基于单片机C8051F350的弹簧片测试与分选系统

1F350单片机的Δ-Σ模数转换器，首先必须搞清楚特殊功能寄存器的各个位的确切含义，然后根据系统时钟频率，确定调制器时钟频率，计算出分频常数和抽取比常数，并对其进行正确设置。这些特殊功能寄存器共有11个，它们是：控制寄存器ADC0CN，配置寄存器ADC0CF，方式寄存器ADC0MD，时钟寄存器ADC0CLK，抽取比寄存器ADC0DECH/L，偏置寄存器ADC0DAC，缓冲寄存器ADC0BUF，输入选择寄存器ADC0MUX，状态寄存器ADC0STA，结果寄存器ADC0H/M/L，还有参考电压控制寄存器REF0CN等。

调制器的时钟频率MDCLK为2.4576MHz时，ADC的性能最佳，此时，调制器对输入信号的采样速率为：MDCLK/128=19.2kHz。考虑到系统对快速性的要求，设系统的时钟频率SYSCLK为49MHz，调制器取最佳时钟频率时，可计算出滤波器的抽取比OWR为20。当参考电压为内部2.5V时，测量计算公式为：

式中：F(mF)为压力毫伏数;ADC0为模数转换器读数;Vref为参考电压毫伏数。

3 弹簧片自动测试分选系统的硬件原理

图2所示是弹簧片自动测试分选系统的控制原理框图，单片机C8051F350是该系统的控制中心，由于其具有功能强大且灵活多变的接口配置功能，特别是具有24位Δ-Σ模数转换器接口，使得硬件电路不需要太多的外扩芯片，即可实现LCD液晶显示接口，LED指示矩阵接口及键盘扫描接口等，大大简化了系统结构。

荷重传感器的输出毫伏电压送到模拟输入端，经过24位ADC接口，单片机求得加力值，再根据步进电机的位移量，按照系统数学模型，计算出弹簧的弹性系数k和支撑力F。在完成一片弹簧片测试后，还需要将弹簧片按支撑力和弹性系数记入系统配对库中，以备将来进行配对操作。为了方便对一组弹簧片进行连续测试和装入系统配对库，系统的分选板上有一个10×20挂钉矩阵，每个挂钉位置旁边，都有一个LED指示器，挂钉矩阵的X坐标值代表支撑力F，Y坐标值代表弹性系数K，单片机以串行方式和矩阵逻辑电路连接。

4 测试系统的软件设计

本系统软件的设计采用了结构化、模块化的程序设计方法，由主程序、中断服务程序和功能子程序组成。主程序结构简明，主要完成对单片机系统及分选机构的初始化，对键盘的扫描，并跳转到相应的功能模块中去。中断服务程序主要包括ADC中断程序，步进电机变频驱动程序，键盘中断程序，分选机构程序等。子程序主要包括设置模块、测试模块、分选板驱动模块和校准模块，以及LCD和LED驱动子程序、复位和数学运算子程序等。

其中，校准模块是保证精确测量的关键，主要有砝码校准和零位校准。砝码校准用一个标准砝码对荷重传感器进行校准，零位校准通过对测试头机械部分的调试，得到弹簧片的压平位置并记忆。

设置模块用于设置分选板X方向的支撑力的原点和步距，以及Y方向的弹性系数的原点和步距，设置模块更重要的作用是通过对标准弹簧片的测量，得到一个支撑力和弹性系数的修正值并记忆，从而保证多台测试设备的测试数据，具有良好的一致性。

初始化Δ-Σ模数转换器是正确使用C8051F350单片机的关键。设系统内部时钟频率为49MHz，调制器的最佳时钟频率为2.4576MHz，则滤波器的抽取比为20，初始化程序如下：

ORL REF0CN，#01H ;选择内部参考电压

MOV ADC0CN，#10H;双极性，BURNOUT电流源关，增益为1

MOV ADC0CF，#00H;SINC3滤波器，内部参考电压2.5V

MOV ADC0CLK，#13H;设置调制器时钟分频

MOV ADC0DECH，#03H;设置抽取比寄存器

MOV ADC0DECL，#0BEH

MOV ADC0BUF，#00H;将输入缓冲器旁路

MOV ADC0MUX，#10H;选择双极性输入端

MOV ADC0MD，#81H;启动ADC0为内部校准方式

JNB AD0CALC，$;等待校准完成

ORL EIE1，#08H;允许 ADC0 中断

MOV ADC0MD，#80H;激活ADC0为空闲方式

CLR AD0INT;清中断标志位

MOV ADC0MD，#83H;启动ADC0为连续转换方式

5 结语

基于混合信号单片机C8051F350的弹簧片自动测试与分选系统的研制成功，解决了地震检波器生产领域里的难题，经过两年多的使用，该系统测控方案正确，精度达到了设计要求，即：弹性系数小于7.8g/mm，支撑力小于10g，K值全程分度0.05。由于主芯片集成度高，大大简化了系统，提高了稳定性和可靠性，对提高产品质量发挥了积极的作用。