基于MODBUS協(xié)議的稱重儀設(shè)計

王 影

（吉林化工學(xué)院測控系，吉林 吉林132022）

0 引言

壓力是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中的一個重要參數(shù)，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常需要對壓力進(jìn)行檢測和監(jiān)控。壓力測量有許多種方法，本文介紹的是一種壓電轉(zhuǎn)換裝置，壓力變化使傳感器發(fā)生形變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時輸出一個變化的模擬電壓信號。該信號經(jīng)放大電路放大后輸出至A/D轉(zhuǎn)換器。使之轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號，該數(shù)字信號傳送給單片機(jī)，最終LED顯示壓力大小。

1 系統(tǒng)概述

本設(shè)計是一個基于C8051F410單片機(jī)的壓力測量系統(tǒng)。本設(shè)計由稱重傳感器，放大電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)電路，顯示電路，通訊接口電路，穩(wěn)壓電源電路等設(shè)計內(nèi)容組成。當(dāng)物體放在秤盤上時，壓力變化使傳感器發(fā)生形變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時輸出一個變化的模擬電壓信號。該信號經(jīng)放大電路放大后輸出至A/D轉(zhuǎn)換器。使之轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號，該數(shù)字信號傳送到CPU。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理、程序運(yùn)行后在LED上顯示出來。同時該設(shè)計是一款測量精度高、支持RS485硬件接口和MODBUS工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議的壓力控制模塊。該壓力控制模塊能夠?qū)毫M(jìn)行實時采集，采用支持MODBUS工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議的RS485串行接口與PC機(jī)連接。

2 主要電路模塊設(shè)計

2.1 主控電路

C8051F410單片機(jī)是整個系統(tǒng)的控制核心。C8051F410基本外圍接口電路是保證系統(tǒng)正常工作的輔助電路，包括C8051F410片上系統(tǒng)工作所需要的JATG接口、電源退耦、基準(zhǔn)濾波、上電復(fù)位等基本外圍電路。

2.2 稱重傳感器的設(shè)計

稱重傳感器實際上是一種將質(zhì)量（壓力）信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片、電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，輸出電壓正比于應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變時產(chǎn)生的電阻變化量。

2.3 信號采集調(diào)理電路

數(shù)據(jù)采集模塊分為3個部分：稱重傳感器、前級放大器和A/D轉(zhuǎn)換器傳感器選用壓力傳感器，為雙孔懸臂梁形式。前級放大器用AD620內(nèi)部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單，且放大器的增益是可以改變的。壓力傳感器的輸出信號輸入至AD620同相和反相輸入端，AD620可對差模信號進(jìn)行放大，放大倍數(shù)由AD620的1腳與8腳并接了的一個可調(diào)電阻RG決定。由于AD620在單極性電源供電時有零點漂移，因此本電路設(shè)計采用雙極性電源供電，同時在電源兩端加上濾波電容，確保供電穩(wěn)定。選用12位逐次比較式ADC，此方案經(jīng)小信號放大、調(diào)理電路，可直接連接單片機(jī)，也可以可滿足精度要求，而C8051F410單片機(jī)的ADC0子系統(tǒng)集成了一個27通道的模擬多路選擇器和一個200ksps的12位逐次逼近寄存器型ADC。ADC中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測器和硬件累加器。經(jīng)過計算滿足精度要求。故本設(shè)計選用C8051F410單片機(jī)內(nèi)部A/D。

3 MODBUS協(xié)議

MODBUS通訊系統(tǒng)是一種用于工業(yè)通訊的分布式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)，可以在任何工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)控制各種生成過程和作業(yè)。其數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)協(xié)議控制著網(wǎng)絡(luò)內(nèi)一切設(shè)備所共用的語言結(jié)構(gòu)或報文格式。協(xié)議是系統(tǒng)操作的關(guān)鍵，協(xié)議決定如何建立或中斷主從設(shè)備之間的關(guān)系，如何使發(fā)送和接收裝置協(xié)調(diào)一致，如何井然有序地交換報文，如何檢測錯誤。

MODBUS通訊協(xié)議有兩種消息幀格式：ASCII和RTU幀格式。ASCII消息以冒號字符開始，以回車換行符結(jié)束，其它域使用的傳輸字符為十六進(jìn)制；RTU消息則以傳遞一段空閑時間為開始和結(jié)束，這段時間不小于3.5倍的字符發(fā)送時間T，一般取4T。本設(shè)計在通訊協(xié)議中只用了兩個命令，03號命令和06號命令。他們都屬于公共功能碼。03號命令要求發(fā)送數(shù)據(jù)，06號命令代表要求從機(jī)原樣數(shù)據(jù)發(fā)回作為應(yīng)答。

4 調(diào)試處理

數(shù)據(jù)處理是將A/D采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，A/D轉(zhuǎn)換所得的值的精確性與很多因素有關(guān)，包括A/D元件的精度、電路的焊接情況、環(huán)境溫度的變化等。這些因素的影響直接導(dǎo)致了A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)圍繞著某個中心值上下波動。這就需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波。

為了能夠使變送器的輸出和被測量對應(yīng)上，要對信號進(jìn)行歸一化處理，也就是標(biāo)定。具體的做法是使用二次差值法對標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行定標(biāo)。要實現(xiàn)高的擬合精度，擬合多項式的次數(shù)要很高，對于單片機(jī)來說，由于速度和存儲容量等原因，實現(xiàn)這樣的運(yùn)算很難。這里采用朗格朗日二次插值的方法對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

5 總結(jié)

本設(shè)計是基于MODBUS通訊協(xié)議的稱重儀設(shè)計。在設(shè)計過程中以壓力采集及檢測為主要目標(biāo)，利用電阻應(yīng)變片阻值隨壓力變化而變化的性質(zhì)，對壓力進(jìn)行采集調(diào)理經(jīng)由單片機(jī)的控制傳出，將采集的壓力通過單片機(jī)的處理后傳輸給數(shù)碼管顯示，同時也支持RS-485硬件接口通過MODBUS通訊協(xié)議傳給上位機(jī)。測量壓力誤差不大于5g。該設(shè)計系統(tǒng)具有操作方便、控制靈活、移植性強(qiáng)等優(yōu)點。

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