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

通過(guò)軟件和硬件的合理配合，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)稱量的功能，且測(cè)量誤差不大于±2%。

1.前言

在工業(yè)生產(chǎn)中，有很多需要對(duì)粉末狀或小顆粒狀 散狀固體的流量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和控制的情況，如水泥 廠、鐵合金廠、鋁廠等要對(duì)原料配料進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量。 螺旋電子秤就是針對(duì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)稱量工業(yè)用原料的需要 而設(shè)計(jì)的，對(duì)完善工業(yè)部門(mén)物資計(jì)量體系具有一定意義。

2.螺旋電子秤的硬件設(shè)計(jì)

2.1螺旋電子秤的工作原理

螺旋電子秤是根據(jù)科氏力與物料質(zhì)量流量之間成線性關(guān)系的原理設(shè)計(jì)的。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

物料從入料口進(jìn)入裝在筒內(nèi)的螺旋，螺旋的轉(zhuǎn)速由電磁調(diào)速電機(jī)控制，物料隨著螺旋的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成毫伏級(jí)的 電壓信號(hào)，并通過(guò)前置放大器轉(zhuǎn)換為0?十10V的直流 電壓信號(hào)，再經(jīng)濾波和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化，將得到的數(shù) 字信號(hào)傳送給單片機(jī)AT89C52。

單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)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(shù)碼顯示管顯示；另一方面對(duì)物料 重量作PI調(diào)節(jié)，所得控制量經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后輸出一 電壓信號(hào)給變頻器，變頻器控制電磁調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 從而自動(dòng)調(diào)節(jié)螺旋的轉(zhuǎn)速，也就自動(dòng)控制了物料的流 量，達(dá)到精確控制固體物料流量的目的。另外，單片 機(jī)與PC機(jī)的串口通過(guò)MAX232轉(zhuǎn)換電平后，通過(guò)串 口通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

螺旋電子秤的硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2螺旋電子秤測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

螺旋電子秤的測(cè)量模塊主要包括傳感器、信號(hào)采 集電路和A/D轉(zhuǎn)換3部分。信號(hào)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起反向和滿量程調(diào)整作用，調(diào)整W,使其輸出 0~25mVo運(yùn)放A2用作反向零點(diǎn)補(bǔ)償和濾波，調(diào)整W2 使其輸出為0?10V。為了防止工頻串模干擾信號(hào)混入 測(cè)量?jī)x器而產(chǎn)生測(cè)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(shù)選擇應(yīng)滿足C1=C2=2C3, R1=R2=2R3,適當(dāng)調(diào)整RW,、RW2消除50Hz工頻干擾 可得到更好的濾波效果。

A/D轉(zhuǎn)換器采用美國(guó)模擬數(shù)字公司（Analog)推 出的AD574。它是單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn) 換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件 即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器。

2.3螺旋電子秤動(dòng)態(tài)稱量的實(shí)現(xiàn)

螺旋每旋轉(zhuǎn)一圈，從出料口流出一定量的物料。 要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)稱量且要使測(cè)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(cè)最值并非實(shí) 際值。要減少螺桿的震動(dòng)保持螺旋內(nèi)的物料穩(wěn)定，就 要使螺桿的轉(zhuǎn)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(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，這樣壓力傳感器 的輸出電壓也就穩(wěn)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(nèi)總的物料重最直接采用累計(jì)積分的方法就可以得 到，即：

式中：

D?為T?時(shí)刻A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)字量；

K為標(biāo)定系數(shù)。

K直接以數(shù)字的形式參加 運(yùn)算，改變K可改變電子秤 的噸位,使現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物標(biāo)定變得 非常簡(jiǎn)單。

為此，系統(tǒng)中在硬件上采 用螺旋產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖作為中 斷信號(hào)，對(duì)AD574的輸出信 號(hào)進(jìn)行采樣。單片機(jī)對(duì)采樣信 號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到物料重 量，并將物料重量一路送累計(jì)顯示，另一路與變頻器 給定值對(duì)應(yīng)的重量值作比較。由此產(chǎn)生一偏差信號(hào)， 通過(guò)軟件P1調(diào)節(jié)后，與自動(dòng)預(yù)置值相加后，調(diào)節(jié)螺旋 的轉(zhuǎn)速，使螺旋內(nèi)的物料保持穩(wěn)定，也就使傳感器上 的電壓穩(wěn)定在一個(gè)值上,從而實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)稱量》

3.螺旋電子秤的軟件設(shè)計(jì)

3.1 PI控制算法

從螺旋電子秤實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)稱量的過(guò)程可以看出，系 統(tǒng)中采用了 PID控制算法中的PI控制，通過(guò)軟件調(diào) 節(jié)比例系數(shù)和采樣時(shí)間的積分區(qū)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(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速 為一個(gè)恒值，從而使螺旋里的物料穩(wěn)定，使壓力傳感 器的輸出電壓保持恒定，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)稱量。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)編制，主要分為主程序 模塊、初始化模塊、采控模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。主程 序控制模塊包括主監(jiān)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(biāo)定系數(shù)等 參數(shù)的設(shè)定子程序以及數(shù)字鍵處理子程序和提示符顯 示子程序；采控模塊包括數(shù)據(jù)采集中斷服務(wù)子程序和 通訊中斷響應(yīng)子程序；數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)字濾波子程序、PI調(diào)節(jié)子程序、物料總量積分運(yùn)算子程序等。 系統(tǒng)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(xiàn)場(chǎng)干擾。其中的數(shù)字濾波子程序就是實(shí) 現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的功能。A/D轉(zhuǎn)換 完成后，由AT89C52讀取AD574送出的12位二進(jìn)制 數(shù)據(jù)。但由于現(xiàn)場(chǎng)干擾，可能會(huì)產(chǎn)生脈沖干擾，因此 必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。采用中值濾波的方法，即將 采集到的每4個(gè)數(shù)據(jù)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(cè)量數(shù)據(jù)，以減少尖峰干擾。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的螺旋電子秤以AT89C52為核心，運(yùn)用 PI控制算法，實(shí)現(xiàn)了工作過(guò)程的自動(dòng)化。實(shí)驗(yàn)表明， 系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測(cè)量誤差不大于±2%，具有可靠性高、 操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。