一种基于单片机AT89S52的陶瓷称重电子称

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摘 要:为了精确计量粉料的使用生产情况和计算、统计生产成本,有必要对粉料储料仓转送到压机的粉料进行计量。本文描述了单片机在粉料流量累积中的软硬件设计,并提出了一些应用中的注意事项。

关键词:陶瓷粉料计量;单片机AT89S52;速度测定;重量测定

1引 言

为提高生产效率、降低人工操作强度和生产成本,实现连续化、自动化与精确化生产,是陶瓷行业的发展方向。但对于设备自动化水平不高的陶瓷行业原料车间来说,实现精确管理和精确统计生产成本,确是一个有相当难度的课题。一直以来,原料车间输送到压机车间的粉料数量是个模糊、没有明确量化的一个数字,精确统计成本更是无从谈起。

目前,市场上较为成熟的称重技术和设备不少,如西门子的称重积算仪BW500,其性能优良、稳定,但价格不菲。如果能寻找到一种价格适中、性能又能满足要求的计量设备,相信能解决不少陶企的难题。

2陶企粉料测量的现状和需求

对陶企而言,动态测量粉料重量,直观地给出粉料的累积数字,可以充分掌握粉料的实时应用情况,对球磨工序和造粒工序起着直接的指导作用。而传统的计量方式和管理方式并不能满足现代化工厂精益生产、精益管理的要求,笔者所在的单位也面临着同样的困惑。对陶企而言,用最简单经济的方式实现工厂的计量需求,无疑是最实用与有效的。

在现代自动化控制系统中,单片机出色的表现、优异的性能使其在嵌入式系统中占据着相当重要的位置,而价格低廉更是令其它控制设备如PLC等无法与它相提并论。但单片机并不完美,它复杂的编程语言和指令系统、抗干扰能力不强等,限制了它在陶瓷行业的大规模应用。如果能妥善设计电路板,编写出比较优秀的控制代码,则可望实现粉料的实时测量,本文重点讲述一种基于单片机的电子称的硬件搭配和软件的编写。

3硬件搭配

3.1 主要电子元件

主要电子元件清单如表1所示。

除主要元件外,还需要电阻、电容、三端稳压管、指示灯、光藕等。这些元件都是电子市场的常用品,价格不高,容易采购。

3.2 硬件连接

图1为硬件连接示意图。本例采用at89s52单片机作为主控制器,采用74LS47芯片作数码管接口,采用74LS154 芯片作为数码管位控制,AD0804作为重量信号的采集,编码器作为速度信号的采集,七段数码管其中8位作为粉料累积重量的显示,其中4位作为当前皮带速度的显示,剩下4位作为当前重量代码的显示。

需要说明的是,因为要采集的I/O数量较多,为了节省I/O口开销,采用74LS47和74LS154硬件译码集成电路。74LS47是数码管译码集成电路,它把输入的数字0～9转化成A～G七段数码输出,其功能表见表2。

74LS154是4～16译码集成电路,它把输入的0～F数字转化成16个位输出,分别用于控制16位数码管的位控制,其功能表见表3。

从表3可看出,为了使其工作正常,必须使E0、E1为低电平。当A0、A1、A2、A3分别为0000时,Y0输出有效(低电平有效),当它们为1111时,Y15输出(低电平有效),其它类推。

AD0804是A/D转换芯片,它对输入模拟量信号的要求是:

(1) 信号单极性,电压范围是0～5V,若信号太小,必须进行放大;

(2) 输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样以维持电路正常;

(3) A/D0804转换精度为1/255,要使其工作正常,必须在4脚输入振荡信号,工作频范围为10～1280kHz,当频率范围为500kHz时,其转换时间为128?滋s。

ADC0804电压输入与数字输出关系如表4所示。

4软件设计

4.1 称量原理

正确计量陶瓷粉料质量的两个必要条件是:一是正确测算出电子称皮带单位时间内的移动距离,二是正确计算出单位时间内电子称皮带上的单位长度上的质量,在本例中速度和重量的测算由中断程序完成。然后通过数学公式,计算出单位时间内电子称皮带上粉料的瞬时进出料重量,再通过流量累积,就可以得到正确的粉料累积重量,最后由数码管显示出来。为使系统更适合陶瓷厂复杂的电磁环境,解决电子称安装位置不准可能引起的振动而导致的系统精度下降等问题,在公式中引入必要的修正系数k1、k2。

KG=50×k1×kg/255/long+k2 (1)

式中:

KG――单位时间测得的瞬时重量;

kg――当前测得的重量代码;

long――电子皮带总长度;

k1――补偿系数1;

k2――补偿系数2;

50――S型称重传达室感器的量程,0～50kg。

上式的功能是把瞬时重量换算成单位长度皮带上的瞬时重量。

流量累积公式:

TKG=TKG+KG×cur_distance (2)

式中:

TKG――累积重量;

cur_distance――当前测得的皮带移动速度

KG――单位时间内测得的瞬时重量

4.2 系统框图

系统框图如图2所示,下面详细说明:

4.2.1 速度计算

为了正确测量电子称皮带运转速度,采用增量型旋转编码器,该编码器和电子称皮带从动轮按1:1柔性连接,从动轮每旋转一圈,发出固定数量的脉冲,故测量在单位时间内的编码器发出的脉冲数就可以间接测量从动轮旋转速度,通过下面公式可以计算出单位时间内皮带移动的距离。

(1) 从动轮旋转速度的测定

为了正确测定从动转旋转速度(单位R/M),需要使用中断功能,通过外部中断0累加脉冲总量;定时中断0设置为2秒定时中断,当2秒定时时间到后,立即计算单位时间内采集到的脉冲数,由公式3计算出当前皮带单位时间的移动距离。

cur_distance=3.14×D×total_pulse/1000/2 (3)式中:

cur_distance――皮带单位时间内移动的距离(单位m);

D――皮带轮的直径(单位m);

total_pulse――2秒内采集到的脉冲总数;

1000――增量型编码器每转发出的脉冲数;

2――2秒。

(2) 移动距离的计算程序

下面是KEILC 关于计算移动距离的程序,程序中没有说明的变量全为全局变量。

//定时器中断,累积2秒内总的脉冲数

void into_int() interrupt 0

{cur_pulse++;}

//使用1000pulse/R encoder

//计算皮带单位时间移动距离

void int1_int() interrupt 1

{TH0=0x4C;//50ms中断

TL0=0x00;

cur_ms++;

if(cur_ms>=20)

{ET0=0; //关闭定时器0中断

TR0=0;

EX0=0;//关闭外部中断0

cur_ms=0;

cur_n=cur_pulse/2/1000.0;/* (R/sec),cur_n为从动轮旋转速度,单位圈/秒。

cur_pulse=0;//总脉冲数清零

//计算流量累积:2秒计算一次 ;

//1.2为称带长度 ////sszl为计算出的瞬时重量

mps=cur_n*0.628;////mps当前转速:米/秒,轮子 周长0.628m=2pai*直径;轮子直径为10cm。

ET0=1;//重新开放计数/定时功能

EX0=1;

TR0=1; }}

在上面的程序中,当定时时间开启,进入计算阶段后,需要禁止外部中断和定时中断,计算完毕后才重新开启。

4.2.2 重量信号的测定

我们使用AD0804集成电路完成重量信号的测定,配合转换程序,达到实时测量、转换的目的。为了保证测量的准确性和增强抗振动和抗干扰性,我们引入了数字滤波。本例中数字滤波由平均值滤波和中值滤波组成。首先连续采样三次,取得中值后放进第一个寄存器,然后再连续采样两次,分别放进两个寄存器。由这三个寄存器取平均值后,得出最终的采样结果。使用这两种滤波后,能有效地对随机干扰和偶然性干扰进行滤除,图3是AD转换框图。

下面对这两种滤波方式进行简单说明:

(1) 平均值滤波

int aver()

{int temp,I1,I2,I3;

I1=zhongzhi();

I2=zhongzhi();

I3=zhongzhi();

Temp=(I1+I2+I3)/3;

Return temp;}

在这个函数中,temp为返回值,返回给主调函数。

算术平均滤波法的优缺点如下:

1) 优点:

适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波,这种信号的特点是有一个平均值,信号在某一数值范围附近上下波动。

2) 缺点:

对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用,比较浪费RAM。

(2) 中值滤波

Int zhongz()

{int A1,A2,A3,temp,da,xiao;

A1=rd0804();//采样A/D数据

Delay(2);//延时函数

A2=rd0804();

Delay(2);

A3=rd0804();

Delay(2);

If(a1>=a2)

{da=A1;xiao=A2;}

Else

{da=A2;xiao=A1;}

//判断

If((da>=a3)&(xiao>=a3)temp=xiao;

If((da>=a3)&(xiao

If((da

Return temp;//返回值}

中值滤波的优点和缺点:

1) 优点:

能有效克服因偶然因素引起的波动干扰,对温度、液位等变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。

2) 缺点:

对流量、速度等快速变化的参数不宜。

4.3 显示接口

显示接口由16位七段数码管和74LS47、74LS154集成电路组成,74LS154主要负责数码管位控制,74LS47主要实现0～9到七段码的转换工作。整个显示接口采用动态扫描的方法,分时显示各个待显示数字,因这部分比较简单,故程序和流程图从略。

5结 语

本文详细论述了一种成本低、能实现重量实时累积的陶瓷厂粉料重量测量设备,在实际应用中,要充分考虑陶瓷厂的工作环境和较强的振动源,有效采集重量信号,并做好电路板的防尘工作。

参考文献

[1] 周兴华.手把手教你学单片机[M].北京:北京航空航天工业

出版社,2005.

[2] 刘建清.从零开始学单片机C语言[M].北京:国防工业出版社,2006.

[3] 何立民.MCS-51单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].

北京:北京航空航天大学出版社,1992.