重量-流量雙測手操作的研制

摘要：介紹采用單片機的重量-流量雙測手操器的工作大批量及軟硬件設計，該系統具有注意的性能和良好的應用前景。

關鍵詞：重量 流量 流量手操器

計算機過程控制系統的過程控制級直接與生產過程連接，具體承擔控制任務，其可靠性至關重要。為了生產安全，除了系統軟、硬件應可靠外，還應采取后備的方式為過程控制級提供有效的安全保障，操作人員才能對裝置進行有效地操作。重量-流量雙測手操器就是為這一目的而研制的。重量-流量雙測手操器根據上位機或手機閥位信號對儲罐出口調節閥進行控制，以達到控制儲罐出口流量的目的；同時，根據現場需要，顯示測得的儲罐中的物料重量，當儲罐中的物料重量小于一定值時，應進行加料處理。在自動狀態下，上位機控制信號控制調節閥，手動閥位自動跟蹤上位機閥位信號；在手動狀態，操作人員可利用觸摸開關直接對調節閥進行遙控，根據儲罐物料重量的變化計算儲罐出口流量，并顯示之。

生產線中，不同原料儲罐的最大重量由1000kg到60000kg各不相同，各儲罐的出口最大流量也由50kg/h到3500kg/h各不相同。儲罐出口流量檢測精度為±0.1kg/h。

一、工作原理

手操器組成框圖如圖1所示。

串行通信接口接收上位機的自動閥位信號，并把檢測運算的流量信號送給上位機；觸摸開關用于手/自動工作狀態變換（手動狀態時對調節閥進行人工設置等）；儲罐將重力傳遞給稱重傳感器，稱重傳感器將作用于其的重力轉換、放大為4～20mA稱重信號，送至本儀器。經A/D轉換輸入，每4s采集一次稱重信號，共保存31次采集重量數據（2min時間采集的）：W（0），W（1），W（2），W（3），…，W（30）。流量F=[W(0)-W(30)] ×30kg/h，即2min時間內的重量變化乘以30等于物料每小時用量（即流量），每4s采集更新W（0），W（1），W（3），…，W（30），并由單片機進行運算處理，最后將罐重、儲罐出口流量在顯示器上顯示、儲罐出口最大流量等的設定。這些參數是利用觸摸開關設定并需要掉電保護的。

二、系統硬件設計

系統硬件框圖如圖2所示。

（1）單片機控制系統。采用ATMEL公司的AT89C52作為控制器。它是一種低功耗、高性能，片內含8KB閃速可編程/擦除只讀存儲器的八位CMOS微控制器，與MCS-51單片機兼容。由于使用片內程序存儲器，所以EA/VP接高電平。片內高端RAM區80H～FFH構成隊列，按先進先出方式存放采集的重量數據W（0），W（1），W（2），W（3），…，W（30），供計算流量用，每個數據占3字節。流量F=[W(0)-W(30)] ×30kg/h，即為ΔW×30kg/h。

（2）接口芯片。采用RS-232接口芯片ADM101RE接收上位機的自動閥位信號。本儀器的流量、重量數據也由此上傳至上位機，以便進行整個系統的優化。

（3）數據采集。數據采集電路由稱重傳感器、放大電路、A/D轉換電路組成。考慮到儲罐最大重量為60Δ10 3kg，因為流量F=ΔW×30kg/h，為滿足儲罐出口流量檢測精度為±0.1kg/h的要求，儲罐的重量檢測精度應達到±0.001kg，我們采用了AD7714A/D轉換電路。AD7714是美國AD公司推出的一種高分辨率24位模數轉換器件，靈活的串行接口使AD7714可很方便地與微處理器或移位寄存器相連接。由于AD7724采用了∑-Δ轉換技術，使它不受噪音環境的影響。在測量的準確性和精確度上都達到了相當高的要求。

（4）閥位控制。根據上位機的自動閥位信號或手動狀態時閥位信號，運算后經12位D/A轉換器MAX538輸出。MAX538是串行器件，線性度好。MAX538的輸出經V/I變換器AD694轉換為4～20mA的標準電流信號去控制所控儲罐的出口調節閥的閥位開度。

（5）數碼顯示。儲罐重量用6位顯示，精確到0.1kg；儲罐出口流量用4位顯示；上位機閥位開度和手動閥位開度%分別用3位顯示（1位小數）。采用兩片串行輸入顯示驅動接口芯片MAX7219，其硬件開銷小，且編程簡單。

（6）設定參數。生產線不同，儲罐的最大重量、儲罐出口最大流量等都不相，為此，采用串行EEPROM 24LC01存儲工況參數。這些參數是通過觸摸開設定的，有三位觸摸開關。在正常工作時，狀態開關用于手/自動切換，1位增加鍵和1位減少鍵用于手動狀態時閥位的設定。設定參數時，雙鍵按下進入設定參數狀態，操作增加鍵和減少鍵進行參數設定，并由雙鍵按下確認。設定的參數在24LC01中分3個區域存放，以3中取2方式讀取，以保證正確率，用于計算。

串行器件的選用和系統的硬件簡單，調試方便。

三、系統軟件設計

軟件系統由主程序和若干子程序組成。有觸摸開掃描子程序、定時中斷服務子程序。還有幾個主要的功能模塊：A/D轉換模塊、數字濾波模塊、顯示模塊、閥位輸出模塊等。系統程序都固化在AT89C52片內Flash中。系統開機后，首先執行初始化程序，包括各標志位的設置、自檢、觸摸開關掃描等。主要工作在定時中斷服務子程序中進行，如數據采集、與上位機進行信息通信、顯示上位機閥位開度、手動閥位開度百分數、儲罐重量、儲罐出口流量。定時中斷服務子程序框圖如圖3所示。

四、抗干擾措施

因為使用環境存在多種干擾源，如噪音干擾、電磁干擾、電壓波動大等，尤其是大量使用的變頻器。我們從硬件、軟件兩方面采取了一些措施。

（1）硬件方面：①輸入輸出用光電隔離，另外，串行器件的使用，帶來極大的方便；②在電源方面采用特殊設計的開關電源，能適應較寬的電網電壓波動，可承受瞬間浪涌沖擊；③采用多級去耦，電路中每片集成電路芯片引腳上均加1個0.01μF的瓷片電容；④應用看門狗電路，采用看門狗集成電路IMP706（IMP706是IMP公司推出的高性能、低價格、低功耗8腳雙列直插芯片，具有看門狗功能及電源電壓監控功能，見圖2）。

（2）軟件設計方面：①配合看門狗電路，有死機攔截程序；②有參數自動修正程序；③編寫必要的異常處理程序、自診斷程序；④在信號處理程序中，有多種軟件濾波和防干擾處理。

結束語

本儀器運行穩定，可靠性高，現場操作方便，易于掌握，效果好。所采用的方法和技術 也可供其他數據采集系統和智能儀表設計時參考。