介紹以AT89C52為核心的螺旋電子秤的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，利用PI控制算法實現(xiàn)物料的流量控制。

通過軟件和硬件的合理配合，使系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)稱量的功能，且測量誤差不大于±2%。

1.前言

在工業(yè)生產(chǎn)中，有很多需要對粉末狀或小顆粒狀 散狀固體的流量進行準確測量和控制的情況，如水泥 廠、鐵合金廠、鋁廠等要對原料配料進行準確計量。 螺旋電子秤就是針對實時動態(tài)稱量工業(yè)用原料的需要 而設(shè)計的，對完善工業(yè)部門物資計量體系具有一定意義。

2.螺旋電子秤的硬件設(shè)計

2.1螺旋電子秤的工作原理

螺旋電子秤是根據(jù)科氏力與物料質(zhì)量流量之間成線性關(guān)系的原理設(shè)計的。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

物料從入料口進入裝在筒內(nèi)的螺旋，螺旋的轉(zhuǎn)速由電磁調(diào)速電機控制，物料隨著螺旋的轉(zhuǎn)動向前移動， 物料在向前移動過程中要經(jīng)過裝在螺桿下面的壓力傳 感器，壓力傳感器將物料的部分質(zhì)量轉(zhuǎn)換成毫伏級的 電壓信號，并通過前置放大器轉(zhuǎn)換為0?十10V的直流 電壓信號，再經(jīng)濾波和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化，將得到的數(shù) 字信號傳送給單片機AT89C52。

單片機對數(shù)據(jù)進行實時處理得到物料重量，一方 面將物料重量送給數(shù)碼顯示管顯示；另一方面對物料 重量作PI調(diào)節(jié)，所得控制量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后輸出一 電壓信號給變頻器，變頻器控制電磁調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速， 從而自動調(diào)節(jié)螺旋的轉(zhuǎn)速，也就自動控制了物料的流 量，達到精確控制固體物料流量的目的。另外，單片 機與PC機的串口通過MAX232轉(zhuǎn)換電平后，通過串 口通訊進行數(shù)據(jù)交換。

螺旋電子秤的硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2螺旋電子秤測量模塊的設(shè)計

螺旋電子秤的測量模塊主要包括傳感器、信號采 集電路和A/D轉(zhuǎn)換3部分。信號采集電路包括放大電 路和濾波電路，其電路圖如圖3所示。

A1起反向和滿量程調(diào)整作用，調(diào)整W,使其輸出 0~25mVo運放A2用作反向零點補償和濾波，調(diào)整W2 使其輸出為0?10V。為了防止工頻串模干擾信號混入 測量儀器而產(chǎn)生測量誤差，硬件上采用了性能良好的 雙T濾波器。雙T濾波器的參數(shù)選擇應(yīng)滿足C1=C2=2C3, R1=R2=2R3,適當調(diào)整RW,、RW2消除50Hz工頻干擾 可得到更好的濾波效果。

A/D轉(zhuǎn)換器采用美國模擬數(shù)字公司（Analog)推 出的AD574。它是單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn) 換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具 有外接元件少、功耗低、精度高等特點，并且具有自 動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件 即可構(gòu)成一個完整的A/D轉(zhuǎn)換器。

2.3螺旋電子秤動態(tài)稱量的實現(xiàn)

螺旋每旋轉(zhuǎn)一圈，從出料口流出一定量的物料。 要實現(xiàn)動態(tài)稱量且要使測量精度盡量提高，就要盡量 減少給料螺桿的震動以免壓力傳感器的測最值并非實 際值。要減少螺桿的震動保持螺旋內(nèi)的物料穩(wěn)定，就 要使螺桿的轉(zhuǎn)速盡量固定在一個恒定值，也就是要通 過控制使電磁調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速恒定，這樣壓力傳感器 的輸出電壓也就穩(wěn)定在一個值上，得出每次從出料口 出來的物料重e相等，使得AD—0，這樣從6時間段內(nèi)總的物料重最直接采用累計積分的方法就可以得 到，即：

式中：

D?為T?時刻A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)字量；

K為標定系數(shù)。

K直接以數(shù)字的形式參加 運算，改變K可改變電子秤 的噸位,使現(xiàn)場實物標定變得 非常簡單。

為此，系統(tǒng)中在硬件上采 用螺旋產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖作為中 斷信號，對AD574的輸出信 號進行采樣。單片機對采樣信 號進行數(shù)據(jù)處理后得到物料重 量，并將物料重量一路送累計顯示，另一路與變頻器 給定值對應(yīng)的重量值作比較。由此產(chǎn)生一偏差信號， 通過軟件P1調(diào)節(jié)后，與自動預(yù)置值相加后，調(diào)節(jié)螺旋 的轉(zhuǎn)速，使螺旋內(nèi)的物料保持穩(wěn)定，也就使傳感器上 的電壓穩(wěn)定在一個值上,從而實現(xiàn)較為準確的動態(tài)稱量》

3.螺旋電子秤的軟件設(shè)計

3.1 PI控制算法

從螺旋電子秤實現(xiàn)動態(tài)稱量的過程可以看出，系 統(tǒng)中采用了 PID控制算法中的PI控制，通過軟件調(diào) 節(jié)比例系數(shù)和采樣時間的積分區(qū)間，使得給定變頻器 的控制量為一個恒值，也就使得電磁調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速 為一個恒值，從而使螺旋里的物料穩(wěn)定，使壓力傳感 器的輸出電壓保持恒定，實現(xiàn)動態(tài)稱量。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)編制，主要分為主程序 模塊、初始化模塊、采控模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。主程 序控制模塊包括主監(jiān)控程序、鍵盤掃描程序、顯示子 程序等；初始化模塊主要包括模擬電壓、標定系數(shù)等 參數(shù)的設(shè)定子程序以及數(shù)字鍵處理子程序和提示符顯 示子程序；采控模塊包括數(shù)據(jù)采集中斷服務(wù)子程序和 通訊中斷響應(yīng)子程序；數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)字濾波子程序、PI調(diào)節(jié)子程序、物料總量積分運算子程序等。 系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

除了在硬件上采用濾波手段外，還采用了軟件濾 波，以減少現(xiàn)場干擾。其中的數(shù)字濾波子程序就是實 現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理的功能。A/D轉(zhuǎn)換 完成后，由AT89C52讀取AD574送出的12位二進制 數(shù)據(jù)。但由于現(xiàn)場干擾，可能會產(chǎn)生脈沖干擾，因此 必須對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。采用中值濾波的方法，即將 采集到的每4個數(shù)據(jù)去掉1個最大值和1個最小值， 其余2個取平均作為測量數(shù)據(jù)，以減少尖峰干擾。

4.結(jié)束語

本文介紹的螺旋電子秤以AT89C52為核心，運用 PI控制算法，實現(xiàn)了工作過程的自動化。實驗表明， 系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測量誤差不大于±2%，具有可靠性高、 操作簡單的特點，達到了設(shè)計目的。