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自动加料机控制系统

中文摘要：

本设计的由单片机控制的自动加料系统是与料斗式干燥机配套的加料系统。

根据加料工艺要求，其工作原理是：

先将真空管关闭，启动电机，用低真空气流将塑料树脂粒子送入真空管，电机停转，再将粒子排入料斗，如此循环。

关键字：

单片机，控制，电机，自动加料，系统

英文关键字：

single-chip,control,electricmachinery,system

自动加料机控制系统

一、引言

自动加料机控制系统的工作原理及技术要求：

本设计的由单片机控制的自动加料系统是与料斗式干燥机配套的加料系统。

根据加料工艺要求，其工作原理是：

先将真空管关闭，启动电机，用低真空气流将塑料树脂粒子送入真空管，电机停转，再将粒子排入料斗，如此循环。

在设计的控制系统中，可用一个电机控制两个加料生产线，由方向阀切换。

两个生产线既可单独运行，也可同时运行。

假如两者同时运行，当一生产线输送结束后，判断到另一个生产线排料已经结束，那么，电机不停转而方向阀换向，从而为另一个生产线送料。

这样可以发挥控制系统和电机的效率，从而实现供料自动化。

控制系统的控制器有单片机89C51和扩展电路组成，单片机控制继电器，继电器控制交流接触器，又由接触器控制电机等执行机构的运动。

本控制系统可以根据送料工艺的需要，设置两条生产线的输送、排料、满料、空料等参数值，也可装载系统前次工艺参数值。

系统的主要技术参数：

（1）用一台电机控制两条生产线

（2）要能检测到满料状态，并显示出输送、排料、满料时间

（3）时间误差：

0.1秒

（4）具有抗干扰能力

二、总体设计

主电路采用AT89C51，由于AT89C51内含4KB容量，因此在设计中不需要外扩ROM。

硬件电路主要有LED显示电路、键盘接受电路、继电器控制电路、EEPROM外部存储器扩展电路，以及看门狗MAX813L等组成。

电路原理框图

如图所示：

三、分类介绍

1.单片机的选择

20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有50多个系列，数百个品种。

目前世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型如下：

美国Intel公司：

MCS—51系列及其增强型系列

美国Motorola公司：

6801系列和6805系列

美国Atmel公司：

89C51等单片机

美国Zilog公司：

Z8系列及SUPER8

美国Fairchild公司：

F8系列和3870系列

美国Rockwell公司：

6500/1系列

美国TI（德克萨司仪器仪表）公司：

TMS7000系列

NS（美国国家半导体）公司：

NS8070系列等等。

尽管单片机的品种很多，但是在我国使用最多的还是Intel公司的MCS—51系列单片机和美国Atmel公司的89C51单片机

MCS—51系列单片机包括三个基本型8031、8051、8751

8031内部包括一个8位CPU、128个字节RAM，21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口、2个16位定时器/计数器，但片内无程序存储器，需外扩EPROM芯片。

比较麻烦，不予采用

8051是在8031的基础上，片内集成有4KROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。

ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。

所以8051适合与应用在程序已定，且批量大的单片机产品中。

也不予采用。

8751是在8031基础上，增加了4K字节的EPROM，它构成了一个程序小于4KB的小系统。

用户可以将程序固化在EPROM中，可以反复修改程序。

但其价格相对8031较贵。

8031外扩一片4KBEPROM的就相当与8751，它的最大优点是价格低。

随着大规模集成电路技术的不断发展，能装入片内的外围接口电路也可以是大规模的。

也不予采用。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（ROM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。

功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

此设计就采用AT89C51。

2.物位传感器的选择

物位是指贮存容器或工业生产设备里的液体、粉粒壮固体、气体之间的分界面位置，也可以是互不相溶的两种液体间由于密度不等而形成的界面位置。

根据具体用途分为液位、料位、界位传感器或变送器。

物位不仅是物料耗量或产量计量的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数。

特别是在现代工业中，生产规模大，速度高，且常有高温、高压、强腐蚀性或易燃易爆物料，对于物位的监视和自动控制更是至关重要。

物位测量可用于计算物料储量。

对于粉粒体，必须考虑到颗粒间有空隙，应区分密度和容重。

密度是指不含空隙的物料每单位体积的质量，即通常的质量密度

，如果乘以重力加速度g，就成为重力密度r，简称为重度。

容重是包含空隙在内的每单位体积的重量

v，也就是视在重度或宏观重度，它总要比颗粒物质本身的重度小，其差额决定于空隙率。

而空隙率又取决与许多因素。

例如颗粒形状、尺寸的一致程度、是否受外力压实、是否经受过振动、有无黏结性等，所以粉粒体物料的体积储量和质量储量之间不易精确换算，这是需要注意的。

阻力式料位传感器是指物料对机械运动所呈现的阻挡力。

粉末颗粒状物料比液态物质流动性差，对运动物体有明显的阻力，利用这一特点可构成各种料位传感器。

音叉法：

根据物料对振动中的音叉有无阻力探知料位是否到达或超过某高度，并发出通断信号，这种原理不需要大幅度的机械运动，驱动功率小，机械结构简单、灵敏而可靠。

音叉由弹性良好的金属制成，本身具有确定的固有频率，如外加交变力的频率与其固有频率一致，则叉体处于共振状态。

由于周围空气对振动的阻尼微弱，金属内部的能量损耗又很少，所以只需微小的驱动功率就能维持较强的振动。

当粉粒体物料触及叉体之后，能量消耗在物料颗粒间的摩擦上，迫使振幅急剧衰减，音叉停振。

为了给音叉提供交变的驱动力，利用放大电路对压电元件施加交变电场，靠逆压电效应产生机械力作用在叉体上。

用另外一组压电元件的正压电效应检测振动，它把振动力为微弱的交变电信号。

再由电子放大器和移相电路，把检振元件的信号放大。

经过移相，施加到驱动元件上去，构成闭环振荡器。

在这个闭环中，既有机械能也有电能，叉体是其中的一个环节，倘若受到物料阻尼难以振动，正反馈的幅值和相位都将明显的改变，破坏了振荡条件，就会停振。

只要在放大电路的输出端接以适当的器件，不难得到开关信号。

为了保护压电元件免受物料损坏和粉尘污染，将驱动和检振元件装在叉体内部，经过金属膜片传递振动。

如果在容器的上下方都装叉体，可以实现自动进料或自动出料的逻辑控制，或者把料位越限信号远传到控制室。

在控制室里的控制电路判断料位是否越限，并按要求使被控的进出料设备启停。

并且叉体的制造和装配良好时，音叉也可用于液体测量和控制。

在测量时不需要大幅度的机械运动，驱动功率小，机械结构简单、灵敏而可靠。

此设计选择音叉法阻力式料位传感器。

3.存储器扩展电路的选择

2864A是一种并行EEPROM，它的特点同上，但每页有16字节，2864A与8051单片机的接口电路如下图所示,2864A的片选端

与高地址线P2．7连接，P2．7=0才能选中2864A，这种线选法决定了2864A对应多组地址空间，即0000H~1FFFH,2000H~3FFFH,4000H~5FFFH,6000H~7FFFH,这8K字节存储器可作为数据存储器使用,但掉电后数据不丢失

。

2864A的四种工作方式：

（1）维持方式：

当

为高电平时，2864A进入低功耗维持状态。

此时，输出线呈高阻状态，芯片的电流从140mA下降至维持电流60mA。

（2）读方式：

当

和

均为低电平而

为高电平时，内部的数据缓冲器被打开，数据送上总线，此时，可进行读操作。

（3）写方式：

2864A提供了两种数据写入方式：

页写入和字节写入。

页写入：

为了提高写入速度，2864A片内设置了16字节的“页缓冲器”，并将整个存储器阵列划分成512页，每页16个字节。

页的区分可由地址的高9位（A4~A12）来确定，地址线的低四位（A0~A3）用以选择页缓冲器中的16个地址单元之一。

对2864A的写操作可分为两步来实现：

第一步，在软件控制下把数据写入页缓冲器，这部称为页装载，与一般的静态RAM写操作是一样的。

第二步，在最后一个字节（即第16个字节）写入到页缓冲器后20ns自动开始，把页缓冲器的内容写到EEPROM阵列中对应的地址单元中，这一步成为页存储。

写方式时，

为低电平，在

下降沿，地址码A0~A12被片内锁存器锁存，在上升沿时数据被锁存片内还有一个字节装载限时定时器，只要时间未到，数据可以随机地写入页缓冲器。

在连续向页缓冲器写入数据的过程中，不用担心限时定时器会溢出，因为每当

下降沿时，限时定时器自动被复位并重新启动计时。

限时定时器要求写入一个字节数据的操作时间

须满足；3μS<

<20μS，这样是正确完成对2864A页面写入操作的关键。

当一页装载完毕，不再有

信号时，限时定时器将溢出，于是页存储操作随即自动开始。

首先把选中页的内容擦除，然后写入的数据由页缓冲器传递到EEPROM阵列中。

字节写入：

字节写入的过程与页写入的过程类似，不同之处在于仅写入一个字节，限时定时器就溢出。

（4）数据查询方式：

数据查询是指用软件来检测写操作中的页存储周期是否完成。

在页存储期间，如对2864A执行读操作，那么读出的是最后写入的字节，若芯片的转储工作未完成，则读出数据的最高位是原来写入字节最高位的反码。

据此，CPU可判断芯片的编程是否结束。

如果读出的数据与写入的数据相同，表示芯片已完成编程，CPU可继续向2864A装载下一页数据。

并且编程起来比较简单，所以此设计采用此方案。

4．LED显示电路选择

LED显示器是由N个LED显示块拼接成N位LED显示器。

N个LED显示块有N跟位选线，根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不相同，段选线控制显示字符的字型，而位选线为各个LED显示块的公共端，它控制该LED显示位的亮、暗。

LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。

四、主电路介绍

1.主机电路核心器件介绍

功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

AT89C51主要性能参数

.与MCS-51产品指令系统完全兼容

.4K字节可重擦写Flash闪速存储器

.1000次擦写周期

.全静态操作：

0Hz---24MHz

.三级加密程序存储器

.128×8字节内部RAM

.32个可编程I/O口线

.2个16位定时/计数器

.6个中断源

.可编程串行UART通道

.低功率空闲和掉电模式

AT89C51功能特性概述

AT89C51提供以下标准功能：

4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/0口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可将至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。

.P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

.P1口：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

.P2口：

P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVE@DPTR指令）时。

P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区总R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。

.P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外中断0）

P3,3

（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

.RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将单片机复位。

.ALE/

：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器。

ALE仍一时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

但要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（

）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活，此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

：

程序存储允许（

）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次

有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的

信号不出现。

.EA/VPP：

外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H--FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需要注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部会锁存EA端状态。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

.XTAL1：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

.XTAL2：

振荡器3放大器的输出端。

时钟振荡器

AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路如图：

外接石英晶体（或陶瓷振荡器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。

对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低，振荡器工作的稳定性，起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，则推荐电容使用30pF

10pF，而如使用陶瓷振荡器建议选择40pF

10F。

用户也可以采用外部时钟，采用时钟的电路如图。

在这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。

由于外部时钟信号是通过一个2分钟触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。

编程方法

编程前，先设置好地址，数据及控制信号，编程单元的地址加在P1口和P2口的P2.0—P2.3（11位地址范围为0000H—0FFFH），数据从P0口输入，引脚P2.6、P2.7和P3.6、P3.7的电平，PSEN为低电平，RST保持高电平，EA/Vpp引脚是编程电源的输入端，按要求加上编程电压，ALE/PROG引脚输入编程脉冲（负脉冲）。

编程时，可采用4—20MHz的时钟振荡器，AT89C51编程方法如下：

1.在地址线上加上要编程单元的地址信号。

2.在数据线上加上要写入的数据字节。

3.激活相应的控制信号。

4.在高电压编程方式时，将/EA/Vpp端加上+12V编程电压。

每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG编程脉冲。

改变编程单元的地址和写入的数据，重复1—5步骤，直到全部文件编程结束。

每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms

数据查询

AT89C51单片机用数据查询方式来检测一个写周期是否结束，在一个写周期中，如需读取最后写入的那个字节，则读出的数据的最高位（P0.7）是原来写入字节最高的反码，写周期完成后，有效的数据就会出现在所有输出端上，此时，可进入下一个字节的写周期，写周期开始后，可在任意时刻进行数据查询。

Ready/Busy：

字节编程的进度可通过RDY/BSY输出信号监测，编程期间，ALE变成高电平“H”后P3.4端电平被拉低，表示正在编程状态。

编程完成后。

P3.4变为高电平表示准备就绪状态。

程序校验及芯片擦除

如果加密位LB1、LB2没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据线读回原编写的数据。

采用下图电路。

程序存储器的地址由P1和P2口的P2.0-P2.3输入，数据有P0口读出，P2.6、P2.7和P3.6、P3.7的控制信号

保持低电平，ALE、

和RST保持高电平。

校验时P0口须接上10K左右的上拉电阻。

加密位不可直接校验，加密位的校验可通过对存储器的校验和写入状态来验证。

利用控制信号的正确组合并保持ALE/

引脚10ms的低电平脉冲宽度即可将PEROM阵列（4k字节）和三个加密位整片擦除，代码阵列在片擦除操作中将任何非空单元写入“1”，这步骤需再编程之前进行。

读片内签名字节及编程接口

AT89C51单片机内有3个签名字节，地址为030H、031H和032H。

用于声明该器件的厂商、型号和编程电压。

读签名字节的过程和单元030H、031H和032H的正常校验相仿，只需将P3.6、P3.7保持低电平，返回值意义如下：

（030H）=1EH声明产品由ATMEL公式制造。

（031H）=51H声明为AT89C51单片机。

（032H）=FFH声明为12V编程电压。

（032H）=05H声明为5V编程电压。

编程接口：

采用控制信号的正确组合可对Flash闪速存储阵裂中的每一代码字节进行写入和存储器的整片擦除，写操作周期是自身定时的，初始化后它将自动定时到操作完成。

显示电路

在单片机应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED数码管是一种较好的选择。

LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。

LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件，其中七只发光二极管分别对应a～g笔端构成“日”字形，另一只发光二极管Dp作为小数点。

因此这种LED显示器称为七段数码管或八段数码管。

如图所示：

LED数码管按电路中的连接方式可分为共阴型和共阳型两大类，共阳型是将各段发光二极管的正极连在一起，作为公共端COM，公共端COM接高电平，a～g、Dp各笔段通过限流电阻接控制端。

某笔段控制端低电平时，该笔段发光，高电平时不发光。

控制某几段笔端发光，就能显示出某个数码或字符。

共阴型是将各段发光二极管的负极连在一起，作为公共端COM接地，某笔段通过限流电阻接高电平时发光。

在自动加料机控制系统中运行是要显示输送、排料、满料、空料时间，有时间切换键和标志哪条生产线的发光二极管表示，显示的位数少，所以就采用静态显示的方式。

LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或+5V）；每位的段选线（a~dp）分别与一个8位的锁存器输出相连。

所以称为静态显示。

各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。

也正因此如此，静态显示器的亮度都较高。

这种显示方式接口编程容易。

若用I/O接口，则要占用4个8位I/O口，若用锁存器接口，则要用4片74LS373芯片。

如果显示器位数增多，则静态显示方式便无法适应。

在设计中，LED显示电路采用74LS377驱动器和MC14511B译码器控制LED数码管。

74LS377芯片介绍

.D0～D7：

8个信号输入端。

.Q0～Q7：

8个信号输出端。

.CLK：

时钟信号输入端。

：

锁存允许信号。

当

=0时，CLK端的上跳变将把8位D输入端的数据打入8位锁存器。

74LS377真值表

CLK

↑

MC14511B芯片介绍

.A～D：

四个信号输入端。

.a～g：

七个信号输出端。

.LT、BI：

接地。

.LE：

接电源

LED接口电路

LED显示电路采用74LS377驱动器和MC14511B译码器控制LED数码管。

两个LED显示一条生产线一个工作过程的秒数。

两片MC14511B把P0口的高四位和低四位译码成十进制控制LED显示。

电路图如下：

继电器控制电路

在电气控制领域或产品中，凡是需要逻辑控制的场合，几乎都需要使用继电器，从家用电器到工农业应用，甚至国民经济各个部门，可谓无所不见。

继电器是一种利用各种物理量的变化，将电量或非电量信号转化为电磁力（有触头式）或使输出状态发生阶跃变化（无触头式），从而通过其触头或突变量促使在同一电路或另一电路中的其它器件或装置动作的一种控制元件。

根据转化的物理量的不同，可以构成各种各样的不同功能的继电器，以用于各种控制电路中进行信号传递、放大、转换、联锁等，从而控制主电路和辅助电路中的器件或设备按预定的动作程序进行工作，实现自动控制和保护的目的。

被转化或施加于继电器的电量或非电量称为继电器的激励量，当继电器被激励，从一个起始位置达到预定的工作位置，并完成电路的切换动作，称为继电器的工作特性，包括吸合。

不

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