基于单片机的自动称重配料系统

基于单片机的自动称重配料系统内容摘要：

态有效。 四、显示器电路 (1)LED显示器工作原理。 显示器为七段数码管，需由驱动电路 7407(反向器 )驱动，并采用共阴极接法。 共阴极 LED显示器的阴极共地，当某二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮。 十进制数对应的段码见表。 表 七段 LED显示器段码表 (共阴极 ) 显示字符 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 . 段码 3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 07H 7DH 7EH 6FH 80H (2) 显示扫描电路。 LED 的每一种显示字符对应一个 段码， CPU 送出这个段码， LED 便显示这个段码所对应的字符。 在本系统中由移位寄存器74LS164 提供需要显示的段码。 河南科技大学毕业设计（论文） 13 当我们需要同时显示多个字符时，可逐次把需要的字符显示在规定的位置上。 本系统通过 ～ ，用于控制各个显示器的接地端。 在每点亮一个显示器之后，必须稍停一段时间，使之发光稳定，然后轮流点亮其他的显示器。 这样巡回扫描速度较快，每秒可重复多次。 虽然在同一时刻只有一个显示器在工作，但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效应，我们看到的都是稳定的多个字符同时显示。 这种显示为动态显示，此时，段选码和位选码均由软件控制。 167。 A\D 转换电路的设计 167。 传感器及 A\D 转换芯片的选择 本系统中我们使用德国 HBM 公司的 HBM26F 称重传感器。 在自动化控制设备的数据采集和转换输出过程中， A/D转换往往是必不可少的，因此在很多场合要使用到 A/D转换芯片。 选择一款合适的 A/D转换芯片显得由为重要。 传统的并行 A/D转换需占用较多的 I/O 口，串行的 A/D转换周期长，读写复杂，可扩展性较差。 I2C 总线 A/D转换具有接口线少，控制方式简单，通信速率较高，扩展性方便等优 点，得到了广泛应用。 PCF8591是一种具有 I2C总线接口的 8 位 A/D转换芯片，在与 CPU的信息传输过程中仅靠时钟线 SCL 和数据线 SDA 就可以实现。 I2C总线是 Philips（飞利浦）公司推出的串行总线，它与传统的通信方式相比具有读写方便、结构简单、可维护性好、易实现系统扩展、易实现模块化标准化设计、可靠。 167。 A\D 转换工作原理 PCF8591 的 A/D 转换为逐次比较型，在 A/D 转换周期中借用 DAC 及高增益比较器。 对 PCF8591 进行写读操作后便立即启动 A/D 转换，并读出 A/D 转换结果。 在每个应答信号的后沿触发 A/D 转换周期，采样模拟电压并读出前一次转换后的结果。 A/D 转换中，一旦 A/D 采样周期被触发，所选择通道的采样电压便保存在采样、保持电路中，并转换成 8 位二进制码（单端输入） 或二进制补码（差分输入） 存放在 ADC 数据寄存器中等待器件读出。 如果 河南科技大学毕业设计（论文） 14 控制字节中自动增量选择位置 1，则一次 A/D 转换完毕后自动选择下一通道。 读周期中读出的第一个字节为前一个周期的转换结果。 上电复位后读出的第一字节为 80H。 PCF8591 的 A/D 转换亦使用的是 I2C 总线的读方式操作完成的。 其中 data 0～ data n 为 A/D 的转换结果，分别对应于前一个数据读取期间所采样的模拟电压。 A/D 转换结束后，先发送一个非应答信号位 A 再发送结束信号位 P。 灰底位由主机发出，白底位是由 PCF8591 产生。 上电复位后控制字节状态为 00H，在 A/D 转换时须设置控制字，即须在读操作之前进行控制字节的写入操作。 图 PCF8591 为单一电源供电（ ～ 6 V） 典型值为 5 V， CMOS 工艺。 PCF8591 有 4 路 8 位 A/D 输入，属逐次比较型，内含采样保持电路； 1 路 8 位D/A 输出，内含有 DAC的数据寄存器。 A/D、 D/A 的最大转换速率约为 11 kHz，但是转换的基准电源需由外部提供。 图 河南科技大学毕业设计（论文） 15 167。 电机电路的设计 167。 步进电机的原理 步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备 步进电机控制驱动器 ，控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器。 另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环形分配器。 功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的，步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。 从结构上看，步进电机分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍 3 种。 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的。 步进电机分三种：永磁式（ PM），反应式（ VR）和混合式 (HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了 广泛应用。 步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字 /角度转换器。 （ 1）四相步进电机的工作原理 该设计采用了 20BY0 型步进电机，该电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。 只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。 当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的 河南科技大学毕业设计（论文） 16 齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。 （ 2）步 进电机的静态指标及术语 相数：产生不同队 N、 S 磁场的激磁线圈对数，常用 m 表示。 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲用 n 表示，以四相电机为例，有 四 相 四 拍 运 行 方 式 即 AB→BC→CD→DA→AB, 四 相 八 拍 运 行 方 式A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 θ 表示。 Θ=360度（转子齿角运行拍数），以常规二、四相，转子齿角为 50 齿角电机为例。 四相运行时步距角为 θ=360 度 /（ 50*4） = 度，八拍运行时步距角为 θ=360 度 /（ 50*8） = 度。 定位转矩： 电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。 （ 3）四相步进电机的脉冲分配规律 目前，对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。 本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。 四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。 各种工作方式在电源通电时的时序 与波形分别如图 1 a、 b、 c 所示。 本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍 时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机 出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。 步进电机的电路原理图如下图所示： 图 河南科技大学毕业设计（论文） 17 167。 步进电机的设计 本系统选用四相六线的 24BYJ48型永磁感应式步进电机，步进电机主要参数： 图 其外形尺寸如下图所示： 图 167。 2. 6 报警电路的设计 本设计当液体原料的实际值与设定值相等或者大 于 实际值大于实际值的时候，报警电路工作。 报警电路分为两部分，声报警和光报警。 光报警用 LED 河南科技大学毕业设计（论文） 18 灯工作，声报警用蜂鸣器。 当实际值达到或者大于设定值的时候， LED 灯发光，蜂鸣器发出声音报警。 167。 LED 灯的工作原理 图 29A 点就相当于单片机的 I/O 口， A 点相当于单刀双掷开关，可以接到 +5V，也可以接到电源地。 接到 +5V 或者悬空，整个电路中没有电流流过， LED 的状态是熄灭。 如果 A 接到电源地， 2 端压差 5V，假设 LED 正常工作压降 ，正常工作电流 10mA。 在数字电路中，接 +5V 为电平 “1”，接地为 “0”。 所以在单片机中，按照上图连接 LED 到 口，我们只需要控制 口的电平是 “0”或 “1”就可以控制 LED 的亮灭。 O3 \, f 图 灯的电路原理图 167。 蜂鸣器的工作原理 蜂鸣器发生原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机的引脚输出的电流较小，因此需要增加一个电流放大的电路。 如图所示，蜂鸣器的正极接到电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射机 E,三极管的基极 B 经过限流电阻 R 后由单 河南科技大学毕业设计（论文） 19 片机的某个引脚控制，当引脚输入高电平时候，三极管 T1 截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当引脚输出低电平时候，三极管导通 ，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。 因此，我们通过程序控制引脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。 图 167。 2. 7 本章小结 本章根据系统功能需求对配料控制系统的各个硬件模块进行了介绍。 使读者对本设计的各个功能模块有一个清晰的认识。 河南科技大学毕业设计（论文） 20 第 3 章 PROTEL 软件的介绍 167。 protel 简介 早期的 PROTEL 主要作为印制板自动布线 工具使用 ，运行在 DOS 环境，对硬件的要求很低，在无硬盘 286 机的 1M 内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电路原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的 PROTEL 已发展到 DXP 2020，是个庞大的 EDA 软件 ，完全安装有 200 多 M，它工作在 WINDOWS95 环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、 模拟电路与数字电路 混合信号仿真、多层 印制电路板 设计（包含印制电路板自动布线）、 可编程逻辑器件 设计、图表生成、 电子表格 生成、支持宏操作等功能，并具有 Client/Server（客户 /服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的 文件格式 ，如 ORCAD，PSPICE， EXCEL 等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度 PCB 的100%布通率。 在国内 PROTEL 软件较易买到，有关 PROTEL 软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。 2020年年底， Protel 软件的原厂商 Altium 公司推出了 Protel 系列的最新高端版本 Altium Designer。 Altium Designer ，它是完全一体化电子产品开发系统 的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。 Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化 PCB 设计、可编程器件（如 FPGA）设计和基于处理器设计的 嵌入式软件开发 功能整合在一起的产品，一种同时进行 PCB 和 FPGA 设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。 这款最新高端版本 Altium Designer 6除了全面继承包括 99SE， Protel2020在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多改进和很多高端功 河南科技大学毕业设计（论文） 21 能。 Altium Designer ，全面集成了 FPGA 设计功能和 SOPC 设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的 FPGA 与 PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。 在本次设计中我们使 用 protel 99SE。 167。 protel 99SE 绘制电气原理图 167。 概述 进入 Design Protel 99se 后在 Documents 中通过右键 “New” 建立 “Schematic Document”文件，打开后即可进行电路原理图的编辑。 先按照已画好的电路草图将所有元件找到拖放到编辑框里。 将编辑框缩小，将元件照电路的样子搭好，整体上排列匀称。 接下来就可以进行局部的连线了。 或者可以先将电路的各个模块搭好，再通过框定各模块平移组合成完整的电路，取消框定要通过 Edit－》 DeSelect－》 Inside Area－》再用鼠标框定以前选中的。