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數(shù)字式傳感器系統(tǒng)是在傳統(tǒng)電阻應(yīng)變式傳感器基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代微電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)集成而發(fā)展起來的一種新型電子稱重傳感器。目前，數(shù)字式稱重傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子汽車衡、電子軌道衡以及電子皮帶秤等各種電子衡器中。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是針對應(yīng)變稱重傳感器的專用測量單元的設(shè)計(jì),即通過對外加芯片電路的調(diào)整、調(diào)試,使傳統(tǒng)的應(yīng)變稱重傳感器數(shù)字化、智能化,使其能以更高的精度、更快的速度輸出更準(zhǔn)確的結(jié)果,并適宜于同其他數(shù)字化設(shè)備連接,便于下載和調(diào)試。

整個(gè)系統(tǒng)主要包含傳感器、數(shù)字測量模塊以及進(jìn)行相應(yīng)調(diào)試顯示功能的儀表或計(jì)算機(jī)。

首先被測信號(hào)(壓力、溫度)通過傳感器部分轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。然后,產(chǎn)生的測量電信號(hào)被輸入到數(shù)字測量模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字補(bǔ)償?shù)葦?shù)字處理,以達(dá)到工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的精度要求。最后補(bǔ)償完的正確的重量信號(hào)將以RS-485的通信形式通過數(shù)據(jù)通信單元輸出給計(jì)算機(jī)、顯示儀表等來完成各項(xiàng)補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)建模功能及顯示功能。

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.11　整體設(shè)計(jì)

在應(yīng)變稱重傳感器專用測量單元的設(shè)計(jì)中,數(shù)字測量模塊是最重要的一個(gè)部分。本設(shè)計(jì)采用C8051F350單片機(jī)作為數(shù)字測量模塊的主控芯片,來控制數(shù)字測量模塊乃至整個(gè)系統(tǒng)。C8051F350單片機(jī)自帶全差分Σ-Δ方式24位8通道AD轉(zhuǎn)換單元,8位2通道DA轉(zhuǎn)換單元,而且內(nèi)建有溫度傳感器、片內(nèi)可編程增益放大器及8Kflash存儲(chǔ)空間,能夠很好地實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

應(yīng)變稱重傳感器專用測量單元的硬件連接電路主要可分為以下三個(gè)部分:傳感器與數(shù)字測量模塊接口電路、數(shù)字測量模塊電路和數(shù)字測量模塊與顯示驅(qū)動(dòng)芯片接口電路。

傳感器(包括溫度補(bǔ)償芯片)與數(shù)字測量模塊接口電路主要是完成將傳感器測得的非電量信號(hào)(包括稱重信號(hào)和溫度信號(hào))送入數(shù)字測量模塊中進(jìn)行處理。數(shù)字測量模塊部分電路的設(shè)計(jì)主要是完成將傳感器輸入的重量和溫度信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換和補(bǔ)償?shù)忍幚?。?shù)字測量模塊與顯示驅(qū)動(dòng)芯片接口電路主要是將處理后的數(shù)據(jù)送入顯示屏進(jìn)行顯示,以便于觀測。

2.12　傳感器與C8051F350單片機(jī)接口電路

本系統(tǒng)在傳感器接口電路部分采用了改進(jìn)型帶反饋補(bǔ)償輸入的稱重傳感器接口,即在傳感器對外接口中除了常用的電源、模擬地、模擬輸入四條線外,補(bǔ)充了兩條反饋補(bǔ)償輸入線。其中兩條模擬輸入線分別接入C8051F350的AIN012和AIN013;兩條反饋補(bǔ)償輸入線中數(shù)據(jù)線接入P010而時(shí)鐘線接入P011。這樣,在傳感器將模擬量輸出到AD轉(zhuǎn)換器的同時(shí)溫度補(bǔ)償芯片AD7416也同時(shí)輸出補(bǔ)償參數(shù)給單片機(jī),實(shí)現(xiàn)了對傳感器輸出的補(bǔ)償。

2.13 RS485通訊芯片與C8051F350單片機(jī)接口電路RS485通訊芯片與C8051F350單片機(jī)接口電路中采用了75ALS180接口芯片。由于RS-485采用可使能控制的平衡發(fā)送和差分接收方式來實(shí)現(xiàn)全雙工通信,因此本系統(tǒng)將單片機(jī)的P114與75ALS180的DE端相連,作為RS485通訊的使能控制端;將P113和P115與75ALS180的R和D端相連,作為RS485通訊的輸入輸出端RXD和TXD;同時(shí)將75ALS180的RE端接地以使其一直有效。這樣,便可以利用單片機(jī)來進(jìn)行RS485數(shù)據(jù)的讀寫控制,完成了RS485通訊芯片與C8051F350單片機(jī)接口電路的配置。

2.14　數(shù)字測量模塊與顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX6952接口電路為了便于測量結(jié)果的顯示,采用顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX6952驅(qū)動(dòng)顯示屏顯示稱重結(jié)果,并由C8051F350單片機(jī)對其進(jìn)行控制。MAX6952是一種串行顯示驅(qū)動(dòng)芯片,一片MAX6952最多可以驅(qū)動(dòng)4組5位7段LED顯示器,本設(shè)計(jì)讓這四組顯示器顯示測量臺(tái)重量、皮重、毛重、凈重。

進(jìn)行各種稱重行為,如傳感器校準(zhǔn)、稱重、去皮、調(diào)零等的操作,需要開發(fā)一套通信命令碼協(xié)議對其加以控制。這樣一來所有的外接通信設(shè)備都要求以這種通信格式開發(fā)相應(yīng)的控制程序,對稱重模塊發(fā)出各種稱重請求信息,從而提高了稱重模塊的適用范圍[7]。同時(shí)還可以交給不同的用戶按照自己的需要開發(fā)自己的操作終端。本通信協(xié)議對命令頭、選址碼、功能碼、校驗(yàn)碼及命令尾均有嚴(yán)格規(guī)定。

(1)命令頭標(biāo)志著一次信息傳輸?shù)拈_始;

(2)選址碼用于從數(shù)據(jù)眾多的接收機(jī)中確定目的機(jī);

(3)功能碼又包含稱重功能碼和輔助功能碼兩部分:稱重功能碼是與稱重行為相關(guān)的命令碼,主要包括調(diào)零、稱重、去皮、顯示四個(gè)命令;輔助功能碼則主要是系統(tǒng)自身設(shè)置相關(guān)的命令,主要包括:錯(cuò)誤檢測和采樣率設(shè)置兩個(gè)命令;

(4)校驗(yàn)碼為用于校驗(yàn)?zāi)康牡囊唤M數(shù)據(jù)項(xiàng)的和,以十六進(jìn)制為數(shù)制表示的形式;

(5)命令尾標(biāo)志著一次信息傳輸?shù)慕Y(jié)束。

3.12　系統(tǒng)執(zhí)行流程

測量單元對命令碼的響應(yīng)通過中斷程序interrupt_Init()來實(shí)現(xiàn)。初始時(shí),程序認(rèn)為除預(yù)先規(guī)定好的命令頭以外的所有命令都為無效命令,只有在確認(rèn)命令頭后程序才會(huì)進(jìn)行下一步操作;確認(rèn)命令頭后程序會(huì)根據(jù)接收到的選址碼確定目標(biāo)接收機(jī),然后通過判斷功能碼進(jìn)入到相應(yīng)的功能子程序,完成相應(yīng)的稱重功能或輔助功能;如果程序沒有收到有效的功能碼程序不進(jìn)行任何動(dòng)作自動(dòng)返回等待下一次的通信;

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