基于单片机胡玻璃配料称重系统

1、1 引言在玻璃行业中， 通过电振机或绞龙电机供料是技术成熟并被广泛采用的方法， 其优点 是结构简单控制方便。 在此基础上设计的称重控制器大多以传统单片机为核心。 相对传统单 片机， 数字信号处理器在实时性，高速运算等方面的优势巨大，将逐步成为工业控制的主 流选择。 本设计针对玻璃配料过程中存在的称重精度不高， 自动化程度不高等问题， 采用 了高性能数字信号处理器 TMS320F2812 ( F2812)作为核心器件。控制器在设计了友好人机 界面的基础上，专门设计了与 F281 2内置模数转换器相匹配的放大电路，并在 A/D 采样过 程中加入了采样校准的方法，保证采样数据更加准确;采取数字滤波方

2、法处理采样数据，滤除采样数据中的干扰。2 配料系统工作流程玻璃配料系统一般包括称重控制器、 备料斗、 计量斗和相关动力装置。 备料斗用来存储 一定量的待测物料， 备料斗下方的出料口由电振机的驱动， 通过改变电振机的振动速度可 以改变备料斗的出料的速度。 备料斗下方是计量斗， 它是一个放置在称重传感器上的悬浮容 器，控制器通过解读传感器的数据得到计量斗内的物料质量。当开始称重过程时， 称重控制器发出控制信号， 备料斗开始快速下料， 物料进入计 量斗后， 由计量斗下方的传感器测得重量信号， 信号经处理还原为物料的重量。 控制器自 动比较当前的物料重量与目标重量的偏差，当偏差值 E 缩小到一定范围时

3、 (如 1 0%，即达到 目标重量的 90 )，发出信号并驱动备料斗进行慢速下料，使测得的重量值变化减缓，有利 于精确控制。 每当控制器发出停止加料信号时， 会有一定量的物料刚刚脱离电振机出口正在 下落 (即“飞料” )，使最终称得的物料重量要大于系统判定的目标重量。一般采取的解决办 法是在达到目标值之前提前停止加料， 等待“飞料”落下， 待检测值稳定后，控制器再进 行偏差值的判断并进行下一步的控制(即点动加料模式 )， 直至重量达到目标值。然后控制器发出信号， 打开计量斗排出称重完毕的物料，完成一次称重控制过程。结合以上工作过 程控制器设计如下。3 控制器硬件实现控制器硬件框图由图 1给出，

4、 主要由F2812、信号调理电路、显示/键盘模块、串口 通信模块组成。 F2812 作为一款 32 位的数字信号处理器， 采用哈佛总线结构，计算能力 强，最高运行速度达到 150MIPS ，能够处理包括称重控制和软件滤波等多种算法 ;内部包括 128KB的闪存(FLASH)和128KB的只读存贮器(ROM)，存储空间大可满足大部分程序设计 要求;支持 45 个外围中断，响应迅速，方便子程序的快速调用 ;片上集成了 12 位 A/D 转换器，能够快速地进行模数转换，在系统设计时不必增加额外的硬件;具有两个串行通信接口(SCI)以及一个串行外围接口 (SPI)，可简化通讯接口设计，使系统紧凑。上付

5、机图1系统硬件框图3.1信号调理电路信号调理电路主要完成模数转换前的信号的滤波和放大，由于本设计采取软件滤波，所以主要考虑信号的放大问题。在现场应用中，以10V电压激励灵敏度为 2mV/V的称重传感器，其满量程输出信号电压为20mV。F2812内置A/D转换器的输入电压为 0-3V，所以必须设置放大电路。设计采用由3个运算放大器组成的仪用放大电路（图2）。电路中左侧两个OP07组成第一级差分放大电路，右侧OP07为第二级差分放大，调节1k Q可变电阻即可调节电路的增益。 经计算要使增益调节达到 15 0倍，需要将可变电阻 R调节到1.33 Q。采用此种电路输入阻抗高，共模抑制比高。为了防止意外

6、情况下输入电压超过DSP的工作电压而损坏芯片，在信号输入DSP引脚之前还需外接一个 3V的稳压管。图2放大电路原理图3.2 A/D转换与采样校准A/D转换的精度将很大程度上决定称重控制器的精度。本设计采用F2812自带的模数转换器，这样可以在达到控制器所要求转换精度的基础上简化电路设计。增益误差和偏移误差是影响A/D转换精度的主要因素。增益误差是指实际传输函数的斜率与理想传输函数的斜率的差别；偏移误差是指输入为零时实际输出与零的偏差。本设计 采用了采样校准的方法补偿增益误差和偏移误差。F2812的一组A/D转换单元内8个通道之间的误差典型值小于0.2%,通过采样另外2个采样通道的已知参考电压H

7、 x、L x ,得出A / D转换结果H y、L y ,再利用求解线形方程组的原理计算出增益误差和偏移误差, 然后计算出较精确的转换结果。 y为待校正量， 则校正后的结果x可由式1表示：* w （儿 一 y） g 一） / （扁一F2812芯片本身设计有 A/D转换采样校准的参考电压，分别由ADCREFP、ADCREFM引脚输出，电压分别为2V、1V。使用时外接10卩F的低等效串连电阻陶瓷旁路电容到地， 可直接使用。但是其电压输出精度有限，所以另外设计了参考电压生成电路6，电路示意图如图3。其中A0、A6、A7为同一组A/D转换通道的三个输入脚。A0为待测模拟信号输入引脚，A6、A7为已知电压

8、信号的输入引脚。为了尽量减少了数字电路对模拟电路的干扰，本设计在PCB布局时将ADCINxx引脚模拟线远和数字信号线分开放置，并将A/D模块的功率引脚线所连的电源和地与数字电源和地分开放置。V inA0A7<Ren,ow）图3 A/D采样校准参考电源示意图 3.3键盘和数码管驱动电路称重控制器的人机交互通过6位LED数码管和3 X 4矩阵键盘实现。3 X 4矩阵键盘中的10个键对应数字0至9,外加一个“确定键”和一个“功能键”。数码管和按键较多会不利于使用软件控制，所以采用数码管驱动及键盘控制芯片CH451来检测按键和驱动数码管。CH451是一款集数码管显示驱动、键盘扫描控制于一体的多功

9、能外围芯片，可以方便地与D S P组成系统。CH451通过复用DIGx和SEGx引脚，定期在显示驱动扫描过程中插入键盘扫描。数码管的个数决定需要使用SEG0-SEG7的8个引脚和DIG0-5的6个引脚。矩阵键盘的结构为3行4列，设计使用SEG0-3这4个引脚与 DIG0-2这3个引脚。DCLK、DIN、LOAD 和DOUT管脚连接F2812对应管脚，具体硬件连接图见图4。图4 CH451接口电路为了便于远程监控，称重控制器设计有串行通信接口8。设计利用主控芯片 F2812上自带的两个全双工 SCI（Serial Communication InteRFace，串行通信接口）完成。RS232标准

10、定义逻辑“ 1 ”信号相对于地为 3V至25V，而逻辑“ 0”相对于地为 3V 至25V。所以需要一个 RS232驱动器来转换电平，本设计采用MAX3250芯片。MAX3250是一款支持3.0v到5.5v输入电压的串口通讯芯片，具有两路串口通信能力。该芯片使用简单，电路连接图便不再给出。4软件设计软件设计主要在 CCS软件下由C语言设计完成。主程序流程图由图 5表示。程序主 要包括：初始化，标定程序， 显示程序， 串口通讯程序， 参数设置程序， 计算质量程序， 自动控制程序等模块。：*)图5主程序流程图软件滤波相对于硬件滤波更为方便，灵活。传统的单片机由于性能的局限所采用的滤波算法一般为限副滤波，中值滤波，算术平均滤波，滑动平均滤波法等。上述方法编程容易、 对处理器要求不高， 缺点是算法相对简单，滤波效果不理想。 本设 计采用数字滤波器对数据滤波， 数字滤波器是由 MATLAB 中的滤波器设计工具箱设计的无 限冲激响应滤波器。软件滤波程序作为自动控制程序的一个子程序在称重控制开始后被调 用。在自动控制算法上， 不采用前述的偏差值 E 比较法，而是加入模糊控制思想。除了把 偏差值E作为参考量外，还把偏差变化率 E也引入到控制中来。在邻近速度切换的阈值 时， 同时考虑偏差变化率的大小， 结合实际效