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

通過(guò)軟件和硬件的合理配合，使系統實(shí)現動(dòng)態(tài)稱(chēng)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(jìn)行準確測量和控制的情況，如水泥 廠(chǎng)、鐵合金廠(chǎng)、鋁廠(chǎng)等要對原料配料進(jìn)行準確計量。 螺旋電子秤就是針對實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)稱(chēng)量工業(yè)用原料的需要 而設計的，對完善工業(yè)部門(mén)物資計量體系具有一定意義。

2.螺旋電子秤的硬件設計

2.1螺旋電子秤的工作原理

螺旋電子秤是根據科氏力與物料質(zhì)量流量之間成線(xiàn)性關(guān)系的原理設計的。其結構示意圖如圖1所示。

物料從入料口進(jìn)入裝在筒內的螺旋，螺旋的轉速由電磁調速電機控制，物料隨著(zhù)螺旋的轉動(dòng)向前移動(dòng)， 物料在向前移動(dòng)過(guò)程中要經(jīng)過(guò)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)量轉換成毫伏級的 電壓信號，并通過(guò)前置放大器轉換為0?十10V的直流 電壓信號，再經(jīng)濾波和A/D轉換器轉化，將得到的數 字信號傳送給單片機AT89C52。

單片機對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理得到物料重量，一方 面將物料重量送給數碼顯示管顯示；另一方面對物料 重量作PI調節，所得控制量經(jīng)過(guò)D/A轉換后輸出一 電壓信號給變頻器，變頻器控制電磁調速電機的轉速， 從而自動(dòng)調節螺旋的轉速，也就自動(dòng)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(guò)MAX232轉換電平后，通過(guò)串 口通訊進(jìn)行數據交換。

螺旋電子秤的硬件系統框圖如圖2所示。

2.2螺旋電子秤測量模塊的設計

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(mǎn)量程調整作用，調整W,使其輸出 0~25mVo運放A2用作反向零點(diǎn)補償和濾波，調整W2 使其輸出為0?10V。為了防止工頻串模干擾信號混入 測量?jì)x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濾波器的參數選擇應滿(mǎn)足C1=C2=2C3, R1=R2=2R3,適當調整RW,、RW2消除50Hz工頻干擾 可得到更好的濾波效果。

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

2.3螺旋電子秤動(dòng)態(tài)稱(chēng)量的實(shí)現

螺旋每旋轉一圈，從出料口流出一定量的物料。 要實(shí)現動(dòng)態(tài)稱(chēng)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(dòng)以免壓力傳感器的測最值并非實(shí) 際值。要減少螺桿的震動(dòng)保持螺旋內的物料穩定，就 要使螺桿的轉速盡量固定在一個(gè)恒定值，也就是要通 過(guò)控制使電磁調速電機的轉速恒定，這樣壓力傳感器 的輸出電壓也就穩定在一個(gè)值上，得出每次從出料口 出來(lái)的物料重e相等，使得AD—0，這樣從6時(shí)間段內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(shí)刻A/D轉換器轉換后輸出的數字量；

K為標定系數。

K直接以數字的形式參加 運算，改變K可改變電子秤 的噸位,使現場(chǎng)實(shí)物標定變得 非常簡(jiǎn)單。

為此，系統中在硬件上采 用螺旋產(chǎn)生的轉速脈沖作為中 斷信號，對AD574的輸出信 號進(jìn)行采樣。單片機對采樣信 號進(jìn)行數據處理后得到物料重 量，并將物料重量一路送累計顯示，另一路與變頻器 給定值對應的重量值作比較。由此產(chǎn)生一偏差信號， 通過(guò)軟件P1調節后，與自動(dòng)預置值相加后，調節螺旋 的轉速，使螺旋內的物料保持穩定，也就使傳感器上 的電壓穩定在一個(gè)值上,從而實(shí)現較為準確的動(dòng)態(tài)稱(chēng)量》

3.螺旋電子秤的軟件設計

3.1 PI控制算法

從螺旋電子秤實(shí)現動(dòng)態(tài)稱(chēng)量的過(guò)程可以看出，系 統中采用了 PID控制算法中的PI控制，通過(guò)軟件調 節比例系數和采樣時(shí)間的積分區間，使得給定變頻器 的控制量為一個(gè)恒值，也就使得電磁調速電機的轉速 為一個(gè)恒值，從而使螺旋里的物料穩定，使壓力傳感 器的輸出電壓保持恒定，實(shí)現動(dòng)態(tài)稱(chēng)量。

3.2系統軟件設計

系統軟件采用模塊化結構編制，主要分為主程序 模塊、初始化模塊、采控模塊、數據處理模塊。主程 序控制模塊包括主監控程序、鍵盤(pán)掃描程序、顯示子 程序等；初始化模塊主要包括模擬電壓、標定系數等 參數的設定子程序以及數字鍵處理子程序和提示符顯 示子程序；采控模塊包括數據采集中斷服務(wù)子程序和 通訊中斷響應子程序；數據處理模塊包括數字濾波子程序、PI調節子程序、物料總量積分運算子程序等。 系統程序流程圖如圖4所示。

除了在硬件上采用濾波手段外，還采用了軟件濾 波，以減少現場(chǎng)干擾。其中的數字濾波子程序就是實(shí) 現對A/D轉換后的數據進(jìn)行預處理的功能。A/D轉換 完成后，由AT89C52讀取AD574送出的12位二進(jìn)制 數據。但由于現場(chǎng)干擾，可能會(huì )產(chǎn)生脈沖干擾，因此 必須對數據進(jìn)行預處理。采用中值濾波的方法，即將 采集到的每4個(gè)數據去掉1個(gè)最大值和1個(gè)最小值， 其余2個(gè)取平均作為測量數據，以減少尖峰干擾。

4.結束語(yǔ)

本文介紹的螺旋電子秤以AT89C52為核心，運用 PI控制算法，實(shí)現了工作過(guò)程的自動(dòng)化。實(shí)驗表明， 系統工作穩定，測量誤差不大于±2%，具有可靠性高、 操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，達到了設計目的。