信號(hào)之用。利用鍵盤將最高、 最低設(shè)定值置入內(nèi)存, 儀表隨時(shí)比較采樣值和設(shè)定值, 并把比較結(jié)果以開關(guān)量方式輸出, 達(dá)到控制外設(shè)的目的。開關(guān)量輸出電路由光電耦合電路和輸出繼電器組成, 如圖 4 所示。

3  稱重顯示控制器的軟件設(shè)計(jì)

軟件程序設(shè)計(jì)采用模塊式結(jié)構(gòu), 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)清晰、 調(diào)試方便、 易維護(hù)、 易擴(kuò)充。整個(gè)系統(tǒng)由采樣、 稱重、 鍵盤掃描、 LCD 顯示、 程序設(shè)定、 打印通信、開關(guān)量輸出等模塊組成。

系統(tǒng)上電啟動(dòng)后, 首先進(jìn)行初始化, 對(duì)寄存器和各I/ O 端口進(jìn)行設(shè)置; 然后執(zhí)行自檢程序, 自檢無誤后開始掃描鍵盤。當(dāng)有按鍵觸發(fā)時(shí), 經(jīng)判斷分別進(jìn)行程序設(shè)定和功能鍵處理。若無鍵觸發(fā)則對(duì) AD 模塊進(jìn)行采樣,并自動(dòng)校零。若程序設(shè)定的 F 1 為 Enable, 則直接顯示 AD 采樣的電壓值后返回循環(huán)起點(diǎn)。反之, 進(jìn)入稱重模塊計(jì)算, 將采樣模塊得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行零點(diǎn)修正和滿度修正后, 可作皮重處理, 也可減去皮重作凈重處理;得到的數(shù)再與開關(guān)量的高低設(shè)定值比較, 輸出設(shè)定的相應(yīng)電平, 達(dá)到控制的目的; 然后顯示稱重值及相應(yīng)狀態(tài); 最后如有打印或通信要求, 執(zhí)行該段子程序后回到循環(huán)起點(diǎn)。

3.1  采樣模塊

稱重過程中, 即使經(jīng)過足夠時(shí)間的延遲, 由于機(jī)械振動(dòng)和電磁干擾等原因, 采樣得到的數(shù)也總會(huì)在真值附近抖動(dòng), 使采樣精度有一定的偶然性。為了克服這個(gè)弊病, 通?？刹捎枚帱c(diǎn)采樣取其平均值或多點(diǎn)采樣取其中值等方法。但這兩種方法都有其不足之處: 平均值法會(huì)引入干擾點(diǎn)誤差; 取中值法可能不在誤差帶中,因而都會(huì)引起較大讀數(shù)誤差。本控制器的采樣模塊軟件設(shè)計(jì)采用多點(diǎn)采樣剔除壞點(diǎn)的辦法, 從而得到了滿意的效果。

3.2  程序模塊

在程序設(shè)定模塊中, 可自由選擇進(jìn)入每個(gè)設(shè)定的內(nèi)容, 也可隨時(shí)保存設(shè)置內(nèi)容并退出, 無需一兜到底經(jīng)歷每一項(xiàng)設(shè)定。程序設(shè)定的內(nèi)容有:

F ₁ 原始值顯示

F ₂ 自動(dòng)零點(diǎn)跟蹤功能設(shè)置

F ₃ 波特率選擇

F ₄ 打印功能

F ₅ 輸出模式設(shè)定

F ₆ 稱重值精度設(shè)置

F ₇ 單位顯示設(shè)置

F  儀表精度標(biāo)定模式

3. 3  稱重模塊

本控制器采用微控制器分析處理測(cè)量結(jié)果, 從而大大提高了系統(tǒng)的精確度。在稱重模塊程序設(shè)計(jì)中采用了非等分距分段的方法進(jìn)行校正, 其特點(diǎn)是函數(shù)基點(diǎn)的分段不是等距的, 而是根據(jù)函數(shù)曲線形狀變化率的大小來修正插值之間的距離。該插值法的原理如下:

用折線 ab、 bc、 cd 來代替曲線 ab、 bc、 cd,可以寫出各段的插值公式為

式中: K ₃ = ( W _d - W _c )/ ( V _d - V _c ); K ₂ = ( W _c - W _b )/( V _c - V _b ); K ₁ = ( W _b - W _a )/ ( V _b - V _a );

3. 4  其余

另外, 功能鍵設(shè)計(jì)有調(diào)零、 皮重設(shè)定、 毛重/ 凈重切換、 開關(guān)量高低值及電平設(shè)定、 打印設(shè)定、 無零檢驗(yàn)設(shè)定等功能。

按鍵程序采用一鍵多用及組合鍵的設(shè)計(jì), 使得儀表面板簡(jiǎn)潔明快, 操作也極為方便。

4  結(jié)束語

本稱重顯示控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 采用高集成芯片簡(jiǎn)化了電路, 縮小了控制器的體積, 且操作方便, 使用 6個(gè)按鍵, 根據(jù) LCD 顯示就可完成多種功能操作, 運(yùn)行可靠, 抗干擾能力強(qiáng), 有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

 

 

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