重量-流量双测手操作的研制

摘要：介绍采用单片机的重量-流量双测手操器的工作大批量及软硬件设计，该系统具有注意的性能和良好的应用前景。

关键词：重量 流量 流量手操器

计算机过程控制系统的过程控制级直接与生产过程连接，具体承担控制任务，其可靠性至关重要。为了生产安全，除了系统软、硬件应可靠外，还应采取后备的方式为过程控制级提供有效的安全保障，操作人员才能对装置进行有效地操作。重量-流量双测手操器就是为这一目的而研制的。重量-流量双测手操器根据上位机或手机阀位信号对储罐出口调节阀进行控制，以达到控制储罐出口流量的目的；同时，根据现场需要，显示测得的储罐中的物料重量，当储罐中的物料重量小于一定值时，应进行加料处理。在自动状态下，上位机控制信号控制调节阀，手动阀位自动跟踪上位机阀位信号；在手动状态，操作人员可利用触摸开关直接对调节阀进行遥控，根据储罐物料重量的变化计算储罐出口流量，并显示之。

生产线中，不同原料储罐的最大重量由1000kg到60000kg各不相同，各储罐的出口最大流量也由50kg/h到3500kg/h各不相同。储罐出口流量检测精度为±0.1kg/h。

一、工作原理

手操器组成框图如图1所示。

串行通信接口接收上位机的自动阀位信号，并把检测运算的流量信号送给上位机；触摸开关用于手/自动工作状态变换（手动状态时对调节阀进行人工设置等）；储罐将重力传递给称重传感器，称重传感器将作用于其的重力转换、放大为4～20mA称重信号，送至本仪器。经A/D转换输入，每4s采集一次称重信号，共保存31次采集重量数据（2min时间采集的）：W（0），W（1），W（2），W（3），…，W（30）。流量F=[W(0)-W(30)] ×30kg/h，即2min时间内的重量变化乘以30等于物料每小时用量（即流量），每4s采集更新W（0），W（1），W（3），…，W（30），并由单片机进行运算处理，最后将罐重、储罐出口流量在显示器上显示、储罐出口最大流量等的设定。这些参数是利用触摸开关设定并需要掉电保护的。

二、系统硬件设计

系统硬件框图如图2所示。

（1）单片机控制系统。采用ATMEL公司的AT89C52作为控制器。它是一种低功耗、高性能，片内含8KB闪速可编程/擦除只读存储器的八位CMOS微控制器，与MCS-51单片机兼容。由于使用片内程序存储器，所以EA/VP接高电平。片内高端RAM区80H～FFH构成队列，按先进先出方式存放采集的重量数据W（0），W（1），W（2），W（3），…，W（30），供计算流量用，每个数据占3字节。流量F=[W(0)-W(30)] ×30kg/h，即为ΔW×30kg/h。

（2）接口芯片。采用RS-232接口芯片ADM101RE接收上位机的自动阀位信号。本仪器的流量、重量数据也由此上传至上位机，以便进行整个系统的优化。

（3）数据采集。数据采集电路由称重传感器、放大电路、A/D转换电路组成。考虑到储罐最大重量为60Δ10 3kg，因为流量F=ΔW×30kg/h，为满足储罐出口流量检测精度为±0.1kg/h的要求，储罐的重量检测精度应达到±0.001kg，我们采用了AD7714A/D转换电路。AD7714是美国AD公司推出的一种高分辨率24位模数转换器件，灵活的串行接口使AD7714可很方便地与微处理器或移位寄存器相连接。由于AD7724采用了∑-Δ转换技术，使它不受噪音环境的影响。在测量的准确性和精确度上都达到了相当高的要求。

（4）阀位控制。根据上位机的自动阀位信号或手动状态时阀位信号，运算后经12位D/A转换器MAX538输出。MAX538是串行器件，线性度好。MAX538的输出经V/I变换器AD694转换为4～20mA的标准电流信号去控制所控储罐的出口调节阀的阀位开度。

（5）数码显示。储罐重量用6位显示，精确到0.1kg；储罐出口流量用4位显示；上位机阀位开度和手动阀位开度%分别用3位显示（1位小数）。采用两片串行输入显示驱动接口芯片MAX7219，其硬件开销小，且编程简单。

（6）设定参数。生产线不同，储罐的最大重量、储罐出口最大流量等都不相，为此，采用串行EEPROM 24LC01存储工况参数。这些参数是通过触摸开设定的，有三位触摸开关。在正常工作时，状态开关用于手/自动切换，1位增加键和1位减少键用于手动状态时阀位的设定。设定参数时，双键按下进入设定参数状态，操作增加键和减少键进行参数设定，并由双键按下确认。设定的参数在24LC01中分3个区域存放，以3中取2方式读取，以保证正确率，用于计算。

串行器件的选用和系统的硬件简单，调试方便。

三、系统软件设计

软件系统由主程序和若干子程序组成。有触摸开扫描子程序、定时中断服务子程序。还有几个主要的功能模块：A/D转换模块、数字滤波模块、显示模块、阀位输出模块等。系统程序都固化在AT89C52片内Flash中。系统开机后，首先执行初始化程序，包括各标志位的设置、自检、触摸开关扫描等。主要工作在定时中断服务子程序中进行，如数据采集、与上位机进行信息通信、显示上位机阀位开度、手动阀位开度百分数、储罐重量、储罐出口流量。定时中断服务子程序框图如图3所示。

四、抗干扰措施

因为使用环境存在多种干扰源，如噪音干扰、电磁干扰、电压波动大等，尤其是大量使用的变频器。我们从硬件、软件两方面采取了一些措施。

（1）硬件方面：①输入输出用光电隔离，另外，串行器件的使用，带来极大的方便；②在电源方面采用特殊设计的开关电源，能适应较宽的电网电压波动，可承受瞬间浪涌冲击；③采用多级去耦，电路中每片集成电路芯片引脚上均加1个0.01μF的瓷片电容；④应用看门狗电路，采用看门狗集成电路IMP706（IMP706是IMP公司推出的高性能、低价格、低功耗8脚双列直插芯片，具有看门狗功能及电源电压监控功能，见图2）。

（2）软件设计方面：①配合看门狗电路，有死机拦截程序；②有参数自动修正程序；③编写必要的异常处理程序、自诊断程序；④在信号处理程序中，有多种软件滤波和防干扰处理。

结束语

本仪器运行稳定，可靠性高，现场操作方便，易于掌握，效果好。所采用的方法和技术 也可供其他数据采集系统和智能仪表设计时参考。