基于PIC單片機的重量稀釋控制系統設計

胡美珠 沈志林 宋遠龍

（浙江泰林生命科學有限公司 浙江省杭州市 311401）

1 引言

隨著經濟的發展、社會的進步及人們生活水平的提高，食品安全問題越來越受到重視；影響食品安全有許多因素，其中最大和最嚴重的影響當屬微生物污染，因此，食品中微生物的檢測極為重要。重量稀釋儀用于微生物檢測樣品前處理自動稀釋，工作原理是稱取樣品然后按設定比例或設定重量加液體培養基或無菌生理鹽水進行樣品自動稀釋。通過稱重傳感器采集數據計算當前樣品的重量及稀釋目標重量，通過控制蠕動泵的運行來自動注入稀釋液到目標重量，只需按下啟動鍵，就可快速、精確的自動完成整個樣品稀釋過程，有效的節約操作人員的時間及避免人為接觸樣品，防止樣品受到污染。該系統廣泛應用于食品、藥品、化妝品等行業的微生物限度檢查。由于稱重傳感器對溫度非常敏感，容易溫漂而導致結果產生誤差，因此，該系統不光硬件設計、結構上的排布非常重要，軟件設計，信號采集、處理算法要求也極高。本文針對上述要求，應用PIC 單片機作為核心處理器，通過信號放大、轉換、采集、換算處理，再進行計算分析輸出指令控制步進電機的運行，直接驅動蠕動泵來滿足使用的要求。

2 控制系統組成

本控制系統由電源模塊、PIC 處理器、稱重模塊、觸摸按鍵模塊、步進電機驅動模塊、顯示模塊及防止誤操作的保護電路組成。其中，電源模塊提供系統其它各模塊所需的各路直流電壓；PIC 處理器通過檢測稱重傳感器經模數轉換的信號，鍵盤輸入的指令、設置的參數，經分析判斷，輸出控制步進電機運行的PWM 調制信號，電機驅動蠕動泵，實現稀釋液體的轉移注入；同時，控制顯示模塊顯示系統的運行狀態；注液保護信號確保注液桿在正確位置才啟動電機運行，避免誤動作。系統結構框圖如圖1。

3 主要硬件設計

3.1 電源模塊

本系統有數字電路和模擬電路，為避免數字電路對模擬電路的干擾，一方面采用數字電源和模擬電源隔離方式，同時兩者之間通過濾波處理；其中， PIC 處理器、觸摸按鍵、顯示模塊、打印機等需要5V 數字電源，稱重模塊需要5V 模擬電源，步進電機驅動器需要24V 電源驅動；本電源模塊直接應用市面上成熟的開關電源，輸入交流220V 市電，輸出24V 直流電壓，再采用LM2596 降壓型電壓調節器，輸出5V 電壓，有3A 的驅動電流，為按鍵、顯示及電機驅動模塊提供穩定的電源，與傳統的穩壓模塊LM7805 相比，其自身發熱量小，具有良好的線性和負載調節特性；本系統為滿足稱重模塊對電源噪聲的高要求，先采用集成肖特基整流器的LT3461 升壓型DC/DC 轉換器，把5V 電源升壓至6V，再采用LT1767ES5-5 穩壓器，輸出5V 低噪聲模擬電源;之后再采用高精度、微功耗、低壓差MAX6190 電壓基準芯片輸出稱重模塊所需的基準參考電壓。電源模塊結構框圖如圖2。

3.2 PIC處理器

圖1：系統結構框圖

圖2：電源模塊結構框圖

處理器采用美國微芯公司（Microchip）制造的PIC18F6722 作為核心的控制單元[1]，主要完成按鍵信號掃描、防止誤注液保護信號的檢測，重量信號的采集、AD 轉換，通過零點跟蹤、計算、分析、判斷，輸出控制電機運行的PWM 信號或超量程報警及停止注液，同時，動態顯示系統運行狀態，實現相關算法和完成系統的協調控制。它不僅片內資源豐富，具有128K 字節的FLASH 程序存儲器；4096 字節的數據存儲器；以及1024 字節的內置E2PROM 存儲器，在本設計中還通過IIC 接口外掛了一片64K 的外置E2PROM，實現大量實驗數據的保存。同時還配備各種功能強大的外設模塊，如內置有12 個10 位的AD 轉換模塊，但本設計由于需要更高的精度，采用24 位高精度AD 芯片CS5532，通過SPI 接口傳輸數據；內置2 個10 位的PWM 專用發生器，可精確地控制本設計中步進電機的調速；內置2 個USART 模塊，實現與打印機的數據傳輸，與顯示屏的交互顯示；高達54 個I/O 口，通過I/O 口采集觸摸芯片的BCD 碼實現按鍵信號的輸入，實現系統的控制交互；同時采集各種電平轉換后的保護信號及其他控制信號實現系統的運行狀態檢測及控制。如此豐富的內外設資源，不僅減少了外圍電路的設計難度和要求，減少外部元器件的數量，縮小電路板的尺寸以及電子控制系統的整體成本，同時也提高整個控制系統的穩定性。高達40MHz 的系統運行速度使它可以處理一些復雜的控制算法，高效的處理稱重傳感器的采集數據及快速、準確的做出相應的動作控制，使整個系統更加的精準、穩定。

3.3 稱重模塊

本設計稱重傳感器采用德國HBM 單點式稱重傳感器，其在平臺秤、分選及灌裝等領域應用非常廣泛，具有很好的適用性。其原理是采用金屬電阻應變片組成的電橋測量電路，把電阻應變片的電阻變化轉變為電壓輸出，這種橋式電路的靈敏度高，兩臂的參數一致，對干擾的影響可以相互抵消，具有很多優點，如對溫度變化影響的抑制、對側向力干擾的抑制等。由于本設計的運用范圍為食品、化妝品、藥品等樣品的稀釋，一般需要稱量的范圍在1kg 左右，故采用3kg 的量程，2mV/V 靈敏度、0.02%F.S 精度的稱重傳感器。同時要滿足0.1G 的顯示分度，也就是30000 的分度值，最少也要15 位以上的A/D 測量精度，故本設計采用高精度的24 位A/D 轉換芯片CS5532 進行模數轉換，CS5532 采用電荷平衡技術，內部跟隨了一個數字濾波器，使其性能可以達到24 位，并且內部集成了一個具有極低噪聲的斬波儀表放大器，最大可以放大64 倍，非常適用于單/雙極性的小信號采集，同時內部還集成了SPI 接口，可以很方便的與微處理器之間通訊，實現數據采集。CS5532 的高集成度、高精度及高穩定性大大減少了稱重微信號采集電路的設計難度，只需將稱重傳感器的輸出進行簡單的RC 濾波就可以送入CS5532 中進行采集運算，減少了外圍運放器件的數量及通過其引入的噪聲干擾。本設計稱重模塊為了進一步提高測量的精度，對稱重傳感器及AD 芯片單獨的進行供電，采用極低噪聲的LT1761 穩壓芯片對其供電，進一步隔離數字電路噪聲對稱重信號的干擾，大大提高系統的精度和穩定性。

3.4 按鍵模塊

按鍵采用WTC6212BSI 十二通道電容式觸摸感應按鍵芯片，該芯片內部集成了專用測試電路、自校準電路和RISC 處理器，外圍元件少；其有效觸摸反應時間小于100ms，按鍵觸摸感應靈敏度可通過改變基準電容值進行調整，電容值調整后系統無需校準，可以自動克服靜電、電磁干擾、溫度變化、濕氣和污染物在表面堆積帶來的干擾，可以保證產品在各種環境下長期工作而不出現誤動現象，提供更可靠的性能和更寬的應用范圍。

3.5 電機及驅動模塊

選用四線雙極性步進電機配兩相步進電機驅動器；PIC 處理器通過使能、方向、脈沖控制端口與驅動器連接，控制電機的啟停、旋轉方向及轉速；驅動器基于PID 電流控制算法設計，輸入輸出控制信號均采用光電隔離，運行電流和細分可通過微動撥碼開關選擇，細分有16 種，電流有8 種可選擇，具有欠壓、過壓、相電流和總電過流保護。

4 系統開發環境及軟件結構

4.1 系統開發環境

開發平臺：Window7 系統、Inter i7 處理器，8G 內存，500G；系統控制軟件的開發采用Microchip 公司的MPLAB IDE 集成開發環境，其集源代碼編輯、程序編譯、源代碼鏈接、軟件仿真、在線調試等功能于一體，為程序的設計開發和調試提供很大方便[3]。

4.2 軟件結構

本控制系統主要實現對稀釋樣品的稱量、重量顯示、零點跟蹤、去皮、重量校準，通過鍵盤輸入設定稀釋模式、參數，通過腳踏開關、手持分液器或鍵盤輸入啟停信號控制蠕動泵的運行；當系統上電，核心處理器先對外圍芯片、各種參數進行初始化，再進入主循環。在主循環中，先掃描鍵盤，當有按鍵按下時，生成鍵值或標志位，根據鍵值或標志位執行設置、啟動稀釋或其它校準、打印等程序；如進行稀釋，先稱重，根據設定的稀釋模式換算處理；同時，檢測注液桿是否在注液位置，量程重量是否到達或量程是否超出，若注液桿不在注液位置，稀釋程不能啟動，蠕動泵不運行，以免液體灑落在儀器上；若重量達到設定值或超出量程，會報警提示并停止稀釋。系統程序主要控制流程如圖3 所示。

圖3：主程序流程圖

5 總結

本系統采用PIC 單片機作為處理器，應用觸摸控制芯片、A/D轉換器及LCD 顯示模塊，實現微生物檢測樣品的稀釋，該系統結構緊湊，操作簡便，稀釋精度高，運行平穩，有良好的應用價值。