基于單片機的模擬智能傳送裝置的設計

衛煒

（燕山大學 電氣工程學院，河北 秦皇島 066004）

基于單片機的模擬智能傳送裝置的設計

衛煒

（燕山大學 電氣工程學院，河北 秦皇島 066004）

以單片機為開發平臺，采用C51為編程工具，設計一種模擬智能傳送裝置.設計中通過繼電器驅動傳送裝置的直流電機，以流水燈模擬傳送帶的運動狀態，通過按鍵可控制傳送帶的啟動、停止、正轉、反轉以及設置稱重限制值.設計的重點是應用重力傳感器對載物進行精確測量以及數據采集.主要由控制模塊、傳感器模塊、數據采集電路模塊、按鍵模塊、報警模塊、電機驅動模塊、顯示模塊等組成.

單片機；傳送裝置；控制系統；智能化；傳感器

傳送裝置正朝著智能化、數字化的方向發展.通過載體重量控制傳送裝置運動狀態成為傳送裝置系統重要的智能控制方向.從整體看，本系統穩定性良好、測量精度高、功能相對完善，很好地滿足了工業自動化和重量控制現代化的需求.

1 系統總體設計

載體在傳輸狀態下，稱重傳感器檢測壓力信號，得到微弱的電信號，數據采集電路采集該電信號并進行適當處理后，送至A/D轉換器，將模擬量轉化為數字量輸出.單片機控制器接收來自A/D轉換器輸出的數字信號，經過運算，將數字信號轉換為物體的實際重量信號，并通過顯示器顯示出來.同時單片機控制器定時對鍵盤進行掃描，而后通過鍵盤程序，對整個系統進行控制，包括：啟動、停止、正向、反向、設置、數字+、數字-等功能控制.流水燈根據是否超重反映出相反的流動狀態.在不超重或回復不超重的情況下，繼電器正常驅動傳送帶電機運作.報警器在超重時發出警告聲[1].

基于單片機的模擬智能傳送裝置系統由7部分構成：稱重信號采集部分、單片機控制部分、數據顯示部分、流水燈部分、報警部分、鍵盤部分、電機驅動部分.系統設計總體方案框圖如圖1所示.

圖1 系統設計總體方案框圖

2 系統硬件設計

2.1 控制系統的設計

由于系統要求的芯片數據存儲空間和程序存儲空間都較小，固單片機選擇STC89C51芯片.最小系統用12Mhz的晶振，時鐘周期為1us.采用按鍵復位.

2.2 壓力傳感器

應變式壓力傳感器是把壓力的變化轉換成電阻值的變化來進行測量的，通常是將電阻應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘貼在被測試表面上，由于被測試件的變形使其表面產生應變，從而引起電阻應變片的阻值發生改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化，通過測量電阻的變化即反映了應變的大小[2].

2.3 前級放大器

由于應變片的電橋電路的輸出信號一般比較微弱，所以目前大部分電阻應變式傳感器的電橋輸出端與直流放大器相連.本設計的放大器由3個集成運算放大器組成，如圖2所示.

圖2 三運放高共模抑制比的放大電路

其原理是運放A1和A2為同相差分輸入方式.采用同相輸入可以大幅度提高放大電路的輸入阻抗，減小電路對輸入的微弱信號的衰減.差分可以使電路只對差模信號放大，而對共模輸入信號只起跟隨作用，使得送到后級的差模信號與共模信號的幅值之比得到提高[3].

其中A1和A2為兩個性能一致的同相輸入集成運算放大器，構成平衡對稱差動放大輸入級；A3構成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進一步抑制A1和A2的共模信號.由于每個放大器求和點的電壓值等于在各自正輸入端的電壓值.因此，整個差分輸入電壓都呈現在R7兩端.流過R7的電流等于(Vin2－Vin1)/R7，因此，輸入信號（Vin2－Vin1）可通過A1和A2獲得增益并放大.由于加到放大器輸入端的共模電壓在R7兩端的電位相同，所以在R7上不會產生電流，即在R5和R6上也沒有電流流過，放大器A1和A2將各自起到跟隨作用.在R5=R6，R3=R8，R2=R4的條件下，差分電壓的增益為：

輸出端電壓為

由上式可見，電路增益的調節可以通過改變R7實現.該放大電路具有共模抑制比高、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、外部接口簡單和使用方便等特點.可以利用普通運放做成一個三運放高共模抑制比的放大電路，且放大器電路的增益是可以改變的.

2.4 A/D轉換器

稱重傳感器輸出的信號經過放大后仍為模擬量，需要將模擬信號轉換為數字信號后再由單片機處理.所以模數轉換部件對整個系統的測量精度都會產生影響.所以本系統采用8位串行接口A/D轉換器ADC0832.ADC0832接口電路如圖3.

圖3 ADC0832接口電路

2.5 流水燈電路

采用流水燈的變化狀態模擬傳送帶的運動狀態，包括：停止、正向運動、反向運動等狀態分別對應流水燈的熄滅、正向流動、反向流動等狀態.

2.6 電機驅動電路

本設計采用最簡單的驅動電路，即直接用繼電器驅動直流電機.當三極管由導通變為截止時，繼電器繞組感生出一個較大的自感電壓.它與電源電壓疊加后加到控制繼電器線圈的三極管的e、c兩極上，使發射結有可能被擊穿.為了消除這個感生電動勢的有害影響，在繼電器線圈兩端反向并聯一個二極管，抑制該電動勢.自感電壓與電源電壓之和對二極管來說卻是正向偏壓，使二極管導通形成環流.感應的高電壓就會通過回路釋放掉，保證了三極管的安全.電機驅動電路如圖4.

圖4 電機驅動電路

2.7 其他電路

除以上介紹的電路外，還包括按鍵電路、顯示電路以及報警電路.由于本設計中所用按鍵并不多，所以鍵盤電路采用獨立按鍵的形式.報警電路使用蜂鳴器與一二級管組成.顯示部分采用LCD1602液晶屏.LCD液晶顯示器具有顯示質量高、功率消耗小等優點，并且液晶顯示器都是數字式的，和單片機的接口簡單,操作也很方便.

3 系統的軟件設計

單片機上電復位后，先進行初始化，顯示器顯示當前載體重量和上限值重量，流水燈處于熄滅狀態.按下啟動鍵后，如果按下正向鍵，直流電機正向轉動，流水燈正向流動；如果按下反向鍵，直流電機反向轉動，流水燈反向流動.按下停止鍵后系統停止運作.通過設置鍵以及數字+鍵、數字-鍵可以設置載體重量的上限值，按下設置鍵后，設置指示燈亮起，通過數字+鍵、數字-鍵改變上限數值，設置完后，設置指示燈熄滅.當載體重量不超過上限值時，直流電機正常轉動，流水燈也正常流動；當載體重量超過上限值時，直流電機停止轉動，流水燈熄滅，報警器報警；若載體重量恢復到上限值以下時，直流電機恢復正常轉動，流水燈也恢復正常流動，報警器停止報警[4].

系統程序設計的主流程圖如圖5所示.

圖5 系統程序設計的主流程圖

隨著具有稱重系統的傳送裝置的應用領域迅速擴大，完善傳輸裝置稱重系統成為各國研究的熱點問題之一.

本系統正是考慮這一實際情況，設計了以單片機為開發平臺的一種模擬智能傳送裝置.利用Keil uVision3完成軟件設計后，通過Proteus仿真出了實際效果.設計中提出了系統硬件各個模塊電路的具體設計以及軟件的設計思路，并且闡述了壓力傳感器測量數據處理算法.采用經過改進的三運放高共模抑制比的放大電路，提高了測量精確度.

本系統設計的重點在于稱重系統的設計和軟件的編寫，因此在編寫軟件中需要花很多的時間.由于多方面客觀因素，此次設計仍有改進之處.尤其是高共模抑制比的放大電路部分的設計并不理想，仍需進一步調試.對進一步研發傳送裝置系統做了一個良好的基礎.

〔1〕龐偉屹.基于單片機的傳輸帶動態稱重系統設計與實現[D].石家莊:河北科技大學，2010.16.

〔2〕李國棟，李光日，田玉敏.一種用于測量機器人ZMP的多點壓力傳感器[J].微計算機信息,2010(17):157-158,154.

〔3〕崔利平.儀表放大器電路設計[J].現代電子技術,2009(11): 87-89.

〔4〕梁明亮,韋成杰.單片機對串行A/D轉換器ADC0832的C51編程[J].鄭州鐵路職業技術學院學報,2009(3):36-37.

〔5〕馬繼偉，馬玉泉，倫翠蓊.單片機原理及應用的立體教學模式[J].河北科技師范學院學報，2013（3）.

TP274.5

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1673-260X（2015）12-0035-02