基于CS5532的高精度自動(dòng)稱(chēng)重系統設計

1 系統原理
系統原理框圖如圖1所示。稱(chēng)重傳感器和A／D轉換器，負責采集物料重量的實(shí)時(shí)數據；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(guò)零點(diǎn)檢測電路負責檢測交流電的過(guò)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(hù)的操作與觀(guān)察；閘門(mén)電機和閘門(mén)，用于釋放在物料槽中達到設定重量的物料。

首先，操作者設置稱(chēng)重定值、送料速度等，并啟動(dòng)系統。接著(zhù)，電磁振動(dòng)器在單片機的控制下做規律性振動(dòng)，把物料從給料通道送往物料槽。與此同時(shí)，A／D轉換器不斷地檢測稱(chēng)重傳感器的輸出，轉換成數字量，并傳送給單片機處理。經(jīng)過(guò)數字濾波、標度變換后，一方面在LCD模塊顯示出瞬時(shí)物重，另一方面進(jìn)行稱(chēng)重比較判斷，根據一定算法控制電磁振動(dòng)器的振幅。當達到設定值時(shí)，停止送料，并檢測紅外傳感器的信號，打開(kāi)閘門(mén)釋放物料，從而實(shí)現自動(dòng)稱(chēng)重。

2 系統硬件設計
2．1 傳感器與數據采集
本系統采用的傳感器為臺灣Mavin公司的高精度NBA系列鋁合金單點(diǎn)式稱(chēng)重傳感器，為電阻應變式傳感器。根據電阻應變式傳感器的原理，四片應變片構成全橋橋路，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，由此可根據輸出電壓的不同來(lái)測量重量。
該傳感器量程為3 kg，靈敏度為2 mV／V，精度為0．02％F．S．。當采用5 V電源供電時(shí)，滿(mǎn)量程輸出為10mV，最小分辨力為2μV。為采集如此微弱的信號，需設計好信號調理電路，并且對A／D轉換器提出嚴格的要求。圖2為稱(chēng)重傳感器與CS5532的接口電路。傳感器的輸出信號經(jīng)過(guò)濾波電路，消除信號中的串模、共模干擾以及高頻干擾信號后進(jìn)入A／D轉換器。

為了滿(mǎn)足小信號測量精度要求，在A(yíng)DC方面本系統采用的A／D轉換器CS5532為Crystal公司的高精度24位串行A／D轉換器。它是高集成度的△-∑模／數轉換器，由于運用了電荷平衡技術(shù)，其性能可以達到24位。該系列ADC非常適合測量稱(chēng)重儀表、過(guò)程控制、科學(xué)和醫療等應用領(lǐng)域的單／雙極性小信號。
芯片內部有一個(gè)極低噪聲的斬波穩定儀表放大器，其增益可選擇為2n(n=O～6)，擴大了信號輸入范圍，允許小信號的輸入，提高了系統的動(dòng)態(tài)特性。其在50 Hz的共模抑制比典型值可達120 dB，這對從高共模電壓中檢測出微弱的差分電壓信號是十分有利的。內部還有一個(gè)4階的△一∑調制器，其后跟隨一個(gè)數字濾波器，能提供10種可供選擇的輸出字速率。ADC內部還有一個(gè)與SPI兼容的三線(xiàn)串行接口。另外，利用CS5532內部的校準系統(包括自校準和系統校準)，可設置ADC傳遞函數的零點(diǎn)以及增益斜率，從而消除系統通道的失調和增益誤差。
2．2 電磁振動(dòng)器機械結構與工作原理
如圖3所示，電磁振動(dòng)器的機械結構主要包括銜鐵、電磁鐵及線(xiàn)圈、板彈簧、給料槽以及機座等部分。給料槽的往復運動(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)現的。

如圖4所示，通過(guò)移相觸發(fā)的方式調節雙向晶閘管的控制角α，即調節雙向晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻t1和t2，可改變激振線(xiàn)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，從而調節給料槽往復運動(dòng)的振幅。

2．3 過(guò)零點(diǎn)檢測電路
為了實(shí)現移相觸發(fā)控制，設計了過(guò)零點(diǎn)檢測電路。如圖5所示，經(jīng)降壓后的交流電經(jīng)過(guò)電壓比較器LM393，以及光耦合器TLP521的隔離、反相器74HCl4D的整形后，在INTO、INT1分別輸出用于單片機外中斷O、1的脈沖信號。這樣，在交流電每一周期的正負半周期，都可以產(chǎn)生脈沖信號以引起單片機的外中斷。單片機進(jìn)入中斷后，在服務(wù)程序中根據控制角的需要設定定時(shí)器的計數值，并立即啟動(dòng)定時(shí)器。定時(shí)器計數溢出中斷后，將在其中斷服務(wù)中對雙向晶閘管的門(mén)極施加觸發(fā)脈沖，觸發(fā)其導通。
2．4 液晶顯示模塊
本系統采用ACM一12232G作為液晶顯示模塊，由2片SED1520芯片作為顯示驅動(dòng)器。SED1520顯示驅動(dòng)器是一種點(diǎn)陣圖形式液晶驅動(dòng)器，可與8位單片機直接相連，使用方便。SED1520內置2 560位顯示RAM，具有16個(gè)行驅動(dòng)口和61個(gè)列驅動(dòng)口，驅動(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。

3 系統軟件設計
3．1 主程序流程
主程序流程如圖6所示。當系統上電，完成單片機、外圍芯片、各種參數的初始化后，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(pán)，當掃描到有按鍵按下時(shí)，有標志位產(chǎn)生，即進(jìn)入鍵值計算并執行相應的處理。

當按鍵啟動(dòng)系統后，系統進(jìn)入運行態(tài)。系統開(kāi)始進(jìn)行振動(dòng)送料、A／D采樣、數字濾波、標度變換以及比較判斷等工作。當物料達到設定值SV時(shí)，系統進(jìn)入暫停態(tài)。此刻等待釋放信號(如紅外傳感器開(kāi)關(guān)信號)，釋放物料后，系統自動(dòng)進(jìn)入運行態(tài)，繼續送料。當由于物料槽中物料不足、系統計時(shí)到后，進(jìn)入人工態(tài)，此刻需人工按鍵釋放不足物料。當系統處于停止態(tài)時(shí)，需定時(shí)地保存改變的參數。LCD實(shí)時(shí)刷新當前的狀態(tài)和各項參數。
3．2 CS5532模／數轉換程序
CS5532在啟動(dòng)時(shí)有20 ms的延遲，所以要在其啟動(dòng)20 ms后再對其進(jìn)行初始化。CS5532沒(méi)有加電復位功能，首先需要人工通過(guò)ADC串口發(fā)送初始化序列，即15個(gè)SYNCl(0xFF)命令字節和1個(gè)SYNCO(0xFE)命令字節，使ADC串口進(jìn)入命令模式；接著(zhù)通過(guò)設置配置寄存器的RS位，實(shí)現系統復位。系統復位后，需配置電壓參考模式VRS位，初始化通道設置寄存器(CSR)，設置是否進(jìn)行校準。完成以上工作后，即可進(jìn)行轉換。CS5532初始化過(guò)程如圖7所示。

CS5532有單次轉換和連續轉換2種模式。本系統A／D轉換采用連續模式。一旦發(fā)送連續轉換命令后，當轉換完成SDO=O時(shí)，與單次轉換相同，需要采用40個(gè)SCLK清標志和讀結果，但是當前8個(gè)SCLK為0時(shí)，轉換器將在此轉換模式下用同一個(gè)CSR對所選通道繼續執行轉換，而不必再次發(fā)送轉換命令。同時(shí)，該模式下的轉換結果可以不去讀取，沒(méi)有讀出的轉換結果將被新的轉換結果取代。欲退出該模式，只要使前8個(gè)SCLK為1，并讀最后一次轉換結果。
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合，將導致其RMS噪聲、無(wú)噪聲分辨率以及內部數字濾波器特性的差異。應根據實(shí)際情況選擇合適的組合。本系統中，CS5532對通道1進(jìn)行A／D轉換。選擇連續轉換的方式，增益設置為32，并設置配置寄存器中的FRS位為l，使得字速率和相應濾波特性乘以系數5／6，選擇字速率為50Hz，利于除去工頻干擾。
3．3 液晶顯示程序
對液晶模塊的驅動(dòng)實(shí)際上就是對其控制芯片SED1520的讀／寫(xiě)操作。SED1520可讀可寫(xiě)，但本系統中只用到寫(xiě)命令，所以直接把R／W引腳接地。SEDl520共有13種指令，包括初始化時(shí)需要用到的復位、占空比設置、顯示開(kāi)／關(guān)，以及常用的設置列地址、設置頁(yè)地址、寫(xiě)數據等。液晶顯示的程序流程如圖8所示。

4 抗干擾設計
為了保證A／D采樣的精確性，系統抗干擾性設計方面需要注意A／D采樣模塊的電路設計以及電磁兼容性設計。在電路設計方面，除了設計好信號調理電路，還需要注意CS5532的參考電壓以及稱(chēng)重傳感器的供電電壓的穩定性。電壓的穩定性直接影響著(zhù)A／D測量值的精確性。本系統采用單獨一套5 V電源供給CS5532以及西稱(chēng)重傳感器，同時(shí)CS5532的參考電壓由LM336―2．5輸出提供穩定的2．5 V；而CS5532與單片機之間的通信用光耦合器進(jìn)行隔離，進(jìn)一步消除單片機系統對采樣模塊的影響。
在電磁兼容性方面，系統在運行期間，考慮到電磁振動(dòng)器線(xiàn)圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì )對A／D采樣有影響，應給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(xiàn)封閉在屏蔽體內，從而阻擋內部磁場(chǎng)向外擴散或外界磁場(chǎng)干擾進(jìn)入。

結 語(yǔ)
采用高精度24位A／D轉換芯片CS5532可實(shí)現傳感器微弱信號的采集與轉換，提高了系統的精度；采用單片機控制雙向晶閘管的導通，從而控制電磁振動(dòng)器的振動(dòng)，實(shí)現了物料的自動(dòng)輸送；采用液晶顯示器作為顯示界面，實(shí)現了良好的人機操作界面。本系統實(shí)現了定量稱(chēng)重、自動(dòng)給料的功能，硬件結構簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、通用性強。應用于實(shí)際產(chǎn)品中，提高了工作效率，體現了良好的技術(shù)效果，具有良好的應用前景。