自动加料机控制系统设计论文[1].doc

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滨江学院

毕业论文

题目自动加料机控制系统设计

院系电子工程系

专业电子信息工程

学生姓名祖增增

学号20092305940

指导教师吴阳春张银胜

职称高级工程师

二Ｏ一三年五月十日

目录

1引言 1

1.1课题选择背景 1

1.2研究的目的 2

1.3课题研究的意义 2

1.4设计的主要完成的任务 2

2总体方案及比较 2

2.1系统方案 3

2.2设计方案 3

2.2.1人工加料和自动加料的比较 3

2.2.2程序设计语言的选择 4

3系统的硬件电路设计 4

3.1LCD1602显示模块 5

3.2系统传感器模块 7

3.21系统AD转换芯片选择 8

3.3系统电源模块 9

3.4.1系统单片机最小系统 10

3.5复位电路 10

4主要元器件介绍 12

4.1压力传感器 12

4.2AT24C02芯片介绍 12

4.3MAX232EPE芯片介绍 13

4.4STC89C52功能特性概述 13

4.5STC89C52RC单片机的引脚 14

5软件设计 16

5.1系统软件编程环境介绍 16

5.2系统主程序流程图 16

5.3系统的调试 17

6结束语 18

参考文献 18

致谢 19

附录 21

自动加料机控制系统设计

祖增增

南京信息工程大学滨江学院，南京210044

摘要：

本文设计的自动加料机控制系统是由STC89C52RC单片机和LCD1602显示器、压力传感器等组成的，其工作原理是：

当加物料时压力传感器感测物料压力，24位AD转换芯片HX711对传感器采集到的模拟量进行AD转换，转换后的数据送到单片机进行处理从而液晶显示屏显示当前压力值，单片机显示当前压力与单片机设定的物料压力大小范围进行比较，从而实现自动控制物料在设定范围，实现智能控制物料大大节约成本提高了效率。

关键词：

STC89C52RC单片机；自动加料机；控制系统

1引言

随着人们生活水平的日益提高，人们对对生产生活的要求也趋增高，人们日益增长的物质文化迫切要求提高技术，但由于生产生活中人工控制生产，加料需要花费巨大的人力且误差较大响应比较差，因此，为了满足生产生活的需要，开发自动加料机控系统就变得尤为重要。

自动加料机控制系统可以对物料的重量的测量、分析、控制，使物料在合理的范围之中。

从而大大节约了成本、生产效率得到了巨大的提高。

在自动加料机系统中，首当其冲，选择合适的压力传感器是决定性因素，本文以STC89C52RC单片机为核心，设计了一个能达到测量准确、调试方便，通过单片机模块、传感器模块及显示模块、使用发光二极管来模拟自动加料机控制系统。

1.1课题选择背景

工厂及日常生产生活中所有者希望他们的设备能以最低的成本生产最多的产品，而在生产及石油、天然气和石化等多个行业，能源成本占总生产成本的30-50%。

因此，通过过程自动化技术增效节能是降低生产成本的有效途径。

对于过程自动化技术而言，自动控制程序不仅能够监测和显示生产过程中的运行状况，还能模拟不同的运行模式，找到最佳策略以提高能效。

这些程序的独特优势是能够“学习”和预测趋势，提高了对外界条件变化的响应速度[1]。

在目前提高自动控制过程数量，从而大大降低能耗，以及节省人力资源可以减少因工人疏忽产生的后果，给工业化生产带来了巨大的经济效益同时大大提高了人民的生活水平。

1.2研究的目的

随着生产技术已经人民生活水平的提高，自动化控制也渐渐成为了当代社会的主流，自动控制水平的提高也代表着工业化水平提高是工业化发展的标志之一，自动加料机的设计可以大大节省人力资源控制加料过程完成了自动控制提高了生产效率以及生产的质量，同时家庭使用自动加料机进行生产养殖也是可以节省人力资源可以创造更大的利益，给人民的生产生活带来方便，给工业化大生产带来巨大的利益效益及工作效率等。

1.3课题研究的意义

在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起这愈来愈重要的作用，并且，随着生产和科学技术的发展，自动化水平也越来越高。

自动控制利用控制装置使被控对象的某个参数自动的按照预定的规律运行。

本设计的自动加料机控制系统就是采用自动控制技术来实现功能的，这样就大大提高了工作的效率，整个过程又快又稳。

1.4设计的主要完成的任务

本论文设计是由单片机做为控制模块和LCD1602液晶显示屏做为显示模块、压力传感器是测量模块。

原理是高低电平来控制红灯和绿灯从而实现自动加料机的模拟，首先应该选择制定好元器件清单，单片机我选择STC89C52RC单片机进行主程序控制，元器件的选择及各种传感器的选择制定自己设置的单个模块，例如存储器扩展电路的选择模块、显示模块、控制模块等。

根据自己设定的单片机程序进行选择单片机的引脚连接以及单片机最小系统的焊接，进行各个模块组合后烧录单片机程序检测硬件电路板的焊接以及连线等进行加电测试、调试、分析、最终将设计好的硬件电路及实物组合好后基本完成自动加料机的模拟操作等，最终实现的效果是物料压力范围小于设定值时绿灯亮表示正在加料，物料充足达到设定值上限时绿灯灭红灯亮表示物流充值停止加料。

2总体方案及比较

本系统在大规模生产物料控制的监测、控制方面有着非常大的作用。

如果要是用在控制其他场合，可以通过改变一些参数来达到此目的。

在日常生活中，人们主要是通过自动加料机的压力传感器检测当前物料范围LCD1602显示，然后通过单片机控制加料或者停止加料，使得它保持在一个稳定的值内。

这样不仅节省了巨大的成本，而且还可以准确的控制物料多少。

效果是非常理想的。

本系统主要以单片机为核心，通过24位AD转换芯片HX711对传感器采集到的模拟量进行AD转换，转换后的数据送到单片机进行处理显示，数据显示由LCD1602液晶实现，液晶显示效果稳定无闪烁。

2.1系统方案

主电路采用STC89C52RC，由于STC89C52RC内含4KB容量，因此在设计中不需要外扩ROM。

硬件电路主要有传感器模块、LED显示电路、继电器控制电路，下图是自动加料机控制系统硬件框图。

图1自动加料机控制系统硬件框图

LED显示器

单

片

机

电机

按键

绿灯

继电器控制

红灯

预定值

电磁阀

A/D转换

传感器

D/A转换

图1自动加料机控制系统硬件框图

2.2设计方案

2.2.1人工加料和自动加料的比较

方案一：

人工加料主要是以往生产条件比较落后的前提使用的，这个方式是节省了机器购买的成本但是大大提高了人力的使用，当进行工业化大生产的时候需要进行雇佣专门的人员进行观察和及时填补物料已达到工业正常的生产，生活中进行养殖等操作进行人工加料这样的操作使得效率降低，生产周期变成、生产企业效益低下、工人薪资降低、严重会导致工厂无法运行以致倒闭等。

方案二：

随着生产和科学技术的发展，自动化水平也越来越高。

自动控制利用控制装置使被控对象的某个参数自动的按照预定的规律运行。

本设计的自动加料机控制系统就是采用自动控制技术来实现功能的，这样就大大提高了工作的效率，整个过程又快又稳、自动加料机的设计可以大大节省人力资源控制加料过程完成了自动控制提高了生产效率以及生产的质量，同时家庭使用自动加料机进行生产养殖也是可以节省人力资源可以创造更大的利益，给人民的生产生活带来方便，给工业化大生产带来巨大的利益效益及工作效率等。

2.2.2程序设计语言的选择

方案一：

采用汇编语言进行程序设计。

我们在学习单片机的时候虽然都是从汇编语言入手。

但是我掌握的比较差。

所以不会优先选择汇编语言。

虽说汇编语言是低级语言，但其也是有自身优势的。

就是在延时方面，它略高于C语言。

当然作为低级语言的它，在设计比较大型的系统时很容易暴露出其不足，其程序描述能力远远比不上C语言。

方案二：

采用C语言进行程序设计。

C语言，是目前最为流行的一种语言之一。

它有着非常多的优点，在编写程序时，它总能用简短的语言就可以编写出稍微复杂的系统，描述能力也非常的强。

所以，在编写程序时，人们往往优先采用它。

当然，C语言也存在一些不足，但与汇编语言向比较，C语言唯一的不足就是在精确时间延时上没有汇编语言精确。

综合两种方案，自动加料机控制系统优势巨大的，汇编语言占据了一些优势。

但是，综合全局及自己自身考虑，本课题的自动加料机控制系统也是一个较为复杂的电子系统，如果想通过汇编语言来实现，其工作量也是极其巨大的。

经过慎重的考虑后，最后决定采用C语言进行整个电子系统的程序设计语言。

3系统的硬件电路设计

本文设计的自动加料机控制系统是由STC89C52RC单片机和LCD1602显示器、二极管、压力传感器等组成的，其工作原理是压力传感器感测物料压力传递给单片机、液晶显示屏显示当前压力值，同时单片机显示当前压力与单片机设定的物料压力大小范围进行比较，单片机的程序中可以设定两个限定值,一个下限制一个上限值,传感器通过A/D转换器送入单片机从而控制两个指示灯,当物料低于设定值时单片机控制绿灯亮红灯灭表示正在进行加料,当物料达到设定的上限值时这时红灯亮绿灯灭表示物料已满,从而进行模拟自动加料机进行简单的工作[11]。

图2为自动加料机模拟硬件原理图。

图2系统硬件原理图

3.1LCD1602显示模块

本系统采用了LCD1602液晶显示屏，LCD1602液晶是显示电路最常用到的一款显示屏。

尤其在显示字符上，更为普遍。

它的屏幕大小可以显示2行字符，每行可以显示16个字符。

它的屏幕颜色清晰可调，背光以黄绿色为底，在显示字符或者数字的同时，可以通过调节来改变它的对比度。

使得符号和数字容易被观察。

与单片机的连接电路如图3所示。

图3LCD1602显示器模块原理图

1602液晶显示器是一种点阵型液晶模块，在显示形式上面是有一定的要求的，一些不规范的图形它都不能显示出来，只能显示一些字母、数字和符号。

这是因为它的点阵字符排位决定。

我们常见的点阵字符主要有由若干个5×7结构形式，或者也有5×11的结构形式。

这些点阵字符位只能显示出一个字符，并且每个字符之间还有一个点阵字符的距离，行与行之间也有一个点阵字符的距离。

使得屏幕能够达到字符之间和行距之间都有空位。

所以不能构成一个连体的图像。

LCD1602是一种最常用到的显示器。

16表示它的显示屏幕每行能显示16位字符或者数字，02表示它可以表示两行。

LCD1602有16个管脚，每一个管脚都有其固定的作用，管脚如图4所示。

显示屏幕

图4LCD1602管脚图

1脚VSS为电源地；

2脚VDD为+5V逻辑电源；

3脚V0为对比控制端，可以通过1K阻值的电阻接地；

4脚RS为寄存器选择端，当引脚为高电平1时，表示其为数据寄存器；当引脚为低电平0时，表示其为指令寄存器。

5脚R/W为读写信号线，当引脚为高电平1时，表示其为读操作，当引脚为低电平0时，表示其为写操作；

6脚E（或EN）端为使能信号端，当其为高电平或者是下降沿的时候有效；

7～14脚D0～D7为8位数据总线；

15脚LEDA为背光+5V；

16脚LEDK为背光地线。

3.2系统传感器模块

本系统主要应用压电传感器，它是一种比较常见的传感器。

该传感器的工作原理是根据某些材料受到外力作用后在它相应的特定表面将会产生电荷的压电效应。

它的特点是体积相对教小、结构比较简单、重量轻、且工作比较可靠，适用于物体重力的测量。

目前其主要用到物体加速度及动态力以及压力大小测量。

压电器件传感器的弱点：

小功率和高内阻。

因为比较功率小，因此输出的能量很弱。

电阻应变式传感器工作原理就是利用电阻应变效应，最终把各种力学量转换成电信号的作用的传感器。

它是变片式传感器的核心元件，工作原理是基于材料的电阻应变效应，作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器也可以单独作为传感器使用。

电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。

因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。

其转换电路常用测量电桥。

直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。

图3为一直流供电的平衡电阻电桥[3]。

图5传感器内部连接图

当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出[4]。

应变片式传感器有如下特点：

（1）应变片可制成各种机械量传感器，和测量范围广。

（2）精度较高、灵敏度高。

（3）对试件影响小，强磁场等特殊环境中使用、复杂环境适应性强，频率响应比较好。

（4）使用方便，可以实现远距离、自动化测量的效果。

通过对压力传感器以及电阻应变式传感器的分析比较，最终选择了第二种方案。

最后我选择的量程范围是0～5Kg,满量程量误差不大于0.005Kg，传感器量程必须小于额定称重5Kg。

我们选择的是电阻式应变传感器量程为5Kg，精度为0.01%，满足本系统的精度要求，这样做可以比较满足我的自动加料机控制系统的测量环节[4]。

3.21系统AD转换芯片选择

HX711芯片是一个主要为高精度压力传感器而设计的24位A/D转换器。

和同类型其它的转换芯片相比，这个芯片集成了片内时钟振荡器、稳压电源等其它同类型转换芯片所需要的外围电路，HX711的集成度比较高、抗干扰性强、响应速度较快等可观的优点。

它的特征将会降低了压力传感器的整机成本，从而提高了整机的可靠性及性能。

HX711芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，主要的特点是所有控制信号都是由管脚驱动，不需要对芯片内部的寄存器编程。

输入选择开关可任意选取通道A、B，它是和其内部的低噪声可编程放大器相连组成的。

通道A的可编程增益为64或者128，与其相对应的满额度差分输入信号幅值分别为±40mV或±20mV。

通道B就是固定的64，它是用来系统参数检测。

HX711的内部提供的稳压电源具有直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源的作用，板上不再需要另外的模拟电源。

同时芯片内部的时钟振荡器也不需任何外接元器件。

芯片管脚图如图4所示[5]。

图6HX711管脚定义

我门可以了解下HX711典型应用电路，下面就是运用专门的软件绘制的HX711主要的典型应用电路图如图5所示。

图7HX711AD模块电路图

3.3系统电源模块

自动加料机控制系统中51单片机及AD转换芯片及液晶显示器所需供电电压均为5V电压，所以要保证系统稳定可靠的工作，需要设计一个可以稳定提供+5V电压的供电系统。

本设计采用双电源接口供电方式，也可采用外置电源作为系统的供电电源，但是需另加三端稳压器件LM7805作为系统电源的稳压器件以保证系统电压为稳定的直流5V电压，同时外置电源的输出电压要高于+5V输出，系统电源输入接口要加滤波电容以确保工作电压稳定。

电源输出接口加上LED电源指示灯，用来判定电源是否正常工作该系统[6]。

电源电路设计如图5所示。

图8电源接口电路

C1，C2实现对电源滤波，以滤除可能存在的高频杂波对电源的影响，C4实现对电源电压的平滑稳定作用，当USB接口输出电压高时C4用来储能，当后续电路负载过高USB供电不足时电解电容C4通过释放储存的电能来保证电源电压不跌落。

LED0用作电源指示，其亮灭代表电源工作与否，R0用来限流，以保证LED不被烧坏。

3.4.1系统单片机最小系统

系统主控电路由STC89C52RC单片机及晶振电路和复位电路组成，该电路作为整个系统功能实现的核心单元，其连接方式如图6所示

图951单片机最小系统

3.5复位电路

复位电路大大提高了自动加料机电路的工作稳定性，所以复位电路在整个控制系统中非常重要。

在通电的一瞬间来使得高电平复位是复位电路的第一要务。

本系统使用手动复位，手动复位不需要复杂的步骤，只要通过一键操作，就能使单片机达到复位状态。

系统上电运行后，如果需要复位，只需通过手动复位就可以实现。

本系统使用的复位为手动复位，电路如图7所示。

RESET

5.1K

10uF

5V

RST

图10手动复位电路

为了确定单片机能正常的工作，以及在工作工程中出现问题有所解决措施，复位电路在单片机使用过程中必不可少。

一些单片机在一开始工作的时候就需要复位，这样是要使得单片机的各个部分都处在一种初始化状态，这样在运行程序过程中才不会出现错误。

按下复位按钮时，单片机初始化的值为0000H。

另一方面，当程序在运行的过程中，如果出现错误就会使得单片机进入死循环，得不到正常的结果，这时候只要通过复位按键，就能使单片机重新进入到初始状态，重新工作。

单片机内部有一个施密特触发器，外端有一个引脚是RST引脚，通过引脚与触发器相连就能使得单片机复位有效。

此时如果RST引脚上获取一个时间大小为2个机器周期以上的持续高电平，那么CPU就可以将系统复位。

手动按钮复位和上电自动复位是最常见的两种复位方式。

（1）手动按钮复位

手动按钮复位非常简单，只要一个按钮把正电源线和复位输入端RST相连就可以。

当需要复位的时候，只需要有人用手指按下按钮，此时RST端就会得到一个高电平，由于人的反应有一定的时间，所以按钮按下保持电路通畅的时间足以使单片机复位。

（2）上电自动复位

STC89C52的上电复位电路结构更为简单，但原理较为复杂。

它是在RST复位输入引脚上没有直接与电源线相连，而是中间接一电容，然后接至VCC端，最后在电容下接一个电阻到地即可。

CMOS型的单片机的复位端是连接一个电阻的，所以在对CMOS型的单片机进行连接上电复位电路时，下拉电阻可以省掉，外接电容的大小也减至1uF。

上电复位电路的原理是电源给电容通电，通电过程中会给复位端一个短暂的高电平，充电过程中，由于电容的特性，复位端在收到一个的短暂的高电平之后，随着电容存储电量的增加，高电平信号会慢慢减小。

所以，复位端接收到高电平信号的时间长短主要取决于电容的充电时间长短。

复位端必须得到足够的高电平信号时间，才能够进行复位。

（3）积分型上电复位

积分型上电复位与其他两种复位电路不同，在复位端的引脚上必须要接一个非门电路。

接至5V电源后，由于电容C的充电特性和非门电路的作用，会使复位电路出现两种操作。

一是通电，会使复位端得到高电平；二是通过复位按键使得复位引脚得到一段时间高电平。

这样就能够实现上电复位和开关复位两种操作。

在一般使用过程中，这种上电复位方式很少使用。

单片机复位电路主要有四种类型。

（1）微分型复位电路；

（2）积分型复位电路；

（3）比较器型复位电路；

（4）看门狗型复位电路。

本系统采用的是手动按钮复位。

4主要元器件介绍

4.1压力传感器

压力传感器选择5kg电阻应变式压力传感器的特点是精度高、易加工、结构简单紧凑、抗偏载能力强、固有频率高，满量程输出电压=激励电压X灵敏度1.0mv/v例如：

供电电压是5v乘以灵敏度1.0mv/v=满量程5mv压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。

一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。

或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。

而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造成的，这样的传感器也称为压电传感器，压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。

传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量轻，不能提供电学输出。

随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。

其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。

特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高[4]。

4.2AT24C02芯片介绍

AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，AT24C02内含256×8位存储空间，工作电压范围是2.5~5.5V檫写次数大于10000次，写入的速度小于10ms等特点。

AT24C02中带有片内寻址寄存器。

每写入或者读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，这样以实现对下一个存储器单元的测试。

所有字节都以单一操作方式读取。

为降低总的写入时间，因此一次操作可以写入多大8字节的数据。

SCL：

串行时钟。

当在该引脚的上升沿时，系统将数据输入到每个EEPROM器件，在下降沿时输出。

SDA：

串行数据。

该引脚为开漏极驱动，可以双向传输数据，2线串行接口完全兼容I2C总线，具有这样的特点。

A0、A1、A2：

器件页面寻址，为器件地址输入端。

WP：

硬件写保护。

当该引脚为高电平时禁止写入，为低电平时可以正常读取写入数据，具有高可靠性。

Vcc：

电源一般输入为+5V。

Vss：

接地。

目前不论是智能仪器仪表还是单片机工业控制系统都要求其内部数据可以安全可靠而不受任何的干扰，特别是一些重要的设定参数等（如温度控制设定值）受到干扰后变成一个很大的数值，那么就有可能发生烧箱毁物的破坏性后果或者引起火灾，给生产和经济带来损失，选用可靠的24C02器件作为数据储存单元是非常必要的。

4.3MAX232EPE芯片介绍

MAX232EPE芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电其特点是符合RS-232所有的技术标准、只需要单一+5V电源供电、功耗低，典型供电电流5mA、内部集成2个RS-232C驱动器、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作等特点。

4.4STC89C52功能特性概述

STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速单片机，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

与工业80C51产品指令完全兼容。

主要特性如下：

增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051单片机。

1.工作电压：

5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）。

2.工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。

3.用户应用程序空间为8K字节。

4.片上集成512字节RAM。

5.通用I/O口（32个），复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

6.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。

7.具有EEPROM功能。

8.具有看门狗功能。

9.共3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2。

10.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。

11.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。

12.工作温度范围：

-40～+85℃（工业