基于单片机的模拟智能传送装置的设计

卫炜

（燕山大学 电气工程学院，河北 秦皇岛 066004）

基于单片机的模拟智能传送装置的设计

卫炜

（燕山大学 电气工程学院，河北 秦皇岛 066004）

以单片机为开发平台，采用C51为编程工具，设计一种模拟智能传送装置.设计中通过继电器驱动传送装置的直流电机，以流水灯模拟传送带的运动状态，通过按键可控制传送带的启动、停止、正转、反转以及设置称重限制值.设计的重点是应用重力传感器对载物进行精确测量以及数据采集.主要由控制模块、传感器模块、数据采集电路模块、按键模块、报警模块、电机驱动模块、显示模块等组成.

单片机；传送装置；控制系统；智能化；传感器

传送装置正朝着智能化、数字化的方向发展.通过载体重量控制传送装置运动状态成为传送装置系统重要的智能控制方向.从整体看，本系统稳定性良好、测量精度高、功能相对完善，很好地满足了工业自动化和重量控制现代化的需求.

1 系统总体设计

载体在传输状态下，称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号，数据采集电路采集该电信号并进行适当处理后，送至A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出.单片机控制器接收来自A/D转换器输出的数字信号，经过运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并通过显示器显示出来.同时单片机控制器定时对键盘进行扫描，而后通过键盘程序，对整个系统进行控制，包括：启动、停止、正向、反向、设置、数字+、数字-等功能控制.流水灯根据是否超重反映出相反的流动状态.在不超重或回复不超重的情况下，继电器正常驱动传送带电机运作.报警器在超重时发出警告声[1].

基于单片机的模拟智能传送装置系统由7部分构成：称重信号采集部分、单片机控制部分、数据显示部分、流水灯部分、报警部分、键盘部分、电机驱动部分.系统设计总体方案框图如图1所示.

图1 系统设计总体方案框图

2 系统硬件设计

2.1 控制系统的设计

由于系统要求的芯片数据存储空间和程序存储空间都较小，固单片机选择STC89C51芯片.最小系统用12Mhz的晶振，时钟周期为1us.采用按键复位.

2.2 压力传感器

应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，通常是将电阻应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘贴在被测试表面上，由于被测试件的变形使其表面产生应变，从而引起电阻应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化，通过测量电阻的变化即反映了应变的大小[2].

2.3 前级放大器

由于应变片的电桥电路的输出信号一般比较微弱，所以目前大部分电阻应变式传感器的电桥输出端与直流放大器相连.本设计的放大器由3个集成运算放大器组成，如图2所示.

图2 三运放高共模抑制比的放大电路

其原理是运放A1和A2为同相差分输入方式.采用同相输入可以大幅度提高放大电路的输入阻抗，减小电路对输入的微弱信号的衰减.差分可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比得到提高[3].

其中A1和A2为两个性能一致的同相输入集成运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级；A3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制A1和A2的共模信号.由于每个放大器求和点的电压值等于在各自正输入端的电压值.因此，整个差分输入电压都呈现在R7两端.流过R7的电流等于(Vin2－Vin1)/R7，因此，输入信号（Vin2－Vin1）可通过A1和A2获得增益并放大.由于加到放大器输入端的共模电压在R7两端的电位相同，所以在R7上不会产生电流，即在R5和R6上也没有电流流过，放大器A1和A2将各自起到跟随作用.在R5=R6，R3=R8，R2=R4的条件下，差分电压的增益为：

输出端电压为

由上式可见，电路增益的调节可以通过改变R7实现.该放大电路具有共模抑制比高、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、外部接口简单和使用方便等特点.可以利用普通运放做成一个三运放高共模抑制比的放大电路，且放大器电路的增益是可以改变的.

2.4 A/D转换器

称重传感器输出的信号经过放大后仍为模拟量，需要将模拟信号转换为数字信号后再由单片机处理.所以模数转换部件对整个系统的测量精度都会产生影响.所以本系统采用8位串行接口A/D转换器ADC0832.ADC0832接口电路如图3.

图3 ADC0832接口电路

2.5 流水灯电路

采用流水灯的变化状态模拟传送带的运动状态，包括：停止、正向运动、反向运动等状态分别对应流水灯的熄灭、正向流动、反向流动等状态.

2.6 电机驱动电路

本设计采用最简单的驱动电路，即直接用继电器驱动直流电机.当三极管由导通变为截止时，继电器绕组感生出一个较大的自感电压.它与电源电压叠加后加到控制继电器线圈的三极管的e、c两极上，使发射结有可能被击穿.为了消除这个感生电动势的有害影响，在继电器线圈两端反向并联一个二极管，抑制该电动势.自感电压与电源电压之和对二极管来说却是正向偏压，使二极管导通形成环流.感应的高电压就会通过回路释放掉，保证了三极管的安全.电机驱动电路如图4.

图4 电机驱动电路

2.7 其他电路

除以上介绍的电路外，还包括按键电路、显示电路以及报警电路.由于本设计中所用按键并不多，所以键盘电路采用独立按键的形式.报警电路使用蜂鸣器与一二级管组成.显示部分采用LCD1602液晶屏.LCD液晶显示器具有显示质量高、功率消耗小等优点，并且液晶显示器都是数字式的，和单片机的接口简单,操作也很方便.

3 系统的软件设计

单片机上电复位后，先进行初始化，显示器显示当前载体重量和上限值重量，流水灯处于熄灭状态.按下启动键后，如果按下正向键，直流电机正向转动，流水灯正向流动；如果按下反向键，直流电机反向转动，流水灯反向流动.按下停止键后系统停止运作.通过设置键以及数字+键、数字-键可以设置载体重量的上限值，按下设置键后，设置指示灯亮起，通过数字+键、数字-键改变上限数值，设置完后，设置指示灯熄灭.当载体重量不超过上限值时，直流电机正常转动，流水灯也正常流动；当载体重量超过上限值时，直流电机停止转动，流水灯熄灭，报警器报警；若载体重量恢复到上限值以下时，直流电机恢复正常转动，流水灯也恢复正常流动，报警器停止报警[4].

系统程序设计的主流程图如图5所示.

图5 系统程序设计的主流程图

随着具有称重系统的传送装置的应用领域迅速扩大，完善传输装置称重系统成为各国研究的热点问题之一.

本系统正是考虑这一实际情况，设计了以单片机为开发平台的一种模拟智能传送装置.利用Keil uVision3完成软件设计后，通过Proteus仿真出了实际效果.设计中提出了系统硬件各个模块电路的具体设计以及软件的设计思路，并且阐述了压力传感器测量数据处理算法.采用经过改进的三运放高共模抑制比的放大电路，提高了测量精确度.

本系统设计的重点在于称重系统的设计和软件的编写，因此在编写软件中需要花很多的时间.由于多方面客观因素，此次设计仍有改进之处.尤其是高共模抑制比的放大电路部分的设计并不理想，仍需进一步调试.对进一步研发传送装置系统做了一个良好的基础.

〔1〕庞伟屹.基于单片机的传输带动态称重系统设计与实现[D].石家庄:河北科技大学，2010.16.

〔2〕李国栋，李光日，田玉敏.一种用于测量机器人ZMP的多点压力传感器[J].微计算机信息,2010(17):157-158,154.

〔3〕崔利平.仪表放大器电路设计[J].现代电子技术,2009(11): 87-89.

〔4〕梁明亮,韦成杰.单片机对串行A/D转换器ADC0832的C51编程[J].郑州铁路职业技术学院学报,2009(3):36-37.

〔5〕马继伟，马玉泉，伦翠蓊.单片机原理及应用的立体教学模式[J].河北科技师范学院学报，2013（3）.

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