一種基于單片機AT89S52的陶瓷稱重電子稱

摘 要:為了精確計量粉料的使用生產情況和計算、統計生產成本，有必要對粉料儲料倉轉送到壓機的粉料進行計量。本文描述了單片機在粉料流量累積中的軟硬件設計，并提出了一些應用中的注意事項。

關鍵詞:陶瓷粉料計量;單片機AT89S52;速度測定;重量測定

1引 言

為提高生產效率、降低人工操作強度和生產成本，實現連續化、自動化與精確化生產，是陶瓷行業的發展方向。但對于設備自動化水平不高的陶瓷行業原料車間來說，實現精確管理和精確統計生產成本，確是一個有相當難度的課題。一直以來，原料車間輸送到壓機車間的粉料數量是個模糊、沒有明確量化的一個數字，精確統計成本更是無從談起。

目前，市場上較為成熟的稱重技術和設備不少，如西門子的稱重積算儀BW500，其性能優良、穩定，但價格不菲。如果能尋找到一種價格適中、性能又能滿足要求的計量設備，相信能解決不少陶企的難題。

2陶企粉料測量的現狀和需求

對陶企而言，動態測量粉料重量，直觀地給出粉料的累積數字，可以充分掌握粉料的實時應用情況，對球磨工序和造粒工序起著直接的指導作用。而傳統的計量方式和管理方式并不能滿足現代化工廠精益生產、精益管理的要求，筆者所在的單位也面臨著同樣的困惑。對陶企而言，用最簡單經濟的方式實現工廠的計量需求，無疑是最實用與有效的。

在現代自動化控制系統中，單片機出色的表現、優異的性能使其在嵌入式系統中占據著相當重要的位置，而價格低廉更是令其它控制設備如PLC等無法與它相提并論。但單片機并不完美，它復雜的編程語言和指令系統、抗干擾能力不強等，限制了它在陶瓷行業的大規模應用。如果能妥善設計電路板，編寫出比較優秀的控制代碼，則可望實現粉料的實時測量，本文重點講述一種基于單片機的電子稱的硬件搭配和軟件的編寫。

3硬件搭配

3.1 主要電子元件

主要電子元件清單如表1所示。

除主要元件外，還需要電阻、電容、三端穩壓管、指示燈、光藕等。這些元件都是電子市場的常用品，價格不高，容易采購。

3.2 硬件連接

圖1為硬件連接示意圖。本例采用AT89S52單片機作為主控制器，采用74LS47芯片作數碼管接口，采用74LS154 芯片作為數碼管位控制，AD0804作為重量信號的采集，編碼器作為速度信號的采集，七段數碼管其中8位作為粉料累積重量的顯示，其中4位作為當前皮帶速度的顯示，剩下4位作為當前重量代碼的顯示。

需要說明的是，因為要采集的I/O數量較多，為了節省I/O口開銷，采用74LS47和74LS154硬件譯碼集成電路。74LS47是數碼管譯碼集成電路，它把輸入的數字0～9轉化成A～G七段數碼輸出，其功能表見表2。

74LS154是4～16譯碼集成電路，它把輸入的0～F數字轉化成16個位輸出，分別用于控制16位數碼管的位控制，其功能表見表3。

從表3可看出，為了使其工作正常，必須使E0、E1為低電平。當A0、A1、A2、A3分別為0000時，Y0輸出有效(低電平有效)，當它們為1111時，Y15輸出(低電平有效)，其它類推。

AD0804是A/D轉換芯片，它對輸入模擬量信號的要求是:

(1) 信號單極性，電壓范圍是0～5V，若信號太小，必須進行放大;

(2) 輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣以維持電路正常;

(3) A/D0804轉換精度為1/255，要使其工作正常，必須在4腳輸入振蕩信號，工作頻范圍為10～1280kHz，當頻率范圍為500kHz時，其轉換時間為128?滋s。

ADC0804電壓輸入與數字輸出關系如表4所示。

4軟件設計

4.1 稱量原理

正確計量陶瓷粉料質量的兩個必要條件是:一是正確測算出電子稱皮帶單位時間內的移動距離，二是正確計算出單位時間內電子稱皮帶上的單位長度上的質量，在本例中速度和重量的測算由中斷程序完成。然后通過數學公式，計算出單位時間內電子稱皮帶上粉料的瞬時進出料重量，再通過流量累積，就可以得到正確的粉料累積重量，最后由數碼管顯示出來。為使系統更適合陶瓷廠復雜的電磁環境，解決電子稱安裝位置不準可能引起的振動而導致的系統精度下降等問題，在公式中引入必要的修正系數k1、k2。

KG=50×k1×kg/255/long+k2 (1)

式中:

KG——單位時間測得的瞬時重量;

kg——當前測得的重量代碼;

long——電子皮帶總長度;

k1——補償系數1;

k2——補償系數2;

50——S型稱重傳達室感器的量程，0～50kg。

上式的功能是把瞬時重量換算成單位長度皮帶上的瞬時重量。

流量累積公式:

TKG=TKG+KG×cur_distance (2)

式中:

TKG——累積重量;

cur_distance——當前測得的皮帶移動速度

KG——單位時間內測得的瞬時重量

4.2 系統框圖

系統框圖如圖2所示，下面詳細說明:

4.2.1 速度計算

為了正確測量電子稱皮帶運轉速度，采用增量型旋轉編碼器，該編碼器和電子稱皮帶從動輪按1:1柔性連接，從動輪每旋轉一圈，發出固定數量的脈沖，故測量在單位時間內的編碼器發出的脈沖數就可以間接測量從動輪旋轉速度，通過下面公式可以計算出單位時間內皮帶移動的距離。

(1) 從動輪旋轉速度的測定

為了正確測定從動轉旋轉速度(單位R/M)，需要使用中斷功能，通過外部中斷0累加脈沖總量;定時中斷0設置為2秒定時中斷，當2秒定時時間到后，立即計算單位時間內采集到的脈沖數，由公式3計算出當前皮帶單位時間的移動距離。

cur_distance=3.14×D×total_pulse/1000/2 (3)式中:

cur_distance——皮帶單位時間內移動的距離(單位m);

D——皮帶輪的直徑(單位m);

total_pulse——2秒內采集到的脈沖總數;

1000——增量型編碼器每轉發出的脈沖數;

2——2秒。

(2) 移動距離的計算程序

下面是KEILC 關于計算移動距離的程序，程序中沒有說明的變量全為全局變量。

//定時器中斷，累積2秒內總的脈沖數

void into_int() interrupt 0

{cur_pulse++;}

//使用1000pulse/R encoder

//計算皮帶單位時間移動距離

void int1_int() interrupt 1

{TH0=0x4C;//50ms中斷

TL0=0x00;

cur_ms++;

if(cur_ms>=20)

{ET0=0; //關閉定時器0中斷

TR0=0;

EX0=0;//關閉外部中斷0

cur_ms=0;

cur_n=cur_pulse/2/1000.0;/* (R/sec)，cur_n為從動輪旋轉速度，單位圈/秒。

cur_pulse=0;//總脈沖數清零

//計算流量累積:2秒計算一次 ;

//1.2為稱帶長度////sszl為計算出的瞬時重量

mps=cur_n*0.628;////mps當前轉速:米/秒，輪子 周長0.628m=2pai*直徑;輪子直徑為10cm。

ET0=1;//重新開放計數/定時功能

EX0=1;

TR0=1; }}

在上面的程序中，當定時時間開啟，進入計算階段后，需要禁止外部中斷和定時中斷，計算完畢后才重新開啟。

4.2.2 重量信號的測定

我們使用AD0804集成電路完成重量信號的測定，配合轉換程序，達到實時測量、轉換的目的。為了保證測量的準確性和增強抗振動和抗干擾性，我們引入了數字濾波。本例中數字濾波由平均值濾波和中值濾波組成。首先連續采樣三次，取得中值后放進第一個寄存器，然后再連續采樣兩次，分別放進兩個寄存器。由這三個寄存器取平均值后，得出最終的采樣結果。使用這兩種濾波后，能有效地對隨機干擾和偶然性干擾進行濾除，圖3是AD轉換框圖。

下面對這兩種濾波方式進行簡單說明:

(1) 平均值濾波

int aver()

{int temp，I1，I2，I3;

I1=zhongzhi();

I2=zhongzhi();

I3=zhongzhi();

Temp=(I1+I2+I3)/3;

Return temp;}

在這個函數中，temp為返回值，返回給主調函數。

算術平均濾波法的優缺點如下:

1) 優點:

適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波，這種信號的特點是有一個平均值，信號在某一數值范圍附近上下波動。

2) 缺點:

對于測量速度較慢或要求數據計算速度較快的實時控制不適用，比較浪費RAM。

(2) 中值濾波

Int zhongz()

{int A1，A2，A3，temp，da，xiao;

A1=rd0804();//采樣A/D數據

Delay(2);//延時函數

A2=rd0804();

Delay(2);

A3=rd0804();

Delay(2);

If(a1>=a2)

{da=A1;xiao=A2;}

Else

{da=A2;xiao=A1;}

//判斷

If((da>=a3)(xiao>=a3)temp=xiao;

If((da>=a3)(xiao

If((da<=a3)(xiao<=a3)temp=da;

Return temp;//返回值}

中值濾波的優點和缺點:

1) 優點:

能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對溫度、液位等變化緩慢的被測參數有良好的濾波效果。

2) 缺點:

對流量、速度等快速變化的參數不宜。

4.3 顯示接口

顯示接口由16位七段數碼管和74LS47、74LS154集成電路組成，74LS154主要負責數碼管位控制，74LS47主要實現0～9到七段碼的轉換工作。整個顯示接口采用動態掃描的方法，分時顯示各個待顯示數字，因這部分比較簡單，故程序和流程圖從略。

5結 語

本文詳細論述了一種成本低、能實現重量實時累積的陶瓷廠粉料重量測量設備，在實際應用中，要充分考慮陶瓷廠的工作環境和較強的振動源，有效采集重量信號，并做好電路板的防塵工作。

參考文獻

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出版社，2005.

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[3] 何立民.MCS-51單片機應用系統設計系統配置與接口技術[M].

北京:北京航空航天大學出版社，1992.