基于AT90CAN128单片机高炉烧结配料系统信号采集部分精品.docx
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基于AT90CAN128单片机高炉烧结配料系统信号采集部分精品
题目：
基于AT90CAN128单片机高炉烧结
配料系统----信号采集部分
基于AT90CAN128单片机高炉烧结配料系统----信号采集部分
摘要
高炉烧结配料系统是指依靠调节带式输送机的速度来控制各种物料的进料量，完成对各种熟料的配比。
它将工业现场的各种物理量（模拟信号）通过传感器变为电信号，再经过A/D进行采样转换为数字量后，由计算机进行存储、处理、显示或打印。
整个系统由信息采集部分、PID过程控制部分和CAN总线通信三大部分来实现其功能，还可以在显示屏上查询各种物料的给定流量、实际流量及其误差等使用情况，尽早发现和消除隐患，实时处理故障，进一步提高了系统的可靠性。
我们的设计主要是针对信号采集部分的设计。
本系统是以AT90CAN128单片机为核心部件组成的一个简单数据采集系统。
该系统的主要部件有：
AT90CAN128、ULN2803、VFD、CS5523、LED、继电器等。
AT90CAN128是一款低功率CMOS8位的微处理器，这些功能为我们系统的实现提供条件。
该系统不但能对单路信号进行采集，而且还可以对多路信号进行循环采集，最多可采集4路。
既可以采集流量信号，同时也可以对开关等信号进行采集。
该系统性能稳定，具有一定得的抗干扰性，其采集精度也能够满足要求。
关键词：
AT90CAN128；配料系统；电子皮带称；信号采集
SinteringblastfurnacesystembasedonAT90CAN128single-chipmicrocomputer------Signalacquisition
Abstract
Sinteringblastfurnacesystemisrelyingonregulationtocontroltheconveyorspeedintothechargeofavarietyofmaterials,tocompleteavarietyofclinkerratio.Itcanchangeallkindsofphysicalquantitiesoftheindustrialsite（analogsignals）intoelectricalsignalsthroughsensors,andthen,afterA/Dsampleisconvertedtodigitalvalue,tostore（information）,process,displayorprintinacomputerorsystem.Theentiresystemismakeupofinformationcollection,PIDcontrolandCANbuscommunication,achieveingitsmainfunctions,italsocandisplayinformationsuchasagivenflow,theactualflowanditserror,findouthiddendangerandremoveitearly,furtherimprovethereliabilityofthesystem.Ourdesignismainlydirectedagainstpartofthedesignofsignalacquisition.
ThesystemisbasedonAT90CAN128single-chipmicrocomputerasthecorecomponentsofasimpledataacquisitionsystem.Themaincomponentsofthesystemare:
AT90CAN128、ULN2803、VFD、CS5523、LEDandsoon。
AT90CAN128isalow-powerCMOS8-bitmicroprocessors,whichfunctionsusedforoursystemtoprovidetheconditionstoachievethedesign.
Thissystemisnotonlytodosingle-channelsignalacquisition,butalsoonthecycleofmulti-channelsignalacquisition,evenupto4-wayacquisition.Trafficsignalscanbecollected,butcanalsosignalstotheswitch.Stableperformanceofthesystemwiththeinterferencemust,anditsprecisionisalsoabletomeettherequirementsofaccuracy.
Keywords:
AT90CAN128;batchingsystems;electronicbelt;signalacquisition
目录
摘要I
AbstractII
第一章引言1
1.1研究背景1
1.1.1容积配料1
1.1.2重量配料2
1.2烧结机自动称重配料控制方案2
1.2.1控制方案及系统组成2
1.2.2系统的工作方式4
1.3系统各部分功能4
1.3.1流程图说明4
1.3.2计算机监控部分5
第二章信号采集系统综述6
2.1数据采集的意义和任务6
2.2数据采集系统的实现6
2.3工作流程9
2.4数据采集系统的功能10
2.4.1数据信号采集10
2.4.2模拟信号处理10
2.4.3数字信号处理10
2.4.4开关信号的处理10
2.4.5二次数据计算11
2.4.6屏幕显示11
2.4.7数据存储11
2.4.8人机联系11
2.5数据采集系统的结构形式11
2.6数据采集系统的软件12
2.6.1模拟信号采集与处理程序12
2.6.2数字信号采集与处理程序12
2.6.3脉冲信号的处理程序12
2.6.4开关信号处理程序12
2.6.5运行参数设置系统13
2.6.6系统管理程序13
2.6.7通信程序13
第三章系统硬件电路设计14
3.1系统电路方框图及说明14
3.2AT90CAN128单片机简介14
3.2.1芯片特点15
3.2.2结构概览15
3.2.3AT90CAN128引脚配置17
3.2.4引脚介绍17
3.2.5定时计数器18
3.3CS5523A/D转换器件介绍19
3.3.1概述19
3.3.2特性19
3.3.3结构简述20
3.3.4CS5523引脚配置23
3.3.5CS5523引脚介绍23
3.4键盘电路25
3.5开关电路25
3.5.1开入量电路26
3.5.2开出量电路27
3.6速度测量原理27
3.7VFD显示28
第四章系统软件设计与实现29
4.1程序结构图及其说明29
4.2主程序29
4.3键盘扫描子程序31
4.4A/D转换子程序36
4.5VFD显示子程序37
总结38
参考文献39
附录A硬件原理图40
附录B信号采集系统程序41
附录C字型表48
致谢51
第一章引言
1.1研究背景
在当今许多钢铁厂矿企业中，为了使烧结矿的化学成分和物理性质稳定，符合高炉冶炼的要求，并使烧结料具有足够的透气性以获得较高的烧结生产率，必须把各种不同成分的含铁原料、熔剂和燃料根据烧结过程的要求和烧结矿质量的要求进行精确的配料。
烧结生产实践证明：
烧结配料发生偏差会影响烧结过程的进行和烧结矿质量。
例如在某厂的条件下，灰石配比误差1%就影响烧结矿的碱度0.04;燃料波动1%,影响烧结矿中FeO变化2～3,使烧结矿的还原性及强度受到影响。
烧结原料的品种多，成分的波动大，进入配料室前必须经过破碎筛分、中和混匀处理，然后根据炼铁对烧结矿化学成份的要求进行配料计算，以保证烧结矿的含铁量、碱度、含硫量、FeO含量等主要成分控制在规定范围内，并为设备选择，矿槽设计以及运输系统提供设计数据。
配料的精确性在很大的程度上决定于所采用的配料方法。
目前配料方法有容积配料及质量（重量）配料。
一.1.1容积配料
目前各厂广泛使用的圆盘给矿机是容积配料的一种。
它是假定物料堆积密度一定的情况下，借套筒的闸门控制配料的容积。
为了增加其准确性必须定期检查。
由于各种原料的堆积密度随料粒和湿度不同而发生波动，致使配料量产生较大的误差，一般在5%以上。
在增加圆盘配料的准确性方面，各烧结厂积累了丰富的经验，如圆盘给矿机安装时应使给料圆盘中心与料仓中心相吻合，保持料仓中一定高度的料面，并使物料在料仓中分布均匀，防止物料堆集于一边。
保持圆盘盘面沿各方面具有相同的粗糙度。
有些烧结厂配料室为了保证混合矿化学成分及粒度均匀采用梯形给料法，即四个混合矿仓使用三个，一个是满仓，一个是半仓，一个是下仓，另一个在输料，输满后即送样化验成分。
一般来说满仓时给料的粒度细、量大。
底仓时给料的粒度粗、重量轻。
另外，为了正确地检查料量，采用三点一线的方法：
即圆盘上的红线，称盘的中心点，皮带的中心点在一条线上。
圆盘上的红线是根据事先测定具有代表性的一点。
由于容积配料法设备简单，便于操作，因此目前还广泛地、特别是在中小企业中被采用。
一.1.2重量配料
重量（质量）配料法是按原料的重量（质量）来配料，它比容量配料法准确其配料精度在1.0%左右，对于配比量较小的燃料，就更加明显。
此外，重量（质量）配料法可以实现配料自动化。
许多厂在圆盘给料机下面安装电子称，及时反映出给料量，此外在给料机上安装滑差电机调速，保证给料的准确性。
上图示出某厂烧结车间自动配料系统。
铁精矿的配料由集料皮带上的电子称得出精矿量信号，与给定值进行比较、通过调节器调节4或5（带调速电机的圆盘给料机）的速度，以保持精矿量不变。
运行时4号和5号至少有一台运转。
辅助原料的配料由定量给料机和各自的调节系统来调整定量皮带机的给料速度，配比给定系统由可调恒流单元和定值器来实现。
这种配置增加设备不多，节省电耗，精矿配料误差为1.5%，辅助配料为1.0%。
目前国外已有按化学成分配料法。
此法是用X射线荧光分析仪对原料的化学成分进行分析，根据化学成分确定各物料的最佳配比。
一.2烧结机自动称重配料控制方案
1.2.1控制方案及系统组成
近年来,国内新建烧结机的配料方法均采用重量配料法。
针对烧结厂所用原料来源杂、成分波动大，给烧结矿的TFe和SiO2稳定率带来不利影响问题，介绍了混匀料场混匀配料的工艺流程及自动配料的实现，提出了重量配料，就是按原料的重量来配料,采用电子皮带秤对物料进行连续计量,通过调节圆盘给料机或皮带的速度来实现定量给料。
重量配料易实现自动配料,配料精度较高。
烧结机的配料采用13个定量圆盘给料机和电子皮带秤定量给料，为提高皮带配料秤的计量精度和配料系统给料精度，所有给料机的皮带配料秤均采用变频调速的方式进行控制。
该自动称重配料控制由下列五大部分：
电子皮带称、称重控制仪表、变频控制柜、监控计算机及现场操作箱部分。
图1.1自动称重配料控制组成图
配料自动控制实现烧结用的原料如混匀矿、燃料、熔剂白云石、生石灰、冷返矿按照工艺要求的配比进行自动给料，能够判断下料堵料和失控故障、变频器故障，并报警。
本系统由数据采集节点、数据处理单元、VFD显示节点等组成，整个系统结构复杂，功能完善，显示屏与数据处理单元相连，数据处理单元、数据采集节点和VFD显示节点都挂接在CAN总线上，各组成部分提供不同的功能。
1）数据处理单元主要为AT90CAN128单片机来实现，进行数据交换，并处理屏上的显示和设置信息及CAN总线上的交互信息。
2）VFD显示节点主要显示当前各路的模拟量和开关量的报警信息，便于用户查看，使系统更加人性化。
3）数据采集节点采集各路模拟量和开关量信息，通过CAN总线传输，以供数据处理单元处理。
本系统对实时性要求高，数据传输量大，数据采集节点采集的信息应快速上传到数据处理单元，以便及时处理，数据处理单元将设置信息实时传递给数据采集单元；数据处理单元处理完采集的信息后，将当前的系统状态及时地在VFD显示节点上显示出来，从而进行控制。
1.2.2系统的工作方式
系统检修和工作方式有二种:
手动检修方式：
即通过现场操作箱选择开关及按钮控制变频器以点动频率驱动电动机正反向运行速度;
工作方式是仪表自动给料：
即通过称重控制仪表键盘，任意给定所需给料量，并通过给料量大小变化自动调整变频器频率（电动机的运行速度）；
正常工作在上位机自动给料，受计算机控制。
检修或调试时在“检修”状态,可以单机运行。
一.3系统各部分功能
图1.2自动称重配料控制流程图
1.3.1流程图说明
1）实现流量恒定的控制
仪表控制部分采用模块控制方式,电子秤与仪表控制模块之间的信号传输采用差分频率信号传输技术,具有极强的抗干扰能力和远传能力,从而保证了系统信道的可靠性和准确性,在反馈控制上采用新型的人工智能PID调节算法,无振荡,无超调。
2）仪表控制部分与监控计算机采用CAN总线通信方式，信号传输的快速实时性更高、抗干扰更强、可靠性更高，保证配料精度和稳定性。
3）配料秤有补偿功能，即皮带本身影响自动补偿功能。
能在配料秤正常生产运行过程中，连续不断地测量皮带本身实际重量的变化（如物料局部粘结等造成的皮带皮重的变化，天长日久磨损程度不同导致的皮带薄厚不均，以及张力不匀等所产生的对称重传感器的外部影响），并随时进行精确补偿，因而其动态测量精度要比一般设备厂家的配料秤动态测量精度高。
1.3.2计算机监控部分
该计算机采用品牌机作为控制计算机,系统软件是在Win2000操作平台下,用组态开发研制的通用应用程序，整个程序兼顾键盘操作。
各种操作界面、数据显示,用户可方便进行各种数据的修改操作,运行数据的显示。
VFD显示屏其功能如下:
1）显示功能
①显示各设备瞬时运行情况;
②显示各台秤的给定流量、实际流量、下料累计量，显示各种原料的瞬间下料量、总流量及总累计量。
③具有系统报警功能。
2）操作及控制功能
该系统利用操作提示菜单方便、简单，快速引导进行系统操作。
其功能如下:
1能实现变频器的远程操作（启停、手自动转换、单动）；
②能快速修改各台电子秤的计量参数及换仓后各物料吸收系数的变更设置;
③修改配料系统的控制参数;
④根据工艺要求，可随时、方便的选定、修改、更换配比和配料总流量;
⑤当物料水分含量发生变化时,可方便的变更水分组和手动输入各物料的水分变化量。
⑥根据现场实际需要，可对报警时间进行设置;
3）报警功能
①当系统各测量单元出现故障时,LED显示灯将以警示色提醒用户,按下相关键后,可由CRT显示故障代码;
②当系统出现空仓或给料机堵料而无法下料时,LED显示灯报警提醒用户及时处理。
第二章信号采集系统综述
2.1数据采集的意义和任务
“数据采集”是指将压力、频率等信号采集、转换成数据量后，再由计算机进行存储、处理、显示的过程。
相应的系统称为数据采集系统。
随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。
在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段，在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力的工具，也是获得科学奥秘的重要手段之一，总之，无论在哪个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。
数据采集系统的任务，具体说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据，与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分的数据还将被生产过程中的计算机用来控制某些物理量。
数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度，在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时的采集，实时处理和实时控制对速度的要求。
2.2数据采集系统的实现
各种物料信号采集所需的传感器被安装在带式输送机上。
带式输送机被广泛地应用于矿山、冶金、码头和化工等行业，对于散装的固态原料（矿石、水泥、煤粉）进行自动输送，特别适合于高温、高空和有害环境下作业。
在本设计中，高炉烧结配料系统就是依靠调节带式输送机的速度来控制各种物料的进料量，完成对各种熟料的配比。
而输送带配料秤是一种用于测量和控制带式输送机的速度和物料流量的实时控制器。
电子皮带秤是一种智能化的数字式动态称重显示仪，由秤量框架、称重传感器、测速传感器和显示仪表等四大部件组成。
其基本原理是物料重量通过称量框架传递给称重传
图2.1高炉烧结配料现场布控图
感器，变化为毫伏级电信号，再与测速传感器的皮带速度脉冲信号一起由显示智能仪表处理后进行累加显示，其工作原理框图如图2.2所示。
图2.2电子皮带秤工作原理方框图
1）荷重传感器用于测量输送带上的瞬时重量。
本系统选用应用式荷重传感器，其原理是用应变片直接测量弹性元件的应变，实现间接测量压力。
这种方法弹性元件变形极小，可以测量高频率变化的压力。
2）测速编码器发送与皮带速度相对应的脉冲信号，单片机通过特定接口接受该脉冲信号，根据自身定时器设置准确测量输送带的走速。
当同一时间段接收脉冲信号越多，频率越快，说明转速越快；频率越低，速度越慢。
3）编码器简介
常用的有旋转式光电编码器，是用来测量转速的装置。
它分为单路输出和双路输出两种。
技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。
单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。
由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。
由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。
编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。
信号输出有正弦波（电流或电压）,方波，信号连接—编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。
A、B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。
2.3工作流程
从图2.2中可以看出在输送带的上方有一个料斗，输送带运动时物料随输送带输送出去。
通过圆盘给料机和料仓给料器与集料皮带机之间安装调试好的电子配料皮带秤称量检测，以及配料皮带测速编码器（传感器）测量皮带运输原料速度的检测，称重仪表采集测量皮带秤上每单位长度的载荷值q（kg/m）以及皮带在同一时刻的运行速度v（m/s），且两者相乘得到物料的瞬时流量q·v（kg/s）。
只要保证q（t）·V（t）的乘积不变，就可以保证物料流量的恒定。
即随皮带上物料重量的变化控制皮带运行速度做出相应的调整，就可以保证物料流量的恒定。
在本系统中圆盘给料机的速度是恒定不可调的，所以控制流量的恒定只能调节皮带上物料重量，而重量的改变又只能通过改变变频器的频率，以改变皮带秤的速度。
流量恒定控制原理图六所示，每一个称重控制都是一个“小闭环”控制系统。
称重仪表检测并运算q（t）·V（t）的乘积与流量设定值（上位机给定或仪表键盘给定）进行比较，然后进行PID运算,，得出相应的输出频率信号到变频器，实现自动控制流量大小的要求。
我认为皮带配料控制系统的执行机构，传统上采用滑差电机调速控制与皮带电子称连接，可以接收4-20mA信号，对控制电机进行大范围的无极调速，手/自动之间是无扰动切换。
由于工业现场粉尘大，料粒不稳，料的湿度不匀，当调节范围较小，低速运行时，滑差电机转速波动大，调节效果不好，容易发热，损坏电机。
另外，滑差电机转速波动大，调节维修工作量大，更换不方便，无法满足现代企业生产的节奏，所以逐渐被变频调速电机取代。
因此需要对配料系统执行机构进行改造，而本设计中，使用变频器代替滑差调速，问题就会得到解决。
而其中很关键的一部分即为对频率的调节。
2.4数据采集系统的功能
2.4.1数据信号采集
计算机按照预先选定的采样周期，对输入到系统的模拟信号进行采样，有时还要对数字信号、开关信号进行采样，数字信号和开关信号不受采样周期的限制，当这类信号到来时，由相应的程序负责处理。
2.4.2模拟信号处理
模拟信号是随时间连续变化的信号，这些信号在规定的一段时间内，其幅值为连续值，即从一个量到下一个量时间没有中断，例如正弦信号X（t）=Asin（Wt+&）。
模拟信号有两种类型，一种是各种传感器获得的低电平信号，另一种是由一组变送器输出的0-10mA或4-20mA的电流信号。
这些模拟信号经过采样和A/D转换输入计算机后，常常要进行数据正确性的判断、标度变换和线性化处理。
2.4.3数字信号处理
数字信号是指在有限离散瞬间取得间断的信号，在二进制的系统中，数字信号是由有限的数字组成，其中每位数字不是0就是1，这可由脉冲的有无来体现。
数字信号的特点是，它只代表某个瞬间的量值，不是连续的信号。
数字信号由某些传感器或仪器输出，它在线路上的传送形式有两种，一种是并行传送，另一种是串行方式传送。
数字信号对传送线路上的不完善性不敏感，这是因为只需检测脉冲的有无获得信息，至于信号的精确性是无关紧要的。
数字信号输入计算机后，常常需要进行码制转换的处理如码转换成ABCH码以便显示数字信号。
2.4.4开关信号的处理
开关信号主要由各种开关的器件，如按钮开关、行程开关和继电器的触点等。
开关信号的处理主要是检测开关器件的状态变化。
2.4.5二次数据计算
把直接由传感器采集到得数据称为一次数据，把通过一次数据进行某些数学计算而获得的数据称为二次数据。
二次数据计算主要有平均、累计、变化率、差值、最大值和最小值等。
2.4.6屏幕显示
VFD显示装置可把各种数据以方便于操作者观察的方式显示出来，屏幕上显示的内容一般称为画面。
2.4.7数据存储
数据存储就是按照一定得时间间隔，定期将某些重要的数据存储在外部的存储器上。
2.4.8人机联系
人机联系是只操作人员通过键盘与数据采集系统对话，完成对系统的运行方式、采样周期等参数进行设置，另外，还可以通过它的选择系统的功能，选择输出需要的数值等。
2.5数据采集系统的结构形式
数据采集系统主要由硬件和软件两部分组成。
从硬件方面来看，目前的数据采集系统的主要结构形式有两种，一种是微型计算机的数据采集系统，另外一种是集散型数据采
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