皮带配料秤单片机控制系统毕业论文.doc

1、摘要配料工序是工、农业生产的源头工序，配料质量控制的优劣直接关系着下游生产能否顺利进行，配料精度的高低和配料速度的大小制约着整个生产的产品质量和产量。本系统是由单片机构成的皮带配料秤，叙述了皮带配料秤的单片机、数模信号相互转换、传感器、硬件原理、电路原理图、软件流程图以及整体的框架图。设计的重点是采样皮带上的瞬时物料重量与皮带的走速，皮带瞬时重量由荷重传感器测量，经过放大后由A/D转换为数字信号送给8051，而走速信号需要测速传感器测出信号经过74LS74分频送给8051。此系统由8051单片机作为控制核心的系统结构，重量信号和走速信号都由8051处理，计算出瞬时流量与设定值比较，之后送入D/

2、A转换为模拟量从而控制可控硅控制版，调节滑差电机的转速，使物料流量稳定在预期的设定值。8051单片机有集成度高、操作简单、应用灵活、处理功能强、运行可靠等优点可广泛应用于固体原料的配料控制中，由于价格低廉、稳定性极高、操作简单等优点，而广泛的应用于配料秤工艺中。关键词：皮带配料称单片机传感器AbsrtactGoing together with to anticipate a work preface is the source head that the work, agriculture produce work preface, the good and bad which goes t

3、ogether with to anticipate a quality control directly relates to the downstream production and can go on wheel and go together with BeltBurdenBalance who anticipate the accuracy and go together with all of the check and supervisions of anticipate the speeds the whole product quality and yield for pr

4、oduce.The leather belt that this system constitutes Microcontroller goes together with to anticipate steelyard and described leather belt to go together with to anticipate steelyard of BeltBurdenBalance , few molds Microcontroller, Sensor, hardware principle, electric circuit principle diagram, soft

5、ware flow chart and whole frame diagram mutually. The point of design is sample strap up of moment material weight and walk of strap soon, strap the weight is measure by the load sensor, transducer in a moment, through amplification from A/D the conversion sends for the digital signal to 8051, but w

6、alk soon the sign need to be measure soon the sensor, transducer test to find out sign to through the 74 LS74 cent Pin send to 8051.This system makes 8051 single flake machines as the system structure which controls core, weight sign with walk soon sign all from 8051 treat, calculate a moment flow a

7、nd set value comparison, after send into D/A conversion can control the version of Huo control for imitating quantisty to control thus, regulate the revolving speed of slip electric machine, make material flow stabilization at expectation of set value.This system makes 8051 Microcontroller as the sy

8、stem structure which controls core and have an integration degree accuracy, operate in brief, application vivid, processing the function be strong, circulate credibility etc. advantage can extensively is apply in go together with of solid raw material to BeltBurdenBalance. Because the price is cheap

9、 and stabilizes to go very high, operate a simple etc. advantage, but extensive application in scale for BeltBurdenBalance.Key words: BeltBurdenBalance Microcontroller Sensor目录摘要IAbsrtactII第1章 绪论11.1课题背景及其意义11.2 单片机配料控制系统的现状21.2.1从配料系统总体控制方式分析现状21.2.2从配料系统计量方式分析现状31.3课题的来源和研究内容3第2章 配料秤单片机控制总体设计方案52.

10、1 皮带配料秤单片机控制系统工艺结构52.2总体设计方案6第3章 硬件结构及原理电路73.1 硬件结构73.1.1 单片机8051设计73.1.2 8051单片机引脚功能133.1.3 A/D转换接口扩展153.1.4 D/A转换接口扩展183.1.5 传感器213.1.6 皮带走速的测量223.1.7 键盘显示接口的扩展223.1.8 报警电路253.2 控制和测量原理263.2.1 瞬时流量的测量273.2.2 流量控制27第4章 软件设计294.1 软件设计思想294.2 系统初始化294.3 键盘扫描及显示304.4 运行管理程序324.4.1 采样程序324.4.2 数制转换程序33

11、4.4.3 计算过程344.4.4 显示程序364.4.5 报警处理36结论38致谢39参考文献40附录141附录245附录35053第1章 绪论基于皮带配料秤单片机控制系统是在总结比较现有多种配料系统的总体结构，控制方法的基础上，并结合微机配料生产过程自动化要求不断提高的情况以及配料秤系统本身所处环境和所控对象特殊性、多样性的情况下设计研制而成的。该系统是一种用于测量和控制皮带输送机的速度和物料流量的实时控制器。实现了自动化管理，具有技术先进、功能比较完备、操作简单、应用灵活、运行可靠等优点。1.1课题背景及其意义配料工序是水泥、化工、食品、建材等工农业生产中的一个重要环节，也是水泥、化工、

12、食品、建材等生产的源头工序。例如水泥生产需要由各种原料按一定的比例进行混合;饲料的生产需根据各种牲畜的生长规律，在不同的生长期需要成份含量不同的饲料；各种化工产品、建筑材料、农药的生产也是一样。配料质量控制的优劣直接关系着下游生产能否顺利进行。如果配制料液的质量达不到要求，轻则造成原料、能源的浪费，重则影响产品的质量和产率，并且有些重要生产岗位的配料失误甚至会给整个生产酿成事故。因此，配料精度的高低和配料速度的大小制约着整个生产的产品质量和产量，应对配料过程的质量和产量控制给予足够重视。单片机配料控制系统是配料工艺过程控制和质量控制的关键环节之一。微机配料控制系统可以按照设定配比和流量控制各输

13、入物料的瞬时流量，从而达到控制各种产品的质量和产量的目的;同时它也是实现生产过程自动化和智能化、企业的科学管理、安全稳定生产和节能降耗的重要技术手段。单片机配料控制系统在生产中的应用不仅可以提高配料质量和产量，也大大减轻了岗位工人的劳动强度，提高了生产效率。因此，优化设计研制技术先进、设备成熟、经济实用的单片机配料控制系统至关重要。1.2 单片机配料控制系统的现状1.2.1从配料系统总体控制方式分析现状 随着单片机技术和微电子技术的发展，配料控制系统的发展经历了人工手动控制、机械电气控制、单片机控制、工业控制计算机集中控制等几个阶段。 在第一阶段中，微机配料设备庞大，各设备之间互不联系，或联系

14、甚少，由现场的操作人员决定是否要调整控制器。一个操作人员只能监视和操作一个至两个计量秤，并且手工记录配料的相关数据，在很大程度上产品的质量取决于操作员的熟练程度。 在第二阶段，随着电子管、晶体管技术的飞速发展，逐渐出现了各种小型化的微机配料电动组合仪表。但电动组合仪表也存在着两大问题，一是电噪声的问题比较严重，为克服噪声，不得不采用极为复杂的电子线路：另一个问题由于微机配料系统所控对象所处环境常常都很恶劣，电子元器件的老化严重，抗干扰的能力和可靠性不高。 单片机配料系统是在大规模集成芯片技术成熟的基础上应运而生的。单片机配料系统较之前两种配料系统设计电路复杂程度降低，可靠性大大的提高。而且满足

15、了用户实用性的要求。所以迄今为止，单片机配料系统在一定程度上占据了中小型企业配料生产的主控地位。同时随着我国经济的发展，工业生产规模的扩大，计算机技术的迅猛发展，基于STD总线或PC总线的工业控制计算机已经上了日程，并且在中国占据了较小地位。是因为工业控制计算机可靠性比较高，组成系统功能灵活，组态方便，具有模块化、组合化、标准化的特点。随着工业控制计算机的广泛应用，基于工控机的配料系统也出现在工业场合。这种配料系统大多采用集中控制方式，计算机除具有工艺流程控制、工况实时显示、提供数据存储、报表打印等功能外，还要完成对各对象的直接控制和数据采集任务。计算机配料控制系统有很多功能是单片机配料系统不

16、能完成的，但是它的整体构造比较庞大,因此不适合中小规模的企业应用。并且它的操作要求比较高不适合一线工人的具体操作要求，往往需要进行配料的量不是一成不变的，需要一线的工人时刻的调整和控制，因此，单片机控制的皮带配料秤具有更广泛的应用。1.2.2从配料系统计量方式分析现状 配料过程中的计量和检测是十分重要的。其计量方式也是多种多样，各有利弊。如果选择不合理，不仅使用效果不佳，也将给生产造成不应有的损失。配料计量秤的分类计量按其称重方式分为：容量法和重量法两种。以水泥行业为例，单片机配料控制系统选用的都是重量法。重量法按其计量过程状态分为静态计量(或间断计量)和动态计量(或连续计量)。水泥生产微机配

17、料系统中常用的静态计量设备有：斗式秤、减法量斗式配料秤(失重秤)、双悬臂间断给料皮带秤。其动态计量设备有：单悬臂恒速皮带秤、双悬臂连续给料恒速皮带秤、调速皮带秤、核子秤等。由于动态连续计量，可以保持生产过程的连续性，从而适应连续性生产工艺要求，并为配料时物料的均匀混合提供有利条件。同时，其计量速度快，有利于减轻计量过程的劳动强度，改善劳动条件和为生产过程自动化提供有利条件。因此本课题是动态时时测量皮带上物料的重量。 早在70年代，我国就从日本、德国、丹麦、美国、荷兰等国家引进了计量给料秤和连续给料秤制造技术，大大地促进了国内电子秤的发展。目前，无论是品种还是技术性能基本上能满足工业配料生产的需

18、要。但是，一方面国产的工业电子秤的稳定性、可靠性差，功能不够完善，品种规格较少，标准化、系统配套化水平低。另一方面，绝大多数水泥厂管理和技术水平低，生产工艺装备落后，环境条件恶劣，特别是产量占全国水泥总产量80%以上的地方小型水泥厂更是如此。针对我国工业配料工艺的具体情况，微机配料计量秤的发展方向还是以重量法为主，要求计量秤的结构简单，操作和维修方便，计量准确且范围宽，应用场合广，稳定可靠，经久耐用。笔者认为，选择计量秤，必须根据企业的生产条件和环境，认真分析对比，选择计量精度高、易维修、造价低廉、使用方便、适合自己企业的具体情况的计量设备，不要盲目追“新”、“奇”、“特”，要以经济实惠、好用

19、耐用为原则，才能达到预期的效果。1.3课题的来源和研究内容 为了解决现有单片机配料秤控制系统中的一些问题，以便找到一种更好的检测控制方法，本着从实际出发的原则,在河北省左家坞粉碎料厂、河北宜昌水泥厂进行了调试，提供了技术解决方案、配料系统相关软硬件，完成了对单片机配料控制系统的设计。根据现场控制和操作的实际需要，皮带配料秤控制器的技术要求有以下几项：(1) 输入键盘，用以输入流量设定值等参数和操作命令；(2) 6位的瞬时流量显示器；(3) 输出一路420mA 的滑差电机速度调节信号；(4) 接受010mV 的皮带荷重信号和速度信号；(5) 系统控制误差小于1。第2章 配料秤单片机控制总体设计方

20、案2.1 皮带配料秤单片机控制系统工艺结构图2-1 皮带配料秤工艺结构图皮带输送机广泛地应用于矿山、冶金、码头和化工等行业，对于散装的固态原料(如矿石、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。例如，水泥厂粉磨车间的熟料配料系统就是依靠调节皮带输送机的速度来控制水泥磨的进料量，完成对各种熟料的配比。皮带配料秤是一种用于测量和控制皮带输送机的速度和物料流量的实时控器。其工艺结构图如图2-1所示。 皮带配料秤工艺结构图从结构图中可以看出在皮带的上方有一个料斗，皮带运动时物料随皮带输送出去。输送皮带由滑差电机M(电磁调速异步电动机)驱动，测速传感器SR输出信号的频率和皮带速度成

21、正比，输送皮带的下方装有荷重传感器，输出与皮带上物料成正比的电压信号。皮带配料秤控制器BWF 接收SR 的速度信号和W的重量信号，计算皮带上物料的瞬间流量并显示出来，并将流量实际值和流量的设定值进行比较，通过PID调节，输出电流控制信号，经前置放大器和功率放大器Q 放大，控制可控硅VT 的导通角。从而调节滑差电机M的转速，使物料流量稳定在预期的设定值。2.2总体设计方案 根据皮带配料秤的技术要求，采用以8051单片机为控制核心的系统结构，构成皮带秤控制器BWF。硬件部分主要有8051 单片机、A/D 转换器(ADC0809)、D/A 转换器(DAC0832)、键盘扫描电路、显示电路、传感器、放

22、大电路等组成。硬件系统组成粗略框架如图2-2所示。皮带配料秤控制系统的总体设计思想为：皮带输送机投入运行前，输送皮带上物料流量的设定值由操作人员在键盘上设定。系统投入正常运行后，单片机采样皮带荷重信号(通过ADC0809转换)和走速信号(T法测速)，将皮带走速信号与皮带单位长度上的瞬时重量相乘即可计算出皮带上物料的瞬间流量F(t)。瞬间流量可通过6个八段数码管显示出来，为操作人员提供工艺数据参考。805l系统再将流量实际值与其设定值进行比较，经增量PID调节运算后计算出控制量Vi，通过DAC0832 转换为电流输出信号(420mA)，而后经放大去控制可控硅的导通角，实现调节滑差电机电磁离合器励

23、磁电流的功能，从而调节执行机构滑差电机的转速，使输送皮带上的物料流量尽可能稳定在设定值附近，并具有良好的静态指标和动态性能。 图2-2 硬件系统结构图第3章 硬件结构及原理电路3.1 硬件结构3.1.1 单片机8051设计 MCS-51（8051）单片机是在一块芯片中集成了CPU，RAM，ROM、定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件。MCS-51单片机内包含下列几个部件：(1)一个8位CPU(2)一个片内振荡器及时钟电路(3)4K字节ROM程序存储器(4)128字节RAM数据存储器(5)两个16位定时器/计数器(6)可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器

24、空间的控制电路(7)32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）(8)一个可编程全双工串行口(9)具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构1.CPUCPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。可以对半字节（4位）、单字节等数据进行操作。例如能完成加、减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整、比较等算术运算和与、或、异或、求补、循环等逻辑操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器。8051运算器还包含有一个布尔处理器，用来处理位操作。它是以进位标志位C为累加器的，可执行置位、复位、取反、等于1转移、等于0转移、等于1转移且清0以及进位标志位与其他

25、可寻址的位之间进行数据传送等位操作。也能使进位标志位与其他可位寻址的位之间进行逻辑与、或操作。(1) 程序计数器PC程序计数器PC用来存放即将要执行的指令地址，共16位，可对64K程序存储器直接寻址。执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。(2) 令寄存器指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，经译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。(3) 定时与控制部件时钟电路8051片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTAL1和 XTAL2分别为振荡电路的输入和输出端，时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。在X

26、TAL1和 XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振可以在1.2MHz到12MHz之间选择，电容值在5-30PF之间选择，电容的大小可起频率微调作用。外部方式的时钟很少用，若要用时，只要将XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器就行。对外部振荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟信号P1和P2供单片机使用。P1在每一个状态S的前半部分有效，P2在每个状态的后半部分有效。 时序8051典型的指令周期（执行一条指令的时间称为指令周期）为一个机器周期，

27、一个机器周期由六个状态（十二振荡周期）组成。每个状态又被分成两个时相P1和P2。所以，一个机器周期可以依次表示为S1P1，S1P2，S6P1，S6P2。通常算术逻辑操作在P1时相进行，而内部寄存器传送在P2时相进行。图3-1给出了8051单片机的取指和执行指令的定时关系。这些内部时钟信号不能从外部观察到，所用XTAL2振荡信号作参考。在图中可看到，低8位地址的锁存信号ALE在每个机器周期中两次有效：一次在S1P2与S2P1期间，另一次在S4P2与S5P1期间。对于单周期指令，当操作码被送入指令寄存器时，便从S1P2开始执行指令。如果是双字节单机器周期指令，则在同一机器周期的S4期间读入第二个字

28、节，若是单字节单机器周期指令，则在S4期间仍进行读，但所读的这个字节操作码被忽略，程序计数器也不加1，在S6P2结束时完成指令操作。图3-1的(a)和(b)给出了单字节单机器周期和双字节单机器周期指令的时序。8051指令大部分在一个机器周期完成。乘（MUL）和除（DIV）指令是仅有的需要两个以上机器周期的指令，占用4个机器周期。对于双字节单机器周期指令，通常是在一个机器周期内从程序存储器中读入两个字节，唯有MOVX指令例外。MOVX是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令。在执行MOVX指令期间，外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。图3-1中(c)给出了一般单字节双机器周期指令的

29、时序。 图3-12.存储器8051单片机的程序存储器和数据存储器空间是互相独立的，物理结构也不同。程序存储器为只读存储器（ROM）。数据存储器为随机存取存储器（RAM）。单片机的存储器编址方式采用与工作寄存器、I/O口锁存器统一编址的方式。有关存储器的内容将在下一节中详述。3.I/O端口I/O端口又称为I/O接口，也叫做I/O通道或I/O通路，I/O端口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，I/O端口有串行和并行之分，串行I/O端口一次只能传送一位二进制信息，并行I/O端口一次能传送一组二进制信息。(1) 并行I/O端口MCS-51单片机设有四个8位双向I/O端口（P0、P1

30、、P2、P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态双向口，能带8个LSTTL电路。P1、P2、P3口为准双向口（在用作输入线时，口锁存器必须先写入“1”，故称为准双向口），负载能力为4个LSTTL电路。1）P0端口功能（P0.0P0.7、3239脚）P0口位结构，包括1个输出锁存器，2个三态缓冲器，1个输出驱动电路和1个输出控制端。输出驱动电路由一对场效应管组成，其工作状态受输出端的控制，输出控制端由1个与门、1个反相器和1个转换开关MUX组成。对8051/8751来讲P0口既可作为输入输出口，又可作为地址/数据总线使用， P0口作地址/数据复用总线使用若从P0口输出地址或数

31、据信息，此时控制端应为高电平，转换开关MUX将反相器输出端与输出级场效应管V2接通，同时与门开锁，内部总线上的地址或数据信号通过与门去驱动V1管，又通过反相器去驱动V2管，这时内部总线上的地址或数据信号就传送到P0口的引脚上。工作时低8位地址与数据线分时使用P0口。低8位地址由ALE信号的负跳变使它锁存到外部地址锁存器中，而高8位地址由P2口输出。 P0口作通用I/O端口使用对于有内部ROM的单片机，PO口也可以作通用I/O，此时控制端为低电平，转换开关把输出级与锁存器的Q端接通，同时因与门输出为低电平，输出级V1管处于截止状态，输出级为漏极开路电路，在驱动NMOS电路时应外接上拉电阻；作输入口用时，应先将锁存器写“1”，这时输出级两个场效应管均截止，可作高阻抗输入，通过三态输入缓冲器读取引脚信号，从而完成输入操作。 PO口线上的“读一修改一写”功能三态缓冲器是为了读取锁存器Q端的数据。Q端与引脚的数据是一致的。结构上这样安排是为了满足：“读一修改一写”指令的需要，这类指令的特点时：先读口锁存器，随之可能对读入的数据进行修改再写入到端口上。例如：ANL PO，A；ORL PO，A；XRL PO，A；。这类指令同样适合与P1P3口，