配料秤控制器的设计

郭玮，曹靖

（1.山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801;2.北京农业职业学院 畜牧兽医系，北京 102442)

配料秤控制器的设计

郭玮1，曹靖2

（1.山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801;2.北京农业职业学院 畜牧兽医系，北京 102442)

针对配料皮带秤测量精度低、误差大的现状，以AT91SAM7X256单片机为主控芯片，设计了配料秤控制器，详细介绍了配料皮带秤的工作原理，实现累计量控制的功能。该控制器充分利用AT91SAM7X256单片机的特点，采用双通道数据采集，设计了硬件电路，在此基础上，采用PID控制算法进行了配料皮带秤控制器的软件设计。电路设计新颖、测量精度达到1%、误差小于0.01t。

AT91SAM7X 256;控制;配料秤控制器;硬件;单片机

随着工农业的快速发展，对连续累计自动衡器的需求也愈来愈大，称量的准确与否已成为影响人们生产生活的一个重要因素，这对配料秤的性能和质量提出了更高的要求。以往的配料秤都采用8位51系类的单片机进行控制，而且在数据采集模块采用的芯片转换位数小［1］，传统的配料秤由于存在计量精度低、稳定性差、控制有滞后等缺点，论文采用AT91SAM7X256单片机设计了配料秤控制器，提高了测量精度和稳定性，并能实时控制。首先主要介绍了配料秤的基本组成结构、称重原理，设计了硬件电路，介绍了各个模块的硬件功能，包括芯片选择、器件大小的选择等。在此基础上，设计了配料秤控制器的软件部分。

1 配料皮带秤的组成结构

先对被称量的几种物料给定一个质量比例，对这几种物料进行累计计量并定量配比的衡器称为配料秤。配料秤大体上可分为两部分：机械秤体和变频控制，变频控制主要是变频器和电机，机械秤体包括运输皮带、秤架、平行托辊、大皮带、称重托辊、前后滚筒等。由于该配料秤采用双通道设计，因而有两个速度通道和重量通道［1］，当一个通道出现故障时，另一通道仍能正常工作，提高了配料效率。配料秤的基本结构图如图1所示［2］。

图1 配料秤的组成结构Fig.1 Structure of batching scale

在配料皮带秤的运行过程中，首先由给料机进行加料，物料落到运输皮带的落料段后，经由运输皮带传输到达有效称量段，同时，装在称量段的四个称重传感器分别感受到重量信号，并将重量信号转换为电信号，送入单片机。单片机采用累加法来计算物料重量。配料秤控制器将通过仪表盘显示瞬时流量值，并将瞬时值与给定值不断进行比较，得到瞬时偏差。对偏差进行PID控制后，单片机发出控制命令控制执行结构——电机发出动作，通过不断的调整电机转速来改变配料秤的瞬时流量，不断减小偏差，使控制效果达到最优，提高了配料秤称量的精确度［3］。

2 配料秤控制器的硬件电路设计

配料秤控制器的硬件电路部分主要包括AT91SAM7X256单片机最小系统电路、3.3V电源电路、键盘与显示接口电路、速度通道电路、重量通道电路（两路)、通信电路等基本电路。由于采用了无测速传感器技术，有时可省去速度通道电路。整体硬件结构图如图2所示。

图2 配料秤控制器的基本硬件结构图Fig.2 Software structure of batching scale controller

2.1 AT91SAM7X256单片机最小系统电路［4］

配料皮带秤控制器的主控芯片采用美国ATMEL公司生产的AT91SAM7X256单片机。该单片机集成了ARM7TDMI ARM Thumb处理器，有高性能的32位RISC架构，高密度的16位指令集，具有低成本、低功耗、稳定性强等优点，能够满足设计指标要求。AT91SAM7X256单片机最小系统的电路如图3所示。该电路中，电源电压：VDDIN＝3.3V，VDDIO＝3.3V，VDDOUT＝1.8V，VDDCORE＝1.8V ，VDDFLASH＝3.3V。单片机外接18.432MHz的晶振。PA11和PA10这两个引脚被配置为I2C模块的引脚，单片机与铁电存储器FM24C16通过这两个引脚相连。

图3 单片机最小系统电路Fig.3 Circuit of MPU

2.2 键盘、显示接口电路

键盘与显示接口电路通过SPI接口和单片机进行通信。采用BC7281作为该电路的控制芯片，BC7281是8位／16位LED数码管显示及键盘接口专用控制芯片，它的驱动输出极性及输出时序均为软件可控。显示电路用于4位流量、8位累计量以及控制器的工作状态等的显示。键盘电路上安有20个键，分别是上下移动键、6个功能键（主要用于控制调零、挂码、实物标定、数字输入等)、10个数字键、锁键、结束键。

2.3 3.3V电源电路设计

电源电路为整个配料秤控制器提供能量，提供的电压是否稳定、保护电路是否合理、对芯片是否有损坏、输入／出电压电流是否合理稳定、能否降低纹波噪声，这些都是设计电源电路需要考虑的问题。根据单片机对电源的需求输出3.3V电压如图4所示，采用LM2576系列的开关稳压器设计3.3V 电源电路［5，6］。

图4 3.3V电源电路Fig.4 3.3Vpower circuit

2.4 重量通道电路

图5 A／D转换电路图Fig.5 A／D conversion circuit

2.5 通信电路

设计采用RS-232C和RS-485串行通信电路，RS-232C是目前最常用的一种串行通信接口，主要用于短距离的通信，如配料秤和上位机的通信。配料秤控制器采用SP3232芯片实现RS-232C通信。RS-485主要用于长距离的通信，如与现场的其他设备进行通信。

3 配料秤控制器的软件设计

由于整个配料秤控制器软件庞大、复杂，因此该设计将FreeRTOS操作系统移植到AT91SAM7X256单片机上，将复杂的系统分成各个任务，分模块进行执行，合理而有效的利用了CPU资源，使应用软件的设计更为简化，而且该系统具有多任务处理能力，便于其进行实时、同步、可靠的处理数据。配料秤控制器的主程序是将FreeRTOS操作系统移植到AT91SAM7X256单片机上，首先配置各处理器，初始化系统。接着开启各个任务，分别为秒任务、皮带速度和重量检测任务、电机转速控制任务，通信任务，各个任务轮流执行。FreeRTOS操作系统主要负责协调各模块任务之间的工作，给各子程序合理的分配空间。通过程序设定任务执行的优先级，优先级高的任务先执行。控制算法的软件流程主要为：开始→给定设定值→计算偏差、偏差变化→PID控制→输出→结束。

4 讨论

由于配料秤的工作现场环境恶劣，传统的51系列的单片机控制精度低，不足以满足现场的需求。采用32位的ARM系列单片机后，经过实验测量，其精度可达到1%。

5 结论

该配料秤控制器基于AT91SAM7X256单片机设计，实现了对配料秤流量及时、准确控制，从而可实现各物料流量的准确配比。经砝码标定可得，将0.1t的标准砝码放到秤架上，显示器显示0.099t，称量精确度达到1%，并具有抗干扰性强、控制实时性强，但其对现场的随机变化缺乏控制的灵活性。

［1］郭玮.一种新型配料皮带秤控制器的研究与实现［D］.太原：太原理工大学，2010.

［2］山西新元自动化仪表有限公司配料秤产品说明书［Z］.2010.

［3］GB／T 7721－2002，连续累计自动衡器（皮带秤)Continuous Totalizing Automatic Weighing Instruments（Belt Weighers))［S］.北京：机械工业出版社，2008：2-5.

［4］AT91SAM7X256DATA BOOK，download in www.alldatasheet.com［Z］.2010.

［5］成友才，朱永金.电源对电路工作的影响及电源设计的注意要点［J］.四川职业技术学院学报，2006，16（2)：119-120.

［6］王明顺.基于LM2576的高可靠 MCU电源设计［J］.国外电子元器件，2005（2)：2-15.

Design of Batching Belt Scale Controller

GUO Wei1，CAO Jing2
（1.CollegeofEngineering，ShanxiAgriculturalUniversity，TaiguShanxi030801，China;2.DepartmentofAnimal HusbandryandVeterinaryBinjingVocationalCollegeofAgricultrue，Beijing102442，China)

The batching scale to measure has low accuracy and big error.Based on AT91SAM7X256microcomputer as the primary control chip，a batching scale controller was deasigned.The operating principle of the batching scale was introduced，realizing the cumulant control.The characteristic of AT91SAM7X256single chip microcomputer was made full use of by bathing scale adopting two-channel data collection.Hardware circuit was designed，furthermore，the software for batching scale controller was designed adopting PID control algorithm，with the characteristic of novel circuit design，measuring accuracy reaching 1%and error less than 0.01t.

AT91SAM7X 256;Control;Batching scale controller;Hardware;Microprogrammed Control Unit（MCU)

T

A

1671-8151（2011)06-0568-05

2011-10-15

2011-11-08

郭玮（1985-)，女（汉)，山西太谷人，助教，硕士，主要从事智能控制和智能仪器方面的研究。

（编辑：武英耀)