Автоматизированная система взвешивания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

по «Микропроцессорным системам в измерительной технике»

на тему «Автоматизированная система взвешивания»

г. Казань 2010 г



Задание

Необходимо разработать весоизмерительную систему для приемных бункеров муки складских помещений хлебозаводов.

Диапазон взвешивания от 100 до 20000 кг; относительная погрешность измерения не хуже 0,1 %; периодичность опроса одного измерительного канала 1 сек; число каналов - 8; длина линии связи не более 300 м.



Введение

В наше время, когда наука и техника достигли очень больших высот, становится возможным моделирование приборов, основанных на микропроцессорах и микроконтроллерах. На этих элементах цифровой электроники можно наряду с новыми аппаратами создавать давно известные, такие как вольтметры, частотомеры, электрические весы, но на базе контроллеров. У таких приборов множество преимуществ.

Например, полученные с них данные могут выводиться на экран дисплея или на жидкокристаллический дисплей, они более точны и более универсальны, т.к. перепрограммировав их, можно измерять параметры в других пределах, а если еще произвести небольшое усложнение схем, то можно добиться увеличения функциональных возможностей аппарата. В современных системах на различных производствах и т.п. повсеместно используют в виде посредника между датчиком и компьютером быстродействующие аппараты на основе микроконтроллеров. Такие аппараты значительно дешевле, чем на основе компьютеров, но по своим характеристикам не на много им уступают.

Также очень часто приборы на микропроцессорах используются в системах автоматического управления. Процесс протекает строго согласно программам, записанным в память процессоров.

Часто, приборы на микроконтроллере производят прием информации от датчика, преобразуют в определенный формат полученные данные, если необходимо - хранят данные, фильтруют, уплотняют и только после этого передают в компьютер.

Таким образом, компьютер не "отвлекается" от главного процесса, -вся "черновая" работа производится контроллером. Информация анализируется компьютером только в случае необходимости, или когда компьютер свободен. Микроконтроллер может даже генерировать прерывание, - такое необходимо, если поступила экстраординарная информация и требуется немедленная реакция на данное событие.

Целью данной работы является проектирование цифровых весов. Происходит анализ веса, пересчет (суммирование). Затем информация передается в компьютер.



1. Принцип действия устройства

Рис. 1.1.

На рисунке 1.1. изображена схема измерения веса вагона.

Пронумерованными стрелками показано направление потока информации от датчиков. Общее число датчиков выбрано - 8.

В данном случае необходимо 4 точки, т.к. возможно, что нагрузка на различные точки будет неравномерной, причем может очень сильно различаться. Весы двух платформенные - по этому, общее число точек контроля (датчиков) в два раза больше - 8 штук.

Так, как нагрузка распределяется между опорными точками, в которых расположены датчики, то каждый датчик преобразует частичный вес вагона. Для получения общего веса вагона необходимо просуммировать все частичные весы. Это можно сделать как до оцифровки, так и после. Оцифровка необходима для того, чтобы передать информацию (полученный вес) в компьютер. Причем данные в компьютер могут поступать в любой форме.

Предполагается располагать само устройство возле недалеко от платформ и рельсов. Дело в том, что полезный сигнал, снимаемый с датчиков очень мал (48...48000 мкВ). По этому, для уменьшения уровня помех и уменьшения потерь на соединительных кабелях расстояние должно быть малым. Само устройство подключается к компьютеру через последовательный порт.



1.1 Блок-схема устройства

Группа первичных преобразователей производит преобразование веса в соответствующие уровни напряжения. Далее нормирующие преобразователи формируют уровни напряжения Unorm для каждого канала в заданном диапазоне для того, чтобы напряжение было "удобным" для дальнейших с ним действий. Этот процесс происходит непрерывно и независимо от всех остальных.

В то же время происходит цифро-аналоговое преобразование выбранного канала. Причем используется один АЦП, поэтому сигналы мультиплексируются. Мультиплексор управляется микроконтроллером. Полученный код веса записывается в микроконтроллер. Затем, МК меняет адрес канала и процесс преобразования повторяется для нового канала. После того, как будут опрошены все каналы и будут записаны полученные коды, характеризующие частичный вес, происходит суммирование частичного веса. Эта сумма характеризует полный вес вагона.

Затем, данные с устройства передаются в последовательном коде в компьютер. Для этого используется драйвер последовательного порта RS-232. Программа-терминал на компьютере, при необходимости, считывает данные из буфера последовательного порта и высвечивает массу вагона на мониторе.

Рис 1.2

На рис. 1.2 показана схема калибровки системы

Калибровка в данном случае представляет собой коррекцию нуля - устройством учитывается вес платформы, рельсов и т.п.

Калибровка осуществляется автоматически и управляется микроконтроллером. Запуск коррекции осуществляется по нажатию кнопки оператора. При этом на мониторе компьютера должен показываться ноль. Следует отметить, что коррекцию производит непосредственно микроконтроллер по каждому каналу, причем компьютер в данной операции не участвует.

Наличие корректировки повышает точность измерения и повышает автономность (автоматичность) данной системы.

При необходимости можно сделать так, чтобы при калибровке, устройство посылало на компьютер "нулевой" вес - т.е. вес при отсутствии вагона - на компьютер. Это позволит контролировать правильность работы устройства.

весоизмерительный преобразователь мультиплексор микроконтроллер



2. Принцип действия блоков схемы

2.1 Первичный преобразователь

В роли первичного преобразователя выступает тензорезисторный мост. Исходя из количества тензодатчиков и максимальной массы взвешиваемого вагона выбираем тензодатчики типа ДСТВ -1 , рассчитанные на 20 тонн.

Система с такими тензодатчиками может взвешивать вагоны, массой до . При этом существует запас на 60 тонн. Этот запас необходим, т.к. возможно, что вес не будет равномерно распределен между контрольными точками (датчиками). К тому же в взвешиваемый вес будет включаться и вес платформ.

Здесь учитывается, также то, что при торможении поезда на платформу действует дополнительное усилие. Т.к. данные тензодатчики способны выдерживать дополнительную нагрузку на 50% от номинальной, то

,

что позволяет выдерживать общую нагрузку

, т.е. более, чем в 2 раза.

Основные параметры тензодатчиков ДСТВ - 1.

Табл. 2.1

Параметр	Значение
Номинальная нагрузка
Нижний предел измерения
Значение рабочего коэффициента передачи (РКП) при номинальной нагрузке
Значение начального коэффициента передачи (НКП) не более
Категория точности	0.1
Входное сопротивление
Выходное сопротивление
Наибольшее допустимое значение напряжения питания постоянного или переменного тока с частотой до 1.5 кГц
Допустимое значение перегрузки, процентов выше номинальной нагрузки кратковременной длительной	100% 50%
Предельный диапазон рабочих температур	-30С .... +50С
Габариты, (мм)	155 х 155 х 230

Рис. 2.1 Внешний вид и устройство

На рисунке 2.1 изображен чертеж тензодатчиков ДСТВ - 1.

Здесь 1 - это концентрическая упругая поверхность, чья деформация преобразуется с помощью тензорезисторов в электрический сигнал; 2 - корпус первичного преобразователя, служащий для защиты устройства от попадания внутрь твердых веществ и воды; 3 - трубка, защищающая соединительные провода.

При оказывании давления на концентрическую поверхность (1), она деформируется. На эту поверхность с внутренней стороны нанесены тензорезисторы. Причем тензорезисторы включены по схеме моста (рис. 2.1).

К тензорезисторам подводится напряжение , при этом, при условии максимальной нагрузки в на выходе моста будет напряжение, пропорциональное максимальной нагрузке .

Рис. 2.2 Тензорезисторный мост.

2.2 Расчет первичного преобразователя

Выбираем напряжение питания .

При этом, следуя формуле чувствительности тензодатчика

.

Это означает, что при номинальной нагрузке в на выходе первичного преобразователя будет .

Исходя из ТЗ необходимо, чтобы ошибка составляла 0.1%. Для получения такой точности вычислим минимальный шаг квантования :

2.3 Нормирующий преобразователь

Учитывая выходные параметры первичного преобразователя, выбираем усилительный элемент.

Т.к. полезный сигнал будет поступать с большим синфазным сигналом, приблизительно равным напряжению питания тензорезисторного моста , то необходимо, чтобы усилитель имел очень высокий уровень подавления синфазного сигнала.

Это соответствует

.

Значит, необходимо выбрать такой усилительный элемент, который обеспечивает ослабление синфазного сигнала минимум в .

Коэффициент усиления должен быть таким, чтобы максимальный уровень полезного сигнала усиливался до опорного напряжения АЦП, что соответствовало бы максимальному коду. Опорное напряжение выбираем стандартное . Тогда

Тогда выбираем т.н. инструментальный операционный усилитель фирмы BURR BROWN INA128.

В инструментальных усилителях коэффициент усиления задается с помощью подключения внешнего сопротивления RG, значение которого высчитывается для INA128 по следующей формуле

, где 

Тогда.

,

выбираем стандартное сопротивление .

Полученный коэффициент усиления будет равен

.

Такое значение допускается, т.к. первичный преобразователь выбирался с запасом, т.е. уровень полезного сигнала на выходе тензорезисторного моста не будет достигать своего максимального значения

.

Это соответствует нагрузке на все 8 датчиков

.

При этом остается запас .



2.4 Аналого - цифровой преобразователь

Аналого - цифровой преобразователь (АЦП) выбирается исходя из ТЗ.

Нам необходимо взвешивать груз с максимальной весом . При этом необходимо производить измерение с погрешностью 0.1%, что соответствует

.

Здесь - пересчетное значение младшего значащего разряда - шаг квантования. Для того, чтобы покрыть весь диапазон с шагом, равным минимальному шагу квантования необходимо сделать

шагов.

Это соответствует . Значит, сигнал необходимо оцифровывать с разрядностью 10. Это минимальное значение разрядности АЦП. В реальных условиях необходимо иметь запас. Поэтому выбираем разрядность АЦП - 12.

Частота дискретизации может быть любой, т.к. процесс измерения происходит в статике.

Выбираем АЦП фирмы BURR BROWN ADS7820.

Передача информации осуществляется в параллельном коде в микроконтроллер по управляющему сигналу с МК. Затем МК мультиплексирует входные сигналы и процесс повторяется.

После обработки всех линий, МК анализирует полученные данные. Причем в это время АЦП не выбран. Это означает, что его выходы находятся в высоко импедансном состоянии и при необходимости могут обслуживать другое устройство.

Рис. 2.4 Схема включения АЦП ADS7820.

Рис. 2.5. Внутренняя структура АЦП.

Для настройки данного АЦП на работу необходимо на выход BYTE подать сигнал низкого уровня. При этом на D0 ... D11 будет поступать код, соответствующий входному аналоговому преобразующему сигналу.

R/C - Чтение/Преобразование. При перепаде из ноля в единицу (положительном фронте) на этом входе разрешается считывание кода с параллельного порта. При перепаде из единицы в ноль (отрицательном фронте) запуск преобразования аналогового сигнала в код.

CS - Выбор кристалла. При логическом нуле на этом входе происходит активация АЦП. Вместе с R/C - запускает преобразование. При логической единице на этом входе происходит перевод всех линий параллельного порта в высокоимпедансное состояние.

BUSY - При запуске преобразования на этом выходе устанавливается логический ноль. Сброс нуля происходит, когда преобразование закончится.

Предлагается подвести от вывода R/C АЦП линию к выводу INT0 и INT1 микроконтроллера через логическую схему.

2.5 Выбор мультиплексора

Необходимо работать сразу с восемью аналоговыми сигналами. Для того, чтобы можно было оцифровывать все 8 сигналов одним АЦП необходимо использовать аналоговый мультиплексор. Необходимо, чтобы он мог пропускать напряжение до 2V.

Выбор канала должен осуществляться с помощью трех управляющих выводов, задающих номер канала. Этим будет заниматься микроконтроллер.

Выбираем мультиплексор фирмы BURR BROWN MPC508A.



Рис. 2.6 Внутренняя структура мультиплексора.

Рис. 2.7. Вариант схемы включения мультиплексор MPC508A.

2.6 Выбор микроконтроллера

Одним из самых распространенных микроконтроллеров на сегодняшний день является МК семейства MCS-8051, первоначально разработанные фирмой INTEL.

INTEL MCS-8051 предназначен для построения контроллеров и микро-эвм различного назначения, отличающихся низкими аппаратными затратами при сохранении универсальности и быстродействия. Область применения MCS-8051 - от локальных систем автоматики до устройств управления бытовыми приборами.

Основными программно-доступными устройствами MCS-8051 являются:

1) 8-разрядный аккумулятор а;

2) 8-разрядный вспомогательный регистр в;

3) триггеры признаков результата: C (переноса), AC(вспомогательного переноса), OV (переполнения), P (четности);

4) триггеры выбора банка рабочих регистров RS0 и RS1;

5) триггер программно-управляемого флага F0;

6) 16-разрядный счетчик команд PC;

7) 16-разрядный регистр указателя данных DPTR;

8) 8-разрядный регистр указателя стека SP;

9) внутренняя память программ емкостью 4 кбайт, расширяемая внешними устройствами до 64 кбайт;

10) внутренняя память данных емкостью 128 байт, в которой размещается от одного до четырех банков рабочих регистров R0-R7, область стека и побитово адресуемая область памяти;

11) внешняя память данных емкостью до 64 кбайт;

12) два программируемых 16-разрядных таймера-счетчика;

13) программируемый двухнаправленный последовательный порт ввода-вывода и соответствующие устройства управления;

14) четыре 8-разрядных двухнаправленных параллельных порта ввода-вывода;

15) двухуровневая приоритетная система прерываний.

Предлагвется использовать микроконтроллер MCS-8051 следующим образом:

Порт Р0 и Р2 будут работать с данными, поступающими с АЦП.

Порт Р1 будет настраивать мультиплексор и АЦП.

Калибровка системы будет производиться по сигналу с компьютера.

Калибровка, также, будет осуществляться по прерыванию INT0.

С помощью RxD и TxD будет осуществляться связь с компьютером.



Рис. 2.8 Внутренняя структура микроконтроллера INTEL MCS-8051.

Рис. 2.9. Микроконтроллер INTEL MCS-8051

2.7 Передача информации через последовательный порт

Рис. 2.10



На рисунке 2.7. изображена электрическая принципиальная схема передачи информации от микроконтроллера в последовательный порт компьютера посредством комплексного преобразования напряжений с помощью драйвера последовательного интерфйса RS232A.

Главная функция устройства RS232A - согласование напряжения между устройствами. Дело в том, что напряжения логической единицы и нуля для микроконтроллера и компьютерного COM - порта различаются по уровням и полярности напряжений.

Табл.2.5.

Логический Уровень	Уровень напряжения для МК	Уровень напряжения для COM
0	0 ... 0.4	+12V
1	4.75 ... 5.25	12V

Напряжение питания для RS232A - 5V.

Напряжение питания преобразовывается до уровня 12V. Затем в зависимости от того, какой логический уровень пришел на вход драйвера, ключи подключают к выходу напряжение необходимой полярности в соответствии с таблицей 2.7. Также, драйвер RS232A выполняет некоторые дополнительные функции - защищта от статического электричества, гальваническая развязка и т.д.

Следуя руководству по эксплуатации данного драйвера необходимо, чтобы номиналы всех конденсаторов С1 С4 были равны. Причем для RS232A С1 С4 равно 0.1 F.

Конденсатор Сst выбираем 10 F. Он служит для сглаживания случайных скачков напряжения питания RS232A.



2.8 Настройка контроллера на работу с последовательным портом

В данном микроконтроллере INTEL MCS-8051 есть специальные выводы RxD и TxD - линии, соответственно ввода и вывода информации, представленной в последовательном коде. Прием или передача информации программой осуществляется с помощью регистра SBUF.

Архитектура контроллера следующая. При передаче информации через последовательный порт в регистре SCON устанавливается флаг Т1,а при приеме информации - флаг R1. В регистре РCON находится бит SMOD, установка которого означает работу с удвоением частоты.

Для установки скорости передачи по последовательному порту необходимо записать в регистр счетчика TH1 и TL1 число N, определяемое по следующей формуле:

В этой формуле Fosc - частота резонатора (кварца)

SMOD - бит удвоения частоты

BR - Baud Rate, скорость передачи данных.

В нашем случае мы работаем без удвоения частоты, т.е. SMOD=0.

Частота резонатора Fosc = 8 MHz.

Скорость передачи данных BR = 300 Бод.

Формат посылки изображен на рисунке 2.8.



Рис. 2.11

Программирование микроконтроллера

Программа для микроконтроллера состоит из трех основных блоков:

Предварительная установка. Запускается по RESET или при включении питания микроконтроллера.

Измерение веса (считывания кодов с АЦП, обрабатывающего последовательно 8 аналоговых каналов). Запускается по сигналу INT0, соответствующему сигналу готовности данных на выходе микросхемы аналого-цифрового преобразователя.

Вывод информации на компьютер. Запускается по вызову из подпрограмм измерения веса или обработки последовательного порта (по получению управляющего сигнала с компьютера).

Калибровка. Считывание кодов с АЦП, обрабатывающего последовательно 8 аналоговых каналов. Причем полученный код считается соответствующим нулевому весу. Данные значения будут вычитаться в последствии из кода, полученного при измерении веса вагона. Запускается по сигналу INT1, соответствующему сигналу готовности данных на выходе микросхемы аналого-цифрового преобразователя.



3. Блок-схема предустановок(настроек)

Блок-схема вывода информации о весе в компьютер

3.1 Блок-схема передачи веса в компьютер

Примечание: здесь DWORD - начальный адрес двух ячеек памяти, в которых содержится младший и старший байты кода, соответствующего измеренному весу для канала(в данном случае - для первого).

Блок-схема автоматической калибровки

Блок-схема автоматической калибровки

Необходимо отметить, что подпрограмма калибровки запускается только по управляющему сигналу от компьютера. Дело в том, что если организовать запуск по включению, может оказаться, что на весах уже стоит вагон. При этом, на выходе устройства будет выдаваться код, соответствующий нулевому весу. Т.к. мы имеем дело с тяжелыми вагонами, может оказаться накладным откатывать вагон только для калибровки.

Калибровка должна производиться при отсутствии грузов (вагона и т.п.) на измерительной площадке.

Размещено на Allbest.ru