组合秤控制系统的研究与设计

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在硬件电路部分完成以后，还要编写出组合秤的软件控制系统才能够让其正常工作。
编写组合秤的软件控制系统，首先需要为客户提供一个友好、直观的使用界面，使得整
个称重过程的操作和检测变得方便、直观，由于进行组合秤的操作的人员通常为普通的
工人，专业化程度一般不高，直观的使用界面能更利于他们的操作。其次，对组合秤的
整个称重过程实现自动化控制，包括系统自动给料、缓冲斗自动放料、称重斗自动称料、
进行组合计算和放料。除此之外还要对工作过程中的重要参数进行实时的监测和显示，
使得工作人员可以及时的查看工作状态。最后还需实现对组合秤的工作情况的检测，能
够在异常工作(例如卡料)时停机并报警，便于及时解决问题。

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系统通过称重传感器对物品进行称量，将重量引起的传感器信号以电信号的形式进
行输出，而后由变送器将模拟电压信号转化为4-20mA的标准电流信号。由AD采集模
块对输入的标准电流信号进行采集并将其转换为二进制的数字量信号，然后将其传递给
单片机。由STM32F 103ZET6将采集到的数据换算为重量并用递归法对重量进行组合计
算，选中满足要求的组合并控制电机将物料送出去，而后控制电机对料斗进行加料。

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根据实际生产中用户对于组合秤速度和精度性能的要求，组合计算分为高速度型和
高精度型两种类型。
高速度型指的是按照允许的误差区间开始执行程序后，按照顺序进行组合运算。一
旦出现允许误差范围内的组合，则停止本次组合，对合格组合进行输出并开始下一次的
组合。高速度型算法计算量比较小，可以节省大量的运算时间，极大地提高了组合秤的
组合速度。程序流程图如图4-1所示。

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高准确度型指的是按照允许的误差区间开始执行程序后，依次进行组合计算，直到
把所有的组合种类全部计算一遍，然后将满足要求的组合相互之间进行比较，选择其中
与目标重量偏差最小的组合进行输出。高准确度型算法最终选取的组合重量相较于高速
度型算法更接近于目标重量，但相对来说消耗时间较长，适合用于对精度要求很高的产
品。程序流程图如图4-2所示。

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ADS 125 8进行数据转换时有两种工作模式，自动扫描和固定通道模式。固定通道模
式在获取通道里面数据之前，先在地址寄存器设置中选择通道地址;自动扫描模式，在
地址寄存器设置中预先选择要测量的通道，当存在转换条件时，转换器会根据触发条件
自动测量并按照连续循环或脉冲步进方式通过通道。通过寄存器CONFI GO的位
MUXMOD设置转换模式的选择。这里我们选择采取自动扫描的工作模式。
ADS 1258提供16路模拟量输入端口，可以组合成8路差分或16路单端输入。本课
题采用AIN 0至AIN 15的16路单端输入，AINCOM为公共输入端。当通道数据就绪时，
DRDY置为低电平，同时，转换器指向下一个选定的通道。如果START引脚为高电平，
则开始新的通道转换。否则，如果引脚拉低，器件进入空闲模式。
芯片还兼容SPI总线，可以通过SPI串行接口进行操作。通过将数据写入到寄存器，
使用命令来控制转换器并最终读回通道数据。SPI接口由四个信号组成:}`S } SCLK. DIN
和DOUT，其中砚为片选信号，用来选中设备进行串行通信，低电平有效，高电平串口
被复位;SCLK为DIN和DOUT的时钟。该输入是一个施密特触发器输入，具有很高
的噪声免疫性。在SCLK的上升沿将数据移入DIN，并在SCLK的下降沿将数据从DOUT
移出，故应当尽量使SCLK保持干净，防止误插入数据:数据输入引脚(DIN)用于向
ADS 1258输入数据。数据输出引脚(DOUT)用于从ADS 1258输出数据。
从ADS 1258中进行数据读取有两种方式，直接读取数据和使用寄存器读取数据。
采用直接读取的方式时，D1N输入引脚在至少前三个SCLK变换时始终是无效的。当有
最初三位为000或川时，设备识别为直接读取数据模式，并继续输出转换数据。当设
备识别为直接读取数据模式之后，将会忽略此命令，直到孤被切换、发生SPI超时或器
件复位。在第一个SCLK转换的同时，通道数据在DOUT输出引脚上进行输出。在总共
24或32个SCLK转换期间完成数据读取操作，移位次数取决于状态字节是否被使能。
在下次D获DY信号到来之前，数据必须完全移出，否则剩余的数据将被破坏。故应当监测
D侧界以同步开始读取操作，避免数据损坏。在1}被再次置为低电平之前，将MSB的
状态字节和MSB数据字节从DOUT上移出，读取数据的时序图如图4-5所示。

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ADS 1258为24位模拟数字转换器，因此读取数据时需要3次才能够完全接收转换
好的数据，在数据接收的过程中，先是高位字节，然后是中间部分字节以及低位字节。
在24位数据中，后面的23位才是数据有效位，因为最高位是符号位，符号位为I表示
输入电压为负，0表示输入电压为正，正数据满量程为OX7FFFFF，负数据满量程为
OXBFFFFF。
ADS 1258进行数据读取的程序软件流程图如图4-6所示。在程序开始时，首先由
STM32将芯片下引脚拉高复位然后拉低选中芯片，将START引脚置低停止转换器:通
过SPI串口下达指令给AD芯片从而进行寄存器的设置，通过设置寄存器MUXNIOD=0
将工作模式设置为自动扫描模式，设置寄存器DRATE[ 1川使转换器速率为23.7kSPS o
寄存器配置完成并进行数据校验过后，将START引脚拉高开启AD转换器，当数据转
换完成后将万万对引脚拉低，STM32主控板通过SPI接口读取通道数据过的AD转换值。

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在由于使用称重传感器产生的数据经过变送器电路由ADS 125 $进行采集，这里采
集到的数据为电信号，并不是重量信号，因此还需要将AD采样值进行标度换算转换成
重量，在下文上位机实时数据库部分介绍。
在组合秤工作过程中还需要对电机进行控制，当系统经过组合计算选择出满足要求
的组合过后需要对被选中的称重斗进行卸料。此时由STM32单片机控制步进电机进行
旋转动作。作为输出的执行元件，步进电机接收单片机发出的方波脉冲信号后，由驱动
器进行步距角的细分和脉冲调节，之后驱动电机完成旋转动作。当电机旋转时，电机轴
带动套在它上面的曲拐进行旋转，搭放在曲拐上的活动杆随之上下动作，从而带动料门
的开启。因此在组合称重控制系统中，步进电机只执行一定角度的带有正反转的旋转动
作。
实际测得，步进电机驱动器设置细分数为2/A、电流设为1.0A时步进电机转动平
稳，料斗开合速度快且声音平稳，碰撞声音较小。此时单片机输出400个脉冲电机转动
一圈。

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