配料秤控制器的設(shè)計(jì)

郭瑋，曹靖

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801;2.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 畜牧獸醫(yī)系，北京 102442)

配料秤控制器的設(shè)計(jì)

郭瑋1，曹靖2

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801;2.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 畜牧獸醫(yī)系，北京 102442)

針對(duì)配料皮帶秤測量精度低、誤差大的現(xiàn)狀，以AT91SAM7X256單片機(jī)為主控芯片，設(shè)計(jì)了配料秤控制器，詳細(xì)介紹了配料皮帶秤的工作原理，實(shí)現(xiàn)累計(jì)量控制的功能。該控制器充分利用AT91SAM7X256單片機(jī)的特點(diǎn)，采用雙通道數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)了硬件電路，在此基礎(chǔ)上，采用PID控制算法進(jìn)行了配料皮帶秤控制器的軟件設(shè)計(jì)。電路設(shè)計(jì)新穎、測量精度達(dá)到1%、誤差小于0.01t。

AT91SAM7X 256;控制;配料秤控制器;硬件;單片機(jī)

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)連續(xù)累計(jì)自動(dòng)衡器的需求也愈來愈大，稱量的準(zhǔn)確與否已成為影響人們生產(chǎn)生活的一個(gè)重要因素，這對(duì)配料秤的性能和質(zhì)量提出了更高的要求。以往的配料秤都采用8位51系類的單片機(jī)進(jìn)行控制，而且在數(shù)據(jù)采集模塊采用的芯片轉(zhuǎn)換位數(shù)小［1］，傳統(tǒng)的配料秤由于存在計(jì)量精度低、穩(wěn)定性差、控制有滯后等缺點(diǎn)，論文采用AT91SAM7X256單片機(jī)設(shè)計(jì)了配料秤控制器，提高了測量精度和穩(wěn)定性，并能實(shí)時(shí)控制。首先主要介紹了配料秤的基本組成結(jié)構(gòu)、稱重原理，設(shè)計(jì)了硬件電路，介紹了各個(gè)模塊的硬件功能，包括芯片選擇、器件大小的選擇等。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了配料秤控制器的軟件部分。

1 配料皮帶秤的組成結(jié)構(gòu)

先對(duì)被稱量的幾種物料給定一個(gè)質(zhì)量比例，對(duì)這幾種物料進(jìn)行累計(jì)計(jì)量并定量配比的衡器稱為配料秤。配料秤大體上可分為兩部分：機(jī)械秤體和變頻控制，變頻控制主要是變頻器和電機(jī)，機(jī)械秤體包括運(yùn)輸皮帶、秤架、平行托輥、大皮帶、稱重托輥、前后滾筒等。由于該配料秤采用雙通道設(shè)計(jì)，因而有兩個(gè)速度通道和重量通道［1］，當(dāng)一個(gè)通道出現(xiàn)故障時(shí)，另一通道仍能正常工作，提高了配料效率。配料秤的基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示［2］。

圖1 配料秤的組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of batching scale

在配料皮帶秤的運(yùn)行過程中，首先由給料機(jī)進(jìn)行加料，物料落到運(yùn)輸皮帶的落料段后，經(jīng)由運(yùn)輸皮帶傳輸?shù)竭_(dá)有效稱量段，同時(shí)，裝在稱量段的四個(gè)稱重傳感器分別感受到重量信號(hào)，并將重量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，送入單片機(jī)。單片機(jī)采用累加法來計(jì)算物料重量。配料秤控制器將通過儀表盤顯示瞬時(shí)流量值，并將瞬時(shí)值與給定值不斷進(jìn)行比較，得到瞬時(shí)偏差。對(duì)偏差進(jìn)行PID控制后，單片機(jī)發(fā)出控制命令控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)——電機(jī)發(fā)出動(dòng)作，通過不斷的調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變配料秤的瞬時(shí)流量，不斷減小偏差，使控制效果達(dá)到最優(yōu)，提高了配料秤稱量的精確度［3］。

2 配料秤控制器的硬件電路設(shè)計(jì)

配料秤控制器的硬件電路部分主要包括AT91SAM7X256單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、3.3V電源電路、鍵盤與顯示接口電路、速度通道電路、重量通道電路（兩路)、通信電路等基本電路。由于采用了無測速傳感器技術(shù)，有時(shí)可省去速度通道電路。整體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 配料秤控制器的基本硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Software structure of batching scale controller

2.1 AT91SAM7X256單片機(jī)最小系統(tǒng)電路［4］

配料皮帶秤控制器的主控芯片采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT91SAM7X256單片機(jī)。該單片機(jī)集成了ARM7TDMI ARM Thumb處理器，有高性能的32位RISC架構(gòu)，高密度的16位指令集，具有低成本、低功耗、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。AT91SAM7X256單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路如圖3所示。該電路中，電源電壓：VDDIN＝3.3V，VDDIO＝3.3V，VDDOUT＝1.8V，VDDCORE＝1.8V ，VDDFLASH＝3.3V。單片機(jī)外接18.432MHz的晶振。PA11和PA10這兩個(gè)引腳被配置為I2C模塊的引腳，單片機(jī)與鐵電存儲(chǔ)器FM24C16通過這兩個(gè)引腳相連。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路Fig.3 Circuit of MPU

2.2 鍵盤、顯示接口電路

鍵盤與顯示接口電路通過SPI接口和單片機(jī)進(jìn)行通信。采用BC7281作為該電路的控制芯片，BC7281是8位／16位LED數(shù)碼管顯示及鍵盤接口專用控制芯片，它的驅(qū)動(dòng)輸出極性及輸出時(shí)序均為軟件可控。顯示電路用于4位流量、8位累計(jì)量以及控制器的工作狀態(tài)等的顯示。鍵盤電路上安有20個(gè)鍵，分別是上下移動(dòng)鍵、6個(gè)功能鍵（主要用于控制調(diào)零、掛碼、實(shí)物標(biāo)定、數(shù)字輸入等)、10個(gè)數(shù)字鍵、鎖鍵、結(jié)束鍵。

2.3 3.3V電源電路設(shè)計(jì)

電源電路為整個(gè)配料秤控制器提供能量，提供的電壓是否穩(wěn)定、保護(hù)電路是否合理、對(duì)芯片是否有損壞、輸入／出電壓電流是否合理穩(wěn)定、能否降低紋波噪聲，這些都是設(shè)計(jì)電源電路需要考慮的問題。根據(jù)單片機(jī)對(duì)電源的需求輸出3.3V電壓如圖4所示，采用LM2576系列的開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)3.3V 電源電路［5，6］。

圖4 3.3V電源電路Fig.4 3.3Vpower circuit

2.4 重量通道電路

圖5 A／D轉(zhuǎn)換電路圖Fig.5 A／D conversion circuit

2.5 通信電路

設(shè)計(jì)采用RS-232C和RS-485串行通信電路，RS-232C是目前最常用的一種串行通信接口，主要用于短距離的通信，如配料秤和上位機(jī)的通信。配料秤控制器采用SP3232芯片實(shí)現(xiàn)RS-232C通信。RS-485主要用于長距離的通信，如與現(xiàn)場的其他設(shè)備進(jìn)行通信。

3 配料秤控制器的軟件設(shè)計(jì)

由于整個(gè)配料秤控制器軟件龐大、復(fù)雜，因此該設(shè)計(jì)將FreeRTOS操作系統(tǒng)移植到AT91SAM7X256單片機(jī)上，將復(fù)雜的系統(tǒng)分成各個(gè)任務(wù)，分模塊進(jìn)行執(zhí)行，合理而有效的利用了CPU資源，使應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)更為簡化，而且該系統(tǒng)具有多任務(wù)處理能力，便于其進(jìn)行實(shí)時(shí)、同步、可靠的處理數(shù)據(jù)。配料秤控制器的主程序是將FreeRTOS操作系統(tǒng)移植到AT91SAM7X256單片機(jī)上，首先配置各處理器，初始化系統(tǒng)。接著開啟各個(gè)任務(wù)，分別為秒任務(wù)、皮帶速度和重量檢測任務(wù)、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制任務(wù)，通信任務(wù)，各個(gè)任務(wù)輪流執(zhí)行。FreeRTOS操作系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各模塊任務(wù)之間的工作，給各子程序合理的分配空間。通過程序設(shè)定任務(wù)執(zhí)行的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)先執(zhí)行?？刂扑惴ǖ能浖鞒讨饕獮椋洪_始→給定設(shè)定值→計(jì)算偏差、偏差變化→PID控制→輸出→結(jié)束。

4 討論

由于配料秤的工作現(xiàn)場環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)的51系列的單片機(jī)控制精度低，不足以滿足現(xiàn)場的需求。采用32位的ARM系列單片機(jī)后，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測量，其精度可達(dá)到1%。

5 結(jié)論

該配料秤控制器基于AT91SAM7X256單片機(jī)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)配料秤流量及時(shí)、準(zhǔn)確控制，從而可實(shí)現(xiàn)各物料流量的準(zhǔn)確配比。經(jīng)砝碼標(biāo)定可得，將0.1t的標(biāo)準(zhǔn)砝碼放到秤架上，顯示器顯示0.099t，稱量精確度達(dá)到1%，并具有抗干擾性強(qiáng)、控制實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但其對(duì)現(xiàn)場的隨機(jī)變化缺乏控制的靈活性。

［1］郭瑋.一種新型配料皮帶秤控制器的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.太原：太原理工大學(xué)，2010.

［2］山西新元自動(dòng)化儀表有限公司配料秤產(chǎn)品說明書［Z］.2010.

［3］GB／T 7721－2002，連續(xù)累計(jì)自動(dòng)衡器（皮帶秤)Continuous Totalizing Automatic Weighing Instruments（Belt Weighers))［S］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：2-5.

［4］AT91SAM7X256DATA BOOK，download in www.alldatasheet.com［Z］.2010.

［5］成友才，朱永金.電源對(duì)電路工作的影響及電源設(shè)計(jì)的注意要點(diǎn)［J］.四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，16（2)：119-120.

［6］王明順.基于LM2576的高可靠 MCU電源設(shè)計(jì)［J］.國外電子元器件，2005（2)：2-15.

Design of Batching Belt Scale Controller

GUO Wei1，CAO Jing2
（1.CollegeofEngineering，ShanxiAgriculturalUniversity，TaiguShanxi030801，China;2.DepartmentofAnimal HusbandryandVeterinaryBinjingVocationalCollegeofAgricultrue，Beijing102442，China)

The batching scale to measure has low accuracy and big error.Based on AT91SAM7X256microcomputer as the primary control chip，a batching scale controller was deasigned.The operating principle of the batching scale was introduced，realizing the cumulant control.The characteristic of AT91SAM7X256single chip microcomputer was made full use of by bathing scale adopting two-channel data collection.Hardware circuit was designed，furthermore，the software for batching scale controller was designed adopting PID control algorithm，with the characteristic of novel circuit design，measuring accuracy reaching 1%and error less than 0.01t.

AT91SAM7X 256;Control;Batching scale controller;Hardware;Microprogrammed Control Unit（MCU)

T

A

1671-8151（2011)06-0568-05

2011-10-15

2011-11-08

郭瑋（1985-)，女（漢)，山西太谷人，助教，碩士，主要從事智能控制和智能儀器方面的研究。

（編輯：武英耀)