定量给料皮带秤控制器软件设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)

定量给料皮带秤控制器软件设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

皮带机 电机 放大电路 LED 键盘 可控硅调功调速 电路 河北联合大学 轻工学院 6 稳定的 MCPU,具有 8K 8ROM、 256 8RAM、 2 个 16 位定时计数器、 4 个 8 位 I/O接口 ,这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。 [2] 最后方案确定选择 AT89C51 这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。 系统检测 控制 部分的硬件选择 由于 定量给料 皮带 秤的 数据采集部分主要包括称重传感器、处理电路和 A/D转换电路， 而对电机的控制是可控硅电路，因此此部分的论证主要分以下四 方面。 传感器的选择 传感器是一个十分重要的元件 ,因此对传感器的选择也显的特别的重要 ,不仅要注意其量程 和参数 ,还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难以程度和设计性价比等等。 传感器量程的选择可依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素综合评价来确定。 一般来说，传感器的量程越接近分配到每个传感器的载荷，其称量的准确度就越高。 但在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。 传感器量程的计算公式是在充分考虑到影响秤体的各个因素后，经过大量的实验而确定的。 其公式 如下： C=K0K 1K 2K 3(W maxW)/N (21) C— 单个传感器的额定量程； W— 秤体自重； Wmax— 被称物体净重的最大值；N— 秤体所采用支撑点的数量 ； K0— 保险系数，一般取值在 ～ 之间； K1—冲击系数； K2— 秤体的重心偏移系数； K3— 风压系数。 [3] 综合考虑 ,本系统采用 CHBW 电 阻 应 变 式 传 感 器 ,其 最 大 量 程 为1000kg 的 称重传感器由 双弯曲梁结构，优质合金钢制造。 四角误差校准，偏听偏信心载荷保持精度。 长期稳定性好，可靠性高，密封防尘设计 ， 感器测量精度高 、温度特性好、工作稳定等优点。 广泛应用于 基于单片机的电子皮带秤。 该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成。 【 4】 其工作原理如图 22所示： 第 2 章 系统方案论证与选型 7 图 称重传感器工作原理图 表 21 压力传感器 主要技术指标 准确度等级 Accuracy class C3 额定载荷 Rated load kg 501000 灵敏度 Sensitivity mV/V 非线性 Nonlinearity %. 滞 后 Hysteresis 重复性 Repeatability 蠕变 Creep %./30min 蠕变恢复 creep recovery 零点输出 Zero balance %. 177。 1 零点温度系数 Zero temperature coefficient %./10℃ 177。 额定输出温度系数 Rated output temperature coefficient 输入电阻 Input resistance Ω 380177。 2Ω 输出电阻 Output resistance Ω 350177。 2Ω 绝缘电阻 Insulation resistance MΩ ≥ 5000 放大电路选择 称重传感器输出电压振幅范围 0～ 20mV。 而 A/D 转换的输入电压要求为 0～2V，因此放大环节要有 100 倍左右的增益。 对放大环节的要求是增益可调的（ 70～ 150 倍），根据本设计的实际情况增益设为 100 倍即可，零点和增益的温河北联合大学 轻工学院 8 度漂移和时间漂移极小。 按照输入电压 20mV，分辨率 20200 码的情况 ，漂移要小于 1181。 V。 由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂（177。 1181。 V），从而保证了放大环节对零点漂移的要求。 残余的一点漂移依靠软件的自动零点跟踪来彻底解决。 稳定的增益量可以保证其负反馈回路的稳定性，并且最好选用高阻值的电阻和多圈电位器。 【 5】 由图 22称重传感器的工作原理图可知， 电阻应变 片组成的传感器是 把机械应变转换成 ΔR/R ，而 应变电阻 的 变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值 120Ω ，灵敏系数 K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为 1000ε ，应变电阻相对变化量为： ΔR/R= Kε= 21000 － 6 = （ 22） 由式 22 可以看出电阻变化只有 ，其电阻变化率只有 %。 这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。 因此，必须采用转换电路，把应变计的 ΔR/R 变化转换成电压或电流变化 ，但是这个电压或电流信号很小，需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被 A/D 转换芯片接收的信号。 在前级处理电路部分，我们考虑可以采用以下两种方案： 方案一：利用普通低温漂运算放大器构成前级处理电路；普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。 由 于 A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。 所以，此种方案不宜采用。 方案二：主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器，而构成的前级处理电路；差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放 (TL062)做成一个差动放大器。 【 6】 其设计电路如图 所示： 图 利用普通运放设计的差动放大器 比较称重传感器和差动放大器的放大倍数，如果差动放大器倍数略大于称第 2 章 系统方案论证与选型 9 重传感器（≤ 5%），则系统设计满足要求。 其计算结果如下： 称重传感器输出电压为 5V，并且它的 灵敏度为 2MV/V，则放大倍数为： 5 2 = 10 MV 差动放大器运算放大倍数： K =（ 1+R3/R4）•（ 1+2R5/W） =（ 1+400/100）•（ 1+2*200/4） = 505 倍 A/D 转换器的选择 世界上有多种类型的 ADC，有传统的并行、逐次逼近型、积分型 ADC，也有近年来新发展 起来的 ∑ Δ 型和流水线型 ADC， 多种类型的 ADC 各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。 ADC 集成电路类型 介绍 ⑴ 并行比较 A/D 转换器： 如 ADC080 ADC0809 等。 并行比较 ADC 是现今速度最快的模 /数转换器，采样速率在 1GSPS 以上，通常称为 “ 闪烁式 ” ADC。 它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。 这种结构的 ADC 所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。 缺点是：并行比较 式 A/D 转换的抗干扰能力差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于 8位，因 此并行比较式 A/D 只适合于数字示波器等转换速度较快的仪器中，不适合本系统。 ⑵ 逐次逼近型 A/D 转换器：如： ADS780 ADS7804 等。 逐次逼近型 ADC 是应用非常广泛的模 /数转换方法，这一类型 ADC 的优点：高速，采样速率可达 1MSPS；与其它 ADC 相比，功耗相当低；在分辨率低于 12位时，价格较低。 缺点 ：在高于 14 位分辨率情况下，价格较高；传感器产生的信号在进行模 /数转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。 ⑶ 积分型 A/D 转换器：如： ICL713 ICL710 ICL154 MC14433 等。 积分型 ADC 又称为双斜率或多斜率 ADC， 是应用比较广泛的一类转换器。 它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。 与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现 A/D 转换。 积分 型 ADC 两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压 VR。 此外，由于输入端采用了积分器，所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。 若把积分器定时积分的时间取为工频信号的整数倍，可把由工频噪声引起的误差减小 到最小，从而有效地抑制电网的工频干扰。 这类 ADC 主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表。 其优点是：分辨率高，可达 22 位；功耗低、成本低。 缺点是：河北联合大学 轻工学院 10 转换速率低，转换速率在 12 位时为 100～ 300SPS。 ⑷ 压频变换型 ADC： 其优点是：精度高、价格较低、功耗较低。 缺点是：类似于积分型 ADC，其转换速率受到限制， 12位时为 100～ 300SPS。 【 7】 MAX187 功能及应用介绍 根据系统的精度要求以及 综合的分析其优点和缺点 ，本设计采用了12 位 A/D MAX187 转 换器。 A/D MAX187转换器 是美国 MAXIM公司生产的一种串行 A/D 转换器 ,具有低功耗、高精度、高速度、体积小、接口简单等特点。 它是一种单通道 12 位逐次逼近型串行 A/ D 转换器 ,内部设有采样保持电路 ,采用单一的 +5V 供电 ,接收 0～+5V 模拟信号输入。 ⑴ MAX187特点 ① 12位分辨率； ② 单一 + 5V 工作电压 ,工作电流 ,关断电流 2μ A ； ③ 内部采样 / 保持电路 ,75Ksps 采样速率 ； ④ 177。 1/2LSB 整体非线形度 ； ⑤ 内部 基准电压 , 与 SPI、 QSPI 及 Mi2crowire 兼容的 3 线串行接口。 ⑵ MAX187结构 ① MAX187引脚 MAX187 串行 A/ D 转换器有 DIP/ SO 两种封装。 如图 24所示 (DIP封装 )。 VDD ： 电源端 接 + 5V ； AIN ： 采样模拟信号输入端 ,0 VREF ； SHDN ： 三电平关闭输入端 ； REF : 用于模拟转换的基准电压端 ,使用外部基准电源时用作输；。 GND : 模拟地和数字地 ； CS: 片选信号输入端 ； SCLK:串行时钟输入端 ； DOUT:串行数据输入端 ,数据在 SCLK下降 沿输出。 第 2 章 系统方案论证与选型 11 ② MAX187内部结构 图 MAX187内部结构图 MAX187内部结构如图。 片内包括 12 位逐次逼近 ADC、比较器、 DAC、采样 / 保持器、输出移位寄存器等。 【 8】 ⑶ MAX187特性及特点 ① 工作方式控制选择 1） SHDN = 0 ,MAX187 工作在关断方式 ,仅需提供 10μ A 电流 ； 2） SHDN = 1 ,MAX187 工作在普通方式 ,使用内部参考电源 ； 3) SHDN 悬空 ,MAX187 内部参考电压无效 ,允许在 REF 管脚输入外部参考电源。 ② 工作过程简述 MAX187 工作时序图如图。 河北联合大学 轻工学院 12 图 MAX187 工作时序图 MAX187 的工作过程实现如下： 1）保持 SCLK= 0 ,CS 的下降沿使采样 / 保持器开始工作 ,转换器进行转换。 在转换期间应始终保持 SCLK= 0。 数据 输出前应保持 CS = 0。 2）经过一个内部 8. 5μ s 转换周期后 ,DOUT 被拉为高点平 ,转换结束 ,数据在 SCLK的时序控制下从 OUT 端输出。 3) 在转换结束后 ,可在任何时刻通过 SCLK时钟将数据移出移位寄存器。 DOUT 在 SCLK的下降沿开始输出 ,下一个时钟的下降沿在DOUT 端产生一个 MSB ,由于有 12 位和一个开始位 ,所以至少有13 个时钟周期来移出这些数据。 4) 连续 13 个 SCLK周期后 ,使 CS = 1 ,DOUT 变为高阻态 ,结束一个完整的转变周期。 如果 13 个 SCLK周期后 ,CS 仍为 0 ,这时 SCLK仍不断发生 ,DOUT 端在 LSB 后将输出“ 0” ,成为无效位。 5) 在两个操作周期间应保持一个最小时间间隔 Tcs = s ,以使 A/ D 转换器完成初始化 ,这样整个一个转换输出的周期大约为 s。 ⑷ MAX187 在工业污水水质及排放总量在线实时监控系统中的应用 ① MAX187 与 AT89C51 单片机的接口 MAX187 和 AT89C51 的接口电路如图。 第 2 章 系统方案论证与选型 13。