针对粉状物料定量下料的特点, 设计一种基于STC89单片机的定量称重控制器, 是一个机电一体化的计算机控制系统。采用STC89单片机配以必要的控制接口和控制软件, 实现定量下料的实时动态检测和定量控制。设计的控制器具有可控性强、定量计量精度高、性能稳定、操作简便等特点。
粉状物料重量是食品、化工、医药、饲料等行业的重要工艺参数, 重量计量的准确与否直接影响到企业的信誉和经济效益。目前, 随着我国食品、化工、医药、饲料等行业的迅猛发展, 定量称重控制器已在成品包装行业得到广泛应用。采用定量称重控制器的包装机可大大提高自动化程度, 减轻劳动强度, 保障生产的可靠性、安全性, 降低生产成本, 提高产品的质量及经济效益。同时随着电子技术的不断发展和进步, 对定量称重控制器的可靠性、稳定性及功能健全方面的要求也越来越高。
本文所设计的控制器首要解决定量计量精度、ADC转换速率和可靠性, 其次完善控制器的功能, 使之更具有通用性和实用性。
1 系统的工作流程
定量称重包装机械设备粉状物料由供料机构送至备料斗, 由备料斗向计量斗装料采取三料速送方式, 即大、中、小粉状物投料在计量斗完成定量称量后, 卸料至包装袋中, 整个定量过程由定量称重控制器进行控制, 同时该控制器还提供夹袋、松袋控制。本控制器通过对定时器的编程, 实现了过程时间控制。只需要进行数据输入就可以完成标定、工作参数设置、配方参数设置、日期时钟输入等操作。进行包装前, 从面板按键上输入运行参数( 包装袋数、总重量、额定袋数等) 和配方, 或在计算机上操作通过通讯口输入。进行包装时, 控制器根据运行参数和配方通过I/O口信号的输出控制喂料电磁阀和夹袋电磁阀及其他执行机构。为了保证喂料和卸料的速度, 又要保证称重的精度, 计量过程分为大投、中投和小投阶段。在一次称重包装过程结束后, 控制器将自动把“包装袋数”加1, 然后把总袋数与额定袋数比较,若二者相等则停止下一次称重包装过程, 返回至停止状态。反之, 则继续进行下一次称重包装过程控制。包装结束后, 控制器进入停止状态界面。
2 系统实现
本定量称重控制器是一个机电一体化的计算机控制系统。采用STC89单片计算机配以必要的控制接口和控制软件, 实现定量下料的实时动态检测和定量控制。
2.1 系统结构
定量称重控制器是以STC89单片机为核心部件的智能化仪器。系统由STC89单片机、称重传感器、信号的采集部分、A/D及转换控制信号的输出等组成。由于采用单片计算机和大规模集成电路技术、模块化电路结构设计, 因此该系统具有结构简单、功能强、性能稳定、控制精度高、操作维护方便等优点。
2.2 信号检测及控制
定量称重控制器中单片机需要对A/D 转换后的数字信号、按键信号、串口通讯信号等进行处理, 数据处理部分是通过处理其输入的数字信号来获取测得值以及与测量有关的必需值。定量称重控制器的应用场合一般还会有静电、辐射和振动等干扰, 根据这些设计需要, 我们选用了STC89系列中的STC89C58RD+单片机。其内部电源供电系统、I/O口、时钟电路、复位电路、看门狗电路均经过特殊处理, 所以具有超强抗干扰、抗静电功能。信号采集是将传感器输出的信号变成适用于数据处理的信号。本控制器信号采集是由电阻应变桥式称重传感器将受力时产生形变的电压信号经过直流运算放大器进行放大, 有源滤波电路对其进行滤波后由A/D转换模块进行模数转换, 最后送入单片机。直流运算放大器选用的是具有低功耗通用的高精度放大器INA128。有源滤波电路中选用了两个CA3140。
定量称重控制器的性能除主要取决于单片机外,很大程度上还取决于A/D转换器。本设计选用的是高精度模数转换芯片ADS1211, 具有24位精度并内含自校正Σ- Δ转换器、二阶Σ- Δ调制器、可编程数字滤波器和微处理器。芯片内有半自动校准功能, 与SPI兼容, 并可提供双线控制模式。由于定量称重控制器对信号的精确度要求较高, 所以为了提高测量数据的稳定度、消除干扰, A/D转换部分的基准电压和传感器供电电源及控制信号输出电路是用于传输处理好的测量结果。主要由液晶显示电路、开关量输入输出电路、串口通讯电路等构成。本控制器的液晶显示器主要用于监控称重数据、显示工作状态、查看有关参数、输入数据及实时时间等。液晶显示器选用的是OCMJ (奥可拉中文集成模块) B系列液晶显示器OCMJ4X12B, 用户输入GB2312区位码或ASCII 码即可实现文本显示。
开关量输入输出部分: 开关量实现的是按钮操作信号的输入和单片机控制执行机构信号的输出。串口通讯部分: 串口通讯芯片选用的是MAX232A, 外围电容为无极性的104电容。由单片机STC89C58RD+的TXD、RXD引脚和MAX232A芯片的T1IN、T2IN引脚连接形成通用的RS- 232接口。这样, 控制器就可以方便地与计算机、打印机进行通讯了。
3 控制软件
软件设计采用调试方便、结构清晰的模块化结构。程序用Keil Cx51语言编写。软件部分主要实现数据处理, 控制器外设( 按键) 控制, 功能菜单显示以及与串口的数据通讯等。程序包含了A/D采集、按键/开关量输入、液晶显示、实时时钟、数据存储、串口通讯等内容。

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