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基于MCS―51单片机的称重系统设计

  摘要:文章以MCS-51单片机为核心,采用称重传感器和速度传感器作为测量单元,设计了一种称重系统,本系统在主板的处理电路上实现了对输入信号的滤波和放大功能,并且采用A/D采样芯片对其采样后,单片机对采集到的数据进行数据处理得到皮带速度及传输重物的质量,进而运算得出瞬时流量,达到称重目的。
  关键词:单片机;模数单元;运放电路;滤波电路;传感器;键盘扫描
  中图分类号:TP272 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2014)10-0041-03
  技术革命源于信息革命,钢铁生产亦是如此。在钢铁生产过程中,由于工艺中存在着大量的人类感官无法直接获取的信息,而这些信息对于工艺中矿粉烧结、钢铁熔炼、轧钢系数等步骤有着十分重要的意义。
  因此,钢铁生产过程首先要解决的就是要获取准确可靠的计量信息,而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段,在现代工业生产过程中,无论原料还是半成品、成品经常性的要使用各种称重系统来达到监视和控制生产过程中的各个物或料的参数的目的,从而使设备工作在正常状态或最佳状态,最终使产品达到最好的质量,简而概之,没有一个的优良的称重系统,现代化生产也就失去了基础。
  1 系统各部分单元概述
  单片机:是单片微型计算机的简称,英文缩写MCU,是采用超大规模集成电路技术,把具有数据处理能力的中央处理器、存储器、I/O口及中断系统、计数器等功能集成到一块硅片上,从而构成一种小而完善的嵌入式微控制器,在工业生产上,尤其是工业控制领域,具有非常广泛的应用,在现代工业体系中,复杂的控制工业系统或智能仪表上,甚至有数百片单片机在同时工作。
  称重传感器是这样的一种检测装置,当被称物体放置在秤体的秤台上时,它感受到被测量物的重量信息,并能将检测到的信息,按照一定的规律(力-电效应)变成具有正比函数关系的电信号(电压或电流等),从而得到被秤物体的重量,用以满足工业上对于被测量物的信息显示、记录、处理、控制等要求。
  速度传感器是一种直流或交流测速发电机,它可以将直线速度或旋转速度转变为电信号,当传感器与运动物体相接触,就会产生一连串的电脉冲,通过检测到的脉冲数,从而计算出物体的速度。目前工业生产中,最为广泛采用的速度传感器为直流测速发电机。
  称重技术:是采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置,同时还能够有效地消除人为误差,使之更符合计量管理和工业生产过程控制的应用要求的一种技术,其广泛应用于工业、农业、科研等部门。同时,称重设备在习惯上也被称为秤。
  模数转化器(A/D转化器)、运放及滤波电路:模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的系统,是一个滤波、采样保持和编码的过程,模拟信号经带限滤波,采样保持电路,变为阶梯形状信号,然后通过编码器,使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码;运算放大电路其实是一个将两个相差不是很小的电压进行比较的比较器系统,能实现电压信号的很高倍数的放大;滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波,一般由电抗元件组成,其作用能尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分,保留其直流成分,从而使输出电压纹波系数降低,波形变得比较平滑。
  键盘扫描技术:无论采用何种控制系统,都需要一个人机对话装置,这种人机对话装置一般采用键盘和LCD或LED显示器,键盘可以实现人机的输入,事件输入包括键盘输入,通讯接口,事件中断等,而显示器可以实现人机的输出,输出结果指示包括LED/LCD显示、通讯接口、外围设备操作等,通过这样的输入和输出从而实现人工可视的控制及操作功能。
  LCD显示(Liquid Crystal Display):是利用液晶分子的物理结构和光学特性进行显示的一种技术,一般常用的液晶型态为向列型液晶,在不同电流电场作用下,液晶分子会做规则旋转90度排列,产生透光度的差别,如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别,依此原理控制每个像素,便可构成所需显示图像。
  2 由单片机控制的称重系统设计方案
  2.1 称重系统设计原理
  本设计方案中,采用的皮带秤为多托辊悬浮式秤架结构,当输送带上所载重物通过有效测量单元时,皮带秤秤体即托辊和架秤将其重量通所产生的压力信号传送给重量传感器,称重传感器通过运算放大器放大并且经过滤波电路滤波后,将称重的脉冲信号输入模数(A/D)电路单元进行采样,当信号变为数字信号时,再送入单片机(嵌入式微控制器)进行数据处理,与此同时,速度传感器也将皮带的速度通过模数电路转变为脉冲信号,进入信号放大单元,再进入单片机进行数据处理,单片机通过对速度和质量这两种信号的处理,就可以得到皮带上传输物体的重量。
  另外,在处理传感器信号的同时,MCS-51也在不断扫描键盘和各种功能开关,根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、运算,运算结果送到单片机内部的存储器,当需要显示或者其他操作时,单片机发出指令,从存储器中读出数据送到显示器显示或将指令发送给其他的操作设备。
  重量计算原理为:输送带输送物料时,主控机连续测量输送带上每单位长度的载荷值并与皮带在同一时刻的速度相乘,测得结果为物料的瞬时流量。
  2.2 系统硬件及外围电路介绍
  本系统中,用于动态称重的单片机采用的是基于8051内核的MCS-51单片机,完成皮带测速、重量累加、显示以及远程通信等功能,其优点为片内存储器为闪速存储器,速度更快、尺寸更小,且有4个8位I/O接口,便于扩展。
  A/D转换模块采用AD7190芯片,它集成了一个低噪声、24位Σ-Δ型模数转换器,片内低噪声增益级意味着可直接输入小信号。
  称重传感器采用电阻应变式集成传感器,其工艺简单,成熟,精度较高;外围信号放大电路(运放)采用ADA4528-1,该运放温飘小,广泛用于信号处理,同时传感器安装位置必须防尘隔噪。
  速度传感器采用光电脉冲集成传感器,光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样。因为MCS-51具有输入捕捉脉冲信号功能,故速度传感器的输出信号可以直接进入单片机进行信号处理,降低了系统运转
  周期。
  防抖动电路:速度传感器的信号经过防抖动电路处理后,能够更加的稳定与精确。
  键盘扫描及远程通讯模块:本系统采用防尘、防水的金属键盘,因为考虑到生产环境的恶劣性,故采用密封性好的金属键盘,利用单片机I/O口扫描,功能键可以根据软件程序设计;同时,本设计也涵盖了控制器局域网络(CAN总线),重量信号也可以把采集到的数据通过现场总线传输到其他端口,保证了分布式控制系统各节点之间实时、可靠的通信,具体实现方法为在主板扩展槽中安装通讯板,采用主从式通讯协议,上位机可以发送控制命令读写称重过程参数和显示,或直接进行远程键盘操作,通讯板使用标准RS-232或RS-485方式。
  3 结语
  总之,称重技术的发展向计算机化、网络化、一体化、智能化方向发展,解决了钢铁生产过程中繁琐的计量问题,保证了生产的高效,有着极大的经济效益和社会效益。
  参考文献
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  [2] 贾伯年,俞朴.传感器技术[M].东南大学出版社,1999.
  [3] 方原柏.电子皮带秤[M].冶金工业出版社,2007.
  [4] 张友德.单片微型机原理、应用与实验[M].上海:复旦大学出版社,2005.
  作者简介:李云(1982―),男,长治钢铁(集团)有限公司助理工程师,研究方向:电气智能化。


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