基于PIC單片機(jī)的重量稀釋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡美珠 沈志林 宋遠(yuǎn)龍

（浙江泰林生命科學(xué)有限公司 浙江省杭州市 311401）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步及人們生活水平的提高，食品安全問(wèn)題越來(lái)越受到重視；影響食品安全有許多因素，其中最大和最嚴(yán)重的影響當(dāng)屬微生物污染，因此，食品中微生物的檢測(cè)極為重要。重量稀釋儀用于微生物檢測(cè)樣品前處理自動(dòng)稀釋，工作原理是稱取樣品然后按設(shè)定比例或設(shè)定重量加液體培養(yǎng)基或無(wú)菌生理鹽水進(jìn)行樣品自動(dòng)稀釋。通過(guò)稱重傳感器采集數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前樣品的重量及稀釋目標(biāo)重量，通過(guò)控制蠕動(dòng)泵的運(yùn)行來(lái)自動(dòng)注入稀釋液到目標(biāo)重量，只需按下啟動(dòng)鍵，就可快速、精確的自動(dòng)完成整個(gè)樣品稀釋過(guò)程，有效的節(jié)約操作人員的時(shí)間及避免人為接觸樣品，防止樣品受到污染。該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于食品、藥品、化妝品等行業(yè)的微生物限度檢查。由于稱重傳感器對(duì)溫度非常敏感，容易溫漂而導(dǎo)致結(jié)果產(chǎn)生誤差，因此，該系統(tǒng)不光硬件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)上的排布非常重要，軟件設(shè)計(jì)，信號(hào)采集、處理算法要求也極高。本文針對(duì)上述要求，應(yīng)用PIC 單片機(jī)作為核心處理器，通過(guò)信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換、采集、換算處理，再進(jìn)行計(jì)算分析輸出指令控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，直接驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵來(lái)滿足使用的要求。

2 控制系統(tǒng)組成

本控制系統(tǒng)由電源模塊、PIC 處理器、稱重模塊、觸摸按鍵模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊及防止誤操作的保護(hù)電路組成。其中，電源模塊提供系統(tǒng)其它各模塊所需的各路直流電壓；PIC 處理器通過(guò)檢測(cè)稱重傳感器經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號(hào)，鍵盤輸入的指令、設(shè)置的參數(shù)，經(jīng)分析判斷，輸出控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的PWM 調(diào)制信號(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵，實(shí)現(xiàn)稀釋液體的轉(zhuǎn)移注入；同時(shí)，控制顯示模塊顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；注液保護(hù)信號(hào)確保注液桿在正確位置才啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，避免誤動(dòng)作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

3 主要硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊

本系統(tǒng)有數(shù)字電路和模擬電路，為避免數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾，一方面采用數(shù)字電源和模擬電源隔離方式，同時(shí)兩者之間通過(guò)濾波處理；其中， PIC 處理器、觸摸按鍵、顯示模塊、打印機(jī)等需要5V 數(shù)字電源，稱重模塊需要5V 模擬電源，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要24V 電源驅(qū)動(dòng)；本電源模塊直接應(yīng)用市面上成熟的開(kāi)關(guān)電源，輸入交流220V 市電，輸出24V 直流電壓，再采用LM2596 降壓型電壓調(diào)節(jié)器，輸出5V 電壓，有3A 的驅(qū)動(dòng)電流，為按鍵、顯示及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供穩(wěn)定的電源，與傳統(tǒng)的穩(wěn)壓模塊LM7805 相比，其自身發(fā)熱量小，具有良好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性；本系統(tǒng)為滿足稱重模塊對(duì)電源噪聲的高要求，先采用集成肖特基整流器的LT3461 升壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器，把5V 電源升壓至6V，再采用LT1767ES5-5 穩(wěn)壓器，輸出5V 低噪聲模擬電源;之后再采用高精度、微功耗、低壓差MAX6190 電壓基準(zhǔn)芯片輸出稱重模塊所需的基準(zhǔn)參考電壓。電源模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

3.2 PIC處理器

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2：電源模塊結(jié)構(gòu)框圖

處理器采用美國(guó)微芯公司（Microchip）制造的PIC18F6722 作為核心的控制單元[1]，主要完成按鍵信號(hào)掃描、防止誤注液保護(hù)信號(hào)的檢測(cè)，重量信號(hào)的采集、AD 轉(zhuǎn)換，通過(guò)零點(diǎn)跟蹤、計(jì)算、分析、判斷，輸出控制電機(jī)運(yùn)行的PWM 信號(hào)或超量程報(bào)警及停止注液，同時(shí)，動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)算法和完成系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。它不僅片內(nèi)資源豐富，具有128K 字節(jié)的FLASH 程序存儲(chǔ)器；4096 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；以及1024 字節(jié)的內(nèi)置E2PROM 存儲(chǔ)器，在本設(shè)計(jì)中還通過(guò)IIC 接口外掛了一片64K 的外置E2PROM，實(shí)現(xiàn)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存。同時(shí)還配備各種功能強(qiáng)大的外設(shè)模塊，如內(nèi)置有12 個(gè)10 位的AD 轉(zhuǎn)換模塊，但本設(shè)計(jì)由于需要更高的精度，采用24 位高精度AD 芯片CS5532，通過(guò)SPI 接口傳輸數(shù)據(jù)；內(nèi)置2 個(gè)10 位的PWM 專用發(fā)生器，可精確地控制本設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速；內(nèi)置2 個(gè)USART 模塊，實(shí)現(xiàn)與打印機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，與顯示屏的交互顯示；高達(dá)54 個(gè)I/O 口，通過(guò)I/O 口采集觸摸芯片的BCD 碼實(shí)現(xiàn)按鍵信號(hào)的輸入，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制交互；同時(shí)采集各種電平轉(zhuǎn)換后的保護(hù)信號(hào)及其他控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)及控制。如此豐富的內(nèi)外設(shè)資源，不僅減少了外圍電路的設(shè)計(jì)難度和要求，減少外部元器件的數(shù)量，縮小電路板的尺寸以及電子控制系統(tǒng)的整體成本，同時(shí)也提高整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。高達(dá)40MHz 的系統(tǒng)運(yùn)行速度使它可以處理一些復(fù)雜的控制算法，高效的處理稱重傳感器的采集數(shù)據(jù)及快速、準(zhǔn)確的做出相應(yīng)的動(dòng)作控制，使整個(gè)系統(tǒng)更加的精準(zhǔn)、穩(wěn)定。

3.3 稱重模塊

本設(shè)計(jì)稱重傳感器采用德國(guó)HBM 單點(diǎn)式稱重傳感器，其在平臺(tái)秤、分選及灌裝等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，具有很好的適用性。其原理是采用金屬電阻應(yīng)變片組成的電橋測(cè)量電路，把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?，這種橋式電路的靈敏度高，兩臂的參數(shù)一致，對(duì)干擾的影響可以相互抵消，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如對(duì)溫度變化影響的抑制、對(duì)側(cè)向力干擾的抑制等。由于本設(shè)計(jì)的運(yùn)用范圍為食品、化妝品、藥品等樣品的稀釋，一般需要稱量的范圍在1kg 左右，故采用3kg 的量程，2mV/V 靈敏度、0.02%F.S 精度的稱重傳感器。同時(shí)要滿足0.1G 的顯示分度，也就是30000 的分度值，最少也要15 位以上的A/D 測(cè)量精度，故本設(shè)計(jì)采用高精度的24 位A/D 轉(zhuǎn)換芯片CS5532 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，CS5532 采用電荷平衡技術(shù)，內(nèi)部跟隨了一個(gè)數(shù)字濾波器，使其性能可以達(dá)到24 位，并且內(nèi)部集成了一個(gè)具有極低噪聲的斬波儀表放大器，最大可以放大64 倍，非常適用于單/雙極性的小信號(hào)采集，同時(shí)內(nèi)部還集成了SPI 接口，可以很方便的與微處理器之間通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。CS5532 的高集成度、高精度及高穩(wěn)定性大大減少了稱重微信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)難度，只需將稱重傳感器的輸出進(jìn)行簡(jiǎn)單的RC 濾波就可以送入CS5532 中進(jìn)行采集運(yùn)算，減少了外圍運(yùn)放器件的數(shù)量及通過(guò)其引入的噪聲干擾。本設(shè)計(jì)稱重模塊為了進(jìn)一步提高測(cè)量的精度，對(duì)稱重傳感器及AD 芯片單獨(dú)的進(jìn)行供電，采用極低噪聲的LT1761 穩(wěn)壓芯片對(duì)其供電，進(jìn)一步隔離數(shù)字電路噪聲對(duì)稱重信號(hào)的干擾，大大提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

3.4 按鍵模塊

按鍵采用WTC6212BSI 十二通道電容式觸摸感應(yīng)按鍵芯片，該芯片內(nèi)部集成了專用測(cè)試電路、自校準(zhǔn)電路和RISC 處理器，外圍元件少；其有效觸摸反應(yīng)時(shí)間小于100ms，按鍵觸摸感應(yīng)靈敏度可通過(guò)改變基準(zhǔn)電容值進(jìn)行調(diào)整，電容值調(diào)整后系統(tǒng)無(wú)需校準(zhǔn)，可以自動(dòng)克服靜電、電磁干擾、溫度變化、濕氣和污染物在表面堆積帶來(lái)的干擾，可以保證產(chǎn)品在各種環(huán)境下長(zhǎng)期工作而不出現(xiàn)誤動(dòng)現(xiàn)象，提供更可靠的性能和更寬的應(yīng)用范圍。

3.5 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊

選用四線雙極性步進(jìn)電機(jī)配兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；PIC 處理器通過(guò)使能、方向、脈沖控制端口與驅(qū)動(dòng)器連接，控制電機(jī)的啟停、旋轉(zhuǎn)方向及轉(zhuǎn)速；驅(qū)動(dòng)器基于PID 電流控制算法設(shè)計(jì)，輸入輸出控制信號(hào)均采用光電隔離，運(yùn)行電流和細(xì)分可通過(guò)微動(dòng)撥碼開(kāi)關(guān)選擇，細(xì)分有16 種，電流有8 種可選擇，具有欠壓、過(guò)壓、相電流和總電過(guò)流保護(hù)。

4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境及軟件結(jié)構(gòu)

4.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

開(kāi)發(fā)平臺(tái)：Window7 系統(tǒng)、Inter i7 處理器，8G 內(nèi)存，500G；系統(tǒng)控制軟件的開(kāi)發(fā)采用Microchip 公司的MPLAB IDE 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，其集源代碼編輯、程序編譯、源代碼鏈接、軟件仿真、在線調(diào)試等功能于一體，為程序的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和調(diào)試提供很大方便[3]。

4.2 軟件結(jié)構(gòu)

本控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)稀釋樣品的稱量、重量顯示、零點(diǎn)跟蹤、去皮、重量校準(zhǔn)，通過(guò)鍵盤輸入設(shè)定稀釋模式、參數(shù)，通過(guò)腳踏開(kāi)關(guān)、手持分液器或鍵盤輸入啟停信號(hào)控制蠕動(dòng)泵的運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)上電，核心處理器先對(duì)外圍芯片、各種參數(shù)進(jìn)行初始化，再進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)中，先掃描鍵盤，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，生成鍵值或標(biāo)志位，根據(jù)鍵值或標(biāo)志位執(zhí)行設(shè)置、啟動(dòng)稀釋或其它校準(zhǔn)、打印等程序；如進(jìn)行稀釋，先稱重，根據(jù)設(shè)定的稀釋模式換算處理；同時(shí)，檢測(cè)注液桿是否在注液位置，量程重量是否到達(dá)或量程是否超出，若注液桿不在注液位置，稀釋程不能啟動(dòng)，蠕動(dòng)泵不運(yùn)行，以免液體灑落在儀器上；若重量達(dá)到設(shè)定值或超出量程，會(huì)報(bào)警提示并停止稀釋。系統(tǒng)程序主要控制流程如圖3 所示。

圖3：主程序流程圖

5 總結(jié)

本系統(tǒng)采用PIC 單片機(jī)作為處理器，應(yīng)用觸摸控制芯片、A/D轉(zhuǎn)換器及LCD 顯示模塊，實(shí)現(xiàn)微生物檢測(cè)樣品的稀釋，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)便，稀釋精度高，運(yùn)行平穩(wěn)，有良好的應(yīng)用價(jià)值。