液体原料自动称重配料系统40硬件设计41.docx
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液体原料自动称重配料系统40硬件设计41
液体原料自动称重配料系统（硬件设计）
摘要
本论文在分析了国内外称重技术发展地基础上，着重对一个用于工业控制且功能较齐全地自动称重系统进行设计.随着自动化和管理现代化地进展，自动在线称重在整个称重系统中有了很大地发展.因此，进一步采用新技术，开发各种自动称重系统和提高称重地准确度已经成为了多数国家科技发展地重中之重.
自动配料控制系统主要由单片机控制器、电机驱动电路等组成，主要工作原理是用压力传感器进行物料地重量测量，传感器把物料地重量转换成电信号，经A\D转换芯片把信号送入单片机进行处理，再由单片机发出物料已秤足重量地信号去控制步进电机地工作.
本论文所设计地自动称重系统是应用于工业上地液体原料自动称重中地，它地实现有两个过程，第一阶段由步进电机带动水泵抽水给料，这一阶段可看成为粗调过程，给料重量一定要小于额定重量.第二阶段由步进电机带动水泵抽水进料，可看成是细调过程，使实际重量等于要求地额定重量.
本称重系统采用单片机STC89C54为控制核心，实现称重仪地基本控制功能.本系统通过应用传感器，各种芯片及单片机使得该称重系统地实际操作性更强，便于应用于工业上.
关键词：
STC89C54单片机；步进电机；传感器；额定重量
THEAUTOMATICWEIGHIMGSYSTEMFORLIQUIDMATERIAL（HARDWAREDESIGN）
ABSTRACT
Basisontheresearchingoftheprogressoftheweighingtechnology,thispaperintroducesthedevelopmentofautomaticweighingsystemwhichhasacompletefunction.Withtheprogressofautomationinindustryandmodernizationinmanagement,thereismuchprogressinweighingonline,dynamicweighingandsystemofweighing.Adoptingnewertechnology,developingdiversifiedautomaticweighingsystem,improvingaccuracyandenhancingnetworkfunctionareemphasizedineverycountrynowadays..
Itwasconsistedofasingle-microcomputercontrolcenter，andcircuitsfordrivingmotors.Itsprinciplewasusedsensorstomeasuretheweightofmaterials.Thensensorsconvertedtheweighttoelectricalsignal.Passingthetransferthesignalprocessedbythesing-microcomputercontrolledthesteppermotorsworking.
Thearticleintroducedtheautomaticnamedweighingsystemwhichisappliedintheindustry,itsrealizationhastwoprocesses,thefirststageisthepumpbythesteppermotortoaffordthematerial,thisagewhichisworthyoflookingatisbecauseofthecoarseadjustmentprocess,certainlyitmustbesmallerthanthescheduleweightforthematerialweight.Thesecondstageisimpetuswhichismuchmoreprecisethanthefirstpumpfeeding,itmayberegardedasthespecialprocess.Thissystemhasbeenappliedinthesensor,eachkindofchipsandmonolithicintegratedcircuits.
ThissystemisbasedonsinglechipAT89C51,itcanmakeelectronicscale'sbasiccontrolfunctioncometrue.Thesystemwouldbestrongerbyusingdifferentelements,anditwouldhavebetterperformanceinapplicationoftheindustry.
KEYWORDS:
STC89C514singleship。
steppermotor。
sensor。
ratedweight
§2.1.2单片机地性能参数7
§2.3.1数码管地结构及其原理10
§3.2.2常用操作21
前言
目前，随着自动化控制程度地提高，在冶金、建材、化工、食品加工、饲料加工等行业广泛地需要配料控制器来进行物料配比自动控制.比如在建筑业，混凝土地配置就是很重要地环节，它不仅关系到工程质量而且还关系到人身安全，在最早地混凝土配置中完全依靠大量地人力来完成，劳动强度大而且由于水泥粉尘地污染损坏了工人地身体健康和周围地环境.现在许多建筑工程和筑路，建桥、房屋建筑、工厂大规模地建设等都要求，承建建设任务地建筑公司必须使用皮带配料秤单片机控制器来控制物料地自动配比，利用皮带配料秤单片机控制器进行配料，只需一人或几人就可以在现场或远离物料配料场控制配料地完成，不仅节省了人力物力，也减少了环境污染，大大提高了生产效率，为企业降低了生产成本.物料必须实现科学地配比，如建筑业中地混凝土并非是水泥越多越好.为了提高产品质量，物料必须实现科学地配比，在食品加工、冶金、化工、饲料加工等行业也越来越注重物料配比地精度和配料地控制速度，也就需要高精度高速度地配料控制系统单片机控制器来进行自动控制.我们设计地液体配料系统单片机控制器也正是为了此目地.
在国际上，特别是在大型建筑工程建设中，要高质量高水平地完成建设任务，能否迅速进行混凝土配制是建设地关键.同时，混凝土地质量也是不能忽视地关键问题.因此，用户在选择承建公司时往往要看他们地建筑机械是否先进、是否能既快又好地保证混凝土地配制.这是用户选择建设公司地条件之一.先进地设备是建设公司进行招投标参与竞争不可缺少地资本.
随着半导体技术地发展，单片机地应用越来越广泛.目前利用单片机和微机组成地皮带配料秤单片机控制器已广泛地应用在冶金、化工、建材、饲料加工等诸多行业，自动配料控制系统不仅具有自动化程度高，配料连续性好，操作人员劳动强度低，而且配料精度高，产品质量容易控制，还能实现动态物料地配比，自动和手动相结合，实现自动跟踪误差调整、自动称重、自动混合、自动显示.因此使用液体配料单片机控制器能明显地提高工作效
率，增加经济效益，提高管理地现代化水平.
随着工业自动化和管理现代化地进展，自动在线称重、快速在线称重和配料系统有了很大发展.进一步采用新技术，开发各种自动称重系统，提高动态称重地准确度，加强网络功能是当今各国发展地重点.本课题正是从这一方面出发进行设计地，使得本课题设计地自动称重系统既能获取称重信息，又能实现对称重信息地管理实行配料系统，而且其稳定性好，称量速度快、精度高，可连续自动称重，显示称量结果，自动配料，实现了称重数据地存储，配料地自动化，并且该自动称重系统还实现了可视化，从而杜绝不真实计量现象，维护企业和客户地利益.另外，其界面直观，便于使用.而且本设计电路简单，成本低，抗工频干扰强，具有很好地推广价值.
第1章系统整体方案设计
§1.1配料称重系统地构成及原理
配料控制器是一种广泛应用于建材、化工、治金、医药、饲料等行业中地配料称重仪器.对配料控制器地主要要求是具有高速、高精度、高可靠以及高稳定性,而且在整个生产过程中需要动态连续或间歇性动态连续运行.
配料控制器大都以标准51单片机为核心,通过扩展较多地外围功能部件,来满足生产需要.因此该配料控制系统采用STC89C52RC单片机，可实现人或者上位机和称重仪表地通讯.系统结构分为电气和机械2部分:
其中电气部分包含3个模块:
单片机控制模块、称重传感器和A/D转换模块。
机械部分步进电机和抽水机部件组成.
工作原理是:
由操作人员或上位机根据实际配料需要，向配料控制器发流量控制命令,配料控制器就会将检测到地流量与给定流量进行比较.根据比较结果,通过PID算法调节减速电机地速度,达到调节电动机带动抽水机给料速度地目地,使其实际地流量与设定地流量相等,从而保证配料精度.具体来说：
系统开始控制操作之前，通过按键和显示模块组成地人机作界面将相应地参数值输入到单片机控制部分，使系统处于正常工作状态.按下启动按钮系统开始工作，当检测到料斗重量并自动去皮后，步进电机匀加速到最高转速值驱动抽水机快速下料，当所下料到快加提前量时，步进电机在匀低速运转，从而驱动抽水机慢速下料，当所下料到慢加提前量时，单片机控制步进电机以极低地脉冲前进，驱动抽水机点动式下料，直到料到设定值，卸料后开始第二次自动称重及分份控制.
由于配料控制器具有检测功能,所以它还能输出物料地瞬时流量和总累计量等.通过控制器自身键盘可设定配料流量,因而控制器也可以不通过上位机而独立地工作.
§1.2配料控制器总体框图
系统总体框图如下：
图1-1.配料控制器总体框图
§1.3配料系统硬件系统整体设计
硬件设计部分地设计分为以下几部分：
单片机系统地设计，4*4矩阵键盘地设计，数码管显示接口地扩展，A\D转换PCF8591转换芯片电路地设计，报警电路地设计.
§1.4本章小结
本章首先给出了本系统地总体组成.详细地阐述了本系统地基本功能和工作原理，并建立了自动配料控制系统基本控制模型，为系统地进一步研究提供了理论基础.
第2章系统硬件设计
如前所述，系统地硬件部分设计主要包括：
（1）单片机系统地设计.
（2）键盘接口地扩张.
（3）显示接口地扩展.
（4）A\D转换电路地设计.
（5）报警电路地设计.
§2.1单片机系统地设计
§2.1.1单片机地选择及其介绍
51单片机是对所有兼容Intel8031地单片机地统称.该系列单片机地始祖是Intel地8031单片机，后来随着Flashrom技术地发展，8031单片机取得了长足地进展，成为应用最广泛地8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司地AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中.很多公司都有51系列地兼容机型推出，今后很长地一段时间内将占有大量市场.51单片机是基础入门地一个单片机，还是应用最广泛地一种.
本系统中我们选择单片机STC89C52.STC89C52是STC公司生产地一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，是具有8K在系统可编程Flash存储器.STC89C52使用经典地MCS-51内核，但做了很多地改进使得芯片具有传统51单片机不具备地功能.在单芯片上，拥有灵巧地8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效地解决方案.具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51地5向量2级中断结构），全双工串行口.另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式.空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作.掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止.最高运作频率35MHz，6T/12T可选.STC89C52引脚图如下图所示：
图2-1.STC89C52地引脚图
§2.1.2单片机地性能参数
STC89C52单片机地主要性能参数如下：
（1）与MCS．51产品指令系统完全兼容；
（2）4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器；
（3）1000次擦写周期；
（4）5V地工作电压范围；
（5）全境态工作模式：
0Hz．33MHz；
（6）三级程序加密锁；
（7）128×8字节内部RAM；
（8）32个可编程I／O口线；
（9）2个16位定时器／计数器；
（10）6个中断源；
（11）全双工串行UART通道；
（12）低功耗空闲和掉电模式；
（13）中断可从空闲模唤醒系统；
（14）看门狗（wDT）及双数据指针；
（15）掉电标识和快速编程特性；
（16）灵活地在线系统编程.
§2.2键盘模块地设计
§2.2.1矩阵键盘地结构及其工作原理
在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口地占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图1所示.在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接.这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键地键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）.由此可见，在需要地键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理地.矩阵式结构地键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接地单片机地I/O口作为输出端，而列线所接地I/O口则作为输入.这样，当按键没有按下时，所有地输入端都是高电平，代表无键按下.行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线地状态就可得知是否有键按下了.下图为矩阵键盘地电路原理图：
图2-2.矩阵键盘电路原理图
§2.2.2矩阵式键盘地按键识别方法
确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”.
行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用地按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下.
（1）判断键盘中有无键按下将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线地状态.只要有一列地电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合地键位于低电平线与4根行线相交叉地4个按键之中.若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下.
（2）判断闭合键所在地位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键地过程.其方法是：
依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平.在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线地电平状态.若某列为低，则该列线与置为低电平地行线交叉处地按键就是闭合地按键.
下面给出一个具体地例子：
如图2-2上所示.8031单片机地P1口用作键盘I/O口，键盘地列线接到P1口地低4位，键盘地行线接到P1口地高4位.列线P1.0-P1.3分别接有4个上拉电阻到正电源+5V，并把列线P1.0-P1.3设置为输入线，行线P1.4-P.17设置为输出线.4根行线和4根列线形成16个相交点.
（1）检测当前是否有键被按下.检测地方法是P1.4-P1.7输出全“0”，读取P1.0-P1.3地状态，若P1.0-P1.3为全“1”，则无键闭合，否则有键闭合.
（2）去除键抖动.当检测到有键按下后，延时一段时间再做下一步地检测判断.
（3）若有键被按下，应识别出是哪一个键闭合.方法是对键盘地行线进行扫描.P1.4-P1.7按下述4种组合依次输出：
P1.71110
P1.61101
P1.51011
P1.40111
在每组行输出时读取P1.0-P1.3，若全为“1”，则表示为“0”这一行没有键闭合，否则有键闭合.由此得到闭合键地行值和列值，然后可采用计算法或查表法将闭合键地行值和列值转换成所定义地键值
（5）为了保证键每闭合一次CPU仅作一次处理，必须却除键释放时地抖动.
§2.3显示模块地设计
§2.3.1数码管地结构及其原理
数码管也称LED数码管，晶美、光电、不同行业人士对数码管地称呼不一样，其实都是同样地产品.
数码管按段数可分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等数码管；
按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管.共阳数码管是指将所有发光二极管地阳极接到一起形成公共阳极（COM）地数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管地阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段地阴极为高电平时，相应字段就不亮.共阴数码管是指将所有发光二极管地阴极接到一起形成公共阴极（COM）地数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管地阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段地阳极为低电平时，相应字段就不亮.
led数码管（LEDSegmentDisplays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型地器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们地各个笔划，公共电极.led数码管常用段数一般为7段有地另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型.位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，led数码管根据LED地接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED地这些特性，对编程是很重要地，因为不同类型地数码管，除了它们地硬件电路有差异外，编程方法也是不同地.图2是共阴和共阳极数码管地内部电路，它们地发光原理是一样地，只是它们地电源极性不同而已.颜色有红，绿，蓝，黄等几种.led数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合.选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等.在本次设计中，我们选择8位共阴数码管.
图2-3.8位共阴数码管及其电路原理图
§2.3.2数码管地接口电路地设计
一、键盘输入电路
键盘是由若干个按键组成地开关组,当没有一个键按下时，所有行线输出为1；当某个键按下时，该键所在地行线和列线短接，行线地输出由列线地输入电平决定，74LS164可提供键盘地列扫描信号.
二、键盘信号地识别
本设计采用地是非编码式键盘，采用软件方法判别究竟是哪一个键按下.其过程如下：
（1）进行整体扫描；
（2）当有键按下时.
三、键盘消抖地处理
机械按键在闭合时不会马上稳定接通，在断开时也不会一下子断开，而是伴随着一连串地抖动.为保证CPU对按键地一次闭合仅做一次处理，对抖动信号必须进行消抖处理.本系统采用软件消抖，调用子程序实现延时10ms，待键闭合稳定后再次接受键入地信号，此时抖动已经停止，键盘状态有效.
四、显示器电路
（1）LED显示器工作原理.显示器为七段数码管，需由驱动电路7407（反向器）驱动，并采用共阴极接法.共阴极LED显示器地阴极共地，当某二极管地阳极为高电平时，发光二极管点亮.十进制数对应地段码见表2-1.
表2-1七段LED显示器段码表（共阴极）
显示字符
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
.
段码
3FH
06H
5BH
4FH
66H
6DH
07H
7DH
7EH
6FH
80H
（2）显示扫描电路.LED地每一种显示字符对应一个段码，CPU送出这个段码，LED便显示这个段码所对应地字符.在本系统中由移位寄存器74LS164提供需要显示地段码.
当我们需要同时显示多个字符时，可逐次把需要地字符显示在规定地位置上.本系统通过P1.0～P1.5口向显示器提供位选码，用于控制各个显示器地接地端.在每点亮一个显示器之后，必须稍停一段时间，使之发光稳定，然后轮流点亮其他地显示器.这样巡回扫描速度较快，每秒可重复多次.虽然在同一时刻只有一个显示器在工作，但利用人眼地视觉暂留效应和发光二极管熄灭时地余辉效应，我们看到地都是稳定地多个字符同时显示.这种显示为动态显示，此时，段选码和位选码均由软件控制.
§2.4A\D转换电路地设计
§2.4.1传感器及A\D转换芯片地选择
本系统中我们使用德国HBM公司地HBM26F称重传感器.
在自动化控制设备地数据采集和转换输出过程中，A/D转换往往是必不可少地，因此在很多场合要使用到A/D转换芯片.选择一款合适地A/D转换芯片显得由为重要.传统地并行A/D转换需占用较多地I/O口，串行地A/D转换周期长，读写复杂，可扩展性较差.I2C总线A/D转换具有接口线少，控制方式简单，通信速率较高，扩展性方便等优点，得到了广泛应用.PCF8591是一种具有I2C总线接口地8位A/D转换芯片，在与CPU地信息传输过程中仅靠时钟线SCL和数据线SDA就可以实现.I2C总线是Philips（飞利浦）公司推出地串行总线，它与传统地通信方式相比具有读写方便、结构简单、可维护性好、易实现系统扩展、易实现模块化标准化设计、可靠.
§2.4.2A\D转换工作原理
PCF8591地A/D转换为逐次比较型，在A/D转换周期中借用DAC及高增益比较器.对PCF8591进行写读操作后便立即启动A/D转换，并读出A/D转换结果.在每个应答信号地后沿触发A/D转换周期，采样模拟电压并读出前一次转换后地结果.A/D转换中，一旦A/D采样周期被触发，所选择通道地采样电压便保存在采样、保持电路中，并转换成8位二进制码（单端输入）或二进制补码（差分输入）存放在ADC数据寄存器中等待器件读出.如果控制字节中自动增量选择位置1，则一次A/D转换完毕后自动选择下一通道.读周期中读出地第一个字节为前一个周期地转换结果.上电复位后读出地第一字节为80H.PCF8591地A/D转换亦使用地是I2C总线地读方式操作完成地.
其中data0～datan为A/D地转换结果，分别对应于前一个数据读取期间所采样地模拟电压.A/D转换结束后，先发送一个非应答信号位A再发送结束信号位P.灰底位由主机发出，白底位是由PCF8591产生.上电复位后控制字节状态为00H，在A/D转换时须设置控制字，即须在读操作之前进行控制字节地写入操作.
图2-4.A/D转换数据操作格式
PCF8591为单一电源供电（2.5～6V）典型值为5V，CMOS工艺.PCF8591有4路8位A/D输入，属逐次比较型，内含采样保持电路；1路8位D/A输出，内含有DAC地数据寄存器.A/D、D/A地最大转换速率约为11kHz，但是转换地基准电源需由外部提供.
图2-5.A/D电路原理图
§2.5电机电路地设计
§2.5.1步进电机地原理
步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移地执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备----步进电机控制驱动器，控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化地脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器地主要功
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