基于单片机的皮带配料秤控制系统计

基于单片机的皮带配料秤控制系统计内容摘要：

表 31 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。 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 ～ 口向显示器提供位选码，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。 D/A转换接口扩展 在本系统中，执行机构滑差电机的转速可由经 DAC0832 输出的控制电流来调节，从而基于单片机的皮带配料控制系统设计 9 实现对皮带上物料的流量控制。 (1)8031 与 DAC0832 的连接。 由于 DAC0832 内部已设有输入数据寄存器，因而可以直接与单片机的数据总线相连，并作为单片机的外部数据存储单元。 DAC0832 的地址可设为C000H。 Vcc和 ILE 接＋ 5 V， 8031 的 WR与 DAC0832 的 WR1 相连， Vss与、 WR XFERD 、 GND相连后接地。 本系统 0832 工作于单缓冲方式，只用输入寄存器锁存数据。 8 位 DA 寄存器接 成直通方式，即把 WR2 及 XFER 都接地。 由 8031 的 选通。 D/A 转换原理图见图 35。 图 35 D/A转换原理图 (2)D/A 转换。 D/A 转换过程如下： ① 数据采集后送入 CPU 进行处理，计算出瞬时流量，并与设定值作比较，通过 PID调节送出控制变量 Vi。 ② CPU 对 DAC0832 进行一次写操作，把一个数字量直接写入数据寄存器，通过 D/A 转换，输出模拟量。 ③ DAC0832 的两个输出端 Iout1 和 Iout2 为电流输出形式，为了提高电流输出能力 ，提供 4～ 20 mA 的控制电流，输出加上一级功率放大。 ④ 输出的控制电流经放大后接可控硅控制板，控制可控硅的导通角，从而调节滑差电机的转速，使物料流量稳定在预期的设定值。 基于单片机的皮带配料控制系统设计 10 图 36 报警电路原理图 报警电路由 8031 的 触发。 当系统工作正常时， 输出为 1，禁止振荡脉冲在与非门输出，扬声器关闭。 当检测到异常情况时， 清零，使扬声器发出报警信号。 由于 P1 口是准双向口，要想将某一位作输出位时，必须先在锁存器中写入“ 1”。 所以应先将 P1 口置为高 电平，使 为 1，再经过反向去封闭振荡器。 这就是在硬件上加一个反向器的原因。 振荡器可选用石英晶体振荡器或多谐振荡器，产生一个音频范围内的振荡波形，再由放大电路放大，驱动扬声器发音。 基于单片机的皮带配料控制系统设计 11 第 4 章 控制和测量原理 输送皮带上物料流量的设定值由操作员在键盘上设定，系统投入运行后，单片机采样皮带荷重信号和走速信号，并计算瞬时流量和输出控制电流 (4～ 20mA)，实现对流量的控制。 系统闭环控制回路原理图如图 41所示。 流量设定值 荷重 瞬时流量 + ()Ft _ 图 41 系统闭环控制回路原理图 瞬时流量的测量 当输送皮带以 ()Vt走带时，皮带上的物料一般为不均匀分布，瞬时流量为 ( ) ( ) ( )F t P t V t 式中： ()Pt 单位长度上物料的瞬时重量； ()Vt 皮带的瞬时线速度。 本系统中 ()Pt 为荷重传感器电压输出信号的函数，因为存在着非线性，故可近似由三次多项式表示为 32( ) ( ) ( ) ( )P t ax t bx t c x t d    式中： ()Pt 单位长度上物料的瞬时重量； ()xt 荷重传感器在时刻 t 输出的电压信号经 A/D 转换后的数字量； a 、 b 、 c 、 d 线性转换系数。 由调试过程中现场测定，可通过键盘输入。 从上述公式可推导出瞬时流量 ()Ft 为 32( ) ( ) ( ) ( ) ( )F t a x t b x t c x t d V t     瞬时流量由 5位十进制显示，显示形式为精确到小数点后 3 位。 流量控制 在流量测试的基础上，把流量设定值和实际测试得到的瞬时流量进行比差。 采用增量 PID调节算法，计算输出到 DAC0832 的 iV (数字量 )，经 DAC0832 变换为 4～ 20 mA 的电流信号，经过放大后去控制滑差电机的转速。 增量式 PID控制算法只需计算增量，当存在计算误差或精度不足时，对控制量计算的影响较小；增量式积分项运算仅与本次偏差有关，不易产生积分饱和，可取得较好的调节效果；在实际系统中，易于实现手动和自动的无扰动切换，故在控制策略的选用中得到了广泛的推广。 其计算公式如下： PID 调节 D/A输出 滑差电机 计算 基于单片机的皮带配料控制系统设计 12 2()i i i iV P e I e D e      式 中： iV —— 输出控制量的增量； ie —— 设定值 S与本次实际测得的流量值 Fi之差， iie S F ， 1i i ie e e   ； 1ie —— 上一时刻设定值与实测值之差； 2 1 1 2 1( ) ( )i i i i i i ie e e e e e e           ； 2ie —— 两次误差值的增量； P —— 比例系数； I —— 积分系数； D —— 微分系数。 输出控制变量 Vi 的表达式为 1i i iV V V   式中： 1iV —— 上一时刻输出的控制变量。 基于单片机的皮带配料控制系统设计 13 第 5 章 时钟电路 时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的节奏。 CPU 就是 通过复杂的时序电路完成不同令功能的。 MCS51 的时钟信号可以由两种方生 :一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电产生时钟信号。 另一种为外部方式，时钟信号由外部引入。 MCS51 单片机有 HMOS 型和 CHMOS 型。 它们的时钟电路有一定区别，在实际使用时应注下面分别介绍这两种方式。 内部时钟方式 MCS~51 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTALI 和 XTALZ 分别为此放大器的输人端和输出端，其频率范围为 — 12MHz。 该放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器 (简称晶振 )一起构成自激 振荡器。 MCS51 单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接元件，外接晶振 (在频率稳定性要求不高而希望尽可能廉价时，可选用陶瓷谐振器 )以及电构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。 对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳。 定性、起振的快速性和温度稳定性。 如果振荡器已起振，则在 XTAL2 引脚上输出 3V 左右的正弦波。 振荡频率 fosc 取决于晶振的频率。 常用的晶振频率有 6MHz、 12MHz 和。 电容主要作用是帮助起振 (谐振 )，称其为谐振电容， 其值的大小对振荡频率也有影响。 因此常用调节电容的容量大小对频率进行微调，电容容量一般在 20— 100pF 之间选择，当时钟频率为 12MHz 时典型值为 30pF。 外接陶瓷谐振器时，电容的典型值约为 47pF。 在设计印刷电路板时，晶体和电容尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠地工作，此外，由于晶振高频振荡相当于一个内部干扰源，所以晶振外壳 (金属 )一般要良好地接地。 CHMOS 型的内部振荡器电路与 HMOS 型的电路有两点重要的区别 :一是内部时钟发生器的输人信号取自反相放大器的输人端，而 不是象 HMOS 型电路那样取自输出端。 二是此振荡器的工作靠软件控制，当对电源控制寄存器 PCON 的 PD 位置 1时，可切断振荡器工作，使系统进人低功耗工作状态。 外部 时钟 MCS~51 的内部工作时钟也可以由外部振荡器提供，这时，对 HMOS 型芯片，外部振荡器的信号接至 XTAL2，即内部时钟发生器的输出端，而内部反相放大器的输人端 XTAL1 应接地。 在 CHMOS 电路中，因内部时钟发生器的信号取自反相放大器的输人端 (即与非门的一个输人端 )，故采用外部时钟源时，接线方式与 HMOS 型的有所不同 :外部信号接至 XTAL1，XTAL2 不用。 对外部振荡器的信号没有特殊的要求，一般为 一 12MHz 的方波，方波的波形应尽量规范即上升沿、下降沿尽可能垂直。 用外部振荡器来激励 8051 微计算机时，要把 XTALI 接地并驱动 XTAL2。 由于内部时钟基于单片机的皮带配料控制系统设计 14 发生器是一个二分频的触发器，所以对外振荡信号的占空系数不作要求，然而必须注意到振荡频率的极限范围。 时钟发生器把振荡频率加以二分频，给主机提供了一个双相信号，第一相信号在每一个时钟周期的前半部分有效，第二相信号则在时钟周期的后一半有效。 图 51 80C51 单片机时钟电路 时钟信号的输出 在任何情况下，振荡器始终驱动内部发生 器向主机提供时钟信号。 在实际应用中，最简单易行且效果良好的方法是从 XTAI2 引脚取出信号。 由于晶振起振后， XTAL2 引脚上已经可以输出 0— 3V 的正弦波，由于该波驱动能力不强且不是方波，所以不能直接取用但是可以将该信号经 74LSl4(施密特触发器 )整形后使用。 经过 74LS14 整形后，不仅波形变成方波，而且驱动能力也提高了。 TTL电路输人低电平要求为 ， 2V 以上为高电 平输人，所以 XTAL2 引脚 0— 3V 的正弦波对 74LS14 来说是 可行的。 时钟信号的输出如图 11 所示 . 如果使用 CMOS 工艺的 74HC14，由于 CMOS 输人低电平为 0— ，高电平为 以上，则要在 XTAL2 端增加一个上拉电阻。 74LS14 C1 C2 图 52 时钟信号的输出 XTAL2 MCS51 XTAL1 基于单片机的皮带配料控制系统设计 15 第 6 章 复位电路 通常复位电路应具有上电复位和开关手动复位功能。 MCS51 单片机 ,RST 引脚是复位信号的输入端 ,复位信号的高电平有效。