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：