基于MODBUS協議的稱重儀設計

王 影

（吉林化工學院測控系，吉林 吉林132022）

0 引言

壓力是現代工業生產過程中的一個重要參數，在生產過程中經常需要對壓力進行檢測和監控。壓力測量有許多種方法，本文介紹的是一種壓電轉換裝置，壓力變化使傳感器發生形變，從而使阻抗發生變化，同時輸出一個變化的模擬電壓信號。該信號經放大電路放大后輸出至A/D轉換器。使之轉換成便于處理的數字信號，該數字信號傳送給單片機，最終LED顯示壓力大小。

1 系統概述

本設計是一個基于C8051F410單片機的壓力測量系統。本設計由稱重傳感器，放大電路，A/D轉換電路，單片機電路，顯示電路，通訊接口電路，穩壓電源電路等設計內容組成。當物體放在秤盤上時，壓力變化使傳感器發生形變，從而使阻抗發生變化，同時輸出一個變化的模擬電壓信號。該信號經放大電路放大后輸出至A/D轉換器。使之轉換成便于處理的數字信號，該數字信號傳送到CPU。數據經過處理、程序運行后在LED上顯示出來。同時該設計是一款測量精度高、支持RS485硬件接口和MODBUS工業現場總線協議的壓力控制模塊。該壓力控制模塊能夠對壓力進行實時采集，采用支持MODBUS工業現場總線協議的RS485串行接口與PC機連接。

2 主要電路模塊設計

2.1 主控電路

C8051F410單片機是整個系統的控制核心。C8051F410基本外圍接口電路是保證系統正常工作的輔助電路，包括C8051F410片上系統工作所需要的JATG接口、電源退耦、基準濾波、上電復位等基本外圍電路。

2.2 稱重傳感器的設計

稱重傳感器實際上是一種將質量（壓力）信號轉變為可測量的電信號輸出的裝置。稱重傳感器主要由彈性體、電阻應變片、電纜線等組成，內部線路采用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產生變形時，輸出電壓正比于應變片發生應變時產生的電阻變化量。

2.3 信號采集調理電路

數據采集模塊分為3個部分：稱重傳感器、前級放大器和A/D轉換器傳感器選用壓力傳感器，為雙孔懸臂梁形式。前級放大器用AD620內部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單，且放大器的增益是可以改變的。壓力傳感器的輸出信號輸入至AD620同相和反相輸入端，AD620可對差模信號進行放大，放大倍數由AD620的1腳與8腳并接了的一個可調電阻RG決定。由于AD620在單極性電源供電時有零點漂移，因此本電路設計采用雙極性電源供電，同時在電源兩端加上濾波電容，確保供電穩定。選用12位逐次比較式ADC，此方案經小信號放大、調理電路，可直接連接單片機，也可以可滿足精度要求，而C8051F410單片機的ADC0子系統集成了一個27通道的模擬多路選擇器和一個200ksps的12位逐次逼近寄存器型ADC。ADC中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測器和硬件累加器。經過計算滿足精度要求。故本設計選用C8051F410單片機內部A/D。

3 MODBUS協議

MODBUS通訊系統是一種用于工業通訊的分布式控制系統。該系統可靠性高，適應性強，可以在任何工業領域內控制各種生成過程和作業。其數據通訊系統協議控制著網絡內一切設備所共用的語言結構或報文格式。協議是系統操作的關鍵，協議決定如何建立或中斷主從設備之間的關系，如何使發送和接收裝置協調一致，如何井然有序地交換報文，如何檢測錯誤。

MODBUS通訊協議有兩種消息幀格式：ASCII和RTU幀格式。ASCII消息以冒號字符開始，以回車換行符結束，其它域使用的傳輸字符為十六進制；RTU消息則以傳遞一段空閑時間為開始和結束，這段時間不小于3.5倍的字符發送時間T，一般取4T。本設計在通訊協議中只用了兩個命令，03號命令和06號命令。他們都屬于公共功能碼。03號命令要求發送數據，06號命令代表要求從機原樣數據發回作為應答。

4 調試處理

數據處理是將A/D采集的數據進行處理，A/D轉換所得的值的精確性與很多因素有關，包括A/D元件的精度、電路的焊接情況、環境溫度的變化等。這些因素的影響直接導致了A/D轉換的數據圍繞著某個中心值上下波動。這就需要對采集的數據進行軟件濾波。

為了能夠使變送器的輸出和被測量對應上，要對信號進行歸一化處理，也就是標定。具體的做法是使用二次差值法對標準信號進行定標。要實現高的擬合精度，擬合多項式的次數要很高，對于單片機來說，由于速度和存儲容量等原因，實現這樣的運算很難。這里采用朗格朗日二次插值的方法對信號數據進行處理。

5 總結

本設計是基于MODBUS通訊協議的稱重儀設計。在設計過程中以壓力采集及檢測為主要目標，利用電阻應變片阻值隨壓力變化而變化的性質，對壓力進行采集調理經由單片機的控制傳出，將采集的壓力通過單片機的處理后傳輸給數碼管顯示，同時也支持RS-485硬件接口通過MODBUS通訊協議傳給上位機。測量壓力誤差不大于5g。該設計系統具有操作方便、控制靈活、移植性強等優點。

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