（测试计量技术及仪器专业论文）一种自动定量称重控制仪的研制.pdf

摘要 摘要 我国的自动定量称重衡器需求量很大，但自动定量称重控制仪表技术却相对 落后。为此，本文研制了一种自动定量称重控制仪，该定量称重控制仪具有控制 准确度高、功能实用以及性能稳定可靠等特点。 本控制仪属于单片机嵌入式系统，采用h t m e g a 3 2 l 作为系统的m c u 单元。所 设计的硬件电路单元主要包括：信号调理电路、数据采集电路、显示和键盘电路、 系统输入和输出电路、系统电源电路及电源监控电路等。选用了灵敏度高、性能 稳定的电阻应变式称重传感器及一型2 4 位高分辨率模数转换处理芯片 a d s l 2 5 1 ，保证了系统的测量精度和准确度。通过编制系统的软件程序，实现了 三级给料定量称重过程的自动控制、提前量数据的自行修正、包装数据的自动保 存以及键盘操作和实时显示等多项实用功能。在采取硬件措施滤波的同时，采用 了由软件实现的数字滤波技术，可通过调整数字滤波算法数学模型中的滤波深度 参数来调整系统称量的准确度。主要采取禁止比较判别法、自动修正提前量和超 差报警三项软件控制策略，较好地解决了称重速度与精度之间的矛盾。分别进行 了系统的稳定性、静态性能和动态性能的实验测试。测试报告分析表明，本自动 定量称重控制仪的稳定性及定量称重控制的准确度和精确度，均已达到本课题的 预期要求。在对研制工作进行总结的同时，对系统未来的改进与完善提出了若干 建议和设想。 关键词：定量称重；单片机；自动控制 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e m a n df o ra u t o m a t i cq u a n t i t a t i v ew e i g h i n ga p p a r a t u si no u rc o u n t r yi s q u i t e l a r g e ，b u tt h ea u t o m a t i cq u a n t i t a t i v ew e i g h i n gc o n t r o li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yo fo u r c o u n t r y i ss t i l l r e l a t i v e l y b e h i n dt h et i m e s s oaq u a n t i t a t i v e w e i g h i n g c o n t r o l i n s t r u m e n ti s d e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a n d i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h c o n t r o la c c u r a c y ，p r a c t i c a lf u n c t i o n sa n ds t a b l ea n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c ee t c t h i si n s t r u m e n tc a nb ec l a s s i f i e di n t oe m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e rs y s t e m ，a n dt h e m i c r o c o n t r o l l e ru n i te m p l o y e di nt h i ss y s t e mi sa t m e g a3 2 l t h eh a r d w a r ec i r c u i t s d e s i g n e di n c l u d e ：s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，d a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t ，d i s p l a ya n d k e y b o a r dc i r c u i t ，s y s t e mi n p u t a n do u t p u t c i r c u i t ，s y s t e mp o w e rs u p p l y a n d m o n i t o r i n gc i r c u i te t c t oe n s u r et h ep r e c i s i o na n da c c u r a c yo ft h es y s t e m ，t h e r e s i s t a n c es t r a i nm e t e rt y p el o a dc e l lt h a ti so fh i g hs e n s i t i v i t ya n ds t a b l ep e r f o r m a n c e a n da 一t y p e2 4b i t sh i g hr e s o l u t i o na n a l o g d i g i t a lc o n v e r t i n gc h i pa d s l 2 5 1a r e s e l e c t e d b yp r o g r a m m i n gt h es o f t w a r eo ft h es y s t e m ，s e v e r a lp r a c t i c a lf u n c t i o n s ， s u c ha st h ea u t o m a t i cc o n t r o lo ft h r e e s t a g ef e e d i n gq u a n t i t a t i v ew e i g h i n gp r o c e s s ， a u t o m a t i cc o r r e c t i o no fc l o s i n gl e a dd a t a ，a u t o m a t i cs t o r a g eo fp a c k a g ed a t a ，k e y b o a r d o p e r a t i o na n dr e a l t i m ed i s p l a ye t c ，a r ea c c o m p l i s h e db yt h ei n s t r u m e n t i na d d i t i o nt o h a r d w a r ef i l t e r i n gm e a s u r e s ，d i g i t a lf i l t e r i n gt e c h n o l o g ya c c o m p l i s h e db ys o f t w a r ei s e m p l o y e da sw e l l b yc h a n g i n gt h ef i l t e r i n gd e p t hf a c t o ri nt h ea r i t h m e t i cm o d e lo f d i g i t a lf i l t e r i n ga l g o r i t h m ，t h ew e i g h i n ga c c u r a c yo ft h es y s t e mc a nb ea a j u s t e d a c c o r d i n g l y t h r e es o f tw a r ec o n t r o ls t r a t e g i e sa r ee m p l o y e dt or e s o l v es a t i s f a c t o r i l y t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nm e a s u r i n gr a t ea n da c c u r a c y , a n dt h e ya r ec o m p a r i s o na n d j u d g m e n tp r o h i b i t e dm e t h o d ，a u t o m a t i cc o r r e c t i o no fc l o s i n g l e a da n do v e r s i z e d e v i a t i o nw a r n i n g e x p e r i m e n t a lt e s t so ns t a b i l i t y ，s t a t i cp e r f o r m a n c ea n dd y n a m i c p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma r ec o n d u c t e dr e s p e c t i v e l y a n dt h ea n a l y s i so ft e s t i n g r e p o r t si n d i c a t e t h a tt h e s t a b i l i t ya n dt h ea c c u r a c ya n dp r e c i s i o no fa u t o m a t i c q u a n t i t a t i v ew e i g h i n gc o n t r o lo ft h i si n s t r u m e n ta r ei na c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i r e d t e c h n i c a lp r o p e r t i e s w h i l es u m m a r i z i n gt h er e s e a r c hw o r k ，s o m es u g g e s t i o n sa n d t e n t a t i v ep l a n so nt h ef u t u r i s t i ci n n o v a t i o na n di m p r o v e m e n to ft h i si n s t r u m e n ta r e p r o p o s e d k e y w o r d s ：q u a n t i t a t i v ew e i g h i n g ：m i c r o c o n t r o l l e r ：a u t o m a t i cc o n t r o l 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人。签名，：另 j 司毒钓彳。 沙。i 年7 月彩日 | 坯 正7 琴皈 0 吖 葛 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：沙辞歹月诏日 日期：p 6 年( ；, q - d h 旷 以。v 、j 耋 易彘 鳓p 第一章绪论 第一章绪论 我国社会主义市场经济的繁荣和发展，促进了对定量包装商品需求的不断增 长。例如以零售商品为例，根据有关统计，美国零售市场中定量包装商品的销售 量占9 5 以上，我国零售市场上定量包装商品的销售量也己经达到7 0 左右“1 ， 并且其数量将随着经济的发展而不断扩大。 本文所研制的自动定量称重控制仪，属于国际法制计量组织o i m l ( 0 r g a n i z a t i o no fi n t e r n a t i o n a ll e g a lm e t r o l o g y ) 国际建议r 6 1 1 所称之 重力式自动装料衡器( a u t o m a t i cg r a v i m e t r i cf i l l i n gi n s t r u m e n t ) 中的控制 装置”1 。在我国，自动装料衡器又称之为定量自动衡器，有些场合还可称为定量 包装秤、打包秤、灌包秤或打包机。o i l m 把重力式自动装料衡器定义为“通过 自动称量把散状物料分成预定且实际上相对恒定质量的装料，并将其装入容器的 衡器”。1 。 1 1 自动定量衡器技术综述 1 1 1 电子衡器的分类 电子称重装置主要由承载器、称重传感器和称重仪表三部分组成。按照不同 的分类标准，可将电子类衡器作如下划分“3 ： 一、按测试系统划分 1 静态型。静态电子衡器是把被称量物体稳定的放置于电子衡器上进行测量 的，目前这种类型的电子衡器使用范围最为广泛。 2 动态型。动态电子衡器是在静态电子衡器的基础之上发展起来的一种新型 电子衡器，它所测量的是随时间变化的运动物体的质量。 种自动定量称重控制仪的研制 二、按称量方式划分 1 接触式测量。接触式测量主要是通过传感器直接与被测量的运动物体直接 接触而获得动态信号，并对此动态信号进行处理来获取真实的质量信息。 2 非接触式测量。非接触式测量则主要是利用辐射传感器来获取运动物体的 动态信号，并加以分析以得到真实的质量信息。 1 1 2 自动定量衡器技术国内外发展概况 在近百年的历史中，称重技术大致经历了以下四个发展阶段：大约半个多世 纪的机械式装置模拟测量阶段；2 0 世纪5 0 6 0 年代进入了机电衡器阶段：2 0 世 纪7 0 8 0 年代进入了电子测量阶段；自2 0 世纪8 0 年代以来，全面进入了数字 化测量及微机智能化测量的阶段。 一、国外发展情况 无论在技术水平、品种还是规模等方面，发达国家的电子称重设备都达到了 较高水平。 技术水平方面的主要标志是准确度、长期稳定性和可靠性。目前，作为贸易 结算用的静态秤( 如平台秤) ，己能达到o i m l 规定的3 0 0 0 d ( 分度) ，最高的可 以达到6 0 0 0 d ；在稳定性方面，要求一年内不允许超差；在可靠性方面，称重传 感器正常使用条件下的寿命一般在十年以上，仪表的平均故障间隔时间( m t b f ) 都超过2 0 0 0 小时，有些产品达到了5 0 0 0 小时。由于加强了应用技术开发，能够 适应高温、振动、粉尘、电磁干扰等各种恶劣使用环境条件，准确度一般能达到 0 1 o 3 左右。 在品种方面，随着生产发展的需要和新技术的应用，出现了一些新品种，如 电脑组合定量秤、高速自动定量秤等。这些自动秤往往与生产过程紧密结合，成 为生产线的一个组成部分，或者与生产机械组合成机电一体化设备。 在功能上也比较齐全，大部分是用软件来实现。这些功能包括：各种参数的 设定，如分度值、最大量程、小数点、固定皮重等设定；零点自动跟踪：自动去 皮；量程自动校准；动态检测；开机自检和故障诊断；停电数据保护；超载报警； 第一章绪论 非线性补偿；以及毛重、净重、皮重和累加值的显示等。 在规模上，国外衡器制造业己是很发达的工业。据资料介绍，日本1 9 9 5 年 时电子衡器的年产量就已经达到6 2 3 万台、产值达8 8 0 亿日元，是世界上出口电 子衡器最多的国家”。 在称重仪表方面，由于采用了低漂移高增益放大器、电可擦存储器( e e p r o m ) 和非易失性随机存储器( n o v r a m ) 、a 一调制型模数转换器和智能称重传感器等 新技术。“”“，使其性能和功能都有了很大提高。为了便于与计算机通信，称重 仪表配有各种输出接口供选用，如r s 2 3 2 c 、r s 4 8 5 等，有些还采用无线传输方式。 二、国内发展情况 我国从六十年代中期开始研制和生产电子秤，初期为模拟指针式，后来发展 成数字式。自八十年代初以来，与国外开展了技术交流和合作，引进了一批样机、 生产技术和加工测试设备，通过消化、吸收和改造，使电子称重装置的综合水平 有了很大的提高，产品发展到几十种。但总的来说，我国电子称重装置只相当于 发达国家八十年代中期的水平“1 。 我国同发达国家差距的突出表现，在于电子衡器在各领域所使用的各种衡器 中所占百分比数量方面。在我国，电子衡器在工业领域实际使用的各种衡器中所 占比例为4 0 8 ，商用领域所占比例为6 4 ；而发达国家工业领域中电子衡器所 占比例为8 0 9 0 ，商用领域为5 0 6 0 。差距的第二个表现是品种尚少，功能 不齐全。目前，国内5 0 0 9 以下范围的小秤量定量包装机占了绝大多数，5 0 0 9 以 上定量包装机生产厂家相对较少：再次是产品稳定性和可靠性不够理想，某些关 键元件尚依赖于进口“。 近年来，我国自动定量称重衡器技术发展很快，并且已经成为衡器行业中发 展最迅速的产品种类。例如，将模糊控制技术应用于定量称重“”“”“8 3 以及在电阻 应变式称重传感器方面采用蠕变补偿“、模糊补偿“33 和滞后补偿“”“”技术等。 三、发展方向展望 定量称重衡器已日益渗透到几乎全部工业领域和生产过程，而且将不再是 单纯的称重计量，而是向多参数、多专业综合控制方面拓展，逐渐形成多元化智 一种自动定量称重控制仪的研制 能管理和控制系统。这种横纵两个方向的深入发展，大体可以概括为以下几个 方面。 、 1 网络化、系统化。通过计算机联网，实现网上通讯和远程计量，形成物流 管理网络，企业各部门同时共享称重信息。 2 质量控制。在配料系统中，单纯的称重计量是不能完成配料的。为此， 衡器称重需结合化学分析，即兼有成分测控功能。 3 工艺控制机。即除了具有称重功能以外，还需检测或保证其它物理参数的 多参数控制机。 4 定量包装机。它已不是单一的称重衡器，而是将机械、电气、电子、计算 机、自动控制与衡器融为一体的机电结合的智能化设备。 总之，智能化、自动化、多功能化将成为现代定量称重技术的发展方向”“。 1 2 研究本课题的意义 定量称重电子衡器是当今世界衡器技术发展的前沿产品，它能有效的解决称 重过程中速度和准确性难以统一的问题，而这两个指标却又是定量称重衡器最重 要的性能指标。现在我国一些中小企业中所使用的机械衡器，虽然在一定程度上 可保证称量精度，但高效是绝对无法做到的。 作为一个人口大国，我国定量包装商品的需求量很大。据调查，单单冶金企 业每年新增和更换的各类工业电子秤就达约5 0 0 0 台，而其它工业及商业部门也 都需要装备数量很大的电子称重装置。面对国内巨大的需求，我国自动定量称重 控制仪表技术相对落后的现状亟需改变。期望本课题的研究工作，能够对改善我 国自动定量称重控制仪表技术相对落后的局面有所贡献。 1 3 本论文完成的主要工作 本论文利用h t m e g a 3 2 l 单片机和电阻应变式称重传感器，研制了一种新型的 定量称重控制仪，所完成主要工作如下： 1 在对国内外定量称重控制现状进行综述的基础上，指出了定量称重控制技 术的发展趋势； 4 第一章绪论 2 介绍了定量称重控制仪的工作原理、系统结构及其所具有的功能和特点： 3 设计了以a t m e g a 3 2 l 为核心微控制器的称重控制处理单元以及信号调理 电路、数据采集电路、显示和键盘电路、系统的输入和输出电路、系统的电源电 路和电源监控电路等电路系统； 4 选用了灵敏度和满度分辨率高、非线性误差和温漂系数小、性能稳定的高 精度电阻应变式称重传感器和一型2 4 位高精度模数转换处理芯片a d s l 2 5 1 ， 保证了系统的测量精度和准确度； 5 设计了系统的控制功能程序、键盘及显示控制程序等软件系统。利用控制 功能程序实现了三级给料定量称重过程的自动控制、提前量数据的自行修正、包 装数据的自动保存等多项实用功能，并采用了软件控制策略较好地解决了称量速 度与精度之间的矛盾； 6 在采取硬件滤波措施的同时，采用了由软件程序实现的数字滤波算法，可 通过改变滤波算法数学模型中的滤波深度参数来调整系统测量的准确度； 7 总结了本系统中的软硬件可靠性技术应用情况； 8 进行了系统稳定性、静态性能和动态性能测试实验，并通过实验报告分析， 验证了本控制仪的稳定性以及定量称重控制的准确度和精确度； 9 对研制工作进行了总结，并对系统今后的改进和完善提出了若干建议与设 想。 一种自动定量称重控制仪的研制 第二章系统的总体设计 测控仪器的总体设计就是要确定系统的原理方案，进行数学建模，确定系统 的主要技术参数，进行精度设计和总体结构设计。现代计量测试仪器设计应遵循 一定的要求，以下是测控仪器设计中几条比较重要的一般要求2 2 “2 3 “： 1 精度要求。衡量测控仪器精度的指标有很多种，如复现性、灵敏度等，应 根据被测对象的要求具体确定仪器的精度指标。 2 速度要求亦称效率要求。即仪器的测控速度应与测控对象的速度( 一般指 生产效率) 相适应。提高检测效率不仅对系统的经济性有影响，而且往往对检测 精度也会产生一定影响并且两者经常表现为矛盾性。 3 可靠性要求。可靠性要求就是要求设备在一定时间和条件下，无故障地、 稳定地发挥其功能的概率要高，这要由可靠性设计来保障。 4 经济性要求。即在满足仪器的功能和可靠性要求的前提下，具有较好的性 能价格比，而不能盲目追求所谓“复杂、高级”的设计方案。 5 使用条件要求。仪器的工作环境的温湿度、机械振动和电磁干扰等对其性 能甚至是正常工作具有重要影响，仪器设计时必须予以认真考虑。 6 美观与人性化要求。仪器的外观要美观，功能实现及外型设计要便于操作 者使用。 2 1 定量称重控制系统的组成和工作原理 2 1 1 定量称重装置的组成 定量称重装置的一般组成如图2 1 1 所示，它由料仓、给料装置、称重传感 器、称量斗、卸料门、夹袋机构和输送设备等组成。5 “”1 。 1 给料装置。给料装置是根据物料的粒度、流动性、定量精度和理化特性来 选型的。常见的给料方式有如下几种：闸门式自重给料用于流动性好、不易结块 的物料，如大米、小麦等颗粒状物料；螺旋输送式给料用于不会粘着的、粉状或 细粒状的物料，如饲料、面粉等；振动式给料用于自由流动、粒度较大的物料， 6 第二章系统的总体设计 如食品、饲料等。 给料机构 夹袋机构 夹袋筒 输送设备( 二 二二二二二二二二二二二二互) 图2 1 1 定量称重装置示意图 2 称重部分。称重部分主要由称重传感器、称量斗( 又称承载器) 和卸料门 等组成，其中称重传感器是称重部分的关键部件。一般需结合物料的最大定量称 重值和堆比重，设计不同大小的称量斗。卸料门一般采用气动式，其动作迅速、 工作稳定可靠、维修简单方便，其气源一般采用压力为0 4 o 7 m p a 的压缩空气。 3 夹袋及包装输送部分。夹袋机构用于夹住包装袋，其动作是由两个夹袋气 缸来推动的，而包装输送部分则由包装机和输送设备组成。当定量给料结束时， 夹袋机构松袋，包装袋落在输送设备上输送至包装袋封口设备。 2 1 2 自动定量称重控制的工作原理 自动定量称重控制系统的工作原理如下：系统开始工作时，在控制仪的控制 下，卸料门首先关闭，自动去皮后开启给料机构进行给料。物料不断进入称量斗 内，由压力传感器将质量( 重量) 转换成电信号送至控制仪。控制仪不断显示物 料的质量值，并根据预先设置的参数依次输出各个运行步骤的控制信号，使给料 种自动定量称重控制仪的研制 机构依次分别以快加、中加和慢加三级给料速度连续向称鼍斗内给料，直至达到 预定的定量称重质量后给料机构关闭，从而结束给料过程。在夹袋机构处于夹紧 的状态下，秤量斗的卸料门打开，物料依靠重力经夹袋筒流入包装袋。卸料结束 后，卸料门关闭，夹袋机构自动张开以便卸下包装袋，从而完成一个工作周期。 夹袋机构一侧设置手动式行程开关，用于配合人工套袋操作发出夹袋信号，控制 夹袋机构的松开与加紧动作。 2 2 系统的结构方案 2 2 1 系统概述 本控制仪采用电阻应变式称重传感器，将物体重量转换成相应的电压信号。 此电压信号通过信号调理电路进行滤波和放大后，以a d 转换器为核心的数据 采集电路把模拟信号转换成单片机可以处理的数字信号，从而得到程量斗中的物 料质量值。然后，结合软件程序控制，将检测到的质量值与设定的目标质量值进 行比较，单片机根据比较结果发出气缸动作控制信号，从而使定量称重装置处于 快加、中加、慢加、到量、夹袋、开卸料门、关卸料门和松袋等不同的工作状态。 本系统将单片机作为整个仪器的核心，通过它进行系统运行控制以实现高 效、高精度自动定量称重的控制目的。根据所采用的传感器量程和所设定的定量 目标值的不同，完成相应的定量称重过程，称重的累计量等过程数据可以自动保 存。称重的实时信息、功能设定和状态等相关信息，可以通过l e d 数码管和发光 二极管进行直观显示和指示。 2 2 2 系统结构 按照所完成的主要功能不同，可以把本控制仪的系统划分为图2 2 1 所示结 构“”。各模块的基本功能分述如下： 第二章 系统的总体设计 称重传感器 惶鳖卜 i 数据采集l m c u 模块 陌十 图2 2 1 系统功能结构框图 1 信号调理和数据采集模块。信号调理和数据采集模块主要由信号调理电路 和数据采集电路组成。信号调理电路实现对称重传感器送来的小信号的放大、滤 波处理。本系统还结合软件进行信号数字滤波，以简化信号输入通道的结构。数 据采集电路用来实现模拟信号的数字化，由单片机读取数字量并据之执行相应操 作。a d 转换器是数据采集电路中的核心器件。 2 人机通信模块。人机通信模块是为了完成人机对话功能，以便于使用者对 仪器进行有关设置和管理，它包括显示器接口部分和键盘进口部分。本控制仪在 前面板上设置了1 6 个按键，六位蓝色0 8 ”主显数码管和两位o 5 6 ”副显数码管 和1 3 个绿色发光二极管。按键包括数字键o 9 和一些功能键，其中数字键还包 含有复用功能。数码管用于显示称重数据以及功能设置和键盘操作等状态下的有 关信息，发光二极管用来指示当前计量单位以及运行状态和控制标志。控制仪的 操作面板如图2 2 2 所示。 图2 2 2 定量称重控制仪的操作面板 一种自动定量称荤控制仪的研制 3 开关量输入和输出模块。本系统中所应用的按键、继电器和行程开关操作 信号均属于开关量信号。这种信号只有开和关，也就是高电平和低电平两个状态， 相当于二进制的“1 ”和“0 ”，其处理较为简便。本系统利用m c u 的并行i o 口 与控制对象进行开关量信息交换。由于工业现场中经常存在电场、磁场和噪声等 干扰，因此在本系统的输入和输出口均采用了光电耦合器作为隔离器件，以抑制 外界各种干扰的影响。另外，由于m c u 输出电流不足以驱动继电器，因此在控制 仪的输出口设置u l n 2 8 0 3 a 达林顿管阵列芯片作为驱动器，来驱动控制气缸动作 的电磁阀继电器。 2 3 系统的功能、特点及主要技术指标 一、本仪器实现的功能 本控制仪的核心功能是完成除套袋外的自动定量称重过程控制，其主要功 能包括： l _ 定量称重过程控制； 2 可事先存储2 0 种规格的定量称重数据，各种定量称重规格的快、中、慢 控制数据的自行修正； 3 称重数据的自动保存： 4 系统运行状态的实时显示； 5 简便实用的键盘操作功能； 6 设有超差报警功能； 7 设有手动控制功能，可人工控制给料和卸料，以便于清理结块和堵塞的物 料。 二、本仪器的特点 本控制仪具有以下几个主要特点： 1 可在额定定量称重质量范围内，任意设定定量称重的质量值； 2 采用高精度电阻应变式称重传感器和2 4 位一高分辨率a d 转换器 称重精度高； 1 0 第二章系统的总体设计 3 三级给料控制，结合控制算法，实现了快速、准确的定量称重 4 自动修正给料过程参数，以提高定量称重控制的精度和速度； 5 键盘操作功能丰富而又简便。 三、本仪器的主要技术指标 通过研发设计，应使本定量称重控制仪的主要技术指标达到如下要求： 1 量程：o 5 0 k g ： 2 分度值：l o g ： 3 称量误差：0 i f s 。 一种自动定量称重控制仪的研制 第三章系统的硬件设计 硬件电路系统是测控系统感知信息、传递信息、处理信息和输出信息以完成 控制功能的重要载体。也是软件系统运行的必备物质基础。在本系统的硬件电路 设计中，充分考虑了系统的抗干扰能力、稳定性和可靠性要求。为了便于硬件电 路的设计、修改、调试和扩充，本系统硬件电路采用了模块化结构。 3 1 系统硬件的结构 本控制仪的硬件系统主要包括m c u 单元、信号调理和数据采集模块、调节控 制模块和人机通信模块，其总体结构框图如图3 1 1 所示。 宇鹪艘蝴一 m c u 图3 1 1 称重控制仪的硬件电路总体结构 信号调理和数据采集模块主要包括传感器、信号调理电路与模数转换器。电 阻应变式称重传感器将称量的质量( 重力) 转换成相应的模拟电压信号。这一模 拟电压信号只有毫伏级，必须经过信号调理并经a d 转换器转换成数字量后，才 能送入c p u 。c p u 对测量信号处理后，即可进行显示或执行控制动作。调节控制 模块根据输入状态不同，由软件控制输出电路发出控制信号对称重装置进行控 制，使其处于相应工作状态。人机通信模块包括用于参数及功能设定的键盘接口 电路以及用于系统运行状态和键盘操作信息显示的数码管显示接口电路。 本称重控制仪的硬件如图3 1 2 所示。 第三章系统的硬件设计 图3 1 2 称重控制仪的硬件 3 2 微控制器a t m e g a 3 2 l 及其应用 3 2 1 t m e g a 3 2 l 性能概述 作为计算机的一个独特的分支，微控制器m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 以其体积小、功能强及性能价格比高等优点广泛应用于智能化仪表等诸多领域。 单片机是本系统的核心器件。根据本控制仪的功能需求和几种型号单片机 的性能特点，经过综合比较分析，选择a t m e l 公司a t m e g a 系列的a t m e g a 3 2 l 型 单片机作为本控制仪的微控制器，a t m e g a 系列属于a t m e l 公司a v r 系列单片机 中的高档产品，具有良好的性价比等诸多突出优点。”o 。 一、a t m e g a 3 2 l 产品特性 a t m e g a 3 2 l 单片机具有下列突出特性。”“： 1 高性能、低功耗的8 位a v r 微处理器。 2 先进的r i s c 结构。a t m e g a 3 2 l 具有：1 3 2 条指令，大多数指令执行时间为单 时钟周期；3 2 个8 位通用工作寄存器，全静态工作；工作于1 6 m h z 时性能高达 种自动定量称重控制仪的研制 1 6 m i p s ；只需两个时钟周期的硬件乘法器：非易失性程序和数据存储器，3 2 k 字 节的系统内可编程f l a s h ，擦写寿命可达一万次；1 0 2 4 字节的e e p r o m ，擦写寿命 可达十万次：2 k 字节片内s r a m 。 3 具有3 2 个可编程的1 o 口。 4 外设特点：两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器计数器： 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的1 6 位定时器计数器；具有独立振荡 器的实时计数器r t c ；8 路l o 位a d c ：面向字节的两线接口；可编程的串行u s a r t ： 可工作于主机从机模式的s p i 串行接口；具有独立片内振荡器的可编程看门狗定 时器；片内模拟比较器。 5 处理器特点：上电复位以及可编程的掉电检测；片内经过校准的r c 振荡器： 片内片外中断源；具有6 种睡眠模式。 6 速度等级：0 - - 8 m h z 。 二、a t m o g a 3 2 l 的引脚配置 a t m e g a 3 2 l 的引脚配置如图3 2 1 所示，其各引脚功能说明如下3 0 图3 2 ia t m e g a 3 2 l 的引脚配置 资料来源：a tr a e l 公司： ，聊w a t m e l c o m l i t e r a t u r e 。2 0 0 3 3 e e p r o m 数据存储器。a t m e g a 3 2 l 包含1 0 2 4 字节的e e p r o m 数据存储器。它是 作为一个独立的数据空间而存在的，可以按字节读写。e e p r o m 的寿命至少为 1 0 0 ，0 0 0 次擦除周期。e e p r o m 的访问由地址寄存器、数据寄存器和控制寄存器决 定。e e p r o m 读写访问e e p r o m 的访问寄存器位于i o 空问。为了防止无意识的 e e p r o m 写操作，需要执行一个特定的写时序。执行e e p r o m 读操作时，c p u 会停止 工作四个周期，然后再执行后续指令；执行e e p r o m 写操作时，c p u 会停止工作两 个周期，然后再执行后续指令。 3 2 2a t m g a 3 2 l 的应用 一、系统时钟 a t m e g a 3 2 芯片有五种通过f l a s h 熔丝位进行选择的时钟源。 本系统选择t a t m e g a 3 2 l 芯片内部集成可校准的内部r c 振荡器( c a l i b r a t e d i n t e r n a lr co s c i l l a t o r ) 。它可以提供固定的i 0 、2 0 、4 0 或8 0 m h z 的时钟 信号作为系统的时钟源，可以按照表3 2 1 对熔丝位c k s e l 进行编程选择。 第三章系统的硬件设计 表3 2 1 校准的内部r c 振荡器的工作模式 熔丝位c k s e l 3 0工作频率( m h z ) 0 0 0 ll _ o 0 0 1 02 o 0 0 l l4 0 0 1 0 08 o 资料来源：h t m e l 公司： a t m e g a 3 2 ( l ) p r e l i m i n a r y ) ，忡w a t m e l c o m t i t e r a t u r e ，2 0 0 3 为了使显示接口芯片b c 7 2 8 1 a f i b 够正常工作，选择4 o m h z 校准的内部r c 振荡 器作为本系统时钟源。选择这个时钟就无需在外部引脚x t a l i $ 口x t a l 2 连接任何外 部元件构成时钟源了。系统复位时硬件将校准字节加载至u o s c c a l 寄存器，自动完 成内部r c 振荡器频率的校准。 二、系统复位 a t m e g a 3 2 l 共有5 个复位源：上电复位、外部复位、看门狗复位、电源电压检 测b o d ( b r o w n o u td e t e c t i o n ) 检测复位和j t a ga v r 复位。复位时所有的r o 寄 存器都被设置为初始值，程序从复位向量处开始执行。复位向量处的指令必须是 绝对跳转j m p 指令，以使程序跳转到复位处理例程。 本控制仪应用了两种复位方式，分别简述如下： 1 上电复位。复位脉冲由片内检测电路产生，p o r 电路保证器件在上电时复 位。v c c 达到上电门限电压后触发延迟计数器，在计数器溢出之前器件一直保持 为复位状态。当v c c 下降时，只要低于检测门限，r e s e t 信号立即生效。上电 复位p o r ( p o w e ro nr e s e t ) 的时序如图3 2 3 n 示。 一种自动定量称重控制仪的研制 v c 。；杠了 葡i 形嚣一 。一l e 竺 r 一r e 兰 w 髅厂r 图3 2 3 雨丽亍引脚由外部电路控制的m c u 上电复位 资料来源：a t e l 公司：a t m e g a 3 2 ( l ) p r e l i m l n a r y ，w 珊a t m e l c o m l l t e r a t u r e ，2 0 0 3 2 外部复位。外部复位由外加于r e s e t 引脚的低电平产生。当复位低电平 持续时间大于最小脉冲宽度时即触发复位过程，即使此时并没有时钟信号在运 行。当外加信号达到复位门限电压v 。( 上升沿) 时，tr o g r 延时周期开始。延时结 束后m c u 日f j 启动。外部复位时序如图3 2 4 所示。 在本系统中，采用i m p 7 0 5 监控电路实现系统外部复位。a t m e g a 3 2 l 的r e s e t 引脚与电源监控芯片i m p 7 0 5 低电平输出有效的复位输出引脚r e s e t 相连接，从 而在v c c 低于4 6 5 v 复位门限时，即产生一个脉宽为2 0 0 m s 的低电平复位信号，使 系统产生复位。 弋擞：扩一 。一 ! = 竺型 嚯嚣厂 图3 2 4m c u 运行中r e s e t 引脚由外部控制的复位 资料来源：a t m e l 公司：a t m e g a 3 2 ( l ) ? r e l l m i n a r y ，卿wa r i e l c o a i i t e r a t u r e ，2 0 0 3 三、系统中断 a t m e g a 3 2 l 共有2 1 个中断源，本系统应用的中断源分述如下。 第三章系统的硬件设计 1 外部中断。外部中断通过引脚i n t 0 、i n t l 与i n t 2 触发。通过设置m c u 控制寄存器m c u c r 与m c u 控制与状态寄存器m c u c s r ，中断可以由下降沿、上升沿， 或者是低电平触发( i n t 2 为边沿触发中断) 。本系统中应用i n t l 作为键盘操作的 中断入口，并设为下降沿有效。 2 定时计数器t 0 中断。定时计数器t 0 是一个通用8 位定时计数器。在本 系统中，t o 被设置为每隔6 6 us 产生一次中断申请的8 分频计数器，t o 中断服务程 序用来处理a d 转换所处状态。 3 定时计数器t 1 中断。定时计数器t l 是一个1 6 位多功能定时计数器。在 本系统中，它被设置为8 分频计数器，每隔5 0 m s 产生一次中断申请。t l 中断服务 程序用来实现a d 时钟求反、刷新显示时间和处理判稳时间、夹袋延时等工作状态。 3 3 数据采集前端模块 3 3 1 电阻应变式称重传感器 本控制仪是个依赖于数据采集处理从而进行控制的系统。所称量的质量 ( 重力) 信号的正确采集，是系统有效运行的根本前提。本设计所选用的称重传 感器，属于金属电阻应变式传感器，而电阻应变计是其关键元