采用紅外遙控技術進行設定目標重量,以PIC16F877單片機為核心控制芯片,研制成功了六嘴回轉式電子秤水泥包 裝機的智能控制系統(tǒng),實現了控制系統(tǒng)的髙精度測量和包裝,具有完善的控制功能和抗干擾能力。
1.引 言
電子秤包裝機控制器用于六嘴回轉式顆粒狀或粉 末狀的物料(如水泥、化肥、糧食等)定量包裝系統(tǒng)中, 自動化程度、計量零度要求越來越髙,要求插袋、喂料、 壓袋、推包、破袋處理、設定目標重量等過程能夠實現 自動控制。由于控制器安裝在生產現場的回轉部分的 六個下料嘴對應的6只電控箱中,控制器的安裝位置 比較高,目標重量設定采用控制器的按鍵設定極為不 方便,也不利于控制室控制,只能作為目標重量的輔助 設定方式??紤]采用遙控設定或有線通信設定,若采 用有限通信方式設定,根據現場的包裝機設備中央控 制單元發(fā)送的設定信號要通過滑環(huán)傳送,并進行串并 轉換為并行信號,完成與控制器的通信設定。由于回 轉部分的380 V動力電源和220 V控制電源還有檢測 部分,都通過滑環(huán)與控制器相連,滑環(huán)之間的相互干擾 比較大,這樣會使得采用通信方式的設定不準確,造成 生產的不可靠。因此,本系統(tǒng)以PIC16F877單片機為 控制芯片設計實現了紅外遙控作為設定目標重量主要 方式的電子秤包裝機控制系統(tǒng)。做好軟件的處理,即 可完成方便靈活、可靠的、準確的實現生產的自動 控制。
2.控制系統(tǒng)總述
電子秤是包裝機的一個獨立的控制部件,安裝在 包裝機電控箱內,從包裝箱觀察窗可以看到電子秤的 重量顯示和狀態(tài)LED指示。其控制器由單片機、檢測 電路、控制電路、人機接口電路和遙控設定電路等組 成,如圖1所示。
選用美國Microship公司的PIC16F877單片機為 控制系統(tǒng)的CPU,對各部電路進行檢測和控制。經過 調零調滿后,CPU發(fā)出插袋控制信號;當檢測到包準 備好信號時開始喂料,控制粗細閥一起打開,CPU將 荷重傳感器檢測的重量信號與目標重量的粗細流閾值 進行比較,判斷是否關閉粗細閥,從而發(fā)出控制指令; 然后根據檢測的推包位置到和皮帶脈沖到信號,發(fā)出 推包控制信號。
3.提高重量測量精度的方法
用戶要求裝包重量精度比較高,即要求水泥重量 的測量具有很髙的精度,系統(tǒng)的多個環(huán)節(jié)都考慮髙精 度的要求而進行設計。
3.1下料方式采用粗細配合方式
單片機控制各嘴電磁閥的開關來控制物料下料, 控制電磁閥的開度來控制下料的速度。考慮到生產的 效率和物體的慣性,為了能夠精確地控制喂料的重量, 系統(tǒng)的設計采用粗細閥配合使用的下料控制。開始下 料時,控制電磁閥開度最大,即粗閥和細閥一起打開, 快速下料;當接近目標重量(即達到粗流閾值)時,要控 制下料的速度控制將電子閥開度關小些,即粗閥關閉, 下料速度減慢;進一步接近目標重量(即達到細流閾 值)時,完全關閉電磁閥,即細流閥關閉。通過多次的 實驗,獲得較為合適的粗流、細流閾值,提高了包中物 料喂料的精度。
3.2 CPU的選擇
為了提髙系統(tǒng)的重量測量精度要求,需要選擇高 精度的A/D轉換器;本系統(tǒng)選用的PIC16F877單片機 內含10位A/D轉換器,滿足系統(tǒng)的重量測量精度要 求;PIC16F877單片機具有256字節(jié)的EEPROM存儲 器,內置看門狗電路,對粗流細流閾值的設定值具有掉 電保護作用,而且價格便宜,外圍接口電路簡單,轉換 精度高,看門狗可以對軟件運行出錯提供保護功能,不 僅增加了重量測量精度,還提髙了系統(tǒng)可靠性。
3.3重量檢測電路的設計
物料重量經過荷重傳感器輸出相應的0?5 mV 電壓,再經過重量檢測電路將其變化到0?5 V電壓,送至單片機的AD轉換輸人口 RA5,如圖2所示。 因為下料的過程是個動態(tài)的過程,為了保證測量的精 度,該電路做了相關的動態(tài)校正電路。
當測量的物料重量穩(wěn)定不變時,荷重傳感器收到 的力F即為物料的重力mg。由式(3)可知,由放大器 U3構成的放大電路為微分環(huán)節(jié),則此環(huán)節(jié)不起作用, 即m<=0,根據式(1)?(3)、(5)得重量測量電路的輸入 輸出關系為比例放大的關系,如下所示:
根據u1和u6的關系設計需要的電路的參數,通 過調節(jié)RW2進行重量滿刻度的校定。當包裝機工作 時,物料重量是在變化的,而且落人包中的物料是有速 度和加速度的、根據動力學原理,荷重傳感器收到的力 為:F= ma+mg ,此時重量的測量如果只是單純地用 圖3中的組成比例放大電路,在測 量中會存在誤差,為了解決動態(tài)測量中的測量誤差,加 人了放大器組成的微分環(huán)節(jié)。由式(3)和式(4)可 知,動態(tài)測量時,由于的微分環(huán)節(jié)和叫的減法環(huán) 節(jié),合理地調節(jié),即a系數,在動態(tài)測量中可以實 現對動態(tài)測量誤差的補償,從而提高測量的精度。
3.4可靠穩(wěn)定的電源
在進行AD轉換時,其數字量和模擬量的對應關 系為:
為了確保AD轉換的精度,需要穩(wěn)定、可靠且精度 比較高的參考電源,為此參考電源的設計如圖3所示。 對常規(guī)的線性電源做了優(yōu)化,為了模擬地AGND基準 的準確、不偏移,在輸出士5 V之間利用兩個相等的電 阻風、尺2進行電壓取樣。當AGND有偏移時,通過 Ue放大器,電容C8組成積分調節(jié)器對AGND的偏進 行反饋調節(jié),自動實現AGND基準的準確。另外保證 電壓測量電路中各放大器±5 V電源的對稱性,利于 測量精度的提高。
4.目標重量的紅外遙控設定
4.1紅外遙控設定原理
本系統(tǒng)采用控制器上的按鍵設定和紅外遙控無線 設定兩種方式進行目標重量的設定。紅外遙控是目前使用最為廣泛的遙控手段,紅外通信采用的光波波長 范圍為850?900 nm的紅外線。本系統(tǒng)的遙控器選 用PIC16C72單片機作為控制芯片,根據按鍵設定的信 息,將其進行編碼和調制,經過放大驅動紅外線發(fā)射二 極管發(fā)射紅外信號。包裝機控制器的紅外接收裝置將 接收的紅外信號進行解調和解碼,最終還原設定的信 息,實現遙控設定。其原理框圖如圖4所示。
由于采用單片機作為控制芯片,發(fā)射部分的編碼、 調制和接收端的解調、解碼均通過軟件實現,簡化了硬 件電路,提高發(fā)射可靠性。
4.2紅外遙控設定倍號的編碼及數據傳輸協議
根據實際情況制定了紅外發(fā)送和接收的數據傳輸 協議,協議碼為32位二進制數據,其中地址碼8位、標 志碼16位、校驗碼8位,各碼的規(guī)定如表1所示。數 據碼為設定重量的壓縮BCD碼;校驗碼采用的是和校 驗的方法,由協議碼的前3字節(jié)相加而得。然后采用 脈沖編碼的方式,將“1”定義為1T的高電平和1T的 低電平;“0”定義為1了的髙電平和3丁的低電平(T為 延時周期),數據碼就被編碼成脈沖序列。
4.3紅外遙控設定信號的調制
由于采用的是紅外光發(fā)射,考慮到接收端的接收 能力,需將脈沖串進行調制,其編碼和調制的軟件設計 如圖5所示。調制的載波為38 kHz脈沖波。采用 ASK調制方式,將由單片機軟件方式實現的38 kHz 載波與編碼信號進行調制,調制后的信號由紅外發(fā) 光管發(fā)射,與包裝機控制器端的接收電路以及相應的 解調和解碼軟件相配套就可實現遠距離的準確遙控。
5.結束語
采用紅外遙控設定包裝機的粗、細流閾值,操作靈活方便,與包裝機控制器相配合使整個包裝機控制系 統(tǒng)運行準確可靠,具有較強的抗干擾能力,控制精度 髙,50 kg的包裝,誤差小于0. 05 kg,精度可達0.1%; PIC16F877的資源豐富,為以后的技術改進也留有一 定的資源,可繼承性強。該系統(tǒng)現已投入使用,取得了 良好的控制效果;成本低廉,經用戶試用,反應良好。