Ｍａｃｈｉｎｅ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ 机械与设备 一种基于单片机ＡＴ８９Ｓ５２的陶瓷称重电子称 刘建川 （广东唯美陶瓷有限公司，东莞５２３０７１） 摘要：为了精确计量粉料的使用生产情况和计算、统计生产成本，有必要对粉料储料仓转送到压机的 粉料进行计量。本文描述了单片机在粉料流量累积中的软硬件设计，并提出了一些应用中的注意事项。 关键词：陶瓷粉料计量；单片机ＡＴ８９Ｓ５２；速度测定；重量测定 １引 言 如果能妥善设计电路板，编写出比较优秀的控制代码，则 可望实现粉料的实Ｕ－，ｔＮ量，本文重点讲述一种基于单片 为提高生产效率、降低人工操作强度和生产成本，实 机的电子称的硬件搭配和软件的编写。现连续化、自动化与精确化生产，是陶瓷行业的发展方 向。但对于设备自动化水平不高的陶瓷行业原料车间来 说，实现精确管理和精确统计生产成本，确是一个有相当 ３ 硬件搭配 难度的课题。一直以来，原料车间输送到压机车间的粉料 ３．１主要电子元件 数量是个模糊、没有明确量化的一个数字，精确统计成本 更是无从谈起 主要电子元件清单如表１所示。 除主要元件外，还需要电阻、电容、三端稳压管、指示 目前，市场上较为成熟的称重技术和设备不少，如西 门子的称重积算仪ＢＷＳ００，其性能优良、稳定，但价格不 菲。如果能寻找到一种价格适中、性能又能满足要求的计 量设备。相信能解决不少陶企的难题。 灯、光藕等。这些元件都是电子市场的常用品，价格不高， 容易采购。 表１ 电子称的主要电子元件清单 ２ 陶企粉料测量的现状和需求 对陶企而言．动态测量粉料重量，直观地给出粉料的 累积数字，可以充分掌握粉料的实时应用情况，对球磨工 序和造粒工序起着直接的指导作用。而传统的计量方式 和管理方式并不能满足现代化工厂精益生产、精益管理 的要求，笔者所在的单位也面临着同样的困惑。对陶企而 言，用最简单经济的方式实现工厂的计量需求，无疑是最 实用与有效的。 ３．２硬件连接 图１为硬件连接示意图。本例采用ＡＴ８９Ｓ５２单片机 作为主控制器，采用７４ＬＳ４７芯片作数码管接口，采用 在现代自动化控制系统中，单片机出色的表现、优异 的性能使其在嵌入式系统中占据着相当重要的位置，而 ７４ＬＳ１５４芯片作为数码管位控制，ＡＤ０８０４作为重量信号 价格低廉更是令其它控制设备如ＰＬＣ等无法与它相提并 的采集，编码器作为速度信号的采集，七段数码管其中８ 论 但单片机并不完美，它复杂的编程语言和指令系统、 位作为粉料累积重量的显示．其中４位作为当前皮带速度 抗干扰能力不强等，了它在陶瓷行业的大规模应用。 的显示，剩下４位作为当前重量代码的显示。 图１硬件连接示意图 需要说明的是，因为要采集的ｉ／ｏ数量较多，为了节 省ｉ／ｏ口开销．采用７４ＬＳ４７和７４ＬＳ１５４硬件译码集成电 路。７４ＬＳ４７是数码管译码集成电路．它把输入的数字Ｏ～９ 转化成Ａ～Ｇ七段数码输出，其功能表见表２。 表２ ７４ＬＳ４７功能表 Ｉｎｐｕｔｓ Ｏｕｔｐｕｔｓ Ｎｏｔｅ ｆ■■－．Ｉ ＬＴ嘲村 ＾＇ ■嘲●－‘ｉ●ｆ－ Ｏ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ Ｈ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ Ｈ 岫２） ｌ Ｈ Ｘ Ｌ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ 御■■２１ ２ Ｈ Ｘ Ｌ ｔ Ｈ Ｌ Ｈ Ｌ ‘ Ｈ ｔ Ｌ Ｈ ｔ ３ Ｈ Ｘ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｌ ● Ｈ Ｘ Ｌ Ｈ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ ｔ Ｌ Ｈ Ｈ ｔ Ｌ Ｓ Ｈ Ｘ Ｌ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｌ Ｌ Ｈ Ｌ Ｌ ６ Ｈ Ｘ Ｌ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ ７ Ｈ Ｘ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ ８ Ｈ Ｘ Ｈ ｔ ｔ Ｌ Ｈ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ ９ Ｈ Ｘ Ｈ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ 位 Ｈ Ｘ Ｈ Ｌ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｈ Ｌ 竹 Ｈ Ｘ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｌ ｔ２ Ｈ Ｘ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ ＇３ Ｈ Ｘ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｌ Ｌ ＇． Ｈ Ｘ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ ｆ５ Ｈ Ｘ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ 曩 Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ ●●■ｌ３’ 啊 Ｈ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ ｏ．●■．Ｉ ＬＴ 【 Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ Ｈ Ｌ ｔ Ｌ ‘ ‘ Ｌ ‘ ａ●由 ７４ＬＳＩ５４是４～１６译码集成电路，它把输入的０～Ｆ数 字转化成ｌ６个位输出，分别用于控制１６位数码管的位控 制，其功能表见表３。 从表３可看出，为了使其工作正常，必须使Ｅ０、Ｅｌ为 低电平。当ＡＯ、Ａｌ、Ａ２、Ａ３分别为００００时，Ｙ０输出有效（低 电平有效），当它们为ｌ１１１时，￣１５输出（低电平有效），其 它类推。 ＡＤＯ８０４是Ａ／Ｄ转换芯片，它对输入模拟量信号的要 求是： （１）信号单极性，电压范围是０～５Ｖ，若信号太小，必 须进行放大： （２）输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如 表３ ７４ＬＳ１５４集成电路功能表 Ｉｎｐｕｔ Ｏｕｔｐｕｔ 商 ＥＴ 柏 ＾＇ ＾２ ＾３ Ｗ Ｗ 礤 竹 ％ Ｗ Ｗ 谨 Ｗ 啊 啊 阳 哪 锕５ Ｈ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｘ Ｘ Ｘ Ｘ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｅ Ｌ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ ¨ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｌ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｈ Ｌ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ ¨ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｈ Ｌ 若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样以维持电路 正常： （３）Ａ／Ｄ０８０４转换精度为１／２５５，要使其工作正常，必 须在４脚输入振荡信号，工作频范围为１０～１２８０ｋＨｚ，当 频率范围为５００ｋＨｚ时，其转换时间为１２８￣ｓ。 ＡＤＣ０８０４电压输入与数字输出关系如表４所示。 ４ 软件设计 ４．１称量原理 正确计量陶瓷粉料质量的两个必要条件是：一是正确 测算出电子称皮带单位时间内的移动距离．二是正确计算 出单位时间内电子称皮带上的单位长度上的质量，在本例 中速度和重量的测算由中断程序完成。然后通过数学公 式，计算出单位时间内电子称皮带上粉料的瞬时进出料重 量，再通过流量累积，就可以得到正确的粉料累积重量，最 后由数码管显示出来。为使系统更适合陶瓷厂复杂的电磁 环境，解决电子称安装位置不准可能引起的振动而导致的 系统精度下降等问题，在公式中引入必要的修正系数ｋ 、ｋ 。 ＫＧ＝５０×ｋ１×ｋｇ／２５５／１ｏｎｇ＋ｋ２ （１） 式中： Ｋ 单位时间测得的瞬时重量： ｋｇ——当前测得的重量代码； ｌｏｎｇ——电子皮带总长度； ｋ１——补偿系数１； ｋ广补偿系数２； ５０——Ｓ型称重传达室感器的量程，Ｏ￣５０ｋｇ。 上式的功能是把瞬时重量换算成单位长度皮带上的瞬 时重量。 流量累积公式： ＴＫＧ＝ＴＫＧ＋ＫＧｘｃｕｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ （２） 表４ ＡＤＣ０８０４电压输人与数字输出关系 式中： ＴＫ 累积重量： 动轮每旋转一圈，发出固定数量的脉冲，故测量在单位时间 内的编码器发出的脉冲数就可以间接测量从动轮旋转速 度，通过下面公式可以计算出单位时间内皮带移动的距离。 （１）从动轮旋转速度的测定 当前测得的皮带移动速度 ｃｕｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ一Ｋ 单位时间内测得的瞬时重量 重２系统框图 系统框图如图２所示．下面详细说明： ４．２．１速度计算 为了正确测定从动转旋转速度（单位Ｒ／Ｍ），需要使用中 断功能．通过外部中断０累加脉冲总量；定时中断０设置为 ２秒定时中断，当２秒定时时间到后，立即计算单位时间内 采集到的脉冲数，由公式３计算出当前皮带单位时间的移 ｃｕｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ＝￣１４×Ｄ Ｘｔｏｔａｌ ｐｕｌｓｅ／１０００／２ （３） 式中： 为了正确测量电子称皮带运转速度，采用增量型旋转 编码器，该编码器和电子称皮带从动轮按ｌ：ｌ柔性连接，从 动距离。ｃｕｒ ｄ ｉ ｓ ｔａｎｃｅ＿＿— 单位日搁阿 向距离弹位ｍ）； Ｄ一皮带轮的直径（单位ｍ）； ２秒内采集到的脉冲总数； 增量型编码器每转发出的脉冲数； ｔｏｔａｌ ｐｕｌｓ １００Ｏ一２——２秒 （２）移动距离的计算程序 下面是ＫＥＩＬＣ关于计算移动距离的程序，程序中没有 说明的变量全为全局变量。 ／／定时器中断，累积２秒内总的脉冲数 ｖｏｉｄ ｉｎｔｏｉｎｔ ０ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ０ ｛ｃｕｒＡ￣ｕｌｓｅ＋＋；） 图２系统框图 ／／使黑１０００ｐｕｌｓｅ／Ｒ ｅｎｃｏｄｅｒ ／／计算皮带单位时间移动距离 ｖｏｉｄ ｉｎｔ ｌ＿ｉｎｔ（）ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ １ ｛ＴＨ０＝０ｘ４Ｃ：／／５０ｍｓ中断 ＴＬＯ＝ＯｘＯ０： ｃｕｒ ｍｓ＋＋： ｉｆ（ｃｕｒ～ｍｓ＞＝２０） ｛ＥＴＯ＝Ｏ； ／／关闭定时器０中断 ＴＲＯ＝Ｏ： ＥＸＯ＝Ｏ： ／／关闭外部中断Ｏ ｃｕｒｍｓ＝Ｏ； ｃｕｒｎ＝ｃｕｒ ｐｕｌｓｅ／２／ｌＯ００．０：／术（Ｒ／ｓｅｃ），ｃｕｒｎ为 从动轮旋转速度，单位圈／秒。 ｃｕｒ ｐｕｌｓｅ＝Ｏ；／／总脉冲数清零 ／／计算流量累积：２秒计算一次： ／／１．２为称带长度／／／／ｓｓｚｌ为计算出的瞬时重量 ｍｐｓ＝ｃｕｒｎ＊Ｏ．６２８；／／／／ｍｐｓ当前转速：米／秒，轮子 周长０．６２８ｍ＝２ｐａｉ＊直径：轮子直径为ｌＯｃｍ。 ＥＴＯ＝Ｉ：／／重新开放计数／定时功能 ＥＸＯ＝Ｉ： ＴＲＯ＝Ｉ：）｝ 在上面的程序中，当定时时间开启。进入计算阶段 后，需要禁止外部中断和定时中断，计算完毕后才重新 开启。 ４．２．２重量信号的测定 我们使用ＡＤＯ８０４集成电路完成重量信号的测定，配 合转换程序，达到实时测量、转换的目的。为了保证测量的 准确性和增强抗振动和抗干扰性，我们引入了数字滤波。 本例中数字滤波由平均值滤波和中值滤波组成。首先连续 采样三次，取得中值后放进第一个寄存器，然后再连续采 样两次，分别放进两个寄存器。由这三个寄存器取平均值 后，得出最终的采样结果。使用这两种滤波后，能有效地对 随机干扰和偶然性干扰进行滤除。图３是ＡＤ转换框图。 下面对这两种滤波方式进行简单说明： （１）平均值滤波 ｉｎｔ ａｖｅｒ（） ｛ｉｎｔ ｔｅｍｐ，Ｉｉ，Ｉ２，Ｉ３： Ｉｌ＝ｚｈｏｎｇｚｈｉ ０： Ｉ２＝ｚｈｏｎｇｚｈｉ ０： Ｉ３＝ｚｈｏｎｇｚｈｉ（）： Ｔｅｍｐ＝（Ｉ１＋１２＋１３）／３； Ｒｅｔｕｒｎ ｔｅｍｐ：） 在这个函数中，ｔｅｍｐ为返回值，返回给主调函数。 ＜ ＞ 图３ ＡＤ转换框图 算术平均滤波法的优缺点如下： １）优点： 适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这种信 号的特点是有一个平均值。信号在某一数值范围附近上下 波动。 ２）缺点： 对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控 制不适用，比较浪费ＲＡＭ。 （２）中值滤波 Ｉｎｔ ｚｈｏｎｇｚ（） ｛ｉｎｔ Ａ１，Ａ２，Ａ３，ｔｅｍｐ，ｄ ｘｉａｏ： Ａｌ＝ｒｄ０８０４（）：／／采样Ａ／Ｄ数据 Ｄｅｌａｙ（２）：／／延时函数 Ａ２＝ｒｄ０８０４（）： Ｄｅｌａｙ（２）： Ａ３＝ｒｄ０８０４ ０： Ｄｅｌａｙ（２）： Ｉｆ（ａｌ＞＝ａ２）
