基于AVR单片机的定量称重系统设计

2015年第5期工业仪表与自动化装置59基于AVR单片机的定量称重系统设计盛碧琦，胡云琴，应忠于公安海警学院电子技术系，浙江宁波315800摘要针对传统称重系统中，部分物料滞留于半空无法计算，从而导致精度差的问题，设计了一种基于AVR单片机的定量称重系统。该系统采用先称后装的方式加载物料，通过控制电磁阀的开度及动作控制产品包装的重量。文章设计的定量称重系统结构简单、成本较低，相关电路的实验结果表明，称重精度得到显著提高，系统运行稳定，效果显著。关键词定量称重系统；单片机；电子秤中图分类号TP29文献标志码A文章编号10000682201505005903THEWEIGHINGSYSTEMDESIGNBASEDONAVRMICROCONTROLLERSHENGBIQI，HUYUNQIN，Y1NGZHONGYUCHINAMAIMEPOLICEACADEMY，ZHEJININGBO315800，CHINAABSTRACTINTRADITIONALWEIGHINGSYSTEM，PARTOFTHEMATERIALSTRANDEDINMIDAIRCANNOTBECALCULATED，WHICHLEADSTOLOWACCURACYAIMINGATTHEABOVEPROBLEM，AWEIGHINGSYSTEMBASEDONAVRMICROCONTROLLERISDESIGNEDTHEPRODUCTPACKAGINGWEIGHTISCONTROLLEDTHROUGHOPENINGANDMOTIONOFTHESOLENOIDVALVETHEWAYOFLOADINGMATERIALISSCALINGAFTERWEIGHTINGTHEDESIGNEDQUANTITATIVEWEIGHINGSYSTEMISSIMPLEANDLOWCOSTEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATWEIGHINGACCURACYHASBEENSIGNIFICANTLYIMPROVED，THESYSTEMISSTABLE，ANDEFFECTISSIGNIFICANTKEYWORDSWEIGHTINGSYSTEM；SINGLECHIPMICROCOMPLHER；ELECTRONICSCALE0引言定量称重问题在工业生产过程中应用十分广泛，如化工的配料过程、食品的包装过程、水泥的配料包装过程等等。传统的称重模式都是先进行静态的机械称重，通过人工不断加料或减料的过程以控制称重重量，然后再进行人工包装或者配料，这样导致效率极低，工人的劳动强度极大，而且精度不高。电子秤的出现改善了静态机械称重的精度，但是在动态生产过程中，称重精度却是一个问题。于是如何解决动态称重过程中的称重精度问题成为了当前研究的热点。此外，在物料装载过程中，由于物料下落过程中的惯性，当停止装载时，总有一部分物料会滞留在半空中，无法计算重量，从而进一步影响精度。该文以定量下料为研究模型，采用AVR单片机作为核心控制器件，重点研究了动态称重系统硬件收稿日期20150330作者简介盛碧琦1985，女，博士，讲师，研究方向为超声导波、低压产品、仪器仪表等及软件的设计，并采用了先称后装的方法，通过调节电磁阀的开度动作情况，以解决动态称重过程中的称重精度问题。实践证明，采用该系统后，消除了物料装载中滞留在半空中无法计算重量的影响，产品的重量与标准重量误差较小，精度高，具有广泛的应用前景。1系统总体方案及工作原理如图1所示，系统由称重传感器、电磁阀、给料设备等几部分构成。物料图1定量称重系统的结构图60工业仪表与自动化装置2015年第5期系统将称重平台上的称重传感器的电信号，经过AD转换后转变为数字信号，传送至单片机中，单片机将其与所设定的标准重量进行比较，通过控制电磁阀1的闭合或断开来调节产品的重量，通过控制电磁阀2的闭合和断开来实现产品的包装。触摸屏既可作为输入又可作为输出，输出时用于显示当前的重量值、累计包装数等参数；输入时用于设置系统的参数。串口通信可用于单片机与PC机之间的信息交流，也可使得PC机实现对自动控制装置的远程控制。控制核心选用AVR单片机为控制器，性能高、功耗低，具有全双工的同步串行接口SPI，多个串行接口UART，两线串行接口TWI，功能强大，程序下载和硬件调试方便。2控制系统的硬件设计控制系统主要由电源模块、AD转换模块、继电器控制模块、显示模块、按键模块、串口通信模块等部分组成。21电源模块电源电路是定量控制系统正常工作的基础，能够给单片机以及AD转换器等芯片供电，为降低单片机所受干扰并提高通信可靠性，设计了图2所示的电路。图2开关电源设计电路工作原理如下图2中引脚号为3和4的是变压器初级线圈，其余为次级线圈。交流电经过整流、滤波电路后变成直流电，由变压器反馈式LC振荡电路变成交流电，再经过副边线圈整流、滤波、稳压生成稳定的5V电压，为了减小输出电压纹波，用大容量电容对整流后的电压进行滤波。图中D选用的稳压二极管为12V，A点电压通过电压负反馈作用使得其电压值稳定为12V，具体过程如下当A点的电压值大于12V时，三极管Q导通，此时C点电平被拉低，三极管Q截止，副边线圈中的电压降低，进而A点的电压降低；当A点的电压值大于12V时，三极管Q截止，此时电路经过自激振荡、变压、整流、稳压将A点的电压值升高到12V。由C、RD，和初级线圈组成的回路部分形成尖峰电压吸收回路，避免开关管Q在截止瞬间被初级线圈产生的过高反电势所损坏。22AD转换模块称重传感器是这样的一种检测装置，当被称物体放置在秤体的秤台上时，它感受到被测量物的重量信息，并能将检测到的信息，按照一定的规律力一电效应变成具有正比函数关系的电信号电压或电流等，从而得到被称物体的重量，用以满足工业上对于被测量物的信息显示、记录、处理、控制等要求_4。它是电子秤的核心部件，其性能和工作状态决定了电子秤的准确度和稳定性J。考虑到经济性，在满足准确度要求下，选用电子秤常用的传感器，设计了图3所示的AD转换电路图。5VC图3AD转换电路图图3中，IN一、IN、V以及地与传感器的四端相连。HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24位AD转换器芯片。与同类型其他芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其他同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。23继电器控制模块如图4所示，单片机通过控制引脚PA、PA的高低电平变化，控制继电器的闭合、断开，进而实现物料的装载。具体过程如下当PA为低电平、PA为高电平时，三极管Q导通，此时A点的电压为高电平，经过电容电阻滤波之后，导通三极管Q，使得继电器J的线圈有电流流过，进而继电器的1、3端子相连；而三极管QQ均处于截止状态，继电器L的线圈无电流流过。于是电机的KM线圈有电流通过，从而实现装载物料。同理，当PA为低电平、2015年第5期工业仪表与自动化装置6LPA为高电平时，三极管Q导通，此时B点的电压为高电平，经过电容电阻滤波之后，导通三极管Q，使得继电器J的线圈有电流流过，进而继电器的1、2端子相连；而三极管Q、Q均处于截止状态，继电器J的线圈无电流流过。于是产生断路，使得KM线圈不再有电流通过，从而停止装载物料。通过调节阀门的开度可以控制物料装载的速度，进而调节物料的重量值，使其达到设定的重量值。图4继电器电路图24显示模块及按键模块选用迪文公司的DMT80600T080_06WT触摸屏作为显示终端，该液晶显示屏分辨率为800600，工作电压为366VDC。与单片机的连接方式简单，使用方便。而且其二次开发较为简单，支持中文编码标准等特点。通过软件设计，将要显示的参数比如运行状态、设定的定量值、包装数量等直接显示在屏幕上。利用当触摸迪文屏某一设定区域时，会返回设定的触控键值的功能，将显示参数部分和按键输入部分通过软件将其作在同一画面中。这样既可实现重要参数的显示功能，又可实现对某些参数的修改。25串口通信将电子秤的数据传至计算机，利用其强大的管理和控制功能，使其性价比、安全可靠性、人机交互性、管理自动化均得到极大的提高。通信接口之间采用RS485通信方式，因其开放性高、通信距离长，可以实现PC机对仪表的远程控制，而且电路连接方式简单，实现成本较低，非常适合工业自动化控制过程中串行通信数据流量不大的场合J。3实验结果及对比分析为了验证方法的有效性，搭建了相关电路进行测试。设置的包装重量为每袋25KG，分别测量在传统方式下即人工控制手动称重包装下每袋的重量，以及采用所设计的定量系统每袋的重量。实验数据如表1、表2所示。表1传统方式下的实验数据由表1可知，该称重装置的称重重复性标准差为1087G，称重值为25401059KG，称重值的最大相对误差为292。由表2可知，该称重装置的称重重复性标准差为64G，称重值为25400063，称重值的最大相对误差为06。实验数据表明，采用所设计的定量系统后，相对误差较小，称重不确定度降低，满足设计要求。实验过程中发现当储料斗内的物料较少时，采用传统方法进行包装的重量误差相对较大，而采用定量系统包装方式的包装重量误差相对较小。这是下转第64页64工业仪表与自动化装置2015年第5期INTPOPSTACKMULTIPLESTACKS，INTI，ELEMTYPE半E、从I号堆栈中弹出堆栈顶元素并送到EELEMTYPENEWBASE；INTXKJDX，HSSIZEINTSTACKPLANSIZESTACKPERCENT；IFINRETURNERROR；IFS一AI一1TOPAI一1STACKS一AI一1TOP；S一AI一1TOP一一；IFS一AI一1STACKSIZES一AI一1TOPSTACKFREESIZE闲置空间达到预定值，进行回收XKJDXS一AI一1STACKSIZEHSGSSIZEOFELEMTYPE；NEWBASEELEMTYPELREALLOCS一AI一1STACK，XKJDX；IFNEWBASERETURNERROR；S一AI一1STACKNEWBASE；S一AI一1STACKSIZE一HSSIZE；RETURNOK；3总结在空间上动态多堆栈采用动态分配空间，先给定一个初始空间，如果发生“溢出”现象则利用REALLOC函数对空间进行扩充，当堆栈不满而造成空间浪费时利用REALLOC函数进行空间回收，这样大大提高了空间利用率。而顺序多堆栈则是提前分配好一个二维数组STAKENM。很有可能造成空间的浪费和产生“溢出”现象。文中关于多堆栈存储空间的动态回收和动态扩充算法分析可知，动态多队列技术具有以下优点1只有在存储空间为满的情况下，多堆栈才对其进行扩充，亦只有在闲置存储空间增大到一定数值时，才对其进行回收，故而堆栈中的闲置空间始终会保持在一定的范围内，由此抑制并减少了空间的浪费。2该方法可以在多队列算法不停止运行的同时实现空间动态扩充与回收。3在不能确定所要存储的数据元素量的大小的情况下，不会出现存储空间不够用或浪费的情况。参考文献1任志国，李亚楠，张龙忠，等多栈的顺序存储及实现技术J自动化与仪器仪表，2010051031042任志国，朱正平，达文姣，等动态双端栈技术J自动化与仪器仪表，2011031091103严蔚敏，吴伟民数据结构C语言版M北京清华大学出版社，19974耿国华数据结构一C语言描述M北京高等教育出版社，20055王晓东计算机算法设计与分析M2版北京电子工业出版社，20056ADAMDROZDEK数据结构与算法C版M北京清华大学出版社，2006上接第61页由于采用定量系统的装置，先将物料称好再将所称的物料装载到袋子里，而传统方式是一边称一边装载的过程，当发现重量达到去按停止开关时，由于惯性仍会将一部分物料装载，从而导致装载的物料相对误差较大。4结论针对动态称重过程中的称重误差较大的问题，提出了基于AVR单片机的定量控制系统，并设计了相关电路图。实际使用3个月，运行结果表明采用该定量控制系统后，产品包装重量与标准重量误差较小，称重精度得到