采用紅外遙控技術(shù)進(jìn)行設(shè)定目標(biāo)重量,以PIC16F877單片機(jī)為核心控制芯片,研制成功了六嘴回轉(zhuǎn)式電子秤水泥包 裝機(jī)的智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的髙精度測(cè)量和包裝，具有完善的控制功能和抗干擾能力。

1.引 言

電子秤包裝機(jī)控制器用于六嘴回轉(zhuǎn)式顆粒狀或粉 末狀的物料(如水泥、化肥、糧食等)定量包裝系統(tǒng)中， 自動(dòng)化程度、計(jì)量零度要求越來(lái)越髙，要求插袋、喂料、 壓袋、推包、破袋處理、設(shè)定目標(biāo)重量等過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn) 自動(dòng)控制。由于控制器安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的回轉(zhuǎn)部分的 六個(gè)下料嘴對(duì)應(yīng)的6只電控箱中，控制器的安裝位置 比較高，目標(biāo)重量設(shè)定采用控制器的按鍵設(shè)定極為不 方便，也不利于控制室控制，只能作為目標(biāo)重量的輔助 設(shè)定方式?？紤]采用遙控設(shè)定或有線通信設(shè)定，若采 用有限通信方式設(shè)定，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的包裝機(jī)設(shè)備中央控 制單元發(fā)送的設(shè)定信號(hào)要通過(guò)滑環(huán)傳送，并進(jìn)行串并 轉(zhuǎn)換為并行信號(hào)，完成與控制器的通信設(shè)定。由于回 轉(zhuǎn)部分的380 V動(dòng)力電源和220 V控制電源還有檢測(cè) 部分，都通過(guò)滑環(huán)與控制器相連，滑環(huán)之間的相互干擾 比較大，這樣會(huì)使得采用通信方式的設(shè)定不準(zhǔn)確，造成 生產(chǎn)的不可靠。因此，本系統(tǒng)以PIC16F877單片機(jī)為 控制芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了紅外遙控作為設(shè)定目標(biāo)重量主要 方式的電子秤包裝機(jī)控制系統(tǒng)。做好軟件的處理，即 可完成方便靈活、可靠的、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng) 控制。

2.控制系統(tǒng)總述

電子秤是包裝機(jī)的一個(gè)獨(dú)立的控制部件，安裝在 包裝機(jī)電控箱內(nèi)，從包裝箱觀察窗可以看到電子秤的 重量顯示和狀態(tài)LED指示。其控制器由單片機(jī)、檢測(cè) 電路、控制電路、人機(jī)接口電路和遙控設(shè)定電路等組 成，如圖1所示。

選用美國(guó)Microship公司的PIC16F877單片機(jī)為 控制系統(tǒng)的CPU，對(duì)各部電路進(jìn)行檢測(cè)和控制。經(jīng)過(guò) 調(diào)零調(diào)滿后，CPU發(fā)出插袋控制信號(hào)；當(dāng)檢測(cè)到包準(zhǔn) 備好信號(hào)時(shí)開始喂料，控制粗細(xì)閥一起打開，CPU將 荷重傳感器檢測(cè)的重量信號(hào)與目標(biāo)重量的粗細(xì)流閾值 進(jìn)行比較，判斷是否關(guān)閉粗細(xì)閥，從而發(fā)出控制指令； 然后根據(jù)檢測(cè)的推包位置到和皮帶脈沖到信號(hào)，發(fā)出 推包控制信號(hào)。

3.提高重量測(cè)量精度的方法

用戶要求裝包重量精度比較高，即要求水泥重量 的測(cè)量具有很髙的精度，系統(tǒng)的多個(gè)環(huán)節(jié)都考慮髙精 度的要求而進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1下料方式采用粗細(xì)配合方式

單片機(jī)控制各嘴電磁閥的開關(guān)來(lái)控制物料下料， 控制電磁閥的開度來(lái)控制下料的速度。考慮到生產(chǎn)的 效率和物體的慣性，為了能夠精確地控制喂料的重量, 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用粗細(xì)閥配合使用的下料控制。開始下 料時(shí)，控制電磁閥開度最大，即粗閥和細(xì)閥一起打開， 快速下料;當(dāng)接近目標(biāo)重量(即達(dá)到粗流閾值)時(shí)，要控 制下料的速度控制將電子閥開度關(guān)小些，即粗閥關(guān)閉， 下料速度減慢;進(jìn)一步接近目標(biāo)重量（即達(dá)到細(xì)流閾 值)時(shí),完全關(guān)閉電磁閥，即細(xì)流閥關(guān)閉。通過(guò)多次的 實(shí)驗(yàn)，獲得較為合適的粗流、細(xì)流閾值，提高了包中物 料喂料的精度。

3.2 CPU的選擇

為了提髙系統(tǒng)的重量測(cè)量精度要求，需要選擇高 精度的A/D轉(zhuǎn)換器;本系統(tǒng)選用的PIC16F877單片機(jī) 內(nèi)含10位A/D轉(zhuǎn)換器，滿足系統(tǒng)的重量測(cè)量精度要 求;PIC16F877單片機(jī)具有256字節(jié)的EEPROM存儲(chǔ) 器,內(nèi)置看門狗電路,對(duì)粗流細(xì)流閾值的設(shè)定值具有掉 電保護(hù)作用，而且價(jià)格便宜，外圍接口電路簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換 精度高，看門狗可以對(duì)軟件運(yùn)行出錯(cuò)提供保護(hù)功能，不 僅增加了重量測(cè)量精度,還提髙了系統(tǒng)可靠性。

3.3重量檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

物料重量經(jīng)過(guò)荷重傳感器輸出相應(yīng)的0?5 mV 電壓，再經(jīng)過(guò)重量檢測(cè)電路將其變化到0?5 V電壓，送至單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換輸人口 RA5，如圖2所示。 因?yàn)橄铝系倪^(guò)程是個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，為了保證測(cè)量的精 度，該電路做了相關(guān)的動(dòng)態(tài)校正電路。

當(dāng)測(cè)量的物料重量穩(wěn)定不變時(shí)，荷重傳感器收到 的力F即為物料的重力mg。由式(3)可知，由放大器 U3構(gòu)成的放大電路為微分環(huán)節(jié)，則此環(huán)節(jié)不起作用, 即m<=0，根據(jù)式(1)?(3)、(5)得重量測(cè)量電路的輸入 輸出關(guān)系為比例放大的關(guān)系，如下所示：

根據(jù)u1和u6的關(guān)系設(shè)計(jì)需要的電路的參數(shù)，通 過(guò)調(diào)節(jié)RW2進(jìn)行重量滿刻度的校定。當(dāng)包裝機(jī)工作 時(shí)，物料重量是在變化的,而且落人包中的物料是有速 度和加速度的、根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理,荷重傳感器收到的力 為：F= ma+mg ,此時(shí)重量的測(cè)量如果只是單純地用 圖3中的組成比例放大電路，在測(cè) 量中會(huì)存在誤差，為了解決動(dòng)態(tài)測(cè)量中的測(cè)量誤差，加 人了放大器組成的微分環(huán)節(jié)。由式（3)和式（4)可 知，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，由于的微分環(huán)節(jié)和叫的減法環(huán) 節(jié)，合理地調(diào)節(jié),即a系數(shù)，在動(dòng)態(tài)測(cè)量中可以實(shí) 現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差的補(bǔ)償，從而提高測(cè)量的精度。

3.4可靠穩(wěn)定的電源

在進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換時(shí),其數(shù)字量和模擬量的對(duì)應(yīng)關(guān) 系為：

為了確保AD轉(zhuǎn)換的精度，需要穩(wěn)定、可靠且精度 比較高的參考電源，為此參考電源的設(shè)計(jì)如圖3所示。 對(duì)常規(guī)的線性電源做了優(yōu)化，為了模擬地AGND基準(zhǔn) 的準(zhǔn)確、不偏移，在輸出士5 V之間利用兩個(gè)相等的電 阻風(fēng)、尺2進(jìn)行電壓取樣。當(dāng)AGND有偏移時(shí)，通過(guò) Ue放大器，電容C8組成積分調(diào)節(jié)器對(duì)AGND的偏進(jìn) 行反饋調(diào)節(jié)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)AGND基準(zhǔn)的準(zhǔn)確。另外保證 電壓測(cè)量電路中各放大器±5 V電源的對(duì)稱性，利于 測(cè)量精度的提高。

4.目標(biāo)重量的紅外遙控設(shè)定

4.1紅外遙控設(shè)定原理

本系統(tǒng)采用控制器上的按鍵設(shè)定和紅外遙控?zé)o線 設(shè)定兩種方式進(jìn)行目標(biāo)重量的設(shè)定。紅外遙控是目前使用最為廣泛的遙控手段，紅外通信采用的光波波長(zhǎng) 范圍為850?900 nm的紅外線。本系統(tǒng)的遙控器選 用PIC16C72單片機(jī)作為控制芯片，根據(jù)按鍵設(shè)定的信 息，將其進(jìn)行編碼和調(diào)制,經(jīng)過(guò)放大驅(qū)動(dòng)紅外線發(fā)射二 極管發(fā)射紅外信號(hào)。包裝機(jī)控制器的紅外接收裝置將 接收的紅外信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，最終還原設(shè)定的信 息，實(shí)現(xiàn)遙控設(shè)定。其原理框圖如圖4所示。

由于采用單片機(jī)作為控制芯片，發(fā)射部分的編碼、 調(diào)制和接收端的解調(diào)、解碼均通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了硬 件電路，提高發(fā)射可靠性。

4.2紅外遙控設(shè)定倍號(hào)的編碼及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

根據(jù)實(shí)際情況制定了紅外發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)傳輸 協(xié)議，協(xié)議碼為32位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其中地址碼8位、標(biāo) 志碼16位、校驗(yàn)碼8位，各碼的規(guī)定如表1所示。數(shù) 據(jù)碼為設(shè)定重量的壓縮BCD碼;校驗(yàn)碼采用的是和校 驗(yàn)的方法，由協(xié)議碼的前3字節(jié)相加而得。然后采用 脈沖編碼的方式，將“1”定義為1T的高電平和1T的 低電平;“0”定義為1了的髙電平和3丁的低電平(T為 延時(shí)周期），數(shù)據(jù)碼就被編碼成脈沖序列。

4.3紅外遙控設(shè)定信號(hào)的調(diào)制

由于采用的是紅外光發(fā)射，考慮到接收端的接收 能力，需將脈沖串進(jìn)行調(diào)制，其編碼和調(diào)制的軟件設(shè)計(jì) 如圖5所示。調(diào)制的載波為38 kHz脈沖波。采用 ASK調(diào)制方式,將由單片機(jī)軟件方式實(shí)現(xiàn)的38 kHz 載波與編碼信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)由紅外發(fā) 光管發(fā)射，與包裝機(jī)控制器端的接收電路以及相應(yīng)的 解調(diào)和解碼軟件相配套就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的準(zhǔn)確遙控。

5.結(jié)束語(yǔ)

采用紅外遙控設(shè)定包裝機(jī)的粗、細(xì)流閾值，操作靈活方便，與包裝機(jī)控制器相配合使整個(gè)包裝機(jī)控制系 統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)確可靠，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，控制精度 髙，50 kg的包裝，誤差小于0. 05 kg，精度可達(dá)0.1%; PIC16F877的資源豐富，為以后的技術(shù)改進(jìn)也留有一 定的資源，可繼承性強(qiáng)。該系統(tǒng)現(xiàn)已投入使用，取得了 良好的控制效果;成本低廉，經(jīng)用戶試用，反應(yīng)良好。