自动加料机控制机系统

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第1页 共46页引言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。目前我国自动 化技术应用还比较落后自20世纪80年代实行改革开放以来，自动化技术在我国的应用 已取得相当成绩，为我国国民经济建设和发展做出了很大的贡献。但是，与国际同行业相比,我国的自动化水平现时还处于比较稚嫩和脆弱时期，运用自动化技术改造传统产业基本上还处于起步阶段，工业化还处于发展的中期阶段，工业自动化水平与世界发达国 家相比还存有较大差距。因此,国家提出了在本世纪头20年经济建设和改革的主要任务 是基本实现工业化，大力推进信息化，并进一步提出信息化是我国加快实现工业化和现 代化的必然选择。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第#页 共46页1课题的研究背景与前景自动化技术是国家现代化的标志，作用突出自动化技术的作用体现在，它面向整个 工业领域,是连接传统与现代工业的纽带，是把现代管理技术、信息技术转化为现实生产 力的关键性手段。在矿山、石油、建材、化工、制药、轻工、电力、汽车制造业以及军 工等行业，生产效率的提高无不依赖于控制技术自动化水平的提高。近十几年我国国民 经济GDP长期保持7%以上的增长率,近两年我国汽车工业保持 15%以上的增长率,其 原因之一就是源于自动化生产线的普及与提高 ，是自动化技术在起主导和支撑作用。特 别是自第二次工业革命以来，电气及对电气的控制技术已成为人们生产、生活乃至生存 所必需的一种技术支持，无论是在对大中型企业传统工业技术的技术改造，还是对高新技术产业高效节能的发挥，均起到了至关重要的作用，它已成为当今诸多高新技术系统 中不可缺少的关键技术之一，其应用领域几乎涉及到各个工业部门，其地位的重要性，已 经或正在对诸如一个国家工业的发展，一个企业参加国际大家庭的激烈竞争 ，乃至对国 家国防军力的强大与现代化程度等中日益凸现出来。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第9页 共46页2方案论证2.1单片机的选择单片机又称单片微控制器，它是把一个计算机系统集成到一个芯片上，概括的讲： 一块芯片就成了一台计算机。单片机技术是计算机技术的一个分支，是简易机器人的核心组件。1997年,由ATMEL公司挪威设计中心的 A先生与V先生利用ATMEL公司的 Flash新技术,共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。AVR单片 机的优势特征：单片机已广泛地应用于军事、工业、家用电器、智慧玩具、便携式智能 仪表和机器人制作等领域，使产品功能、精度和质量大幅度提升，且电路简单，故障率 低，可靠性高，成本低廉。单片机种类很多，在简易机器人制作和创新中，为什么选用 AVR单片机呢？（1）简便易学，费用低廉首先，对于非专业人员来说，选择 AVR单片机的最主要原因，是进入 AVR单片机 开发的门坎非常低，只要会操作计算机就可以学习AVR单片机的开发。单片机初学者只需一条ISP下载线，把编辑、调试通过的软件程序直接在线写入AVR单片机，即可以开发AVR单片机系列中的各种封装的器件。 AVR单片机因此在业界号称“一线打天 下”。其次，AVR单片机便于升级。AVR程序写入是直接在电路板上进行程序修改、烧 录等操作，这样便于产品升级。再次，AVR单片机费用低廉。学习AVR单片机可使用ISP在线下载编程方式（即把 PC机上编译好的程序写到单片机的程序内存中），不需购买仿真器、编程器、擦抹器和 芯片适配器等，即可进行所有 AVR单片机的开发应用，这可节省很多开发费用。程序 内存擦写可达10000次以上，不会产生报废品。（2）高速、低耗、保密首先，AVR单片机是高速嵌入式单片机：1、AVR单片机具有预取指令功能，即在 执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行。2、多累加器型，数据处理速度快。AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有 32 条立交桥，可以快速通行。3、中断响应速度快。AVR单片机有多个固定中断向量入口 地址，可快速响应中断。其次，AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备。有的器件最低1.8V即可工作。再次，AVR单片机保密性能好。它具有不可破解的位加密锁Lock Bit技术，保密位单元深藏于芯片 内部，无法用电子显微镜看到。（3）I/O 口功能强，具有A/D转换等电路AVR单片机的I/O 口是真正的I/O 口，能正确反映I/O 口输入/输出的真实情况。 工业级产品，具有大电流（灌电流）1040mA,可直接驱动可控硅 SCR或继电器，节省 了外围驱动器件。AVR单片机内带模拟比较器，I/O 口可用作A/D转换，可组成廉价的A/D转换器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。部分AVR单片机可组成零外 设组件单片机系统，使该类单片机无外加元器件即可工作，简单方便，成本又低。AVR单片机可重设启动复位，以提高单片机工作的可靠性。有看门狗定时器实行安全保护，可 防止程序走乱（飞）,提高了产品的抗干扰能力。（4）有功能强大的定时器/计数器及通讯接口定时/计数器T/C有8位和16位,可用作比较器。计数器外部中断和 PWM（也可用 作D/A）用于控制输出，某些型号的AVR单片机有34个PWM ,是作电机无级调速的 理想器件。AVR单片机有串行异步通讯 UART接口 ,不占用定时器和SPI同步传输功能,因其 具有高速特性，故可以工作在一般标准整数频率下 ，而波特率可达576K。电热水器水温 自动调节器以AT89C2051单片机为核心，由温度测定电路、温度设定电路、单片机。 设定温度显示电路、控制信号隔离输出电路等几部分组成。2.2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、气体之间的分接口位置，也可以是互不相溶的两种液体间由于密度不等而形成的接口位置。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。2.3电容式物位传感器利用物料介电常数恒定时极间电容正比与物位的原理，可构成电容式物位传感器。 根据电机的结构可将容式物位传感器分为三中：（1）适用与导电容器中的绝缘性物料，且容器为立式圆筒形，器壁为一极，沿轴线插入金属棒为另一极，其间构成的电容C与物位成比例。也可悬挂带重锤的软导线作为 电机。（2）适用与非金属容器，或虽为金属容器但非立式圆筒形，物料为绝缘性的。这时 在棒壮电极周围用绝缘支架套装金属筒，筒上下开口，或整体上均匀分布多个孔，使内 外物位相同。中央圆棒和与之同轴的套筒构成两个电极，其间电容和容器形状无关，只 取决于物位。所以这种电极只用于液位，粉粒体容易滞留在极间。（3）用于导电性物料，起外形和（1） 一样，但中央圆棒电极上包有绝缘材料，电 容是由绝缘材料的介电常数和物位决定的，与物料的介电常数无关，导电物料使筒壁与中央电极间的距离缩短为绝缘层的厚度，物位升降相当于电极面积改变。电容式物位传感器无可动部件，与物料密度无关，但应注意物料中含水分时将对测 量结果影响很大，并且要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，需用高频电路。所 以不予采用。通过以上几种测温元件的分析、比较，可以知道，热电偶温度计可以应用 在比较高的温度下进行测量，如它可以测量在1100C以上的温度，而电阻式温度计相对 来说，它主要于-200+500r的温度范围内获得较广泛的运用。对于电热水器温度的测 量，传统的热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器需要配温度变送器，以获得 标准的模拟量（电压或电流）输出信号。使用时还需配上二次仪表，才能完成温度测量 及控制功能。其主要缺点是外围电路比较复杂、测量精度不是很高、分辨力不高、需进 行温度校准（例如非线性校准、温度补偿、传感器标定等），另外，它们的体积较大，使用也不够方便。用在热水器（温度）监测中，实在不理想。因为，在热水器温度测量中， 涉及到信号的传输，传感器的响应速度应该较快，在这一点上，集成温度传感器稍微可 以满足，它的响应速度快、传输距离也可以比较远，适合中远距离测温、控温，不需进 行非线性校准。但是模拟集成温度传感器功能单一（仅限于温度测量）、在电热水器温度测量中，要对水胆内的温度进行实时监控，而且由于热水器的用途所限，一般都用于 洗澡，温度不宜过高，以免由于人的疏忽导致设定温度过高而烫伤人，最好是能在传感 器的存储器内设置温度上限，当温度越限时，单片机发出警报并自动跳到20度使实际水温高于设定水温而使继电器常开触头断开而使电热丝断电，从而可消除由于人为疏忽而导致的安全隐患。而模拟温度传感器不具备这一功能。智能温度传感器则具备这一功 能，其主要优点是采用数字化技术，能以数字形式直接输出被测温度值，具有测温误差 小、分辨力高、抗干扰能力强、能够远程传输数据、用户可设定温度上、下限、有越限 自动报警功能、适配各种微控制器（含微处理器和单片机）。因此，经过论证，决定选用智能温度传感器，并选用具有代表性的 DS18B20作为测温元件。2.4阻力式料位传感器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。（1）重锤探索法：在容器顶部安装由脉冲分配器控制的步进电机，此电机正转时缓 缓释放悬有重锤的钢索。重锤下降到与料面接触后，钢索受到的合力突然减小，促使力 传感器发出脉冲。此脉冲改变门电路的状态，使步进电机改变转向重锤提升，同时开始 脉冲计数。待重锤升至顶部触及行程开关，步进电机停止转动，同时计数器也停止计数 并显示料位（料位值即容器全高减去重锤行程之差）。显示值一直保持到下次探索后刷 新为另一值。开始探索的触发信号可由定时电路周期性地供给，也可以人为地启动。不 进行探索时，重锤保持在容器顶部，以免物料将重锤淹埋。万一重锤被物位埋没，排放物料时产生的强大拉力就可能拉断钢索报警措施及出料过滤栅。但这种方法运用了逻辑电路和数字技术， 可连续测量料位值并输出数字量， 是数字 传感器，但其采样是周期性的，对时间而言不连续，此设计不予采用。（2）旋桨或推板法：这是一种位式传感器，或称料位开关。在容器壁的某一高度处 装小功率电动机，其轴伸入容器内，末端带有桨状叶片。叶片不接触物料时，自由旋转 的空载状态下电动机的电流很小，一旦料位上升到与叶片接触，转动阻力增加，甚至成 堵转状态，电流显著加大。根据电流的大小使继电器的接点动作，发出料位报警或位式 控制信号。如电机轴经过曲柄连杆机构变为往复运动， 则可带动活塞或平板在容器中做 推拉动作，即成推板法。旋桨法或推板法不一定都是靠电机电流的大小时继电器接点动 作，也可以利用离合器或连杆上的传动机构，在叶片或推板负载增大时改变电接点的通 断状态。所用电动机应能在长时间堵转状态下， 或离合器打滑状态下，不致过热而损坏。这类原理构成的料位开关，只能安装在容器壁上，安装高度取决于动作所对应的料 位值。应用不那么广泛，所以次设计也不予采用。（3）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组件施加交变电场， 靠逆压电 效应产生机械力作用在叉体上。用另外一组压电组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，把检振组件的信号放大。经过 移相，施加到驱动组件上去，构成死循环振荡器。在这个死循环中，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，正回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。为了保护压电组件免受物料损坏和粉尘污染， 将驱动和检振组件装在叉体内部， 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。2.5 LCD显示电路选择在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。 液晶显示模块已作为很多电子产品的 通过器件，如在计算器、万用，软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作 介绍，本章重点介绍字符型液晶显示器的表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到， 显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流接口中，一般的输出方式有 以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和 LED数码管比较常用应用。 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：（1）显示质量高。由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。 （2）数字式接口。液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作 更加方便。（3）体积小、重量轻。液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来 达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 功耗低。相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。液晶显示简介：（1）液晶显示原理。液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过 电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有 厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广 泛应用在便携式计算机、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。（2）液晶显示器的分类。液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分 为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix） 和主动矩阵驱动（Active Matrix ）三种。（3）液晶显示器各种图形的显示原理：线段的显示。位图形式液晶由 MX N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行， 每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16X 8=128个点组成， 屏上64X 16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上 相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000HOOFH的16字节的 内容决定，当（000H） =FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH） =FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H） =FFH，（001H） =00H，（002H） =00H，,（ 00EH） =00H，（00FH） =00H 时，则在屏幕的顶部显示一条由 8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是 LCD显示的基本原理。字符的显示。用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6X8或8X8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“ 1”，其它的为“ 0”，为“ T的点亮，为“ 0”的不亮。这样一来就组 成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。汉字的显示。汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、 3、5,右边为 2、4、6,根据在 LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示 RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节,直到 32B显示完就可以LCD上得到一个完整 汉字。1602字符型LCD简介。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、 符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。下面以长沙太阳 人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般1602字符型液晶显 示器实物如图2.1,2.2所示：图2.1 1602的正面图bi薯jiLJT I图2.2 1602的背面图3主电路原理3.1系统结构原理图主电路采用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外部内存 扩展电路，以及看门狗 MAX813L等组成。电路原理框图如图3.1所示：图3.1自动加料机控制系统硬件框图桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第#页 共46页桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第13页 共46页3.2主电路核心器件介绍AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能 CMOS 8位单片机，片内含 4K bytes的可反复擦写的只读程序内存（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。3.2.1 AT89C51主要性能参数其与MCS-51产品指令系统完全兼容，4K字节可重擦写Flash闪速内存，1000次 擦写周期，全静态操作：0Hz-24MHz，三级加密程序内存，128X 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。3.2.2 AT89C51功能特性概述叮感7PFPPFPFP图3.2 AT89C51引脚图其提供以下标准功能：4K字节Flash闪速内存，128字节内部RAM , 32个I/O 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OHz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 其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 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端口写一1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端口写一1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（IIL ）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输 入（P1.1/T2EX）,具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1 口接收低8位地址字节。表3.1 P1 口引脚第二功能引脚号第二功能P1.0T2 （定时器/计数器T2的外部计数输入），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）P1.5MOSI （在系统编程用）P1.6MISO （在系统编程用）P1.7SCK （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端口写一创，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（IIL ）。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（例如执行MOVXDPTR ）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（如MOVX RI ）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俞出缓冲器能驱动4个 TTL逻辑电平。对P3端口写一1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（IIL ）。P3口亦作为AT89S51特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 flash编程和校验时，P3 口也 接收一些控制信号。表3.2 P3 口引脚第二功能引脚号第二功能引脚号第二功能P3.0RXD （串行输入）P3.4T0 （定时器0外部输入）P3.1TXD （串行输出）P3.5T1 （定时器1外部输入）P3.2INT0（外部中断0）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.3INT1（外部中断1）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 PROG :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 地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚prog也用作编程输入脉冲。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 一1JALE操作将无效。这一位置 一1,11 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。 PSEN :外部程序存储器选通信号 PEN是外部程序存储器选通信号。当AT89S51从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。 EA/VPP :访问外部程序存储器控制信号。 为使能从0000H到FFFFH的外部程序存 储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程 期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1 :振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2 :振荡器反相放大器的输出端。3.2.3 AT89C51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。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。这个放大器与作为回馈组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3.3：111II內音Ft蘇宙电路夕陆阳辰荡电路图3.3振荡电路表3.3空闲和掉电模式外部引脚状态模式程序内存ALE/PSENP0P1P2P3空闲模式内部11数据数据数据数据空闲模式外部11浮空数据地址数据掉电模式内部00数据数据数据数据掉电模式外部00浮空数据数据数据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。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。3.2.4空间节电模式AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉点工作模式。这两 种方式是控制专用寄存器PCON （即电源控制寄存器）中的 PD（ PC0N.1 ）和IDL（PCON.0）位来实现的。PD是掉电模式，当PD=1时，启动掉电工作模式，单片机模 式，即PD和IOL同时为1,则先启动掉电模式。在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设保持启动状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可 由任何允许的中断请求或硬件复位终止。终止空闲工作模式的方法有两种，其一是任何一条被允许中断的事件被启动， IDL （PCON.0）被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。程序会首先响应中断，进入中断服 务程序，执行完中断服务程序并紧随 RETI （中断返回）指令后，下一条要执行的指令 就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止。需要注意的是，当有硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从启动空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程 序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效， 在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其它埠。为了避免可能对埠 产生意外写入，启动空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部内存的写 入指令。325掉电模式在掉点模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令， 片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方 法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。3.2.6程序内存的加密89C51可使用对芯片上的3个加密位LB1、LB2、LB3进行编程（P）或不编程 （U）当加密位LB1被编程时，在复位期间，EA端的逻辑电平被采样并锁存，如果单 片机上电后一直没有复位，则锁存起的初始值是一个随机数， 且这个随机数会一直保存 到真正复位为止，为使单片机能正常工作，被锁存的EA电平必须与该引脚当前的逻辑电平一致。此外，加密位只能通过整片擦除的方法清除。AT89C51单片机内部有4K字节的Flash PEROM，这个Flash存储数组出厂时已处 于擦除状态（即所有存储单元的内容均为FFH），用户随时可对其进行编程。编程接口可接收高电压（+12V）或低电压（Vcc）的允许编程信号。低电压编程模式适合于用户 在线编程系统，而高电压编程模式可与通用 EPROM编程器兼容。AT89C51单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电压编程方式。用户 可从芯片上的型号和读取芯片内的签名字节获得该信息。如表3.4所示表3.4程序加密程序加密位保护类型LB1LB2LB31UUU没有程序保护功能2PUU禁止从外部程序内存中执行MOVC指令读取内部程序内存 的内容3PPU除上表功能外，还禁止程序校验4PPP除以上功能外，同时禁止外部执 行AT89C51的程序内存列阵采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的PEROM程序内存写入一个非空字节，必须使用擦除的方式将整个内存的内容 清楚。AT89C51单片机内部有4K字节的Flash PEROM，这个Flash存储数组出厂时已 处于擦除状态（即所有存储单元的内容均为FFH），用户随时可对其进行编程。编程接口可接收高电压（+12V）或低电压（Vcc）的允许编程信号。低电压编程模式适合于用 户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用 EPROM编程器兼容。表3.5电压编程方式Vpp=12VVpp=5VAT89C51AT89C51芯片顶面标识XXXXxxxx 5yywwyyww（030H）=1EH（030H） =1EH签名字节（031H）=51H（031H）=51H（032H） =FFH（032H） =05HAT89C51的程序内存列阵采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的PEROM程序内存写入一个非空字节，必须使用擦除的方式将整个内存的内容 清楚。3.2.7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420MHz的时钟振荡器，AT89C51编程方法如下： 在数据在线加上要写入的数据字节。 启动相应的控制信号。 在高电压编程方式时，将/EA/Vpp端加上+12V编程电压。 每对Flash存储数组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 15步骤，直到全部檔编程结束。每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms。3.2.8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 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第17页 共46页写周期，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 成咼电平“ 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变为咼电 平表示准备就绪状态。3.2.9程序校验和擦除如果加密位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。程序内存的地址由P1和P2 口的P2.0-P2.3输入，数据有P0口读出，P26 P2.7和P3.6、P3.7的控制信号PSEN保持低电平，ALE、EA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内存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/ PR0G引脚10ms的低电平脉冲宽度即可将 PEROM数组(4k字节)和三个加密位整片擦除，代码数组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。3.2.10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。编程界面：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 行写入和内存的整片擦除，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。3.2.11 AT89C51的极限参数极限参数：工作温度,-55 C to+125C储藏温度,-65 C to+150C任一引脚对地电压，,，-1.0Vto+7.0V最高工作电压,6.6V直流输出电流,15.0mA3.3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ag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 3.4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，ag、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。七段位LEDipip八段位LED桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第#页 共46页桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第25页 共46页图3.4数码管引脚图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（adp）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 界面，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。3.3.1 74LS377芯片介绍74LS377芯片图如图3.5所示3TTTT1718111IDOQOD1QlD2Q2D3Q3D4Q4D5Q，D6Q$D7Q7CLKE74LS377图 3.5 74LS377引脚图aE16T9D0D7: 8个信号输入端。QQ: 8个信号输出端。CLK时钟信号输入端。E :锁存允许信号。当E=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。表3.6 74LS377真值表GCLKDQ1XXQ0011000X0XQ03.3.2 MC14511B 芯片介绍AD:四个信号输入端。ag：七个信号输出端。LT、BI:接地。LE:接电源。MC14511BAaBbCcDd e f g LTBI LE图3.6 MC14511B引脚图3.3.3 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。3.4继电气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组件。 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。不吸合，保持与释放状态。当输入量变化到高于它的吸合值或低于它的释放 值时，继电器动作，对于有触头式继电器其触头闭合或断开，对于无触头式继电器起输 出发生阶跃变化，以此提供一定的逻辑变量。自动加料机是把塑料粒子送到一个真空管，在输送时真空管关闭合，排料时真空管需要打开，将粒子送到排料漏斗。本设计共需 2个继电器控制交流接触器，一个接带动 生产的电动机。另一个为控制工作方向的方向阀。经考虑采用4123无极12V直流控制24V的交流继电器，并利用光耦合器件P521和MCU隔开o 89C51的P1初始值为OFFH, 所以加一个74LS04反相器使得继电器初始不产生闭合，使用 MC1413为无源驱动器， IN4007组成继电器的续流二极管。电路图如图3.7所示：图3.7继电气控制电路原理图3.5键盘及显示电路键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干扰单片机的主要手段。本设计采用8255A为I/O扩展。3.5.1 键盘接口非编码键盘与单片机的接口单片机系统所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。 编码键盘本身除了按键之外，还包括产生键码的硬件电路，只要按下某一个键，就能产 生这个键的代码，一般称为键码，同时，还能产生一个脉冲信号，以通知CPU接收（输 入）键码。这种键盘的使用比较方便，亦不需要编写很多程序，但使用的硬件较复杂， 在微型计算机控制系统中使用还不多。非编码键盘是由一些按键排列成的一个行列矩阵。按键的作用，只是简单地实现接 点的接通和断开，但必须有一套相应的程序与之配合，才能产生出相应的键码。非编码 键盘几乎不需要附加什么硬件电路，目前，在微型计算机控制系统中使用比较普遍。使用非编码键需要用软件来解决按键的识别，防止抖动以及键码的产生等工作。设有一个6行X 5列的非编码键盘，其中有16个为数字键0F，其余的为控制键， 用以发布各种控制命令。键盘的行线接 8155C 口的六条线PC5PC0,键盘的列线则接 8155B 口的5条线。在没有任何键按下时，所有键盘列在线的信号都是高电平。当有按 键按下时，就会出现键的识别、防止抖动以及确定键码等一系列问题。按键识别有各种方法，此系统只“行扫描”法：首先确定是否有按键按下。CPU通过并行口输出000000到键盘的行线，然后检测 键盘的列线信号。若没有键按下，则为 11111。若有任一个按键按下，则有某一条列线 为0,也就是当PB4PB0不为11111时，就表示有键按下。其次通过“行扫描”确定已按键的行、列位置。所谓行扫描就是依次给每条行线输 入0信号，而其余各行都输入1,并检测每次扫描时所对应的列信号。在图 2中就是在 C 口先输出111110 （PCI PC0,然后是111101，直到最后是011111，并检测每次所对 应的B 口输入。只有在某行上有键按下时，在这一行上输入 0 （其它行为1），在列输出上才能检测 到0信号。若是输入为0的这一行上没有按键按下，则收到的列信号仍然全是1。因此， 只要记下列信号不全为1时的C 口输出及B 口输入，就能确定以按键的位置。设图2中处于第3行第1列的键已按下，则必须是行输出信号为 110111，检测到的列信号为 11101。对应于其它的行信号，列信号都是11111。这样，通过行扫描，就可以确定按键 的行、列坐标。接着确定是否有多键同时按下。 有时一次按下的键不止一个，这在一般情况下是由 于误操作引起的，是不应该出现的通常称为窜键。出现这种情况时，就可能有不止一次 会得到列信号不为全1,这时就不容易判断哪个键是真正需要按下的。为了处理这种情 况可采取两种办法：一是行扫描一定是扫到最后一行才结束，而不是检测到列信号不为全1时就结束，以便发现窜键；二是如果出现了窜键，最简单的处理办法就是这次行扫 描不算，再来一遍，即以最后放开的那个键为准。实际上，由于扫描的速度很快，真正 找到两个键同时按下的情况是很少的。最后消除键抖动。一般按键在按下的时候有抖动的问题，即键的簧片在按下时会有轻微的弹跳，需经过一个短暂的时间才会可靠地接触。若在簧片抖动时进行扫描就可能得出不正确的结果。因此，在程序中要考虑防抖动的问题。最简单的办法是在检测到有 键按下时，等待（延迟）一段时间再进行“行扫描”，延迟时间为1020ms这可通过 调用子程序来解决，当系统中有显示子程序时，调用几次显示子程序也能同时达到消除 抖动的目的。3.5.2 8255A芯片介绍自动加料系统有8个按键：启动两条生产线的“启动 T键和“启动2”键、分秒 选择键、时间设置加/减键、显示生产线状态切换键，时间设置键，时间切换键，由于 单片机的并行口有限。本系统采用 8255A扩展并行口。8255A的内部结构有以下几部分组成：（1）并行I/O 埠A、B、C 8255A的内部有3个8位并行I/O 口： A 口、B 口、C 口。 3个I/O 口都可以通过编程选择为输入口或输出口，但在结构和功能上有所不同。A口：含有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位输入锁存器。B 口：含有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位输入锁存器（不锁存）。C口：含有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位输入锁存器（不锁存）。当数据传送不需要联络信号时，这 3个埠都可以用作输入口或输出口。当 A 口 B 口需要有联络信号时，C口可以作为A 口和B 口的联络信号线。（2）工作方式控制电路：8255A的三个埠在使用使可分为 A、B两组。A组包括A口 8位和C 口高4位：B组包括B 口 8位和C 口低4位。两组的控制电路中分别有控制 寄存器，根据写入的控制字决定两组的工作方式，也可对C 口每一位置“1”或清“0”。（3） 数据总线缓冲器：数据总线缓冲器是三态双向的8位缓冲器，是8255A与单片 机数据总线的接口， 8255A的DD可以和AT89C51单片机的P0.0P0.7直接相连。 数据的输入输出、控制字和状态信息的传递，均可通过数据总线缓冲器进行。（4）读/写控制逻辑：8255A读/写控制逻辑的作用是从 CPU的地址和控制总线上接 受有关信号，转变成各种控制命令送到数据缓冲器及 A组和B组的控制电路，控制A、 B、C3个埠的操作。3.5.3 8255A 引脚8255A共有40个引脚，一般为双列直插DIP封装，40个引脚可分为与CPU连接的 数据线、地址和控制信号以及与外围设备连接的三个埠线。 D（D7:双向三态数据总线。 如图3.8所示：DOD1DQD3曹 Mn一！hAcs0 12 3 斗 M1MP7 AA A A An A A A pppppppp_3403P至3718192D212323242514TS161713T2TT103329_2827pccpcsspcepc5S255图3.8 8255A引脚图RESET:复位信号，输入，高电平有效。复位后，控制寄存器清0, A 口、B 口、C口被置为输入方式。CS :片选信号，输入，低电平有效。RD :读信号，输入，低电平 有效。RD有效时，允许CPU通过8255A DOD7读取数据或状态信息。WR :写信号， 输入，低电平有效。有效时，允许 AiAo：端口控制信号，输入。2位可构成四种状态， 分别寻址A 口、B 口、C 口和控制寄存器PAoPAz: A 口资料线，双向。PBoPBz: B 口资料线，双向。PCPC: C 口数据/信号线，双向。当8255A工作于方 式O时，PCPG分为两组（每组4位）并行I/O数据线；当8255A工作于方式1或方 式2时，PCoPC7为A 口、B 口提供联络信号。AiAo与RD、WR、CS信号一起，可 确定8255A的操作状态，3.5.4 8255A 功能操作在连接键盘电路采用8255A为扩展I/O 口时，要在中间加入一个 74LS373,74LS373 是一个三态门的8D锁存器，它可以作为AT89C51外部的一个扩展输入口，借口电路的 工作原理是当外设把数据准备好后， 发出一个控制信号加到373的G端，即锁存端，使 输入数