采用CS5532的高精度自動(dòng)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

闡述基于24位高精度串行A/D轉(zhuǎn)換器CS5532的自動(dòng)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。從硬件與軟件兩方面入手，介紹稱重傳感器與CS5532的接口電路設(shè)計(jì)及其使用、電磁振動(dòng)器的工作原理與控制方法、過零點(diǎn)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，以及SED1520控制的12232點(diǎn)陣型液晶顯示模塊及使用。該系統(tǒng)精度高、操作方便、可靠性強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞? CS5532? 電磁振動(dòng)器? SED1520? 自動(dòng)稱重

　　在茶葉、藥品、味精、白糖等顆粒狀產(chǎn)品的包裝現(xiàn)場(chǎng)，需要精確、操作簡(jiǎn)便的稱重裝置和快速、可靠的給料機(jī)構(gòu)?？衫?a target="_blank">單片機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)自動(dòng)稱重系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物料的實(shí)時(shí)稱重與定量輸送，從而克服傳統(tǒng)機(jī)械稱重設(shè)備精度低、操作復(fù)雜、需人工送料等缺點(diǎn)，對(duì)提高產(chǎn)品整體的包裝效率起到關(guān)鍵性作用。本文介紹了基于Crystal公司的高精度24位串行A/D轉(zhuǎn)換器CS5532的自動(dòng)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)。配合電磁振動(dòng)器構(gòu)成的振動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)，以及點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，可達(dá)到簡(jiǎn)便易用、自動(dòng)定量的目的。

1? 系統(tǒng)原理

　　系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。稱重傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)采集物料重量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；雙向晶閘管和電磁振動(dòng)器，為物料的移動(dòng)送料提供動(dòng)力；過零點(diǎn)檢測(cè)電路負(fù)責(zé)檢測(cè)交流電的過零點(diǎn)，為晶閘管的觸發(fā)提供同步點(diǎn)；LCD液晶顯示和按鍵可方便用戶的操作與觀察；閘門電機(jī)和閘門，用于釋放在物料槽中達(dá)到設(shè)定重量的物料。

圖1? 系統(tǒng)原理框圖

　　首先，操作者設(shè)置稱重定值、送料速度等，并啟動(dòng)系統(tǒng)。接著，電磁振動(dòng)器在單片機(jī)的控制下做規(guī)律性振動(dòng)，把物料從給料通道送往物料槽。與此同時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器不斷地檢測(cè)稱重傳感器的輸出，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并傳送給單片機(jī)處理。經(jīng)過數(shù)字濾波、標(biāo)度變換后，一方面在LCD模塊顯示出瞬時(shí)物重，另一方面進(jìn)行稱重比較判斷，根據(jù)一定算法控制電磁振動(dòng)器的振幅。當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，停止送料，并檢測(cè)紅外傳感器的信號(hào)，打開閘門釋放物料，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)稱重。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1? 傳感器與數(shù)據(jù)采集

　　本系統(tǒng)采用的傳感器為***Mavin公司的高精度NBA系列鋁合金單點(diǎn)式稱重傳感器，為電阻應(yīng)變式傳感器。根據(jù)電阻應(yīng)變式傳感器的原理，四片應(yīng)變片構(gòu)成全橋橋路，在電橋供電端施加恒定的直流電壓，則電橋輸出端的電壓將與其上所承受的壓力成正比，由此可根據(jù)輸出電壓的不同來(lái)測(cè)量重量。

　　該傳感器量程為3 kg，靈敏度為2 mV/V，精度為0.02%F.S.。當(dāng)采用5 V電源供電時(shí)，滿量程輸出為10 mV，最小分辨力為2 μV。為采集如此微弱的信號(hào)，需設(shè)計(jì)好信號(hào)調(diào)理電路，并且對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器提出嚴(yán)格的要求。圖2為稱重傳感器與CS5532的接口電路。傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過濾波電路，消除信號(hào)中的串模、共模干擾以及高頻干擾信號(hào)后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。

　　為了滿足小信號(hào)測(cè)量精度要求，在ADC方面本系統(tǒng)采用的A/D轉(zhuǎn)換器CS5532為Crystal公司的高精度24位串行A/D轉(zhuǎn)換器。它是高集成度的△∑模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，由于運(yùn)用了電荷平衡技術(shù)，其性能可以達(dá)到24位。該系列ADC非常適合測(cè)量稱重儀表、過程控制、科學(xué)和醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域的單/雙極性小信號(hào)[1]。

圖2? 稱重傳感器與CS5532接口電路

　　芯片內(nèi)部有一個(gè)極低噪聲的斬波穩(wěn)定儀表放大器，其增益可選擇為2n(n=0~6)，擴(kuò)大了信號(hào)輸入范圍，允許小信號(hào)的輸入，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。其在50 Hz的共模抑制比典型值可達(dá)120 dB，這對(duì)從高共模電壓中檢測(cè)出微弱的差分電壓信號(hào)是十分有利的。內(nèi)部還有一個(gè)4階的△∑調(diào)制器，其后跟隨一個(gè)數(shù)字濾波器，能提供10種可供選擇的輸出字速率。ADC內(nèi)部還有一個(gè)與SPI兼容的三線串行接口。另外，利用CS5532內(nèi)部的校準(zhǔn)系統(tǒng)（包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)），可設(shè)置ADC傳遞函數(shù)的零點(diǎn)以及增益斜率，從而消除系統(tǒng)通道的失調(diào)和增益誤差\[2\]。

2.2? 電磁振動(dòng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作原理

　　如圖3所示，電磁振動(dòng)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括銜鐵、電磁鐵及線圈、板彈簧、給料槽以及機(jī)座等部分。給料槽的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是依靠電磁振動(dòng)器的電磁鐵和銜鐵之間的脈沖吸引力F的產(chǎn)生與消失實(shí)現(xiàn)的。

圖3? 電磁振動(dòng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　如圖4所示，通過移相觸發(fā)的方式調(diào)節(jié)雙向晶閘管的控制角α，即調(diào)節(jié)雙向晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻t1和t3，可改變激振線圈中的平均供電電壓，進(jìn)而改變電磁鐵和銜鐵之間吸引力F的大小，從而調(diào)節(jié)給料槽往復(fù)運(yùn)動(dòng)的振幅。

2.3? 過零點(diǎn)檢測(cè)電路

　　為了實(shí)現(xiàn)移相觸發(fā)控制，設(shè)計(jì)了過零點(diǎn)檢測(cè)電路。如圖5所示，經(jīng)降壓后的交流電經(jīng)過電壓比較器LM393，以及光耦合器TLP521的隔離、反相器74HC14D的整形后，在INT0、INT1分別輸出用于單片機(jī)外中斷0、1的脈沖信號(hào)。這樣，在交流電每一周期的正負(fù)半周期，都可以產(chǎn)生脈沖信號(hào)以引起單片機(jī)的外中斷。單片機(jī)進(jìn)入中斷后，在服務(wù)程序中根據(jù)控制角的需要設(shè)定定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，并立即啟動(dòng)定時(shí)器。定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出中斷后，將在其中斷服務(wù)中對(duì)雙向晶閘管的門極施加觸發(fā)脈沖，觸發(fā)其導(dǎo)通。

2.4? 液晶顯示模塊

　　本系統(tǒng)采用ACM12232G作為液晶顯示模塊，由2片SED1520芯片作為顯示驅(qū)動(dòng)器。SED1520顯示驅(qū)動(dòng)器是一種點(diǎn)陣圖形式液晶驅(qū)動(dòng)器，可與8位單片機(jī)直接相連，使用方便。SED1520內(nèi)置2 560位顯示RAM，具有16個(gè)行驅(qū)動(dòng)口和61個(gè)列驅(qū)動(dòng)口，驅(qū)動(dòng)占空比可為1/16或1/32。顯示RAM共32行，分為4頁(yè)，每頁(yè)8行。

圖4? 線圈供電電壓分析

圖5? 過零點(diǎn)檢測(cè)電路

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? 主程序流程

圖6? 主程序流程

　　主程序流程如圖6所示。當(dāng)系統(tǒng)上電，完成單片機(jī)、外圍芯片、各種參數(shù)的初始化后，即進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)中，由定時(shí)器1定時(shí)掃描鍵盤，當(dāng)掃描到有按鍵按下時(shí)，有標(biāo)志位產(chǎn)生，即進(jìn)入鍵值計(jì)算并執(zhí)行相應(yīng)的處理。

　　當(dāng)按鍵啟動(dòng)系統(tǒng)后，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。系統(tǒng)開始進(jìn)行振動(dòng)送料、A/D采樣、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換以及比較判斷等工作。當(dāng)物料達(dá)到設(shè)定值SV時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入暫停態(tài)。此刻等待釋放信號(hào)（如紅外傳感器開關(guān)信號(hào)），釋放物料后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行態(tài)，繼續(xù)送料。當(dāng)由于物料槽中物料不足、系統(tǒng)計(jì)時(shí)到后，進(jìn)入人工態(tài)，此刻需人工按鍵釋放不足物料。當(dāng)系統(tǒng)處于停止態(tài)時(shí)，需定時(shí)地保存改變的參數(shù)。LCD實(shí)時(shí)刷新當(dāng)前的狀態(tài)和各項(xiàng)參數(shù)。

3.2? CS5532模/數(shù)轉(zhuǎn)換程序

　　CS5532在啟動(dòng)時(shí)有20 ms的延遲，所以要在其啟動(dòng)20 ms后再對(duì)其進(jìn)行初始化。CS5532沒有加電復(fù)位功能，首先需要人工通過ADC串口發(fā)送初始化序列，即15個(gè)SYNC1(0xFF)命令字節(jié)和1個(gè)SYNC0（0xFE)命令字節(jié)，使ADC串口進(jìn)入命令模式；接著通過設(shè)置配置寄存器的RS位，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。系統(tǒng)復(fù)位后，需配置電壓參考模式VRS位，初始化通道設(shè)置寄存器(CSR)，設(shè)置是否進(jìn)行校準(zhǔn)。完成以上工作后，即可進(jìn)行轉(zhuǎn)換。CS5532初始化過程如圖7所示。

　　CS5532有單次轉(zhuǎn)換和連續(xù)轉(zhuǎn)換2種模式。本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換采用連續(xù)模式。一旦發(fā)送連續(xù)轉(zhuǎn)換命令后，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成SDO=0時(shí)，與單次轉(zhuǎn)換相同，需要采用40個(gè)SCLK清標(biāo)志和讀結(jié)果，但是當(dāng)前8個(gè)SCLK為0時(shí)，轉(zhuǎn)換器將在此轉(zhuǎn)換模式下用同一個(gè)CSR對(duì)所選通道繼續(xù)執(zhí)行轉(zhuǎn)換，而不必再次發(fā)送轉(zhuǎn)換命令。同時(shí)，該模式下的轉(zhuǎn)換結(jié)果可以不去讀取，沒有讀出的轉(zhuǎn)換結(jié)果將被新的轉(zhuǎn)換結(jié)果取代。欲退出該模式，只要使前8個(gè)SCLK為1,并讀最后一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。

　　正如前面所述，CS5532有多種輸出字速率和放大增益可供選擇。不同的字速率與增益的結(jié)合，將導(dǎo)致其RMS噪聲、無(wú)噪聲分辨率以及內(nèi)部數(shù)字濾波器特性的差異。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的組合。本系統(tǒng)中，CS5532對(duì)通道1進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。選擇連續(xù)轉(zhuǎn)換的方式，增益設(shè)置為32，并設(shè)置配置寄存器中的FRS位為1，使得字速率和相應(yīng)濾波特性乘以系數(shù)5/6，選擇字速率為50 Hz，利于除去工頻干擾。

3.3? 液晶顯示程序

　　對(duì)液晶模塊的驅(qū)動(dòng)實(shí)際上就是對(duì)其控制芯片SED1520的讀/寫操作。SED1520可讀可寫，但本系統(tǒng)中只用到寫命令，所以直接把R/W引腳接地。SED1520共有13種指令，包括初始化時(shí)需要用到的復(fù)位、占空比設(shè)置、顯示開/關(guān)，以及常用的設(shè)置列地址、設(shè)置頁(yè)地址、寫數(shù)據(jù)等。液晶顯示的程序流程如圖8所示。

圖7? CS5532初始化過程

圖8? 寫液晶程序流程

4? 抗干擾設(shè)計(jì)

　　為了保證A/D采樣的精確性，系統(tǒng)抗干擾性設(shè)計(jì)方面需要注意A/D采樣模塊的電路設(shè)計(jì)以及電磁兼容性設(shè)計(jì)。

　　在電路設(shè)計(jì)方面，除了設(shè)計(jì)好信號(hào)調(diào)理電路，還需要注意CS5532的參考電壓以及稱重傳感器的供電電壓的穩(wěn)定性。電壓的穩(wěn)定性直接影響著A/D測(cè)量值的精確性。本系統(tǒng)采用單獨(dú)一套5 V電源供給CS5532以及稱重傳感器，同時(shí)CS5532的參考電壓由LM3362.5輸出提供穩(wěn)定的2.5 V;而CS5532與單片機(jī)之間的通信用光耦合器進(jìn)行隔離，進(jìn)一步消除單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)采樣模塊的影響。

　　在電磁兼容性方面，系統(tǒng)在運(yùn)行期間，考慮到電磁振動(dòng)器線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)A/D采樣有影響，應(yīng)給A/D采樣模塊增加屏蔽體以進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽。磁場(chǎng)屏蔽是指抑制噪聲源和敏感設(shè)備之間由于磁場(chǎng)耦合所產(chǎn)生的干擾。磁場(chǎng)屏蔽是把磁力線封閉在屏蔽體內(nèi),從而阻擋內(nèi)部磁場(chǎng)向外擴(kuò)散或外界磁場(chǎng)干擾進(jìn)入[3]。

結(jié)語(yǔ)

　　采用高精度24位A/D轉(zhuǎn)換芯片CS5532可實(shí)現(xiàn)傳感器微弱信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換，提高了系統(tǒng)的精度；采用單片機(jī)控制雙向晶閘管的導(dǎo)通，從而控制電磁振動(dòng)器的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了物料的自動(dòng)輸送；采用液晶顯示器作為顯示界面，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)操作界面。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了定量稱重、自動(dòng)給料的功能，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、通用性強(qiáng)。應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中，提高了工作效率，體現(xiàn)了良好的技術(shù)效果，具有良好的應(yīng)用前景。