基于CS5532的高精度自動稱重系統(tǒng)設計

1 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轉換器，負責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；過零點檢測電路負責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定重量的物料。

首先，操作者設置稱重定值、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轉換器不斷地檢測稱重傳感器的輸出，轉換成數(shù)字量，并傳送給單片機處理。經(jīng)過數(shù)字濾波、標度變換后，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。當達到設定值時，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。

2 系統(tǒng)硬件設計
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，為電阻應變式傳感器。根據(jù)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(jù)輸出電壓的不同來測量重量。
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，滿量程輸出為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(diào)理電路，并且對A／D轉換器提出嚴格的要求。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(shù)轉換器，由于運用了電荷平衡技術，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、科學和醫(yī)療等應用領域的單／雙極性小信號。
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=O～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(nèi)部還有一個4階的△一∑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)部的校準系統(tǒng)(包括自校準和系統(tǒng)校準)，可設置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 電磁振動器機械結構與工作原理
如圖3所示，電磁振動器的機械結構主要包括銜鐵、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。

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α，即調(diào)節(jié)雙向晶閘管的觸發(fā)時刻t1和t2，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。單片機進入中斷后，在服務程序中根據(jù)控制角的需要設定定時器的計數(shù)值，并立即啟動定時器。定時器計數(shù)溢出中斷后，將在其中斷服務中對雙向晶閘管的門極施加觸發(fā)脈沖，觸發(fā)其導通。
2．4 液晶顯示模塊
本系統(tǒng)采用ACM一12232G作為液晶顯示模塊，由2片SED1520芯片作為顯示驅動器。SED1520顯示驅動器是一種點陣圖形式液晶驅動器，可與8位單片機直接相連，使用方便。SED1520內(nèi)置2 560位顯示RAM，具有16個行驅動口和61個列驅動口，驅動占空比可為1／16或1／32。顯示RAM共32行，分為4頁，每頁8行。

3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 主程序流程
主程序流程如圖6所示。當系統(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，當掃描到有按鍵按下時，有標志位產(chǎn)生，即進入鍵值計算并執(zhí)行相應的處理。

當按鍵啟動系統(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、標度變換以及比較判斷等工作。當物料達到設定值SV時，系統(tǒng)進入暫停態(tài)。此刻等待釋放信號(如紅外傳感器開關信號)，釋放物料后，系統(tǒng)自動進入運行態(tài)，繼續(xù)送料。當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實時刷新當前的狀態(tài)和各項參數(shù)。
3．2 CS5532模／數(shù)轉換程序
CS5532在啟動時有20 ms的延遲，所以要在其啟動20 ms后再對其進行初始化。CS5532沒有加電復位功能，首先需要人工通過ADC串口發(fā)送初始化序列，即15個SYNCl(0xFF)命令字節(jié)和1個SYNCO(0xFE)命令字節(jié)，使ADC串口進入命令模式；接著通過設置配置寄存器的RS位，實現(xiàn)系統(tǒng)復位。系統(tǒng)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)，設置是否進行校準。完成以上工作后，即可進行轉換。CS5532初始化過程如圖7所示。

CS5532有單次轉換和連續(xù)轉換2種模式。本系統(tǒng)A／D轉換采用連續(xù)模式。一旦發(fā)送連續(xù)轉換命令后，當轉換完成SDO=O時，與單次轉換相同，需要采用40個SCLK清標志和讀結果，但是當前8個SCLK為0時，轉換器將在此轉換模式下用同一個CSR對所選通道繼續(xù)執(zhí)行轉換，而不必再次發(fā)送轉換命令。同時，該模式下的轉換結果可以不去讀取，沒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、無噪聲分辨率以及內(nèi)部數(shù)字濾波器特性的差異。應根據(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轉換。選擇連續(xù)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(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
對液晶模塊的驅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。SEDl520共有13種指令，包括初始化時需要用到的復位、占空比設置、顯示開／關，以及常用的設置列地址、設置頁地址、寫數(shù)據(jù)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(tǒng)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(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5 V電源供給CS5532以及西稱重傳感器，同時CS5532的參考電壓由LM336―2．5輸出提供穩(wěn)定的2．5 V；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備之間由于磁場耦合所產(chǎn)生的干擾。磁場屏蔽是把磁力線封閉在屏蔽體內(nèi)，從而阻擋內(nèi)部磁場向外擴散或外界磁場干擾進入。

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