介紹以AT89C52為核心的螺旋電子秤的硬件設計和軟件設計，利用PI控制算法實現物料的流量控制。

通過軟件和硬件的合理配合，使系統實現動態稱量的功能，且測量誤差不大于±2%。

1.前言

在工業生產中，有很多需要對粉末狀或小顆粒狀 散狀固體的流量進行準確測量和控制的情況，如水泥 廠、鐵合金廠、鋁廠等要對原料配料進行準確計量。 螺旋電子秤就是針對實時動態稱量工業用原料的需要 而設計的，對完善工業部門物資計量體系具有一定意義。

2.螺旋電子秤的硬件設計

2.1螺旋電子秤的工作原理

螺旋電子秤是根據科氏力與物料質量流量之間成線性關系的原理設計的。其結構示意圖如圖1所示。

物料從入料口進入裝在筒內的螺旋，螺旋的轉速由電磁調速電機控制，物料隨著螺旋的轉動向前移動， 物料在向前移動過程中要經過裝在螺桿下面的壓力傳 感器，壓力傳感器將物料的部分質量轉換成毫伏級的 電壓信號，并通過前置放大器轉換為0?十10V的直流 電壓信號，再經濾波和A/D轉換器轉化，將得到的數 字信號傳送給單片機AT89C52。

單片機對數據進行實時處理得到物料重量，一方 面將物料重量送給數碼顯示管顯示；另一方面對物料 重量作PI調節，所得控制量經過D/A轉換后輸出一 電壓信號給變頻器，變頻器控制電磁調速電機的轉速， 從而自動調節螺旋的轉速，也就自動控制了物料的流 量，達到精確控制固體物料流量的目的。另外，單片 機與PC機的串口通過MAX232轉換電平后，通過串 口通訊進行數據交換。

螺旋電子秤的硬件系統框圖如圖2所示。

2.2螺旋電子秤測量模塊的設計

螺旋電子秤的測量模塊主要包括傳感器、信號采 集電路和A/D轉換3部分。信號采集電路包括放大電 路和濾波電路，其電路圖如圖3所示。

A1起反向和滿量程調整作用，調整W,使其輸出 0~25mVo運放A2用作反向零點補償和濾波，調整W2 使其輸出為0?10V。為了防止工頻串模干擾信號混入 測量儀器而產生測量誤差，硬件上采用了性能良好的 雙T濾波器。雙T濾波器的參數選擇應滿足C1=C2=2C3, R1=R2=2R3,適當調整RW,、RW2消除50Hz工頻干擾 可得到更好的濾波效果。

A/D轉換器采用美國模擬數字公司（Analog)推 出的AD574。它是單片高速12位逐次比較型A/D轉 換器，內置雙極性電路構成的混合集成轉換芯片，具 有外接元件少、功耗低、精度高等特點，并且具有自 動校零和自動極性轉換功能，只需外接少量的阻容件 即可構成一個完整的A/D轉換器。

2.3螺旋電子秤動態稱量的實現

螺旋每旋轉一圈，從出料口流出一定量的物料。 要實現動態稱量且要使測量精度盡量提高，就要盡量 減少給料螺桿的震動以免壓力傳感器的測最值并非實 際值。要減少螺桿的震動保持螺旋內的物料穩定，就 要使螺桿的轉速盡量固定在一個恒定值，也就是要通 過控制使電磁調速電機的轉速恒定，這樣壓力傳感器 的輸出電壓也就穩定在一個值上，得出每次從出料口 出來的物料重e相等，使得AD—0，這樣從6時間段內總的物料重最直接采用累計積分的方法就可以得 到，即：

式中：

D?為T?時刻A/D轉換器轉換后輸出的數字量；

K為標定系數。

K直接以數字的形式參加 運算，改變K可改變電子秤 的噸位,使現場實物標定變得 非常簡單。

為此，系統中在硬件上采 用螺旋產生的轉速脈沖作為中 斷信號，對AD574的輸出信 號進行采樣。單片機對采樣信 號進行數據處理后得到物料重 量，并將物料重量一路送累計顯示，另一路與變頻器 給定值對應的重量值作比較。由此產生一偏差信號， 通過軟件P1調節后，與自動預置值相加后，調節螺旋 的轉速，使螺旋內的物料保持穩定，也就使傳感器上 的電壓穩定在一個值上,從而實現較為準確的動態稱量》

3.螺旋電子秤的軟件設計

3.1 PI控制算法

從螺旋電子秤實現動態稱量的過程可以看出，系 統中采用了 PID控制算法中的PI控制，通過軟件調 節比例系數和采樣時間的積分區間，使得給定變頻器 的控制量為一個恒值，也就使得電磁調速電機的轉速 為一個恒值，從而使螺旋里的物料穩定，使壓力傳感 器的輸出電壓保持恒定，實現動態稱量。

3.2系統軟件設計

系統軟件采用模塊化結構編制，主要分為主程序 模塊、初始化模塊、采控模塊、數據處理模塊。主程 序控制模塊包括主監控程序、鍵盤掃描程序、顯示子 程序等；初始化模塊主要包括模擬電壓、標定系數等 參數的設定子程序以及數字鍵處理子程序和提示符顯 示子程序；采控模塊包括數據采集中斷服務子程序和 通訊中斷響應子程序；數據處理模塊包括數字濾波子程序、PI調節子程序、物料總量積分運算子程序等。 系統程序流程圖如圖4所示。

除了在硬件上采用濾波手段外，還采用了軟件濾 波，以減少現場干擾。其中的數字濾波子程序就是實 現對A/D轉換后的數據進行預處理的功能。A/D轉換 完成后，由AT89C52讀取AD574送出的12位二進制 數據。但由于現場干擾，可能會產生脈沖干擾，因此 必須對數據進行預處理。采用中值濾波的方法，即將 采集到的每4個數據去掉1個最大值和1個最小值， 其余2個取平均作為測量數據，以減少尖峰干擾。

4.結束語

本文介紹的螺旋電子秤以AT89C52為核心，運用 PI控制算法，實現了工作過程的自動化。實驗表明， 系統工作穩定，測量誤差不大于±2%，具有可靠性高、 操作簡單的特點，達到了設計目的。