0前言

目前,电子衡器已经进入各行各业,并得到了快速发展和广泛应用。称重显示控制器是电子衡器的重要基础部件,它是一种具有显示、输出、定值控制和通信功能的、以微控制器为操作核心的称重控制装置,与合适的传感器及执行机构组合后可构成各种定值秤、配料秤等,广泛应用于饲料、冶金、化工、建材等行业的重量测控系统,是称重配料控制和生产过程自动化必不可少的检测和控制装置。

随着自动称重系统的广泛应用,对称重显示控制器的要求也越来越高。传统的称重显示控制器多使用LED数码管或字符型液晶显示模块作为人机交互界面,以符号或英文字母表示信息,用户使用极不方便。

为此,笔者研发一种以单片机STC89C58RD+为控制芯片、以OCMJ4X12B为显示终端的控制系统。

1称重显示控制器的硬件构成

控制器的硬件结构主要包括数据测量部分、数据的处理部分和控制信号的输入/输出部分。

1.1数据测量部分

该部分主要包括称重传感器、运放及滤波电路和ADC等。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直流运算放大器放大,有源滤波电路对其进行滤波后,再由ADC模块进行模/数转换,最后送入单片机。

称重传感器采用梅特勒-托利多的SB系列称重传感器,具有精度高、稳定可靠、使用寿命长等特点。

直流运算放大器选用的是具有低漂移、低功耗、高精度性能的放大器INA129。它是一个体积很小的8引脚塑料DIP和SO-8表面衬底封装器件[1]。INA129的增益计算为:

G=(49.4kΩ/RG)+1(1)

式中G—增益;RG—外部增益设置电阻,可接在引脚1和引脚8之间对增益进行设置;49.4kΩ—INA129内部设定电阻修正的标准阻值。

有源滤波电路中选用了模拟有源滤波器MAX275,它是美国MAXMI公司生产的通用型有源滤波器。中心频率/截止频率可达300kHz,且无需时钟电路,因此与开关电容滤波器相比,其噪声更低,动态特性更好。另外,MAX275配以合适阻值的外接电阻即可达到良好的滤波效果,能够完全满足控制器设计的需要。

ADC模块是控制器硬件设计中的一个重要部分。本研究选用美国CirrusLogic公司推出的一种具有高精度、低噪声、多通道特点的△—∑型模拟/数字转换器CS5532。其内部含有一个增益可选的载波稳定测量放大器和一个4阶差动△—∑调制器,非常适合测量称重传感器输出的毫伏信号,且可得到高达24位分辨率的输出结果[2,3];具有灵活简便的三线串行接口,可直接与单片机进行数据传输。

CS5532提供了2个模拟输入通道,在本设计中选用通道1(AIN1+、AIN1-)来接收经INA129放大和MAX275滤波后的模拟信号,通道2直接接地。R1、C2用于组成模拟电源VA+与数字电源VD+之间的RC滤波器。主时钟OSC1、OSC2根据设计需要外接晶振4.9152MHz,负载电容C3、C4均为12pF。C5为信号输入端滤波电容。CS5532与STC89C58RD+的接口引脚有CS、SD、ISDO及SCLK,它们分别接至单片机的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3。片选端CS是串行口允许访问控制线,当P1.0置CS为低电平时,串行口可作为三线接口来访问。SDI为串行数据输入端,将STC89C58RD+发出的控制信号传送给转换器。SDO为串行数据输出端,将经转换器处理后的称重数据送到单片机。若P1.0把CS引脚置为高电平,则SDO处于高阻态。SCLK为串行移位时钟,是数据位移入或移出ADC串口的控制时钟,只有当CS=0时,SCLK才能被端口逻辑识别[4]。

1.2数据处理部分

该部分的功能是单片机通过处理外部电路单元的输入信号来获取测量数据以及与被测量有关的系统值。称重显示控制器中的单片机除了需要对A/D转换后的数字信号进行处理外,还要对按键信号、串口通讯信号等进行检测分析。因此,单片机性能的优劣将直接影响控制器的整体性能。为了提高系统的运算速度与可靠性,同时考虑到控制器的实际工作环境中一般会有静电、辐射和振动等外界干扰,本研究选用了STC89系列中的单片机STC89C58RD+作为核心控制芯片。该单片机不仅运行速度快,性价比高,而且其内部电源供电系统、I/O口、时钟电路、复位电路、看门狗电路等均经过特殊处理,具有超强抗干扰、抗静电功能[5,6]。

1.3控制信号的输入/输出部分

控制信号的输入/输出主要由按键、液晶显示、开关量输入/输出、串口通讯等电路单元组成。

(1)按键。控制器设计了6个发声按键对显示终端进行操作,分别是/+0键、/-0键、/z0键、/y0键、/确定0键及/取消0键。

(2)液晶显示。本控制系统的终端人机交互界面主要用于显示测控数据、系统工作状态以及查看、设定和修改系统参数等。为了实现信息的全中文显示目的,使终端显示界面更为友好,液晶显示器选用的是OCMJ(奥可拉中文集成模块)B系列液晶显示模块OCMJ4X12B。该模块内含GB231216*16点阵国标一、二级简体汉字字库和ASCII码8*8(半高)及8*16(全高)点阵英文字库[7]。输入GB2312区位码或ASCII码即可实现汉字或字符显示,可显示4行,每行可显示12个汉字或24个字符;同时模块采用REQ/BUSY两线握手通讯协议的标准用户硬件接口,不占用单片机串行通信单元的资源,使得系统更为简单可靠。

显示器的并行接口直接与P2口相连接,其他控制脚与P1口连接。为避免背光源功耗相对较大而影响模块显示,这里采取两组电源对模块电源VDD与背光电源LED分开供电,外接10kΩ电位器RPT用以调整显示对比度。根据实验得出,当VEE与VO间的电压处于2V±0.2V时,显示对比度最佳。

(3)开关量输入/输出。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。本系统设计了8个控制按钮对执行机构进行操作,分别为启动、自动/手动、暂停、夹袋、进料、卸料、松袋及清除报警。仪表开关量输入为低电平有效。输入接口外接手动按键,每次只能有一个按键闭合,且闭合时间大于100ms为有效。

控制器开关量输出为控地方式,采用光电隔离的方法,接口由外部提供一路直流24V电源作为开关量工作电源。开关量输出为晶体管集电极输出,可直接驱动24V直流继电器或小型直流负载,驱动电流可达1A。开关量输出可用于执行机构的驱动、状态指示或报警。

(4)串口通讯部分。为了提高系统的数据传输速率和长距离通讯性能,采用了线路设计简单、控制方便的RS-485串行总线传输标准。串口通讯芯片选用MAXMI公司生产的MAX485,通过芯片的DI、RO引脚和单片机的TXD、RXD引脚相连,构成了一个简单的集散型控制系统,使得控制器可方便地与远端PC机和打印机进行通讯。

2称重显示控制器的软件设计

控制器的软件系统按照现代软件设计方法,采用菜单模块化结构进行设计,使得系统软件具有结构清晰、调试方便、易维护、易扩充等优点。从工作原理来看,整个系统的功能模块有:按键处理、数据检测及处理、开关量输入/输出信号处理、终端液晶显示以及串口通讯处理等。

3结束语

本称重显示控制器主要用于物料包装的测量与控制,目前已经通过实验并进入试用阶段。从现场运行情况来看,经过不断调试和完善该控制器能够准确、清晰、实时地完成系统的显示与控制,满足了用户的要求,并具有很好的稳定性。在对该控制器进行一定的软、硬件改造后,便可将控制器推广应用于其他相关行业。

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