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配料控制器與電子配料控制器設(shè)計方案
配料控制器采用雙CPU設(shè)置，A/D采用三積分原理，具有速度快、精度高、穩(wěn)定可靠、操作方便、結(jié)構(gòu)新穎等特點，是理想的小型配料控制器。采用無極性無觸點電子開關(guān)量輸出，保證整機(jī)長壽命工作。配料控制器為傳感器提供精密橋源，并接受傳感器的輸出信號，經(jīng)內(nèi)部采集處理后計算并顯示出計量斗內(nèi)物料的重量值。在控制器啟動運行后，通過對計量斗內(nèi)物料的重量值與各路定值的比較，順序?qū)崿F(xiàn)料一、二、三、四的自動上料控制，并能實現(xiàn)自動落差修正，然后等待左（右）卸料允許信號，來實現(xiàn)自動左（右）卸料。
下面來為大家介紹一種電子配料控制器的設(shè)計方案, 該電子配料控制器以TI 公司的MSP430F149 單片機(jī)為控制核心,集成了電源模塊, 放大器及輸入輸出驅(qū)動模塊, 通信模塊, 鍵盤和顯示模塊等, 并針對單片機(jī)抗干擾性能較弱的特點, 不僅采用光電耦合技術(shù)、加接去耦電容以及合理布線的硬件抗干擾設(shè)計, 而且采用看門狗技術(shù)和數(shù)字濾波技術(shù)等軟件抗干擾技術(shù)。該設(shè)計方案的特點是控制器整體結(jié)構(gòu)緊湊, 體積小, 功耗低, 操作靈活方便, 使用安全可靠。
        在不少生產(chǎn)過程中, 高精度、高速度配料對產(chǎn)品質(zhì)量顯然是至關(guān)重要的, 目前以單片機(jī)作為控制核心的電子配料控制器, 以其測量準(zhǔn)確度高、性能可靠、成本低廉、體積小和使用范圍廣等優(yōu)點[ 1] , 正在逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的自動配料生產(chǎn)線中的稱量控制系統(tǒng)。如今, 電子配料控制器已經(jīng)在建材、化工、飼料和制藥等行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用, 不僅有效地提高了生產(chǎn)效率, 而且極大地保證了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量, 但在現(xiàn)實使用中還存在著不少問題[ 2] , 如: 配料精度與配料速度之間存在著矛盾, 即當(dāng)快速給料時, 稱量速度可以保證, 但精度難以保證; 當(dāng)慢速給料時, 稱量精度能保證但效率低。針對上述問題, 本文基于一種預(yù)測控制算法設(shè)計電子配料控制器, 可有效地提
高稱量精度和效率。
1 控制系統(tǒng)的設(shè)計
配料稱量系統(tǒng)由稱量箱和若干儲料箱組成[ 3] ; 儲料箱與稱量箱由輸料管連接, 每個輸料管均有大流量出料閘門A 和小流量出料閘門B 兩個控制閘門, 每個閘門可選用氣動驅(qū)動或液壓驅(qū)動; 稱量箱下裝有四個應(yīng)變式傳感器以檢測進(jìn)料重量并產(chǎn)生稱重信號; 稱量箱下的出料閘門R5 控制卸料。電子配料控制器通過單片機(jī)對稱重信號檢測, 并根據(jù)控制算法對閘門進(jìn)行控制, 完成配料工作[ 4] 。如圖1 所示( 圖中僅為兩種物料M1 和M2 的下料裝置) 。
1. 1 硬件設(shè)計
單片機(jī)是系統(tǒng)的核心部件, 本系統(tǒng)選用TI 公司的MSP430F149 單片機(jī)[ 5] , 該單片機(jī)具有16 位數(shù)據(jù)總線, 64KB 的程序存儲器, 2KB 的數(shù)據(jù)存儲器, 8 路12 位AD 轉(zhuǎn)換器, 2 個通用串口, 3 個時鐘源, 運算速度較快。選用該單片機(jī)基本不需外擴(kuò)接口?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示[ 6] 。
稱重傳感器產(chǎn)生的毫伏信號0~ 20mV 經(jīng)一運算放大器放大到適合AD 轉(zhuǎn)換器的工作電平, 單片機(jī)將稱重信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號, 經(jīng)標(biāo)度變換轉(zhuǎn)換成工程量對進(jìn)料進(jìn)行計量, 當(dāng)進(jìn)料達(dá)到設(shè)定值時, 通過隔離的數(shù)字輸入輸出接口控制相應(yīng)的閘板開啟或關(guān)閉。系統(tǒng)通過7 段LED 數(shù)碼管顯示測量的工程量值,通過鍵盤對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和調(diào)試。系統(tǒng)還設(shè)有RS232 和RS485 接口可以與上位機(jī)通信, 便于系統(tǒng)的管理和控制。硬件設(shè)計主要包括電源模塊、放大器及輸入輸出驅(qū)動模塊、通信模塊、鍵盤和顯示模塊等。
(1) 電源模塊。對系統(tǒng)的供電電源采用交流穩(wěn)壓器, 再經(jīng)過隔離變壓器及能濾除高頻干擾的LC 濾波器, 產(chǎn)生隔離的儀表放大器電源, 單片機(jī)電源, 通信模塊電源以及輸入輸出模塊的電源, 極大地減少了各個模塊之間的相互干擾。
( 2) 放大器及輸入輸出驅(qū)動模塊。本電子配料控制器的放大器是由單個運放組成的儀表放大器, 它具有很高的共模抑制比, 能將共模部分濾去, 傳感器的輸出信號經(jīng)放大后, 就可以得到一個大小與負(fù)載成正比的差模電壓信號, 這個電壓信號反應(yīng)了稱重傳感器所承載重量的大小, 單片機(jī)內(nèi)部的12 位A/ D轉(zhuǎn)換器將這個電壓信號轉(zhuǎn)換成能被單片機(jī)處理的數(shù)字信號。在模擬信號輸入A/ D 轉(zhuǎn)換器前采用低通濾波技術(shù), 濾掉混入模擬信號中的高頻成分。一般稱重配料現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣, 干擾因素諸多, 為了增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力, 并提高系統(tǒng)可靠性, 在開關(guān)量輸入及輸出驅(qū)動中采用專門設(shè)計的光電耦合隔離技術(shù)[ 7], 可以有效抑制尖峰脈沖和各種噪聲干擾。
( 3) 鍵盤和顯示模塊。僅用四個按鍵通過按鍵組合的形式進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置和修改?？紤]到單片機(jī)I/O 口資源比較豐富, 而且P1 和P2 口具有獨立中斷能力, 因此, 采用兩片可同時驅(qū)動鍵盤和顯示器的驅(qū)動芯片直接接到單片機(jī)的I/ O 口上, 并通過中斷方式由CPU 來響應(yīng)。系統(tǒng)顯示設(shè)計為雙顯示器和發(fā)光二極管相結(jié)合的方式[ 8], 雙顯示器同時顯示毛重和凈重, 發(fā)光二極管分別表示物料種類、穩(wěn)定、快速給料、慢速給料、報警等信息。
( 4) 通信模塊。在通信模塊的設(shè)計中, 對單片機(jī)和通信芯片之間的接收和發(fā)送信號均采用光電耦合電路, 提高抗干擾性能。用戶可根據(jù)需要通過撥碼開關(guān)選擇采用RS485 或RS232 通信模式, 方便地與控制主機(jī)通信。
1. 2 軟件設(shè)計
根據(jù)配料的工藝要求,當(dāng)某一儲料倉開始下料時,大小閘門同時打開, 當(dāng)下料量達(dá)到該物料的第一設(shè)定值時關(guān)閉大閘門, 小閘門保持打開, 一直到該物料下料量達(dá)到最終設(shè)定值后關(guān)閉小閘門。對每一種物料重復(fù)上述過程, 直到所有物料稱量完畢, 最后打開稱量箱閘門卸料[ 9] 。為了完成上述控制要求, 采用狀態(tài)控制法設(shè)計控制軟件, 以兩種物料M1 和第 1期 張娟梅等: 基于MSP430 系列單片機(jī)的電子配料控制器設(shè)計 41M2 的配料為例, 其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖見圖3。根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計的主程序流程圖見圖4, 物料M1 的配料過程( 圖3 中1、2、3 態(tài)) 狀態(tài)處理流程圖見圖5, 物料M2 的配料過程( 圖3 中4、5、6態(tài)) 與M1 的配料過程相似。本系統(tǒng)軟件采用IAR 公司為MSP430 系列單片機(jī)開發(fā)的編程調(diào)試環(huán)境設(shè)計的C 語言程序[ 10] , 其可讀性強(qiáng), 執(zhí)行效率高。主要控制程序如下:
unsigned const G11, G12, G21, G22; / /M1, M2 物料第一設(shè)定值和最終設(shè)定值
unsigned int state, relay, start, G, result;
int readcommand( void) ; / / 讀命令
int getad( void) ; / / 獲取A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果
void init ( void) ; / / 初始化
void open( relay) ; / / 打開閘門
void close( relay) ; / / 關(guān)閉閘門
void main( void)
{WDTCTL= WDTPW+ WDTHOLD; / / 關(guān)閉看門狗定時器
init( ) ; ADC12CTL0| = 0X01; / / 初始化, 設(shè)置A/ D 轉(zhuǎn)換器
switch ( state) / / 讀狀態(tài)
{ case 0:
start= readcommand( ) ; if ( start ) state= 1; else state= 0; break;
case 1:
open(R1) ; open( R1. ) ; result= getad( ) ;
if ( result> = G11)
state= 2; else state= 1; break;
case 2:
close(R1) ; open( R1. ) ; result= getad( ) ;
if ( result> = G12)
state= 3; else state= 2; break;
case3:
close(R1) ; close( R1. ) ; break;
,
case 7:
open(R5) ; state= 0; break;
default; }
_NOP( ) ;
}
2 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計
硬件方面, 在電路設(shè)計中除了采用光電耦合技術(shù)提高系統(tǒng)抗干擾能力外, 在設(shè)計印刷電路板時, 電源部分、模擬部分及數(shù)字部分各自獨立成塊, 而且用較粗的線布地線, 模擬地與數(shù)字地一點接地; 每一個分支處的電源與地之間加接去耦電容, 盡量降低各芯片信號之間的相互耦合[ 11] 。軟件方面, 使用看門狗技術(shù)監(jiān)控軟件運行, 而且對所有采集的數(shù)據(jù)采用數(shù)字濾波技術(shù), 消除脈沖干擾的影響。
 

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