毕业设计论文智能配料仪的设计

本科学生毕业设计智能配料仪的设计 系部名称： 电子工程系 专业班级： 测控技术与仪器 06-2 班学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲 师 黑黑 龙龙 江江 工工 程程 学学 院院二一年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of Intelligent IngredientsCandidate：Yan YongqiangSpecialty：Measurement & Control Technology and InstrumentationsClass：06-2Supervisor：Lecturer. Wu DongyanHeilongjiang Institute of Technology2010-06Harbin摘 要测量和控制是工业生产过程中的重要参数，直接关系到产品的质量和效益。人工配料需要分别计算出各种物料的多少，然后从各个料仓中提取并放到电子称上称重，最后进行混合。在这个过程中，工人操作复杂，出错率高，称重无监测，生产数据不能被纪录等不能保证企业的生产工艺。随着现代自动检测技术的发展、过程控制技术、通讯技术的发展，智能电子配料系统也逐渐的发展起来。本设计分为六部分：电子称重及运放，信号采集和模-数转换，按键功能的设定，液晶的显示，机械阀门和电机的控制，AT89S52 中心处理器。通过设计的新型智能配料系统它具有去皮、清零、净重/毛重转换、过载显示及弱电源显示等功能。此电子配料称重系统最多可有 8 种物料同时进行配置，配料量、配料比可随意输入，配料次序均可由键盘设定，简单实用，通过 LCD 液晶直观显示，准确无误，方便记录。关键词：电子称重；智能配料系统；自动称量；压力传感器；机械阀门；直流电机 ABSTRACTMeasurement and control is an important parameter in the process of industrial production, directly related to product quality and efficiency. Need artificial ingredients of various materials were calculated how much, and then extracted from each silo and, put on the electronic weighing，and finally mixed. In the process, workers to operate complex, error rate is high, weighing no monitoring, production data can not be recorded and can not guarantee the production process. Along with the development of modern automatic detection technology, process control technology and communication technology, the development of intelligent electronic batching system gradually developed. The design is divided into six parts: electronic weighing and op-amp, signal acquisition and simulation - digital conversion, keys function setting, LCD display, mechanical and electrical control valve, as the processor processing AT89S52. Through the design of new intelligent batching system it has peeled, clear, net weight / gross weight change, overload display and low power display. The ingredient weighing system will have up to eight kinds of materials at the same time configuration, ingredient content, ingredients than are free to enter, the order of ingredients can be set by the keyboard, simple, practical, intuitive LCD by LCD display, accurate, easy recording.Key words: Electronic Weighing；Intelligent Batching System；Automatic Weighing；Pressure Sensor；Mechanical Valve；Dc Motor目 录摘要IAbstractII第 1 章 引言11.1 概述11.1.1 选题的背景11.1.2 课题研究的目的和意义11.2 国内外智能配料系统的研究现状和未来的发展趋势21.2.1 国内外智能配料系统的研究现状21.2.2 智能配料系统的未来发展趋势31.2.3 国内外水平对比分析41.3 设计的研究内容和拟达到的结果41.3.1 设计的研究内容41.3.2 拟达到的结果4第 2 章 方案选择与论证52.1 总体方案的比较与论证52.2 电压信号放大电路模块的选择52.3 A/D 采样电路方案的选择62.4 下料阀门的选择62.5 电机驱动电路方案的选择72.6 本章小结8第 3 章 系统硬件设计93.1 单片机电路93.2 称重模块123.2.1 传感器的定义与组成123.2.2 压力传感器的选择133.2.3 本设计采用的压力传感器133.3 电压放大电路143.3.1 放大器芯片 TL084 的简介143.3.2 本设计中 TL084 放大芯片的应用143.4 A/D 转换电路153.4.1 A/D 转换器的分类153.4.2 A/D 转换器的主要技术指标153.4.3 芯片 A/D 2543 的简介163.5 显示系统173.5.1 液晶的简单描述173.5.2 本设计采用的显示系统173.6 控制输入193.7 电机控制模块193.7.1 控制电路的设计193.7.2 L298N 电机驱动芯片介绍203.7.3 电机驱动电路的设计213.8 总体电源设计223.9 本章小结22第 4 章 系统软件设计234.1 编译工具的选择234.1.1 编程语言的选择234.1.2 C 语言编程的简单介绍234.1.3 单片机应用系统软件设计244.2 软件流程及介绍244.2.1 单片机数据处理程序244.2.2 数据采集程序设计254.2.3 按键显示程序设计264.3 本章小结27结束语28参考文献29致谢31附录32第 1 章 引 言1.1 概述智能电子配料系统1是随着自动化检测技术、过程控制技术、通讯技术、计算机技术的发展而发展起来的。配料仪广泛应用于化工、冶金、医药、农业、畜牧业等轻重工业，但随着社会的进步，科技的发展，对设备精度和性价比的要求也越来越高，为了满足不同的消费群体，为了能够更好的发挥其价值，为了满足不同的功能需要，所以要根据不同的情况设计不同的配料仪，现在各大厂家生产的配料仪器对功能的实现上略有欠缺，不能够针对一个行业制造出比较专业并切合实际的配料系统，为了能够满足畜牧行业的配料仪4，故提出了智能电子配料仪的设计。1.1.1 选题的背景在建材、化工、冶金、矿山、电力、食品、饲料加工等行业中，有许多产品是将某几种原料按一定的比例混合，通过加工而成。这种按一定的比例混合原料的过程就是配料过程。配料过程中，物料混合比例是否按预先的配比进行，将直接影响产品的质量。现在各行业对配料的效率和精度要求越来越高，人工配料已远远不能满足连续化、自动化生产的要求。所以研制高效率、高精度自动配料生产线势在必行，而配料控制器7是关键的设备之一。在以往的配料设备8中存在以下几方面不足：给料方式上只有快慢速给料，配料精度的合格率达不到要求；控制信号只有给料控制，其他动作控制满足不了 ，即使采用 PLC 动作配合也不理想，且控制算法也难以实现；一般均是单物料工作方式，不适合连续自动配料生产线。同时，一般配料工业现场粉尘大、工作环境恶劣、劳动强度大、污染环境，不利于操作人员的身心健康；配料种类多，标准量各不相同，对每种物料下料速度和称量精度都要求严格，生产也要求较高；因原料供应厂家不同，料样为粉料的情况下，物料的粘度、比重各不相同，且物料温度、湿度变化易粘连、结块，使物料的流动性降低，对称量精度有一定的影响。基于综合考虑，特研制了一种用 AT89S52 为控制中心的智能配料控制器。1.1.2 课题研究的目的和意义智能电子配料系统的设计目的是提高控制和作业精度。用于畜牧流程中的新型的电子配料称量系统，作为计量配料的主要设备，由于其具有快速准确、直观等优点，正在逐步取代机械称量系统。以单片机11作为控制核心的电子配料称量系统，具有可设定、测量精度高、性能稳定、成本低廉、使用范围广泛等优点，是简单、小型电子配料称量系统的发展方向。它具有去皮、清零、自动零跟踪处理、净重/毛重转换、过载显示及弱电源显示等功能。此电子配料称重系统最多可有 8 种物料同时进行配置，配料量、配料比可随意输入，配料次序均可由键盘设定，且可断电记忆，简单实用。实际配料量打印、记录和 LCD13显示出来。通过以上的设计和功能的实现彻底满足广大顾客的需求。着重体现在以下方面：（1）配料精度：配料精度是一个重要的技术指标，直接关系到产品的质量和回报率；（2）可靠性：可靠性是重要的质量指标，直接影响故障率的发生；（3）性能价格比：这是产品竞争力强弱的重要指标。自动配料装置的核心设备是配料秤, 配料秤性能好坏直接影响配料质量的优劣。随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子秤重的控制系统中。此设计在于通过自主进行课题研究和探索，了解和掌握基本的科学研究方法和手段，本系统主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器17及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤量系统具备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。在设计过程中，需要掌握智能配料多路巡检测量系统的设计方法，包括单片机最小系统的设计，配料仪电路的设计、显示电路的设计及相关软件的编写22等，学会对典型智能测试实例进行分析，掌握智能配料系统的设计和开发步骤。对于配料系统是一门永远和社会同步的技术问题，对于不同工作环境所造成的现实问题，是智能称量系统主要研究的课题。每年我国召开智能电子称量系统的会议，希望能够交流，研发出更现代化、更准确化、更高效化、更廉价化的适合现代社会发展需要的仪器和仪表。在原有机械配料、现有自动配料的基础上，进行技术改造，使生产过程实现智能化和信息化；方便快捷是设计的基本追求，称重准确是计量的根本要求，低廉通用是行业的一直期待，一定要保质保量使得生产得到更大的人性化。所以说此课题的研究对于提高产品的质量、提高生产效率和完善现代企业管理具有十分重要的现实意义。1.2 国内外智能配料系统的研究现状和未来的发展趋势1.2.1 国内外智能配料系统的研究现状自国务院颁布1994-2000年全国饲料工业发展纳要正式将饲料工业纲入国家国民经济和社会发展计划之后，我国的饲料工业发展迅猛，取得了令人瞩目的成就。目前，随着自动化控制程度的提高，在冶金、建材、化工、食品加工、饲料加工等行业广泛地需要配料控制器来进行物料配比自动控制。比如在建筑业，混凝土的配置就是很重要的环节，它不仅关系到工程质量而且还关系到人身安全，在最早的混凝土配置中完全依靠大量的人力来完成，劳动强度大而且由于水泥粉尘的污染损坏了工人的身体健康和周围的环境。现在许多建筑工程和筑路，建桥、房屋建筑、工厂大规模的建设等都要求，承建建设任务的建筑公司必须使用智能配料控制器来控制物料的自动配比，利用智能配料控制器进行配料，只需一人或几人就可以在现场或远离物料配料场所进行控制配料的完成，不仅节省了人力物力，也减少了环境污染，大大提高了生产效率，为企业降低了生产成本。物料必须实现科学的配比，如建筑业中的混凝土24并非是水泥越多越好。为了提高产品质量，物料必须实现科学的配比，在食品加工、冶金、化工、饲料加工等行业也越来越注重物料配比的精度和配料的控制速度，也就需要高精度、高速度的智能配料控制器来进行自动控制。此设计的智能配料控制器也正是为了此目的。近十年来，我国各大厂商从英国、日本等地引进了多种配料系统，也有一些厂商自主研发了各种形式的配料系统。但从称量方式上看，有单秤累计称量、多秤分别称量和多秤部分累计称量三种。单秤累计称量结构简单、成本低，但由于需要选用大量程传感器，称量精度差，累计称量速度慢，只能适用于小型厂小粉料配料速度、精度要求不高的场合。多秤分别称量为一种物料采用一种秤，统一收集。它结构复杂、成本高、自动化程度高、称量精度25高、秤量速度快。多秤部分累计称量一般采用 24台秤，同时对几种物料进行累计称量，其特点介于二者之间。从自动化程度分，有较简易的人工取料自动称量方式，也有自动给料自动称量的全自动配料系统。但不论每一种都很难做到普遍通用性，毕竟很难适合各种工作环境。1.2.2 智能配料系统的未来发展趋势为了能够最大满足用户需要，每年各大配料研究机构都努力的研究最新的产品以满足市场的需要。技术不断更新，专家不断科研，配料系统也逐渐的走向了成熟。各种仪器广泛应用于建材工业、日化产品、干粉砂浆、冶金工业、化学工业、饲料行业、水泥行业、以及较难处理的橡胶行业等等配料控制系统。所以说自动配料系统是未来社会发展的必然趋势。目前，在各方面对配料控制器的要求逐渐趋向智能化、数字化。在智能化上要求仪器能自动完成物料的称重、自动调校测量误差、自动进料和卸料、以及能够实现微机集成控制，使操作人员坐在控制中心就可完成所有的工作，节省人力物力。在数字化上要求信号的处理及传输向数字方向发展，目的是提高系统的抗干扰性和精确度，以保证系统的稳定性和可靠性。1.2.3 国内外水平对比分析1配料精度配料精度是一个重要的技术指标，直接关系到饲料产品的质量、报酬率。目前国内的智能配料系统一般都能达到静态 0.1%F.S、动态 0.2%F.S，与国外水平相当。2可靠性可靠性是重要的质量指标。由于机械工艺、电子元件等基础工业发展的滞后，国内的智能配料系统可靠性与国外产品相比尚有一定差距。3性能价格比这是产品竞争力强弱的重要指标。国外的智能配料系统是国内同等水平的产品的35 倍之多，而且售后服务不如国产企业的及时和便利。由此可见，国内生产的智能配料系统，配料精度已达国外同等水平，其主要性能指标也与国外同类装置相差无几，但可靠性、稳定性及使用寿命等与国外先进设备相比差距较大。优势是价格较低，仅为进口的一半，维修服务也方便，因而国内饲料企业还是乐意采用国产的配料系统。1.3 设计的研究内容和拟达到的结果1.3.1 设计的研究内容根据国内外配料行业的发展现状，发现有很多方面还需要进一步改进和提高，所以提出了以下几个方面内容：（1）价格低廉、体积在原有基础上变小（2）性能稳定26、精确度在进一步提高（3）抗干扰能力、适应环境能力强，并且可以满足市场上较难处理的固体物料（4）整体操作简单，便于直观读数，可随意更改配料比例，满足不同顾客的需求（5）配料种类多，需求工作人员少，有比较明显的推广价值1.3.2 拟达到的结果通过此智能配料系统的设计可以满足多种饲料的配比，并且根据自身需要可随意更改比例，精确度高、性能稳定、操作简单、抗干扰等适应环境能力强。它具有去皮、清零、自动零跟踪处理、净重/毛重转换、过载显示及弱电源显示等功能。第 2 章 方案选择与论证2.1 总体方案的比较与论证方案一：采用把若干个控制回路以及所有的变量的显示、操作和控制集中在单一计算机上来实现，结构框图如图 2.1 所示。DCS 系统接口主机系统配置功能称重设备 1称重设备 n 图 2.1 集中型配料系统框图方案二：采用单片机，压力传感器设计出具有智能配料功能的精确测量控制系统。智能配料称量系统的结构图如图 2.2 所示。重物称重传感器调零电路放大器显示器电源A/DCPU键盘图 2.2 智能配料称量系统框图方案比较：方案一的做法会产生问题：即集中的脆弱性问题，单台计算机控制着所有的回路，把危险也集中了，一旦计算机有故障，则导致全面瘫痪；方案二的设计体积小、成本低、计量精度高、工作稳定的小量程电子称。2.2 电压信号放大电路模块的选择方案一：应用 OP07 是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大电路，具有非常低的输入失调电压，无需额外的调零措施，超低偏移，低输入偏置电流稳定性好，这种低失调高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号方面，OP07 信号放大器如图 2.3 所示。OA1-IN2+IN3V-4NC5OUT6V+7OA8UO1OP07图 2.3 OP07 信号放大器功能框图方案二：采用集成运放芯片 TL084 将基本的差分放大电路和正相放大电路有机的组合起来。对电压信号进行放大处理，根据系统的需要可以选择不同的阻值就可以产生不同的放大倍数。使之成为适合 A/D 转换的（010V）的模拟电压信号。方案比较：虽然方案一的运放在各个方面都有出色的表现和明显的优势，TL084虽然在放大倍数、温度漂移以及其它很多特性上比不上 OP07，但是从本设计应用的角度来考虑，其工作环境以及其它方面要求的条件，TL084 完全可以胜任，其中最为关键的是 TL084 价格低廉、通用性好，而 OP07 单片价格昂贵、成本高，从成本上考虑本设计，选择通用性更好、价格更低的 TL084。2.3 A/D 采样电路方案的选择方案一：ADC0809 转换器采用 CMOS 工艺制造，8 位分辨率 A/D 转换器、5V单电源供电、8 通道输入、转换数据并行输出，工作温度范围为 0至 70，共有 28个引脚，占用单片机 I/O 数量多，接口复杂，不易操作。方案二：TLC254327采用 CMOS 工艺，具备 12 位分辨率、11 个模拟输入通道，该芯片采用业界标准串行外设接口（SPI）与外设通信，只需 4 条信号线便可与单片机等微控制器连接。片内集成采样-保持电路，且具有转换结束输出引脚 EOC。方案比较：综合考虑，方案一 ADC0809 为 8 位，转换精度低，转换速度慢，且转换精度受环境温度影响较大，引脚数量多，在硬件电路的设计上占用的空间大；方案二 TLC2543 为 12 位分辨率精度转换器，采用标准的 SPI 通信模式，引脚数量少，节省空间，与单片机接口简单，转换速度快，抗干扰能力强。2.4 下料阀门的选择方案一：蝶阀又叫翻版阀29，是一种结构简单的调节阀，用圆形蝶板作启闭件并随阀杆转动来开启、关闭和调节流体通道的一种阀门。蝶阀的蝶板安装于管道的直径方向。在蝶阀阀体圆柱形通道内，圆盘形蝶板绕着轴线旋转，旋转角度为 090之间，旋转到 90时，阀门则处于全开状态。广泛应用在石油、煤气、化工、水处理等一般工业上。方案二：旋塞阀是关闭件或柱塞形的旋转阀，通过旋转90 度使阀塞上的通道口与阀体上的通道口相同或分开，实现开启或关闭的一种阀门。旋塞阀最适于作为切断和接通介质以及分流适用，但是依据适用的性质和密封面的耐冲蚀性，有时也可用于节流。由于旋塞阀密封面之间运动带有擦拭作用，而在全开时可完全防止与流动介质的接触，故它通常也能用于带悬浮颗粒的介质。方案三：电动机械阀门30，是通过电带动电机转动，通过机械构造完成操作的一种阀门。适应能力强、结构简单，精确度可根据需要调整，适应现场需要。特别适合颗粒状材质，是目前对待大块坚固颗粒下料的最为有效的阀门。由大功率的电机带动，驱动强劲。方案比较：方案一的使用压力和工作范围小，主要用于液体，密封性差；方案二广泛地应用于油田开采、输送和精练设备中，价格比较昂贵，但对于不适合大体颗粒物质。方案三专为固体物质设计，特别是较难处理的大颗粒物质，通过占空比设置时间的控制，输入脉冲信号实现电机的开关，并可实现正反转操作等功能。2.5 电机驱动电路方案的选择方案一：采用三极管驱动电机，设计中应用了 H 桥臂开关电路，如图 2.5 所示。Q28050Q39013Q58550Q18050Q48550D14148D34148D24148D44148MM1MotorR11KVCCGNDR21KQ69013R31KVCCGNDR41KVCCGNDPWM1PWM2图 2.5 三极管驱动电机电路方案二：利用专业的 L298N 芯片来驱动直流电机，性能稳定，通过对功能模块的设定，可以实现电机的正转和反转，并提供了一种用单片机软件实现 PWM 调速的方法，如图 2.6 所示。D7D8D9D10D11D12D13D14GNDVCC_9VIN1IN2IN3IN4GNDMM3MotorMM4MotorIN412IN310IN27IN15ENABLEB11ENABLEA6CSB15CSA1VSS9GND8VS4OUT12OUT23OUT313OUT414U8L298NVCCGNDVCC_9VVCC图 2.6 L298N 驱动直流电机电路方案比较：方案一的设计虽然也能实现其功能，通过放大功率倍数驱动电机，安装了二极管的保护功能，防止电流过大致使电机烧毁，但是只能驱动小功率的电机，对于大功率的电机不能很好的体现其性能，正反转转换时间过长，不易于操作；方案二采用了专业的芯片，增设了外围电路，整体结构简单，而且可保护过压、过流、过热等情况的发生，造成烧毁电机。并通过对 PWM 的设置可调节电机速度，从功能上满足设计的需求。2.6 本章小结本章介绍了两种智能配料系统的总体设计方案和各模块选择的方案对比，经过对控制功能的实现，硬件电路的设计，各个器件性能的优劣，成本造价的高低等方面的综合考虑，选择出了合理的设计方案。本次设计各器件的选择均满足需求，得到了实用性的最大化。第 3 章 系统硬件设计3.1 单片机电路单片机采用具有 8 位微控制器和 8K 字节系统可编程 Flash 的 AT89S52，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。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52 的具有以下标准功能：8k 字节的 Flash，256 字节的 RAM，32 位的 I/O口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个具有 6 个向量的 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52 主要性能如下：（1） 与 MCS-51 单片机产品兼容（2） 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器（3） 1000 次擦写周期（4） 全静态操作：0Hz33Hz（5） 32 个可编程 I/O 口线（6） 三个 16 位定时器/计数器（7） 八个中断源（8） 全双工 UART 串行通道（9） 低功耗空闲和掉电模式（10）掉电后中断可唤醒（11）看门狗定时器（12）双数据指针（13）掉电标识符（14）三级加密程序存储器AT89S52 的引脚如图 3.1 所示。P1.0/T21P1.1/T2 EX2P1.23P1.34P1.45P1.5/MOSI6P1.6/MISO7P1.7/SCK8P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17A8/P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627A15/P2.728AD7/P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138AD0/P0.039RST9XTL218XTL119GND20VCC40PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31UO2AT89S52 图 3.1 AT89S52 引脚图VCC：电源。GND：地。P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个TTL 逻辑电平。对 P0 端口写 1 时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0 具有内部上拉电阻。在 flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写 1 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（I）。此外，P1.0 和 P1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计数（P1.0/T2）和时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表 3.1 所示，在 flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址字节。表 3.1 P1 口的描述引脚号第二功能P1.0T2 定时器/计数器 T2 的外部引脚时钟输出P1.1T2EX 定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制P1.2MOSI 在系统编程用P1.3MISO 在系统编程用P1.4SCK 在系统编程用P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写 1 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。在 flash 编程和校验时，P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P3 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写 1 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。当作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，在 flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。P3 口的第二功能描述如表 3.2 所示。表 3.2 P3 口的描述引脚号第二功能P3.0RXD 串行输入P3.1TXD 串行输出P3.2INT0 外部中断 0P3.3INT1 外部中断 1P3.4T0 定时器 0 外部输入P3.5T1 定时器 1 外部输入P3.6WR 外部数据存储器写选通P3.7RD 外部数据存储器读选通RST：复位输入。晶振工作时，RST 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR（地址8EH）上的 DISRTO 位可以使此功能无效。DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。ALE/：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位PROG地址的输出脉冲。在 flash 编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。在一般情PROG况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE 脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位置 1，ALE 操作将无效。这一位置 1，ALE仅在执行 MOVX 或 MOVC 指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个 ALE 使能标志位（地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。：外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当PSENPSENAT89S52 从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而PSEN在访问外部数据存储器时，将不被激活。PSEN/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程EA序存储器读取指令，必须接 GND。为了执行内部程序指令，应该接 VCC。EAEA在 flash 编程期间，也接收 12 伏 VPP 电压。EA单片机的应用都是建立在最小系统的基础上的，最小系统也就是单片机工作的必要条件。AT89S52 最小系统原理图如图 3.2 所示。1KR910uFC8VCCGNDRSTS1GND1M ISO2RST3M OSI4SCK5VCC6IS1ISP6GNDVCCP16RSTP15P1730pfC930pfC10P1.0/T21P1.1/T2 EX2P1.23P1.34P1.45P1.5/M OSI6P1.6/M ISO7P1.7/SCK8P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17A8/P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627A15/P2.728AD7/P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138AD0/P0.039RST9XTL218XTL119GND20VCC40PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31U3at89s5212Y1XTALGNDGNDRST123456789U24.7K123456789U64.7K123456789U14.7K123456789U54.7KVCCGNDVCCVCCVCCP14P15P16P17IN1IN2IN3IN4P34P35P36P37SHSTDSADCSDATAADDRADCLKLCDRSRWLCDENRET2KEY1KEY2KEY3KEY4KEY5图 3.2 AT89S52 最小系统原理图3.2 称重模块3.2.1 传感器的定义与组成传感器（Transducer/Sensor）在我国国家标准（GB76651987）中的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，组成框图如图 3.3 所示。被测量电量敏感元件转换元件基本转换电路图 3.3 传感器组成框图敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：将电路参量接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。传感器只完成被测参数至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。3.2.2 压力传感器的选择各种传感器，由于原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术指标也不可能相同。但是有些一般要求，却基本上是共同的，包括：可靠性、静态精度、动态性能、量程、抗干扰能力、分辨力、灵敏度、成本、能耗、对被测对象的影响等。传感器是通过检测功能来达到各种技术指标的目的，很多传感器要在动态条件下工作，精度不够、动态性能不好或出现故障，整个工作就无法进行。在某些系统中或设备上往往装上许多传感器，若有一个传感器失灵，会影响全局。所以传感器的工作可靠性、静态精度和动态性能是最基本的要求。3.2.3 本设计采用的压力传感器本设计中采用的是中原电测仪器厂生产的微型称重传感器 1B，可满足 1-20KG量程范围内的测量；铝合金材料，平衡梁结构；硅橡胶密封，表面阳极化，耐腐蚀性佳；整体结构简单，安装使用方便；适用于电子天平等各类电子称重设备。微型传感器 1B 的技术指标如表 3.3 所示。表 3.3 微型传感器 1B 技术指标量程kg5,6,10,12,15,20综合误差0.03输出灵敏度mV/V1.80.1非线性%F.S0.02重复性%F.S0.02滞后%F.S0.03蠕变(5min)%F.S0.03零点温度漂移%F.S/100.3额定输出温度漂移%F.S/100.03零点输出mV/V0.1输入电阻105510输出电阻100010绝缘电阻M3000推荐激励电压V10工作温度范围-10+40过载能力%F.S150微型传感器 1B 的样品如图 3.4 所示。图 3.4 微型传感器 1B3.3 电压放大电路3.3.1 放大器芯片 TL084 的简介TL084 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器，与单电源应用场合的标准运算放大器相比，他们有一些显著的优点。该放大器工作在低到 3.0V，高到 32V 的电源下，静态电流大致为其他放大器静态电流的五分之一。TL084 的特性如下：（1）宽泛的供电范围（2）低输入偏置和偏置电流（3）短路保护输出（4）J-FET 高阻抗输入（5）内部频率补偿放大器 TL084 的管脚图如 3.5 所示。OUT11IN1-2IN1+3VCC+4IN2+5IN2-6OUT27OUT38IN3-9IN3+10VCC-11IN4+12IN4-13OUT414UPTL084图 3.5 TL084 的管脚图3.3.2 本设计中 TL084 放大芯片的应用采用集成运放芯片 TL084 将基本的差分放大电路和正相放大电路有机的组合起来。对电压信号进行放大处理，其放大电路图如图 3.6 所示。前端模拟信号来自压力传感器，信号很微弱，不足以显示出来，通过 TL084 放大后作为 AD2543 的输入。在放大的过程中，根据系统的需要可以选择不同的阻值就可以产生不同的放大倍数。使之成为适合 A/D 转换的的模拟电压信号。图中输出的前端采用了 RC 滤波电路，有效的滤出了高次谐波，去除干扰。R13 100KR16 100KR171MGNDR111MVCCR15 100KR6100KGNDR101MVCCR14 100KR7100KR81MVCCR122KC1281093411U7CTL0847562411U7BTL0841321411U7ATL084DC_INDC_INAD_INAD_IN图 3.6 电压信号放大处理电路3.4 A/D 转换电路3.4.1 A/D 转换器的分类A/D 转换器的种类很多，可以按各种不同的方法进行分类。一般按 A/D 转换器的位数、精度、速度、工作原理进行分类。比较式 A/D 转换器的工作原理实质上是将被转换的模拟量与转换器内部产生的基准电压进行比较，从而将模拟量转换成数字量。由于基准电压的产生及比较方法不同，比较式 A/D 转换器中又分为若干种。其中斜坡比较式属于开环比较式，结构简单，转换的是被测量的瞬时值，但抗干扰能力差，准确度低。逐次逼近式属于闭环比较式，速度快，准确度高，应用广泛。此外还有技术比较式、跟踪比较式等。积分式 A/D 转换器通过对被测量进行积分，将被测量转换成中间量时间或频率，然后再将中间量转换成数字量。积分式 A/D 转换器测量的是被测量的平均值，它的抗干扰能力强，准确度高，但速度较慢。积分式 A/D 转换器可分为电压时间 V/T 转换式和电压频率 V/F 转换式，每一种根据转换的特点又分为若干类。3.4.2 A/D 转换器的主要技术指标A/D 转换器的主要技术指标有：转换精度、转换速度等。选择 A/D 转换器时除考虑这两项技术指标外，还应注意满足其输入电压的范围、输出数字的编码、工作温度范围和电压稳定度等方面的要求。（1）分辨率：A/D 转换器的分辨率用输出二进制（或十进制）数的位数表示。它说明 A/D 转换器对输入信号的分辨能力。（2）转换时间：是指 A/D 转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。A/D 转换器的转换时间与转换电路的类型有关。其中并行比较 A/D 转换器的转换速度最高，逐次比较型 A/D 转换器次之，间接 A/D 转换器的速度最慢。3.4.3 芯片 A/D 2543 的简介TLC2543 采用 CMOS 工艺，具备 12 位分辨率、11 个模拟输入通道，该芯片采用业界标准串行外设接口（SPI）与外设通信，只需 4 条信号线便可与单片机等微控制器连接。片内集成采样-保持电路，且具有转换结束输出引脚 EOC33。TLC2543 引脚图如图 3.7 所示。AIN11AIN22AIN33AIN44AIN55AIN66AIN77AIN88AIN99AIN1011AIN1112GND10RES-13RES+14CS15DOUT16DIN17CLK18EOC19VCC20UTTLC2543图3.7 TLC2543引脚图串行输出线DATAOUT是串行数据输出总线，读周期内数据从此引脚上移出，数据由串行时钟的下降沿同步输出。数据从TLC2543传输到单片机。串行输入线DATAIN是串行数据输入引脚。通道地址选择在此引脚上输入，数据由串行时钟的上升沿锁存。数据从单片机传输到TLC2543。TLC2543引脚功能如表3.4所示。表3.4 TLC2543引脚功能引脚号名称功能引脚号名称功能19、11、12IN0IN10模拟输入端18CLK输入输出时钟15CS片选端14REF+正基准电压端17DATAIN串行输入端13REF-负基准电压端16DATAOUTA/D转换输出端20Vcc正电源端19EOCA/D转换结束10GND负电源端A/D 转换首要的考虑因素就是精度和速度。在设计中人们往往即要要求速度，又要求精度。为了在温度采集时有一个较高的精度的同时又能保持较高的采样率，所以选取TL2543作为AD转换电路。TLC2543电压采集电路如图3.8所示。TLC2543 的主要特性如下： （1）11 个模拟输入通道 （2）266ksps 的采样速率 （3）最大转换时间为 10s （4）SPI 串行接口 （5）线性度误差最大为1LSB （6）低供电电流（1mA 典型值） （7）掉电模式电流为 4A1234567891011PX1VCCC7104+C5100ufC6104VCCGNDA01A12A23A34A45A56A67A78A89A911A1012VCC20GND10CLK18REF-13REF+14CS15DA/O16ADD17EOC19U4 TLC2543ADCLKADDRDATAADCSAD_IN图3.8 TLC2543电压采集电路TLC2543采取MSB高位先发的方式进行串行通信，若设置为12位A/D采集，可以采取两种形式：12位数据输出格式和16为数据输出格式。一开始，片选为高，CSCLK和DATAIN被禁止，DATAOUT为高阻状态，变低，开始转换过程，CLK和CSDIN使能，并使DATAOUT脱离高阻状态。8位数据流从DIN端输入，在CLK的上升沿存入输入寄存器。在传送这个数据流的同时，输入/输出时钟的下降沿也将前一次转换的结果从输出数据寄存器移到DATAOUT端。输入的数据是一个8位的数据流。设计中采用了12位的通信方式，因此采用了软件模拟的SPI通信，对于单片机一方来说，可以使用任意4个空闲的I/O来模拟SPI时序完成通信。3.5 显示系统3.5.1 液晶的简单描述液晶显示器（LCD）是现在非常普遍的显示器。它具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。LCD 是基于液晶电光效应的显示器件。包括段显示方式的字符段显示器件；矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件；矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。液晶在一般情况下，分子结构排列整齐有序，非常透明。但加上直流电场后，分子结构被电场扰乱了，使透射光或反射光的强度和方向发生变化，液晶变得不透明了，这叫电光效应。这是计算器液晶显示屏显示数字的原理。3.5.2 本设计采用的显示系统本设计采用的是型号为 MS12864A-1 的液晶，通过液晶可以显示更加直观，方便操作，便于记录。可显示汉字及图形，内置 8192 个中文汉字（1616 点阵） 、128 个字符（816 点阵）及 64256 点阵显示 RAM（GDRAM） 。1模块引脚说明12864 液晶详细引脚说明如表 3.5 所示。表 3.5 12864 液晶引脚说明引脚号引脚名称方向功能说明1VSS模块的电源地2VDD模块的电源正端3V0LCD 驱动电压输入端4RS(CS)H/L并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5R/W(SID)H/L并行的读写选择信号；串行的数据口6E(CLK)H/L并行的使能信号；串行的同步时钟7DB0H/L数据 08DB1H/L数据 19DB2H/L数据 210DB3H/L数据 311DB4H/L数据 412DB5H/L数据 513DB6H/L数据 614DB7H/L数据 715PSBH/L并/串行接口选择：H-并行，L-串行16NC 空脚17RETH/L复位，低电平有效18NC 空脚19LED_A背光源正极（LED+5V）20LED_K背光源负极（LED-0V）2主要技术参数和显示特性（1）电源：VDD +3.3V+5V（内置升压电路，无需负压）（2）显示颜色：黄绿（3）显示角度：6：00 钟直视（4）与 MCU 接口：8 位或 4 位并行/3 位串行（5）配置 LED 背光（6）多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等（7）逻辑工作电压（VDD）：4.55.5V（8）电源地（GND）：0V（9）工作温度（Ta）：060（常温）/ -2075（宽温）为了节省单片机上的 I/O 口，本设计采用了单片机外接 74S595 扩展外部接口，这样节省了单片机七个引脚，74S595 与液晶的连接如图 3.9 所示。GNDVCCLCDRSRWLCDENGNDVCCGNDVCCQ015Q11Q22Q33Q44Q55Q66Q77Q79VCC16GND8M R10OE13DS14SHcp11STcp12U_1745951234567891011121314151617181920LCD1VCCRET1DSSHST图 3.9 74S595 与液晶的连接3.6 控制输入系统应用了五个按键对单片机进行操控，每个按键都有不同的功能，具体的功能通过软件编程实现。其中有功能键、开关键、数字键、光标移动键等来实现智能配料系统的功能要求。按键控制输入电路如图 3.10 所示。S2keyS3keyS4keyS5keyS6keyGNDKEY1KEY2KEY3KEY4KEY5图 3.10 按键控制输入电路3.7 电机控制模块3.7.1 控制电路的设计单片机接收从传感器检测电路输入的逻辑信号，并将输入的信号进行处理运算，以控制电压的形式输出给被控制的单元电路，完成各项任务要求。3.7.2 L298N 电机驱动芯片介绍1L298N 的工作原理L298 是 SGS 公司的产品，比较常见的是 15 脚 Multiwatt 封装的 L298N，内部同样包含 4 通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N 芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298N 可接受标准 TTL 逻辑电平信号 VSS，VSS 可接 4.57 V 电压。4 脚 VS 接电源电压，VS 电压范围 VIH 为2.546 V。输出电流可达 2.5 A，可驱动电感性负载。1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298 可驱动 2 个电动机，OUT1、OUT2 和 OUT3、OUT4 之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12 脚接输入控制电平，控制电机的正反转。ENA，ENB 接控制使能端，控制电机的停转。L298N 外部引脚如图 3.11 所示。ENA6ENB11SENSEA1SENSEB15IN15IN27IN310IN412GND8OUT414OUT313OUT23OUT12+VSS9+VS4ULL298N图 3.11 L298N 外部引脚图2PWM 基本原理PWM 即脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation） ，它是指将输出信号的基本周期固定，通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率的方法。在 PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。PWM 控制原理如图 3.12 所示，VdV0tTV max图 3.12 PWM 控制原理图在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减小。只要按一定规律，改变通、断电时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为 V，设占空比为，则电机的平均速度为：max/Dt TV =V D （3.1）dmax式中：V 表示电机的平均速度；V表示电机全通电时的速度（最大） ；dmax表示占空比。由公式（3.1）可见，当改变占空比 D 时，就可以得到不同的电/Dt T机平均速度，从而达到调速的目的。3.7.3 电机驱动电路的设计本设计中的控制阀门采用机械阀门，用 L298N 芯片驱动两个电机，每个电机控制一个阀门，每个阀门承担着一个物料下口的开关，电机的速度控制是由 PWM 调制实现，通过占空比的调节以满足设计的需要。并且通过电机的正反转来实现阀门的开与关。应用 L298N 芯片，在原有的基础上增设了外围电路，整体结构简单，而且可保护过压、过流、过热等情况的发生，造成烧毁电机。电机驱动电路原理图如 3.13所示。D7D8D9D10D11D12D13D14GNDVCC_9VIN1IN2IN3IN4GNDMM3MotorMM4MotorIN412IN310IN27IN15ENABLEB11ENABLEA6CSB15CSA1VSS9GND8VS4OUT12OUT23OUT313OUT414U8L298NVCCGNDVCC_9VVCC图 3.13 电机驱动电路原理图 L298N 功能模块设置如表 3.6 所示。表 3.6 L298N 功能模块ENAIN1IN2电机运转情况HHL正转HLH反转HIN2IN1快速停止LXX停止3.8 总体电源设计电源电路设计35如图 3.13 所示。稳压器输出 9V 电源，经保护二极管 D1 后连接470uF 的储能电容和 0.1uF 的滤波电容。这里采用大小电容并接的连接方式，大电容滤除低频干扰，小电容滤除高频干扰，达到相互补充的效果，然后接到稳压芯片7805 后输出 5V 的电源，输出端同样采用大小电容并联的连接方式，使电源更加稳定可靠，后端一个串联的 200电阻和发光二极管连到正负两端作为电源