采用CS5532的高精度自動稱重系統(tǒng)設(shè)計

采用CS5532的高精度自動稱重系統(tǒng)設(shè)計闡述基于24位高精度串行A/D轉(zhuǎn)換器CS5532的自動稱重系統(tǒng)的設(shè)計及實現(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)計及其使用、電磁振動器的工作原理與控制方法、過零點檢測電路設(shè)計，以及SED1520控制的12232點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，具有良好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞CS5532電磁振動器SED1520自動稱重在茶葉、藥品、味精、白糖等顆粒狀產(chǎn)品的包裝現(xiàn)場，需要精確、操作簡便的稱重裝置和快速、可靠的給料機構(gòu)。可利用單片機控制技術(shù)設(shè)計自動稱重系統(tǒng)，實現(xiàn)物料的實時稱重與定量輸送，從而克服傳統(tǒng)機械稱重設(shè)備精度低、操作復(fù)雜、需人工送料等缺點，對提高產(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的自動稱重系統(tǒng)設(shè)計。配合電磁振動器構(gòu)成的振動傳送機構(gòu)，以及點陣型液晶顯示模塊，可達到簡便易用、自動定量的目的。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)采集物料重量的實時數(shù)據(jù)；雙向晶閘管和電磁振動器，為物料的移動送料提供動力；過零點檢測電路負(fù)責(zé)檢測交流電的過零點，為晶閘管的觸發(fā)提供同步點；LCD液晶顯示和按鍵可方便用戶的操作與觀察；閘門電機和閘門，用于釋放在物料槽中達到設(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，并啟動系統(tǒng)。接著，電磁振動器在單片機的控制下做規(guī)律性振動，把物料從給料通道送往物料槽。與此同時，A/D轉(zhuǎn)換器不斷地檢測稱重傳感器的輸出，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并傳送給單片機處理。經(jīng)過數(shù)字濾波、標(biāo)度變換后，一方面在LCD模塊顯示出瞬時物重，另一方面進行稱重比較判斷，根據(jù)一定算法控制電磁振動器的振幅。當(dāng)達到設(shè)定值時，停止送料，并檢測紅外傳感器的信號，打開閘門釋放物料，從而實現(xiàn)自動稱重。系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1傳感器與數(shù)據(jù)采集本系統(tǒng)采用的傳感器為臺灣Mavin公司的高精度NBA系列鋁合金單點式稱重傳感器，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)輸出電壓的不同來測量重量。該傳感器量程為3kg,靈敏度為2mV/V,精度為0.02%F.S.。當(dāng)采用5V電源供電時，滿量程輸出為10mV，最小分辨力為2MV為采集如此微弱的信

號，需設(shè)計好信號調(diào)理電路，并且對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。傳感器的輸出信號經(jīng)過濾波電路，消除信號中的串模、共模干擾以及高頻干擾信號后進入A/D轉(zhuǎn)換器。為了滿足小信號測量精度要求，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△工模/數(shù)轉(zhuǎn)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[1]。IOQISVREF+I+5￥5O.hil-I叫1|[_CM0IpFrrIOQISVREF+I+5￥5O.hil-I叫1|[_CM0IpFrr—門肛J11ECT.K"=Tj.ImFX^CiNDjSignal^](1|時D.lklFyX2AINI+AIN2IAINI-AIN2-C1VrePHC2Vref-VA+DGNDVAVEKADcsAISDIOSC2SDOOSCISCLKCS5532芯片內(nèi)部有一個極低噪聲的斬波穩(wěn)定儀表放大器，其增益可選擇為2n(n=0~6),擴大了信號輸入范圍，允許小信號的輸入，提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性。其在50Hz的共模抑制比典型值可達120dB,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(nèi)部還有一個4階的△工調(diào)制器，其后跟隨一個數(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電磁振動器機械結(jié)構(gòu)與工作原理如圖3所示，電磁振動器的機械結(jié)構(gòu)主要包括銜鐵、電磁鐵及線圈、板彈簧、給料槽以及機座等部分。給料槽的往復(fù)運動是依靠電磁振動器的電磁鐵和銜鐵之間的脈沖吸引力F的產(chǎn)生與消失實現(xiàn)的。匸座禍鐵板彈贅給料權(quán)圖3匸座禍鐵板彈贅給料權(quán)圖3電磁振動器機械結(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a，即調(diào)節(jié)雙向晶閘管的觸發(fā)時刻t1和t3，可改變激振線圈中的平均供電電壓，進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)運動的振幅。2.3過零點檢測電路為了實現(xiàn)移相觸發(fā)控制，設(shè)計了過零點檢測電路。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INTO、INT1分別輸出用于單片機外中斷0、1的脈沖信號。這樣,在交流電每一周期的正負(fù)半周期，都可以產(chǎn)生脈沖信號以引起單片機的外中斷。單片機進入中斷后，在服務(wù)程序中根據(jù)控制角的需要設(shè)定定時器的計數(shù)值，并立即啟動定時器。定時器計數(shù)溢出中斷后，將在其中斷服務(wù)中對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)動器。SED1520顯示驅(qū)動器是一種點陣圖形式液晶驅(qū)動器，可與8位單片機直接相連，使用方便。SED1520內(nèi)置2560位顯示RAM，具有16個行驅(qū)動口和61個列驅(qū)動口，驅(qū)動占空比可為1/16或1/32。顯示RAM共32行，分為4頁，每頁8行。系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1主程序流程

I'.電開總中斷硏】循壞避哲il耳f按鍵處測因字「切洽優(yōu)槪晶I|I'.電開總中斷硏】循壞避哲il耳f按鍵處測因字「切洽優(yōu)槪晶I|^J^itCS55J2曲粽系塊七型川沁何磐I掃描精盤乘動汴料.A/D采樣'較于誼派■標(biāo)度喪換+比較貳新秤.序初始化定肘割、】?外屮斷0,l.l^fr個矗忘詢，變圧Jfl^CS55.32連坯轉(zhuǎn)現(xiàn)Y|釋試不足物料井割甩片止態(tài)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、外圍芯片、各種參數(shù)的初始化后，即進入主循環(huán)。在主循環(huán)中，由定時器1定時掃描鍵盤，當(dāng)掃描到有按鍵按下時，有標(biāo)志位產(chǎn)生，即進入鍵值計算并執(zhí)行相應(yīng)的處理。當(dāng)按鍵啟動系統(tǒng)后，系統(tǒng)進入運行態(tài)。系統(tǒng)開始進行振動送料、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)物料達到設(shè)定值SV時，系統(tǒng)進入暫停態(tài)。此刻等待釋放信號(如紅外傳感器開關(guān)信號)，釋放物料后，系統(tǒng)自動進入運行態(tài)，繼續(xù)送料。當(dāng)由于物料槽中物料不足、系統(tǒng)計時到后，進入人工態(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，需定時地保存改變的參數(shù)。LCD實時刷新當(dāng)前的狀態(tài)和各項參數(shù)。3.2CS5532模/數(shù)轉(zhuǎn)換程序CS5532在啟動時有20ms的延遲，所以要在其啟動20ms后再對其進行初始化。CS5532沒有加電復(fù)位功能，首先需要人工通過ADC串口發(fā)送初始化序歹U，即15個SYNCI(OxFF)命令字節(jié)和1個SYNCO(OxFE)命令字節(jié)，使ADC串口進入命令模式；接著通過設(shè)置配置寄存器的RS位，實現(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)置是否進行校準(zhǔn)。完成以上工作后，即可進行轉(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，與單次轉(zhuǎn)換相同，需要采用40個SCLK清標(biāo)志和讀結(jié)果，但是當(dāng)前8個SCLK為0時，轉(zhuǎn)換器將在此轉(zhuǎn)換模式下用同一個CSR對所選通道繼續(xù)執(zhí)行轉(zhuǎn)換，而不必再次發(fā)送轉(zhuǎn)換命令。同時，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)實際情況選擇合適的組合。本系統(tǒng)中，CS5532對通道1進行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50Hz,利于除去工頻干擾。3.3液晶顯示程序?qū)σ壕K的驅(qū)動實際上就是對其控制芯片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)置頁地址、寫數(shù)據(jù)等。液晶顯示的程序流程如圖8所示。圖7CS5532初始化過程圖8寫液晶程序流程抗干擾設(shè)計為了保證A/D采樣的精確性，系統(tǒng)抗干擾性設(shè)計方面需要注意A/D采樣模塊的電路設(shè)計以及電磁兼容性設(shè)計。在電路設(shè)計方面，除了設(shè)計好信號調(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測量值的精確性。本系統(tǒng)采用單獨一套5V電源供給CS5532以及稱重傳感器，同時CS5532的參考電壓由LM3362.5輸出提供穩(wěn)定的2.5V;而CS5532與單片機之間的通信用光耦合器進行隔離，進一步消除單片機系統(tǒng)對采樣模塊的影響。在電磁兼容性方面，系統(tǒng)在運行期間，考慮到電磁振動器線圈產(chǎn)生的電磁場會對A/D采樣有影響，應(yīng)給A/D采樣模塊增加屏蔽體以進行磁場屏蔽。磁場屏蔽是指抑制噪聲源和敏感設(shè)備之間由于磁場耦合所產(chǎn)生的干