摘要：本文介紹了一種新型自動(dòng)配料儀，其能夠解決配料儀器不能一機(jī)多用的問(wèn)題。該配料儀是基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件和硬件的緊密結(jié)合，使配料儀能適配不同種類傳感器和應(yīng)用于不同行業(yè)。且該配料儀還具有配料可預(yù)置、自動(dòng)去皮、配料顯示、配方存儲(chǔ)、斷電保護(hù)等功能，使其達(dá)到高精度和通用性的目的。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；自動(dòng)配料儀；信號(hào)采集；傳感器 Abstract: The paper introduces the development of automatic dosage apparatus, the dosage apparatus which is based on single chip microcomputer could settle the problem of currency. Through the combination of software and hardware, the automatic dosage apparatus could dispose all kinds of signal which come from different type sensor and field. And it has the function of initialize, automatic flay, display dosage, store dosage, power failure protection, and so on. Keywords: single chip microcomputer; automatic dosage apparatus; signal gathering; sensor 1.概述 當(dāng)前針對(duì)某一行業(yè)，配料儀器所用傳感器種類、量程基本固定，配料的種類數(shù)基本固定，因此，目前的配料儀產(chǎn)品使用場(chǎng)合單一，針對(duì)不同行業(yè)，要設(shè)計(jì)出不同的配料儀，使大批量生產(chǎn)難于實(shí)現(xiàn)，這就使得資源的利用率不高，產(chǎn)品生產(chǎn)成本過(guò)高。因此，能夠開發(fā)出可適配多種不同類型的傳感器，具有智能去皮、精確配料、配料種類數(shù)由操作人員選擇的新型配料儀，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本設(shè)計(jì)就是以基于單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)出能適配不同種類傳感器和應(yīng)用于不同行業(yè)的通用型自動(dòng)配料儀。 2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 目前傳感器技術(shù)已相當(dāng)成熟，傳感器的輸出電壓信號(hào)已較為標(biāo)準(zhǔn)化。但是，不同的傳感器輸出的電壓信號(hào)仍然是有差別的，針對(duì)這種情況，在輸入信號(hào)初期處理上，對(duì)于不同的電壓信號(hào)，需要放大的倍數(shù)是不同的，在設(shè)計(jì)中采用放大倍數(shù)可調(diào)的放大器可方便解決這個(gè)難題。 在控制電路的設(shè)計(jì)上，可依據(jù)配料種類數(shù)最多的那個(gè)行業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，在飼料行業(yè)，配料種類數(shù)一般為8種，在建筑行業(yè)，配料種類數(shù)一般為2～3種，在其他行業(yè)，如冶金、化工等行業(yè)，配料種類數(shù)一般都少于8種。因此，在設(shè)計(jì)硬件時(shí)，以8種配料為基準(zhǔn)。也就是說(shuō)，配料儀可以配料種類數(shù)不超過(guò)8種，具體應(yīng)用于哪個(gè)行業(yè)時(shí)，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，具體用軟件方法實(shí)現(xiàn)。 自動(dòng)配料儀結(jié)構(gòu)如圖1所示： 傳感器送過(guò)來(lái)的電信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理，使之成為適合A/D轉(zhuǎn)換的0～10V的模擬電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，由A/D轉(zhuǎn)換器輸出端輸出數(shù)字信號(hào)至單片機(jī)；單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，形成各種控制信號(hào)，以控制整個(gè)配料過(guò)程。 在電路中還設(shè)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤、顯示電路，通信及打印接口電路。在使用配料儀之前，可以將不同的配方通過(guò)鍵盤輸入控制器，這些數(shù)據(jù)將被保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)，在使用時(shí)，只要通過(guò)鍵盤操作調(diào)出相應(yīng)的配方，按下確認(rèn)鍵，配料儀就會(huì)自動(dòng)完成配料，通過(guò)數(shù)碼管隨時(shí)監(jiān)視配料進(jìn)行情況。此外，也可以有操作人員來(lái)確定配料種類數(shù)和每種料的量，只要按照操作程序由鍵盤輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)就可實(shí)現(xiàn)，輸入的配方可直接儲(chǔ)存到控制器，下次使用時(shí)，只需選擇該配方就可直接調(diào)用，操作相當(dāng)簡(jiǎn)單[4]。 3.硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì) 計(jì)量秤是自動(dòng)配料系統(tǒng)的重要組成部分。使用精度高、性能穩(wěn)定的力傳感器是計(jì)量秤的關(guān)鍵，力傳感器通常以應(yīng)變片為敏感元件。傳感器傳送的信號(hào)采用4051模擬開關(guān)輸入。在放大電路的設(shè)計(jì)上，選用單端輸入的差分式測(cè)量放大電路。 要設(shè)計(jì)出一種通用的自動(dòng)配料儀，在對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理的時(shí)候應(yīng)考慮到傳感器變化，放大倍數(shù)也要根據(jù)不同的場(chǎng)合而變化，因此可將R變?yōu)榭烧{(diào)諧放大倍數(shù)的可調(diào)電阻，用多路開關(guān)選擇加入不同的電阻，從而改變其放大倍數(shù)，達(dá)到一定的通用性。在放大電路圖2中AD7501組成了可調(diào)諧電阻R，當(dāng)多路開關(guān)的選通信號(hào)不同時(shí)，R的阻值就不一樣，放大器的放大倍數(shù)就會(huì)變化。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，由于各種原因，使得輸入信號(hào)對(duì)放大倍數(shù)的要求很復(fù)雜，因此就要求R的阻值既要可變，又要可調(diào)。為滿足使用要求，在R內(nèi)部串聯(lián)一個(gè)電位器，在控制器出廠前，由工作人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法調(diào)整電位器，使放大器放大倍數(shù)精確滿足放大要求。 3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)及復(fù)位電路 AD574A與8051單片機(jī)硬件接口電路如圖3所示。 AD574A片內(nèi)已有時(shí)鐘，故無(wú)需外加時(shí)鐘信號(hào)。該電路采用單極性輸入方式，可對(duì)0～10V和0～20V模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)AD574A與89C51配置時(shí)，由于AD574A輸出12位數(shù)碼，因此單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，需分兩次進(jìn)行：先高8位、后低4位。由A0=0或A0=1來(lái)分別控制讀取高8位或低4位[1]。 單片機(jī)可以采用中斷、查詢、延時(shí)方式讀取AD574A轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)中單片機(jī)采用延時(shí)方式，在編寫程序時(shí)用延時(shí)語(yǔ)句來(lái)獲得一段時(shí)間，使AD574A有足夠的時(shí)間完成A/D轉(zhuǎn)換。 復(fù)位電路是保證單片機(jī)系統(tǒng)可靠工作的關(guān)鍵電路，在這里我們使用了專用看門狗集成芯片X25045，該芯片內(nèi)部有振蕩器、計(jì)數(shù)器、微分電路等組成。定時(shí)時(shí)間可以從200毫秒到2秒，同時(shí)該芯片內(nèi)部還有512字節(jié)的E2PROM，用于保存系統(tǒng)的參數(shù)，在系統(tǒng)中設(shè)置定時(shí)時(shí)間要根據(jù)程序的運(yùn)行周期來(lái)確定。 3.3鍵盤及顯示電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中鍵盤顯示電路選用芯片zlg7289A。zlg7289A是廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司自行設(shè)計(jì)的，具有SPI串行接口功能的可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨(dú)立LED）的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。配合相應(yīng)的鍵盤顯示子程序，即可實(shí)現(xiàn)配料儀8位紅色LED顯示及包含有數(shù)字鍵和功能鍵在內(nèi)的15個(gè)按鍵正常工作。 4.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟件開發(fā)，常常要用到一些程序設(shè)計(jì)技巧。 ⑴ 模塊化設(shè)計(jì)方法 模塊化程序設(shè)計(jì)方法是把一個(gè)功能完整的較長(zhǎng)的程序分解為若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的較小的程序模塊，各個(gè)程序模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，編制程序和調(diào)試，最后把調(diào)試好的程序模塊連成一個(gè)大的程序。 ⑵ 自頂向下的程序設(shè)計(jì)方法 先從主程序開始設(shè)計(jì)，各輸出的終端程序和子程序用符號(hào)來(lái)代替。主程序編好后再編制各輸出的終端程序和子程序，最后完成整個(gè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。調(diào)試也是按這個(gè)次序進(jìn)行的。 ⑶自下向上的程序設(shè)計(jì)方法 先了解適合系統(tǒng)中用到的各個(gè)芯片的編程方法，并編好設(shè)置和使用各個(gè)芯片的子程序模塊，然后再編寫主程序，而主程序往往是由調(diào)用各個(gè)字模塊的子程序來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。 自動(dòng)配料系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)中采用模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的功能，分成若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的模塊，包括串行通信模塊、顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和配料控制模塊等。 主程序主要完成數(shù)據(jù)采集、配料控制、數(shù)值顯示等功能。開機(jī)后首先初始化子程序，包括設(shè)置中斷入口、RAM區(qū)自檢、各標(biāo)志位設(shè)置等，然后顯示儀表型號(hào)，接著進(jìn)入主測(cè)量程序，并同時(shí)進(jìn)行繼電器控制。此時(shí)，按功能鍵可進(jìn)入按鍵散轉(zhuǎn)子程序，根據(jù)鍵值進(jìn)行按鍵功能選擇，可選擇控制值設(shè)定、參數(shù)標(biāo)定等。主程序流程如圖6所示。 5.抗干擾措施 一般來(lái)說(shuō)，干擾主要是外界電磁場(chǎng)、接地線不合理和整流電源的交流紋波等原因造成的，即當(dāng)放大電路輸入端輸入信號(hào)電壓Vi=0時(shí)，使輸出端可能出現(xiàn)交流干擾電壓[3]。 對(duì)于雜散電磁場(chǎng)的干擾，可采取合理布局和屏蔽的抑制措施。 將各級(jí)的共同端都直接接到直流電源負(fù)的共地點(diǎn)，則可克由于接地點(diǎn)安排不正確而引起的干擾服。 對(duì)于直流電源電壓波動(dòng)引起的干擾，可采用穩(wěn)壓電源供電，并在穩(wěn)壓電源的輸入和輸出端加一足夠大的電解電容或鉭電容的濾波電路。對(duì)于運(yùn)算放大器，為防止直流電源的干擾，可在電源引腳和地之間加一鉭電容防止低頻干擾，加一獨(dú)石電容防止高頻干擾。 對(duì)于交流電網(wǎng)負(fù)載突變產(chǎn)生的高頻干擾?？梢圆扇∫韵麓胧┘右砸种疲孩?穩(wěn)壓電源中電源變壓器原副邊之間加屏蔽層，同時(shí)屏蔽層要很好接地；⑵ 在穩(wěn)壓電源交流進(jìn)線處加濾波電路濾去高頻干擾；⑶ 采用“浮地”，即交流地線與直流地線分開，而且只有交流地線接大地。 在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前，一般先要對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波以消除或減弱被測(cè)信號(hào)中的噪聲干擾。本設(shè)計(jì)中采用的是平均值濾波，用純軟件的方法來(lái)排除噪聲干擾，可靈活修改濾波參數(shù)。 5.結(jié)束語(yǔ) 新型自動(dòng)配料儀的開發(fā)，能使其適合不同種類傳感器，能用于不同行業(yè)，解決了目前配料儀不能一機(jī)多用的問(wèn)題。該通用型配料儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能靈活，便于維護(hù)，并且具有良好的抗干擾能力，有利于提高系統(tǒng)的可靠性和性價(jià)比，具有明顯的應(yīng)用推廣價(jià)值。 參考文獻(xiàn) [1] 宋定華.單片機(jī)原理及接口實(shí)驗(yàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.11. [2] 欒桂冬.傳感器及其應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.1. [3] 盧文科.電子檢測(cè)技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002. [4] 何瑞，賈磊.基于PLC控制的自動(dòng)配料系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，（23）86～87. 作者簡(jiǎn)介：周曉慧（1980-），女（漢族），陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院助教，碩士，主要從事電氣傳動(dòng)的研究。 聯(lián)系方式：手機(jī)：13689292009 郵箱：西安市未央大學(xué)園區(qū)陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 郵編：710021 E-mail: zhouxiaohui@sust.edu.cn