重量-流量雙測手操作的研制

摘要：介紹采用單片機(jī)的重量-流量雙測手操器的工作大批量及軟硬件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)具有注意的性能和良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：重量 流量 流量手操器

計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)的過程控制級直接與生產(chǎn)過程連接，具體承擔(dān)控制任務(wù)，其可靠性至關(guān)重要。為了生產(chǎn)安全，除了系統(tǒng)軟、硬件應(yīng)可靠外，還應(yīng)采取后備的方式為過程控制級提供有效的安全保障，操作人員才能對裝置進(jìn)行有效地操作。重量-流量雙測手操器就是為這一目的而研制的。重量-流量雙測手操器根據(jù)上位機(jī)或手機(jī)閥位信號對儲(chǔ)罐出口調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，以達(dá)到控制儲(chǔ)罐出口流量的目的；同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場需要，顯示測得的儲(chǔ)罐中的物料重量，當(dāng)儲(chǔ)罐中的物料重量小于一定值時(shí)，應(yīng)進(jìn)行加料處理。在自動(dòng)狀態(tài)下，上位機(jī)控制信號控制調(diào)節(jié)閥，手動(dòng)閥位自動(dòng)跟蹤上位機(jī)閥位信號；在手動(dòng)狀態(tài)，操作人員可利用觸摸開關(guān)直接對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行遙控，根據(jù)儲(chǔ)罐物料重量的變化計(jì)算儲(chǔ)罐出口流量，并顯示之。

生產(chǎn)線中，不同原料儲(chǔ)罐的最大重量由1000kg到60000kg各不相同，各儲(chǔ)罐的出口最大流量也由50kg/h到3500kg/h各不相同。儲(chǔ)罐出口流量檢測精度為±0.1kg/h。

一、工作原理

手操器組成框圖如圖1所示。

串行通信接口接收上位機(jī)的自動(dòng)閥位信號，并把檢測運(yùn)算的流量信號送給上位機(jī)；觸摸開關(guān)用于手/自動(dòng)工作狀態(tài)變換（手動(dòng)狀態(tài)時(shí)對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行人工設(shè)置等）；儲(chǔ)罐將重力傳遞給稱重傳感器，稱重傳感器將作用于其的重力轉(zhuǎn)換、放大為4～20mA稱重信號，送至本儀器。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入，每4s采集一次稱重信號，共保存31次采集重量數(shù)據(jù)（2min時(shí)間采集的）：W（0），W（1），W（2），W（3），…，W（30）。流量F=[W(0)-W(30)] ×30kg/h，即2min時(shí)間內(nèi)的重量變化乘以30等于物料每小時(shí)用量（即流量），每4s采集更新W（0），W（1），W（3），…，W（30），并由單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，最后將罐重、儲(chǔ)罐出口流量在顯示器上顯示、儲(chǔ)罐出口最大流量等的設(shè)定。這些參數(shù)是利用觸摸開關(guān)設(shè)定并需要掉電保護(hù)的。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

（1）單片機(jī)控制系統(tǒng)。采用ATMEL公司的AT89C52作為控制器。它是一種低功耗、高性能，片內(nèi)含8KB閃速可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器的八位CMOS微控制器，與MCS-51單片機(jī)兼容。由于使用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，所以EA/VP接高電平。片內(nèi)高端RAM區(qū)80H～FFH構(gòu)成隊(duì)列，按先進(jìn)先出方式存放采集的重量數(shù)據(jù)W（0），W（1），W（2），W（3），…，W（30），供計(jì)算流量用，每個(gè)數(shù)據(jù)占3字節(jié)。流量F=[W(0)-W(30)] ×30kg/h，即為ΔW×30kg/h。

（2）接口芯片。采用RS-232接口芯片ADM101RE接收上位機(jī)的自動(dòng)閥位信號。本儀器的流量、重量數(shù)據(jù)也由此上傳至上位機(jī)，以便進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化。

（3）數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集電路由稱重傳感器、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路組成。考慮到儲(chǔ)罐最大重量為60Δ10 3kg，因?yàn)榱髁縁=ΔW×30kg/h，為滿足儲(chǔ)罐出口流量檢測精度為±0.1kg/h的要求，儲(chǔ)罐的重量檢測精度應(yīng)達(dá)到±0.001kg，我們采用了AD7714A/D轉(zhuǎn)換電路。AD7714是美國AD公司推出的一種高分辨率24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，靈活的串行接口使AD7714可很方便地與微處理器或移位寄存器相連接。由于AD7724采用了∑-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)，使它不受噪音環(huán)境的影響。在測量的準(zhǔn)確性和精確度上都達(dá)到了相當(dāng)高的要求。

（4）閥位控制。根據(jù)上位機(jī)的自動(dòng)閥位信號或手動(dòng)狀態(tài)時(shí)閥位信號，運(yùn)算后經(jīng)12位D/A轉(zhuǎn)換器MAX538輸出。MAX538是串行器件，線性度好。MAX538的輸出經(jīng)V/I變換器AD694轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號去控制所控儲(chǔ)罐的出口調(diào)節(jié)閥的閥位開度。

（5）數(shù)碼顯示。儲(chǔ)罐重量用6位顯示，精確到0.1kg；儲(chǔ)罐出口流量用4位顯示；上位機(jī)閥位開度和手動(dòng)閥位開度%分別用3位顯示（1位小數(shù)）。采用兩片串行輸入顯示驅(qū)動(dòng)接口芯片MAX7219，其硬件開銷小，且編程簡單。

（6）設(shè)定參數(shù)。生產(chǎn)線不同，儲(chǔ)罐的最大重量、儲(chǔ)罐出口最大流量等都不相，為此，采用串行EEPROM 24LC01存儲(chǔ)工況參數(shù)。這些參數(shù)是通過觸摸開設(shè)定的，有三位觸摸開關(guān)。在正常工作時(shí)，狀態(tài)開關(guān)用于手/自動(dòng)切換，1位增加鍵和1位減少鍵用于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)閥位的設(shè)定。設(shè)定參數(shù)時(shí)，雙鍵按下進(jìn)入設(shè)定參數(shù)狀態(tài)，操作增加鍵和減少鍵進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，并由雙鍵按下確認(rèn)。設(shè)定的參數(shù)在24LC01中分3個(gè)區(qū)域存放，以3中取2方式讀取，以保證正確率，用于計(jì)算。

串行器件的選用和系統(tǒng)的硬件簡單，調(diào)試方便。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)由主程序和若干子程序組成。有觸摸開掃描子程序、定時(shí)中斷服務(wù)子程序。還有幾個(gè)主要的功能模塊：A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字濾波模塊、顯示模塊、閥位輸出模塊等。系統(tǒng)程序都固化在AT89C52片內(nèi)Flash中。系統(tǒng)開機(jī)后，首先執(zhí)行初始化程序，包括各標(biāo)志位的設(shè)置、自檢、觸摸開關(guān)掃描等。主要工作在定時(shí)中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行，如數(shù)據(jù)采集、與上位機(jī)進(jìn)行信息通信、顯示上位機(jī)閥位開度、手動(dòng)閥位開度百分?jǐn)?shù)、儲(chǔ)罐重量、儲(chǔ)罐出口流量。定時(shí)中斷服務(wù)子程序框圖如圖3所示。

四、抗干擾措施

因?yàn)槭褂铆h(huán)境存在多種干擾源，如噪音干擾、電磁干擾、電壓波動(dòng)大等，尤其是大量使用的變頻器。我們從硬件、軟件兩方面采取了一些措施。

（1）硬件方面：①輸入輸出用光電隔離，另外，串行器件的使用，帶來極大的方便；②在電源方面采用特殊設(shè)計(jì)的開關(guān)電源，能適應(yīng)較寬的電網(wǎng)電壓波動(dòng)，可承受瞬間浪涌沖擊；③采用多級去耦，電路中每片集成電路芯片引腳上均加1個(gè)0.01μF的瓷片電容；④應(yīng)用看門狗電路，采用看門狗集成電路IMP706（IMP706是IMP公司推出的高性能、低價(jià)格、低功耗8腳雙列直插芯片，具有看門狗功能及電源電壓監(jiān)控功能，見圖2）。

（2）軟件設(shè)計(jì)方面：①配合看門狗電路，有死機(jī)攔截程序；②有參數(shù)自動(dòng)修正程序；③編寫必要的異常處理程序、自診斷程序；④在信號處理程序中，有多種軟件濾波和防干擾處理。

結(jié)束語

本儀器運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，現(xiàn)場操作方便，易于掌握，效果好。所采用的方法和技術(shù) 也可供其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和智能儀表設(shè)計(jì)時(shí)參考。