在自动化定量包装生产线的末端,质量分捡机既能够对小定量包装商品进行动态分捡,又可用于定量困难的农副加工产品如禽蛋、鸡鸭蛋等的质量等级分类,同时可实现对其上位机即充填机或定量包装机的状态监测与反馈控制,也常用于大包装物品的漏装检验及包装生产线的生产数据管理等,在现代化企业中广泛应用。它主要由送样系统、称重系统、控制系统、分捡系统等机构组成。称重系统是整个设备的核心,直接影响着设备的计量性能,系统对质量信号的采集是通过称重传感器实现的,以前采用分立元件和少量运放设计组成的电路系统,存在着稳定性差、故障率高、温度漂移与零点漂移等问题,而基于数字称重传感器设计的电路,实践表明达到了在线称量、瞬间检测、判别分捡、稳定可靠的技术要求,具有误差小、可靠性高、故障率低等优点,提高了企业的生产效率和计量保证能力。图1称重系统基本结构示意图

1.光电位移传感器2.样品输送带3.称重物料4.称重传感器5.称重台面6.油阻尼器7.驱动电机
1工作原理
称重测量系统是提供分捡物品质量信息的重要装置,基本工作原理为:被称量的小定量包装商品由送样系统送至称重系统,当物品到达称重台面的有效位置时,由光电位置检测传感器发出检测信号,然后利用称重传感器将重量信号转化为电信号,经A/D转换器转换为数字信号,由MCS-51单片机控制系统进行信号处理,把质量信号和预先设定的参数进行比较,发出控制判断信号送至分捡系统,由气动执行机构完成分捡操作,设备同时有参数设定和数据显示等功能,其基本结构和工作原理分别如图1和图2所示。

2电路设计
系统电路设计框图如图3所示,电路部分主要由核心单元电路、质量信号检测电路、键盘扩展电路、LCD显示电路、打印机输出电路等单元组成。

2.1核心单元电路
综合考虑系统扩展的方便性、工作的可靠性、性价比等因素,控制系统采用MCS-51系列的8031芯片,其他使用的主要芯片还有27128、62128、8255A、74LS373、74LS139、MAX202等,27128EPROM、62128SRAM芯片为扩展使用的程序存储器,容量为16KB;8255A为可编程的并行I/O口扩展芯片,具有3个8位的并行I/O口,完成CPU与外部设备之间的信息传输;74LS373为带三态输出的8位锁存器,锁存输出P0口的地址信号;74LS139为双2-4线的二四译码器,由于系统扩展电路单元较多,为编址方便,采用74LS139译码器芯片产生片选信号;MAX202为用于串行通讯的电平转换芯片,实现TTL电平和RS-232标准电平的相互转换。8031主控芯片的4个并行I/O口的功能分配如下:
·P0口:外接程序存储器和数据存储器地址的低位字节(即地址总线的低8位),并作为数据总线分时对程序存储器、数据存储器、扩展的外设进行读写操作。
·P1口:P1.0脚用于光电位移传感器信号的输入;P1.1脚用于控制固态继电器的质量分捡信号的输出;P1.2、P1.3脚则用于矩阵式非编码键盘的行扫描。
·P2口:P2.0～P2.5是程序存储器和数据存储器的高6位地址线;P2.6、P2.7连接74LS139译码器的输入脚,用于产生片选信号,分别选中62128、8255A、LCD显示器、μP16打印机等。
·P3口:所有8个管脚均使用其第二功能,RXD、TXD用于称重传感器数字信号的接收与发送;用于打印信号的中断请求输入;T0、T1用于T0、T1定时器/计时器外部计数脉冲输入;和用于扩展的外设和数据存储器的读写选通控制。
控制信号功能如下:RST用于复位电路;ALE作为地址锁存允许输出信号,控制74L373芯片;用于外部程序存储器EPROM的读选通信号输出,控制27128芯片;接地。
2.2质量信号检测电路
系统对质量信号的采集是通过数字称重传感器实现的,在数字称重传感器内部对模拟称重传感器进行A/D转换预处理,并对温度、非线性、滞后、蠕变进行了自动化数字补偿,输出数字信号送给8031单片机处理。检测的核心部件为德国HBM公司生产的FIT/H1/SR2/5K数字称重传感器,量程为5kg,RS-232接口的电阻应变片式数字称重传感器,具有响应速度快、称重精度高、数字化综合误差补偿、抗干扰能力强等特点。数字称重传感器的信号输出方式为被动式输出,当检测到光电位移传感器信号时,8031单片机通过TXD串行信号输出口,向传感器发出数据传输的请求信号,使用时通过软件实现数字称重传感器的通讯协议格式的设定、质量标定及波特率设计等技术参数的调整。本系统的传输波特率为1.2Kb/s,信号输出方式设定为BCD数,8031的晶振频率采用6MHZ,串行口的工作方式为工作方式3,定时器模式为模式2,初值为FAH,数字信号的输出通过MAX202芯片实现RS-232电平信号与TTL电平信号的转换,完成质量信号点对点的串行输入。
2.3键盘扩展电路
系统采用8255A扩展键盘,这种方案需要8031不断扫描键盘。该键盘有16个按键组成,分别是:0～9十个数字键、设置键、查询键、运行键、跟踪键、清除键、确定键、复位键、打印键等。开机上电后,系统进入运行监测状态,此时系统仅显示“ZLFJOK”,表明系统运行正常,运行人员设置参数,确定无误后点击运行键即可运行,运行中系统动态显示产品的超差量和总生产量。各功能键主要实现的作用如下:
(1)设置键:用户可根据不同行业、不同物品的多种需要,自由设定其参数信息,主要输入内容包括:物料类型、皮重值、上下限值的设定等参数,通过操作数字键,观察屏幕显示结果,加以确认。
(2)查询键:主要是为了方便查询和打印历史记录,可查询存放在历史数据查询区当前最新的20个质量数据,并可根据需要计算出产品质量的平均误差和标准偏差。
(3)运行键:该键使设备进入分捡操作运行状态,然后由8031单片机对所称物品进行质量信号的超差判断,送出超差分捡控制信号。
(4)跟踪键:主要解决和克服由于系统误差和外界干扰而引起的设备零点的缓慢变化。
(5)清除键:主要用于清除操作中录入错误的数据,
同时也可实现菜单操作中下级菜单向上级菜单的返回。
(6)确定键:输入完毕后,对所输入数据参数,确认操作正确。
此外,设备还有2个外部触发控制开关,若系统出现异常状态,按下复位键即可恢复到正常的运行监测状态;通过打印键,用户可根据需要随时对当前数据以中断方式实现打印。
2.4LCD显示电路
为了使显示内容丰富、美观,本系统采用香港精电公司生产的16字符×2行字符型液晶显示器MDLS16265B,其内置大规模集成电路HD44780芯片作为主控电路,可以方便地与8031实现连接。LCD的端口地址是:写命令口为8000H、数据口为8100H、状态口为8200H、数据口为8300H。
2.5打印机控制电路
设备需要在运行中随时将数据结果用于打印输出,并且分析其误差,以便于监控定量包装机的工作状态。本系统采用μP16嵌入式针式打印机,通过端口地址C000H采用中断方式,将需要打印的数据或发送到打印机的命令传给打印机。系统键盘、打印机、LCD显示器都是通过8255A芯片与8031相连,因此要实现对所有外设的管理必须能够控制8255A。8255A的A口、B口、C口、命令
口等端口地址分别为:4000H、4001H、4002H、4003H,分别用于控制打印机、键盘、LCD、命令输入等外设的信号输入。
3结论
基于数字称重传感器设计的称重系统电路,达到了在稳定可靠、故障率低、在线称量、瞬间检测的技术要求,分捡速度快、分捡精度高,提高了定量包装商品生产企业的生产效率与计量保证能力,可广泛应用于同类设备称重系统的电路设计。

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