基于MCS—51單片機的稱重系統(tǒng)設(shè)計

摘要：文章以MCS-51單片機為核心，采用稱重傳感器和速度傳感器作為測量單元，設(shè)計了一種稱重系統(tǒng)，本系統(tǒng)在主板的處理電路上實現(xiàn)了對輸入信號的濾波和放大功能，并且采用A/D采樣芯片對其采樣后，單片機對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到皮帶速度及傳輸重物的質(zhì)量，進(jìn)而運算得出瞬時流量，達(dá)到稱重目的。

關(guān)鍵詞：單片機；模數(shù)單元；運放電路；濾波電路；傳感器；鍵盤掃描

中圖分類號：TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）10-0041-03

技術(shù)革命源于信息革命，鋼鐵生產(chǎn)亦是如此。在鋼鐵生產(chǎn)過程中，由于工藝中存在著大量的人類感官無法直接獲取的信息，而這些信息對于工藝中礦粉燒結(jié)、鋼鐵熔煉、軋鋼系數(shù)等步驟有著十分重要的意義。

因此，鋼鐵生產(chǎn)過程首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的計量信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，無論原料還是半成品、成品經(jīng)常性的要使用各種稱重系統(tǒng)來達(dá)到監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個物或料的參數(shù)的目的，從而使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，最終使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量，簡而概之，沒有一個的優(yōu)良的稱重系統(tǒng)，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)各部分單元概述

單片機：是單片微型計算機的簡稱，英文縮寫MCU，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)，把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器、存儲器、I/O口及中斷系統(tǒng)、計數(shù)器等功能集成到一塊硅片上，從而構(gòu)成一種小而完善的嵌入式微控制器，在工業(yè)生產(chǎn)上，尤其是工業(yè)控制領(lǐng)域，具有非常廣泛的應(yīng)用，在現(xiàn)代工業(yè)體系中，復(fù)雜的控制工業(yè)系統(tǒng)或智能儀表上，甚至有數(shù)百片單片機在同時工作。

稱重傳感器是這樣的一種檢測裝置，當(dāng)被稱物體放置在秤體的秤臺上時，它感受到被測量物的重量信息，并能將檢測到的信息，按照一定的規(guī)律（力-電效應(yīng)）變成具有正比函數(shù)關(guān)系的電信號（電壓或電流等），從而得到被秤物體的重量，用以滿足工業(yè)上對于被測量物的信息顯示、記錄、處理、控制等要求。

速度傳感器是一種直流或交流測速發(fā)電機，它可以將直線速度或旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?dāng)傳感器與運動物體相接觸，就會產(chǎn)生一連串的電脈沖，通過檢測到的脈沖數(shù)，從而計算出物體的速度。目前工業(yè)生產(chǎn)中，最為廣泛采用的速度傳感器為直流測速發(fā)電機。

稱重技術(shù)：是采用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)一體化的電子稱量裝置，同時還能夠有效地消除人為誤差，使之更符合計量管理和工業(yè)生產(chǎn)過程控制的應(yīng)用要求的一種技術(shù)，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科研等部門。同時，稱重設(shè)備在習(xí)慣上也被稱為秤。

模數(shù)轉(zhuǎn)化器（A/D轉(zhuǎn)化器）、運放及濾波電路：模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的系統(tǒng)，是一個濾波、采樣保持和編碼的過程，模擬信號經(jīng)帶限濾波，采樣保持電路，變?yōu)殡A梯形狀信號，然后通過編碼器，使得階梯狀信號中的各個電平變?yōu)槎M(jìn)制碼；運算放大電路其實是一個將兩個相差不是很小的電壓進(jìn)行比較的比較器系統(tǒng)，能實現(xiàn)電壓信號的很高倍數(shù)的放大；濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，其作用能盡可能減小脈動的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，從而使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形變得比較平滑。

鍵盤掃描技術(shù)：無論采用何種控制系統(tǒng)，都需要一個人機對話裝置，這種人機對話裝置一般采用鍵盤和LCD或LED顯示器，鍵盤可以實現(xiàn)人機的輸入，事件輸入包括鍵盤輸入，通訊接口，事件中斷等，而顯示器可以實現(xiàn)人機的輸出，輸出結(jié)果指示包括LED/LCD顯示、通訊接口、外圍設(shè)備操作等，通過這樣的輸入和輸出從而實現(xiàn)人工可視的控制及操作功能。

LCD顯示（Liquid Crystal Display）：是利用液晶分子的物理結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性進(jìn)行顯示的一種技術(shù)，一般常用的液晶型態(tài)為向列型液晶，在不同電流電場作用下，液晶分子會做規(guī)則旋轉(zhuǎn)90度排列，產(chǎn)生透光度的差別，如此在電源ON/OFF下產(chǎn)生明暗的區(qū)別，依此原理控制每個像素，便可構(gòu)成所需顯示圖像。

2 由單片機控制的稱重系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 稱重系統(tǒng)設(shè)計原理

本設(shè)計方案中，采用的皮帶秤為多托輥懸浮式秤架結(jié)構(gòu)，當(dāng)輸送帶上所載重物通過有效測量單元時，皮帶秤秤體即托輥和架秤將其重量通所產(chǎn)生的壓力信號傳送給重量傳感器，稱重傳感器通過運算放大器放大并且經(jīng)過濾波電路濾波后，將稱重的脈沖信號輸入模數(shù)（A/D）電路單元進(jìn)行采樣，當(dāng)信號變?yōu)閿?shù)字信號時，再送入單片機（嵌入式微控制器）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，與此同時，速度傳感器也將皮帶的速度通過模數(shù)電路轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號，進(jìn)入信號放大單元，再進(jìn)入單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，單片機通過對速度和質(zhì)量這兩種信號的處理，就可以得到皮帶上傳輸物體的重量。

另外，在處理傳感器信號的同時，MCS-51也在不斷掃描鍵盤和各種功能開關(guān)，根據(jù)鍵盤輸入內(nèi)容和各種功能開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行必要的判斷、分析、運算，運算結(jié)果送到單片機內(nèi)部的存儲器，當(dāng)需要顯示或者其他操作時，單片機發(fā)出指令，從存儲器中讀出數(shù)據(jù)送到顯示器顯示或?qū)⒅噶畎l(fā)送給其他的操作設(shè)備。

重量計算原理為：輸送帶輸送物料時，主控機連續(xù)測量輸送帶上每單位長度的載荷值并與皮帶在同一時刻的速度相乘，測得結(jié)果為物料的瞬時流量。

2.2 系統(tǒng)硬件及外圍電路介紹

本系統(tǒng)中，用于動態(tài)稱重的單片機采用的是基于8051內(nèi)核的MCS-51單片機，完成皮帶測速、重量累加、顯示以及遠(yuǎn)程通信等功能，其優(yōu)點為片內(nèi)存儲器為閃速存儲器，速度更快、尺寸更小，且有4個8位I/O接口，便于擴展。

A/D轉(zhuǎn)換模塊采用AD7190芯片，它集成了一個低噪聲、24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)低噪聲增益級意味著可直接輸入小信號。

稱重傳感器采用電阻應(yīng)變式集成傳感器，其工藝簡單，成熟，精度較高；外圍信號放大電路（運放）采用ADA4528-1，該運放溫飄小，廣泛用于信號處理，同時傳感器安裝位置必須防塵隔噪。

速度傳感器采用光電脈沖集成傳感器，光電檢測方法具有精度高，反應(yīng)快，非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣。因為MCS-51具有輸入捕捉脈沖信號功能，故速度傳感器的輸出信號可以直接進(jìn)入單片機進(jìn)行信號處理，降低了系統(tǒng)運轉(zhuǎn)

周期。

防抖動電路：速度傳感器的信號經(jīng)過防抖動電路處理后，能夠更加的穩(wěn)定與精確。

鍵盤掃描及遠(yuǎn)程通訊模塊：本系統(tǒng)采用防塵、防水的金屬鍵盤，因為考慮到生產(chǎn)環(huán)境的惡劣性，故采用密封性好的金屬鍵盤，利用單片機I/O口掃描，功能鍵可以根據(jù)軟件程序設(shè)計；同時，本設(shè)計也涵蓋了控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN總線），重量信號也可以把采集到的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線傳輸?shù)狡渌丝冢ＷC了分布式控制系統(tǒng)各節(jié)點之間實時、可靠的通信，具體實現(xiàn)方法為在主板擴展槽中安裝通訊板，采用主從式通訊協(xié)議，上位機可以發(fā)送控制命令讀寫稱重過程參數(shù)和顯示，或直接進(jìn)行遠(yuǎn)程鍵盤操作，通訊板使用標(biāo)準(zhǔn)RS-232或RS-485方式。

3 結(jié)語

總之，稱重技術(shù)的發(fā)展向計算機化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化、智能化方向發(fā)展，解決了鋼鐵生產(chǎn)過程中繁瑣的計量問題，保證了生產(chǎn)的高效，有著極大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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作者簡介：李云（1982—），男，長治鋼鐵（集團）有限公司助理工程師，研究方向：電氣智能化。