皮带配料称控制系统设计毕业论文.doc

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皮带配料称控制系统设计毕业论文

目录

第1章绪论 1

1.1皮带配料秤控制系统的背景 1

1.2研究皮带配料秤控制系统的意义 2

第2章皮带配料秤控制系统总体设计方案 4

2.1皮带配料秤控制系统的设计依据 4

第3章硬件结构及原理电路 6

3.1MCS-51单片机 6

3.1.18051单片机 6

3.1.2单片机8051的最小系统 8

3.2重量信号的采集 9

3.2.1荷重传感器输出全桥电路 9

3.2.2重量信号采集电路 11

3.3皮带走速信号的测量 14

3.3.1皮带走速信号的测量方法 14

3.3.2皮带走速信号的测量电路 15

3.4键盘显示器接口电路 17

3.4.1键盘输入电路原理 17

3.4.2显示器电路原理 18

3.4.3键盘显示器接口电路 19

3.5报警电路 21

3.6电机的控制 22

3.6.1DAC0832在控制电机中的应用 22

3.6.2电机调速控制电路 24

3.7直流稳压电源 26

3.8控制和测量原理 27

3.8.1系统控制原理 27

3.8.2瞬时流量的测量 28

3.8.3流量控制 28

第4章皮带配料秤控制系统软件设计 30

4.1软件设计思想 30

4.2系统初始化 30

4.3键盘扫描及显示 31

4.3.1键盘扫描 31

4.3.2显示子程序 32

4.4键输入和键处理 33

4.4.1WR键处理 33

4.4.2S键处理 33

4.4.3MON键、Z键、STOP键、RUN键处理 34

4.5运行管理程序 35

4.5.1采样程序 36

4.5.2数值转换程序 37

4.5.3计算过程 37

4.5.4显示程序 37

4.5.5报警处理 38

设计总结 39

参考文献 40

外文原文和译文 41

致谢 63

附录1：

程序清单 65

附录2：

元件清单 74

.专业.专注.

第1章绪论

1.1皮带配料秤控制系统的背景

根据最新的定义，皮带配料秤是一种连续累计自动衡器。

衡器是利用作用在物体上的重力来确定物体质量的计量仪器，按操作方式的不同可分为：

自动衡器和非自动衡器。

自动衡器就是指在称量过程中不需要操作者干预就能按设定的处理程序自动称量的衡器。

其中，连续累计自动衡器是不需要对质量细分的就可以对皮带上散装物料进行连续称量。

皮带配料秤就是在皮带输送物料时对物料进行连续累计称量的一种自动衡器。

皮带配料秤广泛用于煤炭、化工、食品加工、建材等行业的物料配比当中，其配料的准确与否直接影响着国民生产的各个部门。

配料系统的使用可以提高各个部门的自动化水平和各个生产系统的可靠性，降低工人劳动强度，提高生产效率和产品质量，从而扩大公司的效益。

在煤炭行业，配料系统用于定量供煤，能否准确配料直接决定配煤质量。

在化工行业，配料系统用于多种原材料的定量配比，它可以起到减员增效，节约成本，减少误差，从而创造更大的利润。

在食品加工行业，配料系统的使用代替了大量的手工劳动，提高了劳动生产效率，使得食品加工更方便、快捷。

在建材行业，沙子、粘土、水泥、石灰、石子等物料的混合需要用配料系统对其进行定量配比。

由此可见，配料系统的应用非常广泛。

皮带配料系统简称为配料系统，它与皮带传输系统的设计原理和组成结构基本相同，不同的是，配料系统在皮带传输系统的基础上又增加了“配料”这一功能。

它起源于19世纪末，各项新技术发展的十分迅速，随着皮带输送系统的出现，配料系统也随之产生。

最早的皮带输送系统称重原理来自于斗式输送机对物料连续自动称量的装置。

随着传感器技术的迅速发展，配料系统的发展也是十分迅速。

配料系统的发展大致有四个阶段：

第一阶段是五、六十年代的纯机械式配料系统，通常采用机械式、光电式扫描或增量式编码器等，这种配料系统只具有识别计数和启动功能。

第二阶段是六、七十年代的传感器电子仪表配料系统，随着模拟电路和数字电路的发展，逐渐出现了各种小型的配料电动仪表。

它可以实现平衡、识别和累计计算等功能。

第三、四阶段是20世纪七十年代末的微机智能化配料系统。

电子配料系统首次引入计算机，提高了集成度。

配料系统中的累计量运算采用累加法代替了积分法。

第一、二阶段的配料系统只能进行简单的累计计算和测量，而且准确度较低，对系统运行过程中的变化不能进行有效控制，因此其计量过程准确度较低，缺乏稳定性，动态性能差。

而第三、四阶段的配料系统结合了微机技术、现代计量技术、网络技术、通讯技术、工业控制等技术，不但增强了计量的准确性，而且对在计量过程中出现的问题能够进行实时监测和控制，同时，仪表的显示、调零、报警等功能也越来越完善。

而通讯技术的发展更是增强了仪表的远程维护诊断与数据传输的功能。

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。

单片机配料系统设计电路复杂程度低，可靠性大大提高，可以满足客户实用性的要求。

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。

随着我国经济的发展，工业生产规模的扩大，计算机技术的迅速发展，基于STD总线或PC总线的工业控制计算机已经提上日程，并且在我国占据了一定地位，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，往往需要配料的量不是一成不变的，需要一线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研究皮带配料秤控制系统的意义

配料秤是冶金、水泥、化工、建材、食品等工农业生产中的一个重要环节，也是冶金、水泥、化工、建材、食品等生产过程中的源头工序。

例如水泥生产时需要由各种原料按一定的比例进行混合处理；饲料的生产需根据牲畜的生长规律，在不同的生长期需生产成份含量不同的饲料；各种化工产品、建筑材料、农药等产品的生产也是一样的。

配料质量的高低直接关系着下游生产过程能否顺利的进行。

如果配料的质量达不到要求，轻则造成原料和能源的浪费，重则影响产品的产量和质量，并且有些特殊生产岗位的配料错误会给整个生产酿成严重事故。

因此，配料精度的高低和配料速度的大小影响着整个生产过程，我们应该足够重视配料过程的质量和产量控制。

目前，随着自动化控制程度的提高，物料秤自动控制不仅关系到生产质量而且还关系着人身安全，在早期的混凝土配置中完全是依靠大量的人力来完成的，不仅劳动强度大并且水泥粉尘的污染损害工人的身体健康。

现在许多建筑工程和工厂大规模的建设等都要求建设生产时必须使用皮带配料秤单片机控制器来控制物料的自动配比，利用皮带配料秤单片机控制器来完成配料的输送和配比，只需一人或几人就可以在现场或远离物料配料场控制配料的完成，不仅节省了人力物力，也减少了环境污染，很大程度的提高了生产效率，并为企业降低了生产成本。

为了提高产品质量，物料必须实现科学的配比，在食品、冶金、化工、饲料加工等行业也越来越注重物料配比的准确度和配料的控制速度，也就需要高精度高速度的皮带配料秤控制系统来进行自动控制。

我设计的皮带配料秤控制系统正是为了此目的。

随着半导体技术的发展，单片机的应用越来越多。

现在利用单片机和微机组成的皮带配料秤已广泛地应用在冶金、化工、建材、饲料加工等多种行业，皮带配料秤控制系统不仅具有自动化程度高，操作人员劳动强度低，而且配料精度较高，产品质量可以得到保障，还能实现物料的配比，自动和手动相互结合，实现了自动跟踪误差调整、混合、显示、称重。

单片机配料秤控制系统是配料过程控制和质量控制的关键环节。

微机配料控制系统可以按照设定好的配比和流量控制各种物料的瞬时流量，达到控制各种产品产量和质量的目的，同时它也是实现生产过程自动化、安全稳定生产和节能降耗的重要技术。

单片机配料控制系统在生产中不仅可以提高配料产量和质量，也减轻了工人的劳动强度，从而提高了生产效率。

因此使用皮带配料秤单片机控制系统能显著地提高工作效率，增加经济效益，提升管理的现代化水平，同时研制技术先进、设备成熟、经济实用的单片机配料控制系统也是至关重要的。

随着我国工业自动化程度的提高，配料系统将在现在和未来的市场需求中占据相当大的比例。

皮带配料系统作为一种新兴的高新技术产业而越来越受到世界各国的普遍关注。

在西方发达国家，配料系统的生产技术已经相对完善；而在中国，由于先前的技术水平落后，这使得积极开发研制更加精确、方便、可靠、功能更强大的配料系统控制器具有重要意义。

而且，中国地大物博、资源丰富，各项工业生产正在以不可阻挡的势头向前发展。

可以看到，中国广大的市场为配料系统的发展提供了广阔的前景。

另一方面，我国目前的主要矛盾是落后的生产力满足不了人民日益增长的物质文化需要。

在物质方面，我们需要又快又好的生产出我们所需要的物质产品，所以我们要进行生产自动化，实现生产的快速性与精确性。

综上所述，我们可以看到配料自动控制系统的研究设计对我国经济发展有着很重要的意义，精确的配料技术不仅可以扩大生产量，还可以是生产出来的产品具有很高的质量和性能，经得起市场的考验，使我们的产品在世界经济市场上更具有竞争力。

第2章皮带配料秤控制系统总体设计方案

皮带配料秤是一种动态控制型平衡器，它利用皮带的运转将皮带上运载的物料进行称重，并且能够根据设定流量的要求通过改变电机的转速调整皮带的运行速度，从而是物料流量达到设定流量保持在附近，并且能够通过数码管显示瞬时流量。

下面就介绍以8051单片机为核心的皮带配料秤的工作原理和整体结构。

2.1皮带配料秤控制系统的设计依据

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、高空和有害环境作业。

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。

皮带配料称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，其工艺结构如图2-1所示。

图2-1：

皮带配料秤工艺结构图

图2-1中，皮带上方有一个料斗，皮带转动时物料随皮带输送出去。

输送皮带由滑差电机M（电磁调速异步电机）进行驱动，测速传感器SR输出信号的频率和皮带的速度成正比，皮带下方装设荷重传感器W，输出的电压信号与皮带上的物料成正比。

皮带配料称控制器BWF接受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且显示出来，将流量实际值和流量设定值进行比较，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附近。

物料流量的设定值由操作员在键盘上设定，系统运行后，单片机对皮带的荷重信号和走速信号进行采集，并且计算瞬时流量和控制电流（4--20mA）,实现对流量的控制。

2.2总体设计方案

根据皮带配料秤的技术要求，本次设计采用以8051单片机为控制核心构成皮带配料秤控制器BWF。

硬件部分主要有8051单片机、荷重传感器、皮带走速测量、A/D转换器（ADC0809）、D/A转换器（DAC0832）、键盘扫描电路、显示电路等组成，系统硬件组成框架如图2-2所示。

单片机

荷重传感器

放大

A/D

复位电路

报警电路

键盘、显示器电路

整形

测速传感器

物料

D/A

放大

可控硅

控制板

图2-2：

系统硬件组成框图

皮带配料秤控制系统的设计思想为：

皮带输送机工作之前，皮带上物料流量的设定值由操作人员在键盘上进行设定。

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）和皮带走速信号，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，为操作人员提供数据参考。

单片机系统再将流量实际值和它的设定值进行比较，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（4～20mA），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磁电流的功能，从而调节滑差电机的转速，使得物料的流量尽可能稳定在设定值附近。

根据现场控制和操作的实际需要，对皮带配料称控制器有以下要求：

1.可以设定输入流量设定值等参数和操作命令。

2.有6位顺势流量显示。

3.输出一路4——20mA的滑差电机速度调节信号。

4.接受0——10mV的皮带荷重信号和速度信号。

5.系统控制误差小于5%。

软件部分的设计主要是针对键的扫描，对数据进行采集处理，计算瞬时流量，再进行PID调节，控制可控硅的导通角，从而控制滑差电机的转速。

第3章硬件结构及原理电路

3.1MCS-51单片机

单片机是一种集成的电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

3.1.18051单片机

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，由英特尔公司于1981年制造。

8051单芯片是同步式的顺序逻辑系统，整个系统的工作完全是依赖系统部的时脉信号，用以来产生各种动作周期及同步信号。

在8051单片机中已建时钟产生器，在使用时只需接上石英晶体谐振器（或其它振荡子）及电容，就可以让系统产生正确的时钟信号。

MCS-51单片机包含下列几个部件：

（1）一个8位CPU；

（2）一个片振荡器及时钟电路；

（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外部图3-1：

8051引脚排列图

程序存储器空间的控制电路；

（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。

8051单片机都采用40引脚的双列直插封装方式，引脚排列图如图3-1，40条引脚说明如下：

1.主电源引脚Vcc和Vss

（1）Vcc正常工作时为+5V电源；

（2）Vss接地。

2.外接晶振引脚XTAL1和XTAL2

（1）XTAL1为部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。

当采用外部振荡器时，此引脚接地。

（2）XTAL2为部振荡电路反相放大器的输出端。

是外接晶体的另一端。

当采用外部振荡器时，此引脚接振荡源。

3.控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/,和/Vpp

（1）RST/VPD当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，可以由VPD向部提供备用电源，以保持部RAM中的数据。

（2）ALE/正常操作时为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE引脚以不变的频率（振荡器频率的六分之一）周期性的发出正脉冲信号。

因此，它可用作对外输出的时钟信号，或者用于定时目的。

值得注意的是每当访问外部数据存储器时，将越过一个ALE脉冲，ALE端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。

对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（功能）。

（3）为外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储读取指令（或数据）期间，在每个机器周期两次有效。

同样可以驱动八个LSTTL输入。

（4）/Vpp为部程序存储器和外部程序存储器的选择端。

当/Vpp是高电平时，则访问部程序存储器，当/Vpp是低电平时，则访问外部程序存储器。

4.输入/输出引脚P0.0-P0.7、P1.0-P1.7、P2.0-P2.7和P3.0-P3.7

（1）P0口（P0.0-P0.7）是一个8位漏极开路型双向I/O口，在访问外部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载；

（2）P1口（P1.0-P1.7）是一个带有部提升电阻的8位准双向I/O口。

能驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载；

（3）P2口（P2.0-P2.7）是一个带有部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。

P2口可以驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载；

（4）P3口（P3.0-P3.7）是一个带有部提升电阻的8位准双向I/O口。

能驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载。

P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

3.1.2单片机8051的最小系统

单片机8051的最小系统如图3-2所示。

图3-2:

单片机8051的最小系统

1.电源

对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。

51单片机虽然使用时间最早、应用围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。

所以，电源是必不可少的，单片机使用的是5V电源，其中正极接40管脚，负极（地）接20管脚。

2.振荡电路

单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率上。

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。

单片机是一种时序电路，必须供给脉冲信号才能正常工作，在单片机部已集成了振荡器，可以使用晶体振荡器接18、19脚。

3.复位电路

单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。

当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。

复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。

具体数值可以由RC电路计算出时间常数。

按图3-2中画法连好，RST引脚需保持2个机器周期以上的高电平。

3.2重量信号的采集

3.2.1荷重传感器输出全桥电路

1.传感器

传感器（英文名称：

transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器的特点包括：

微型化、数字化、智能化，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。

通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

通常，我们把非电信号通过传感器转换为电信号，并加以放大。

然后将放大后的电压经过模数转换后送到单片机中进行数据分析处理，通过编程达到自动控制的目的。

本次设计是将重量信号通过传感器转化为电信号，然后通过单片机实现对物体重量的自动检测，并显示出来。

因此，要达到设计的性能要求，传感器的精度起着决定性作用。

2.传感器的选择

称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力电转换装置，是电子衡器的一个关键部件。

能够实现力电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。

电磁力式主要用于电子天平，电容式用于部分电子吊秤，而绝大多数衡器产品所用的还是电阻应变式称重传感器。

电阻应变式称重传感器结构较简单，准确度高，适用面广，且能够在相对比较差的环境下使用。

因此电阻应变式称重传感器在衡器中得到了广泛地运用。

传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。

电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。

半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。

电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。

电容式传感器的优点是高阻抗、小功率、温度稳定性好、结构简单、适应性强、动态响应好。

电容式传感器存在的不足之处是输出阻抗高、负载能力差、寄生电容影响大。

电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。

电感式传感器的特点有结构简单、传感器无活动电触点、灵敏度和分辨力高、传感器的输出信号强、线性度和重复性都比较好。

皮带配料秤控制系统需要具有很快的测量速度，而且输出还要具有良好的线性特点，所以电容式传感器和电感式传感器都不能很好的应用于本次设计，因此设计所需的传感器选用电阻应变式传感器。

3.荷重传感器输出全桥电路

本次设计的荷重电路采用桥式测量电路，用的是电阻应变式传感器半桥式测量电

图3-3：

荷重传感器输出全桥电路

路。

其原理是用应变片直接测量弹性元件的应变量，间接的测量出压力。

这种方法弹性元件变形极小，可以测量高频率变化的压力，应变元件其实是一个测力应变筒，组成应变电桥即可得到输出电压值，从而测出压力值的大小，电路图如图3-3所示。

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

它的两只应变片和两只电阻贴在弹性梁上，测量电阻随重力变化导致弹性梁应变而产生的变化，电阻的变化使桥式测量电路的输出电压发生变化，即输出电压的变化反映出重力的变化。

4.电路输出计算

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。

当忽略电源的阻时，由分压原理有：

（3-1）

当满足条件时，即

（3-2）

，即电桥平衡，式（3-2）为平衡条件。

应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。

若差动工作，即,,，,按式（3-1），则电桥输出为：

（3-3）

3.2.2重量信号采集电路

1.ADC0809的主要特性

ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。

其部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

目前在单片机应用设计中较为常见。

其主要特性有下列几点：

（1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位；

（2）具有转换起停控制端；

（3）转换时间为100μs（时钟为640KHz时），