储粉仓粉位高度控制系统.docx
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储粉仓粉位高度控制系统
课程设计说明书
学生姓名:
学号:
学院:
自动化工程学院
班级:
题目:
储粉仓粉位高度控制系统
指导教师:
职称:
2015年6月2日
1.设计方案
利用单片机为控制核心,设计一个对锅炉煤粉粉位进行监控的系统。
根据监控对象的特征,要求实时检测煤粉的粉位高度,并与开始预设定值做比较,由单片机控制固态继电器的开断进行粉位的调整,最终达到粉位的预设定值。
检测值若高于上限设定值时,要求报警,断开继电器,控制送粉器停止送粉;检测值若低于下限设定值,要求报警,开启继电器,控制送粉器开始送粉。
现场实时显示测量值,从而实现对煤粉粉位的监控。
2.1流程框图
煤粉粉位
ZNZC煤粉仓重锤料位计
ADC0809
8051
键盘
蜂鸣器
存储器
数码管
DAC7512N/50
送粉器
图1锅炉粉位自动控制系统工作流程框图
2.2工作原理
基于单片机实现的液位控制器是以AT8C951芯片为核心,由键盘、数码显示、A/D转换、传感器,电源和控制部分等组成。
工作过程如下:
煤粉粉位位发生变化时,由测量粉位的传感器ZNZC煤粉仓重锤料位计测出,并转化为4-20MA标准信号送入A/D转换器,A/D转换器把模拟信号变成数字信号量,由单片机进行实时数据采集,并进行处理,根据设定要求控制输出,同时数码管显示粉位高度。
通过键盘设置粉位高、低和限定值以及强制报警值。
该系统控制器特点是直观地显示粉位高度,可任意控制粉位高度。
3.硬件设计
液位控制器的硬件主要包括由传感器(带变送器)、单片机、键盘电路、数码显示电路、A/D转换器和输出控制电路等。
3.1传感器
ZNZC重锤式料位计主要用于测量料仓及各种储料罐中的物料高度,使用户可靠的掌握料仓中的料位.可用来测量各种复杂环境料仓的料位,包括粉状,颗粒状及块状物料等介质.广泛应用于化工,食品,冶金,水电,水泥,塑料,采矿及其他工业领域.。
总览重锤式料位计由机械传动部分,仪表控制部分,探测锤三部分组成。
特点设计结构新颖,功能强大.可实现24小时自动测量。
图1ZNZC引脚图
表1ZNZC传感器参数
参考操作条件
环境温度:
-5℃~+60℃
最小介质密度:
300g/L (更小密度需定制)
最小测量时间间隔:
测量高度 5m 3m
测量高度 10m 6m
测量高度 20m 12m
测量高度 30m 18m
机械传动部分
测量范围:
最大30m
测量精度:
±0.08m
测量速度:
0.15m/s
钢丝绳直径:
2mm
钢丝绳材质:
304不锈钢
探测锤重量:
2Kg
整机重量:
30Kg
仪表控制部分
供电电压:
AC220V,50Hz
功耗:
75W
信号输出:
4~20mA
显示:
4位LCD
重量:
3Kg
3.2单片机电路设计
3.2.1AT89C51功能及引脚分布
本次课程设计基于AT89C51单片机,AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
引脚分布如下图3.2.1所示:
图3.2.1AT89C51及引脚分布
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
3.2.2振荡方式的选择
本次设计用到的是内部振荡方式,这种方式下在X1和X2两端跨接石英晶体及两个电容,如下图所示,这样就和内部的反响放大器构成稳定的自己振荡器。
电容C1和C2通常取30pF,可稳定频率并对正当频率有微调作用。
接线图如下:
图3.2.2内部振荡方式
3.2.3复位电路的设计
复位电路的基本功能是:
系统上电时提供复位信号,直至系统电源稳定后,撤销复位信号。
为可靠起见,电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
图1所示的RC复位电路可以实现上述基本功能,图3为其输入-输出特性。
但解决不了电源毛刺(A点)和电源缓慢下降(电池电压不足)等问题而且调整RC常数改变延时会令驱动能力变差。
左边的电路为高电平复位有效右边为低电平Sm为手动复位开关Ch可避免高频谐波对电路的干扰。
电路图如下:
图3.2.3复位电路
3.3AD转换电路的设计
本次课程设计使用AD转换器件是ADC0809,ADC0809是8路模拟信号的分时采集,片内有8路模拟选通开关,以及相应的通道抵制锁存用译码电路,其转换时间为100μs左右,ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装,其引脚分布图如下:
图3.3AD0809引脚图
3.3.1A/DC0809主要信号引脚的功能
IN7~IN0——模拟量输入通道
ALE——地址锁存允许信号。
对应ALE上跳沿,A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
START——转换启动信号。
START上升沿时,复位ADC0809;START下降沿时启动芯片,开始进行A/D转换;在A/D转换期间,START应保持低电平。
本信号有时简写为ST.
A、B、C——地址线。
通道端口选择线,A为低地址,C为高地址,引脚图中为ADDA,ADDB和ADDC。
其地址状态与通道对应关系见表9-1。
CLK——时钟信号。
ADC0809的内部没有时钟电路,所需时钟信号由外界提供,因此有时钟信号引脚。
通常使用频率为500KHz的时钟信号
EOC——转换结束信号。
EOC=0,正在进行转换;EOC=1,转换结束。
使用中该状态信号即可作为查询的状态标志,又可作为中断请求信号使用。
D7~D0——数据输出线。
为三态缓冲输出形式,可以和单片机的数据线直接相连。
D0为最低位,D7为最高
OE——输出允许信号。
用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=0,输出数据线呈高阻;OE=1,输出转换得到的数据。
Vcc——+5V电源。
Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较,作为逐次逼近的基准。
其典型值为+5V(Vref(+)=+5V,Vref(-)=-5V).
3.3.2A/DC0809与AT851单片机的连接
电路连接主要涉及两个问题。
一是8路模拟信号通道的选择,二是A/D转换完成后转换数据的传送。
ADC0809与AT89C51单片机的连接图如下:
图3.3.2.1ADC0809与AT89C51单片机的接线图
如图3.2.2.2所示模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即(P0.0、P0.1、P0.2),而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制,则8路模拟通道的地址为0FEF8H~0FEFFH.此外,通道地址选择以WR作写选通信号,这一部分电路连接如图所示。
图3.2.2.2模拟通道选择信号接线图
从图中可以看到,把ALE信号与START信号接在一起了,这样连接使得在信号的前沿写入(锁存)通道地址,紧接着在其后沿就启动转换。
启动A/D转换只需要一条MOVX指令。
在此之前,要将P2.0清零并将最低三位与所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针DPTR中。
例如要选择IN0通道时,可采用如下两条指令,即可启动A/D转换:
MOVDPTR,#FE00H;送入0809的口地址
MOVX@DPTR,A;启动A/D转换(IN0)
注意:
此处的A与A/D转换无关,可为任意值。
3.3.3转换数据的传送
A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。
数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成,因为只有确认完成后,才能进行传送。
为此可采用下述三种方式。
1)定时传送方式
对于一种A/D转换其来说,转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。
例如ADC0809转换时间为128μs,相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。
可据此设计一个延时子程序,A/D转换启动后即调用此子程序,延迟时间一到,转换肯定已经完成了,接着就可进行数据传送。
2)查询方式
A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号,例如ADC0809的EOC端。
因此可以用查询方式,测试EOC的状态,即可却只转换是否完成,并接着进行数据传送。
3)中断方式
把表明转换完成的状态信号(EOC)作为中断请求信号,以中断方式进行数据传送。
不管使用上述那种方式,只要一旦确定转换完成,即可通过指令进行数据传送。
首先送出口地址并以
信号有效时,OE信号即有效,把转换数据送上数据总线,供单片机接受。
不管使用上述那种方式,只要一旦确认转换结束,便可通过指令进行数据传送。
所用的指令为MOVX读指令,仍以图9-17所示为例,则有
MOVDPTR,#FE00H
MOVXA,@DPTR
该指令在送出有效口地址的同时,发出
有效信号,使0809的输出允许信号OE有效,从而打开三态门输出,是转换后的数据通过数据总线送入A累加器中。
这里需要说明的示,ADC0809的三个地址端A、B、C即可如前所述与地址线相连,也可与数据线相连,例如与D0~D2相连。
这是启动A/D转换的指令与上述类似,只不过A的内容不能为任意数,而必须和所选输入通道号IN0~IN7相一致。
例如当A、B、C分别与D0、D1、D2相连时,启动IN7的A/D转换指令如下:
MOVDPTR,#FE00H;送入0809的口地址
MOVA,#07H;D2D1D0=111选择IN7通道
MOVX@DPTR,A;启动A/D转换
3.4键盘输入电路的设计
3.4.1按键去抖
通常的按键所用开关为机械弹性开关,当机械触点断开、闭合时,电压信号小型如下图。
由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通,在断开时也不会一下子断开。
因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动,如下图。
抖动时间的长短由按键的机械特性决定,一般为5ms~10ms。
按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的,一般为零点几秒至数秒。
键抖动会引起一次按键被误读多次。
为确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理,必须去除键抖动。
在键闭合稳定时读取键的状态,并且必须判别到键释放稳定后再作处理。
按键的抖动,可用硬件或软件两种方法。
(1)硬件消抖:
在键数较少时可用硬件方法消除键抖动。
下图所示的RS触发器为常用的硬件去抖。
图3.3.1RS触发器硬件消抖
图中两个“与非”门构成一个RS触发器。
当按键未按下时,输出为1;当键按下时,输出为0。
此时即使用按键的机械性能,使按键因弹性抖动而产生瞬时断开(抖动跳开B),中要按键不返回原始状态A,双稳态电路的状态不改变,输出保持为0,不会产生抖动的波形。
也就是说,即使B点的电压波形是抖动的,但经双稳态电路之后,其输出为正规的矩形波。
这一点通过分析RS触发器的工作过程很容易得到验证。
(2)软件消抖:
如果按键较多,常用软件方法去抖,即检测出键闭合后执行一个延时程序,产生5ms~10ms的延时,让前沿抖动消失后再一次检测键的状态,如果仍保持闭合状态电平,则确认为真正有键按下。
当检测到按键释放后,也要给5ms~10ms的延时,待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。
3.4.2键盘扫描方法
扫描查询法,是一种最常用的按键识别方法,如下图所3.4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,然后检测列线的状态。
只要有一列的电平为低,则表示键盘中有键被按下,而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的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)判断闭合键所在的位置在确认有键按下后,即可进入确定具体闭合键的过程。
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,再逐行检测各列线的电平状态。
若某列为低,则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
图3.44×4键盘扫描法接口电路
3.5数显输出电路的设计
下图为并行输入硬件译码静态显示电路,采用锁存器MC14495将P1口低4位输出地BCD码译成七段字形段码,利用P1口高4位作为各锁存译码器的锁存信号。
CPU把送显数据写到锁存器后,对应的各位LED即可稳定显示。
图3.5硬件译码并行输入静态显示电路
4.软件设计部分
原理图绘制
系统框图: