基于MCS—51單片機的稱重系統設計

摘要：文章以MCS-51單片機為核心，采用稱重傳感器和速度傳感器作為測量單元，設計了一種稱重系統，本系統在主板的處理電路上實現了對輸入信號的濾波和放大功能，并且采用A/D采樣芯片對其采樣后，單片機對采集到的數據進行數據處理得到皮帶速度及傳輸重物的質量，進而運算得出瞬時流量，達到稱重目的。

關鍵詞：單片機；模數單元；運放電路；濾波電路；傳感器；鍵盤掃描

中圖分類號：TP272 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）10-0041-03

技術革命源于信息革命，鋼鐵生產亦是如此。在鋼鐵生產過程中，由于工藝中存在著大量的人類感官無法直接獲取的信息，而這些信息對于工藝中礦粉燒結、鋼鐵熔煉、軋鋼系數等步驟有著十分重要的意義。

因此，鋼鐵生產過程首先要解決的就是要獲取準確可靠的計量信息，而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段，在現代工業生產過程中，無論原料還是半成品、成品經常性的要使用各種稱重系統來達到監視和控制生產過程中的各個物或料的參數的目的，從而使設備工作在正常狀態或最佳狀態，最終使產品達到最好的質量，簡而概之，沒有一個的優良的稱重系統，現代化生產也就失去了基礎。

1 系統各部分單元概述

單片機：是單片微型計算機的簡稱，英文縮寫MCU，是采用超大規模集成電路技術，把具有數據處理能力的中央處理器、存儲器、I/O口及中斷系統、計數器等功能集成到一塊硅片上，從而構成一種小而完善的嵌入式微控制器，在工業生產上，尤其是工業控制領域，具有非常廣泛的應用，在現代工業體系中，復雜的控制工業系統或智能儀表上，甚至有數百片單片機在同時工作。

稱重傳感器是這樣的一種檢測裝置，當被稱物體放置在秤體的秤臺上時，它感受到被測量物的重量信息，并能將檢測到的信息，按照一定的規律（力-電效應）變成具有正比函數關系的電信號（電壓或電流等），從而得到被秤物體的重量，用以滿足工業上對于被測量物的信息顯示、記錄、處理、控制等要求。

速度傳感器是一種直流或交流測速發電機，它可以將直線速度或旋轉速度轉變為電信號，當傳感器與運動物體相接觸，就會產生一連串的電脈沖，通過檢測到的脈沖數，從而計算出物體的速度。目前工業生產中，最為廣泛采用的速度傳感器為直流測速發電機。

稱重技術：是采用現代傳感器技術、電子技術和計算機技術一體化的電子稱量裝置，同時還能夠有效地消除人為誤差，使之更符合計量管理和工業生產過程控制的應用要求的一種技術，其廣泛應用于工業、農業、科研等部門。同時，稱重設備在習慣上也被稱為秤。

模數轉化器（A/D轉化器）、運放及濾波電路：模數轉換器是將模擬信號轉換成數字信號的系統，是一個濾波、采樣保持和編碼的過程，模擬信號經帶限濾波，采樣保持電路，變為階梯形狀信號，然后通過編碼器，使得階梯狀信號中的各個電平變為二進制碼；運算放大電路其實是一個將兩個相差不是很小的電壓進行比較的比較器系統，能實現電壓信號的很高倍數的放大；濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，其作用能盡可能減小脈動的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，從而使輸出電壓紋波系數降低，波形變得比較平滑。

鍵盤掃描技術：無論采用何種控制系統，都需要一個人機對話裝置，這種人機對話裝置一般采用鍵盤和LCD或LED顯示器，鍵盤可以實現人機的輸入，事件輸入包括鍵盤輸入，通訊接口，事件中斷等，而顯示器可以實現人機的輸出，輸出結果指示包括LED/LCD顯示、通訊接口、外圍設備操作等，通過這樣的輸入和輸出從而實現人工可視的控制及操作功能。

LCD顯示（Liquid Crystal Display）：是利用液晶分子的物理結構和光學特性進行顯示的一種技術，一般常用的液晶型態為向列型液晶，在不同電流電場作用下，液晶分子會做規則旋轉90度排列，產生透光度的差別，如此在電源ON/OFF下產生明暗的區別，依此原理控制每個像素，便可構成所需顯示圖像。

2 由單片機控制的稱重系統設計方案

2.1 稱重系統設計原理

本設計方案中，采用的皮帶秤為多托輥懸浮式秤架結構，當輸送帶上所載重物通過有效測量單元時，皮帶秤秤體即托輥和架秤將其重量通所產生的壓力信號傳送給重量傳感器，稱重傳感器通過運算放大器放大并且經過濾波電路濾波后，將稱重的脈沖信號輸入模數（A/D）電路單元進行采樣，當信號變為數字信號時，再送入單片機（嵌入式微控制器）進行數據處理，與此同時，速度傳感器也將皮帶的速度通過模數電路轉變為脈沖信號，進入信號放大單元，再進入單片機進行數據處理，單片機通過對速度和質量這兩種信號的處理，就可以得到皮帶上傳輸物體的重量。

另外，在處理傳感器信號的同時，MCS-51也在不斷掃描鍵盤和各種功能開關，根據鍵盤輸入內容和各種功能開關的狀態進行必要的判斷、分析、運算，運算結果送到單片機內部的存儲器，當需要顯示或者其他操作時，單片機發出指令，從存儲器中讀出數據送到顯示器顯示或將指令發送給其他的操作設備。

重量計算原理為：輸送帶輸送物料時，主控機連續測量輸送帶上每單位長度的載荷值并與皮帶在同一時刻的速度相乘，測得結果為物料的瞬時流量。

2.2 系統硬件及外圍電路介紹

本系統中，用于動態稱重的單片機采用的是基于8051內核的MCS-51單片機，完成皮帶測速、重量累加、顯示以及遠程通信等功能，其優點為片內存儲器為閃速存儲器，速度更快、尺寸更小，且有4個8位I/O接口，便于擴展。

A/D轉換模塊采用AD7190芯片，它集成了一個低噪聲、24位Σ-Δ型模數轉換器，片內低噪聲增益級意味著可直接輸入小信號。

稱重傳感器采用電阻應變式集成傳感器，其工藝簡單，成熟，精度較高；外圍信號放大電路（運放）采用ADA4528-1，該運放溫飄小，廣泛用于信號處理，同時傳感器安裝位置必須防塵隔噪。

速度傳感器采用光電脈沖集成傳感器，光電檢測方法具有精度高，反應快，非接觸等優點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣。因為MCS-51具有輸入捕捉脈沖信號功能，故速度傳感器的輸出信號可以直接進入單片機進行信號處理，降低了系統運轉

周期。

防抖動電路：速度傳感器的信號經過防抖動電路處理后，能夠更加的穩定與精確。

鍵盤掃描及遠程通訊模塊：本系統采用防塵、防水的金屬鍵盤，因為考慮到生產環境的惡劣性，故采用密封性好的金屬鍵盤，利用單片機I/O口掃描，功能鍵可以根據軟件程序設計；同時，本設計也涵蓋了控制器局域網絡（CAN總線），重量信號也可以把采集到的數據通過現場總線傳輸到其他端口，保證了分布式控制系統各節點之間實時、可靠的通信，具體實現方法為在主板擴展槽中安裝通訊板，采用主從式通訊協議，上位機可以發送控制命令讀寫稱重過程參數和顯示，或直接進行遠程鍵盤操作，通訊板使用標準RS-232或RS-485方式。

3 結語

總之，稱重技術的發展向計算機化、網絡化、一體化、智能化方向發展，解決了鋼鐵生產過程中繁瑣的計量問題，保證了生產的高效，有著極大的經濟效益和社會效益。

參考文獻

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作者簡介：李云（1982—），男，長治鋼鐵（集團）有限公司助理工程師，研究方向：電氣智能化。