儲(chǔ)粉倉粉位高度控制系統(tǒng)

1、 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書學(xué)生姓名:學(xué) 號：學(xué) 院:自動(dòng)化工程學(xué)院班 級:題 目:儲(chǔ)粉倉粉位高度控制系統(tǒng) 指導(dǎo)教師： 職稱: 2015年6月2 日 目錄 一、設(shè)計(jì)方案.1二、工作原理12.1 流程框圖12.2 工作原理1三、硬件設(shè)計(jì)23.1 傳感器23.2 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)33.2.1 AT89C51功能及引腳分布33.2.2 振蕩方式的選擇53.2.3 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)53.3 AD轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)63.3.1 ADC0809主要信號引腳的功能63.3.2 ADC0809與AT851單片機(jī)的連接73.3.3 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送83.4 鍵盤輸入電路的設(shè)計(jì)93.4.1 按鍵去抖93.4.2 鍵盤掃描方

2、法103.5 數(shù)顯輸出電路的設(shè)計(jì)11四、軟件設(shè)計(jì)部分124.1 原理圖的繪制124.2 流程圖的設(shè)計(jì)13五、參考文獻(xiàn)13 1. 設(shè)計(jì)方案利用單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)一個(gè)對鍋爐煤粉粉位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對象的特征，要求實(shí)時(shí)檢測煤粉的粉位高度，并與開始預(yù)設(shè)定值做比較，由單片機(jī)控制固態(tài)繼電器的開斷進(jìn)行粉位的調(diào)整，最終達(dá)到粉位的預(yù)設(shè)定值。檢測值若高于上限設(shè)定值時(shí)，要求報(bào)警，斷開繼電器，控制送粉器停止送粉；檢測值若低于下限設(shè)定值，要求報(bào)警，開啟繼電器，控制送粉器開始送粉。現(xiàn)場實(shí)時(shí)顯示測量值，從而實(shí)現(xiàn)對煤粉粉位的監(jiān)控。2.1流程框圖煤粉粉位ZNZC煤粉倉重錘料位計(jì)ADC08098051鍵盤蜂鳴器存儲(chǔ)器

3、數(shù)碼管DAC7512N/50送粉器 圖1鍋爐粉位自動(dòng)控制系統(tǒng)工作流程框圖2.2工作原理基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的液位控制器是以AT8C951芯片為核心，由鍵盤、數(shù)碼顯示、AD轉(zhuǎn)換、傳感器，電源和控制部分等組成。工作過程如下：煤粉粉位位發(fā)生變化時(shí)，由測量粉位的傳感器ZNZC煤粉倉重錘料位計(jì)測出，并轉(zhuǎn)化為4-20MA標(biāo)準(zhǔn)信號送入AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器把模擬信號變成數(shù)字信號量，由單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行處理，根據(jù)設(shè)定要求控制輸出，同時(shí)數(shù)碼管顯示粉位高度。通過鍵盤設(shè)置粉位高、低和限定值以及強(qiáng)制報(bào)警值。該系統(tǒng)控制器特點(diǎn)是直觀地顯示粉位高度，可任意控制粉位高度。3.硬件設(shè)計(jì)液位控制器的硬件主要包括由傳感器(帶

4、變送器)、單片機(jī)、鍵盤電路、數(shù)碼顯示電路、AD轉(zhuǎn)換器和輸出控制電路等。3.1傳感器 ZNZC重錘式料位計(jì)主要用于測量料倉及各種儲(chǔ)料罐中的物料高度, 使用戶可靠的掌握料倉中的料位. 可用來測量各種復(fù)雜環(huán)境料倉的料位,包括粉狀,顆粒狀及塊狀物料等介質(zhì). 廣泛應(yīng)用于化工,食品,冶金,水電,水泥,塑料,采礦及其他工業(yè)領(lǐng)域.?？傆[重錘式料位計(jì)由機(jī)械傳動(dòng)部分,儀表控制部分,探測錘三部分組成。特點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎,功能強(qiáng)大.可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)自動(dòng)測量。 圖1 ZNZC引腳圖 表1 ZNZC傳感器參數(shù)參考操作條件環(huán)境溫度: -5+60最小介質(zhì)密度: 300g/L  (更小密度需定制)最小測量時(shí)間間隔:測量高

5、度     5m    3m測量高度     10m    6m測量高度     20m   12m測量高度     30m  18m機(jī)械傳動(dòng)部分測量范圍:最大30m測量精度:±0.08m測量速度: 0.15m/s鋼絲繩直徑: 2mm鋼絲繩材質(zhì): 304不銹鋼探測錘重量: 2Kg整機(jī)重量: 30Kg儀表控制部分供電電壓: AC220V,5

6、0Hz功耗: 75W信號輸出: 420mA顯示: 4位LCD重量: 3Kg 3.2 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)3.2.1 AT89C51功能及引腳分布本次課程設(shè)計(jì)基于AT89C51單片機(jī)， AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。A

7、T89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。引腳分布如下圖3.2.1所示：圖3.2.1 AT89C51及引腳分布VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P

8、1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制

9、信號。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校

10、驗(yàn)接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/P

11、SEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.2.2 振蕩方式的選擇 本次設(shè)計(jì)用到的是內(nèi)部振蕩方式，這種方式下在X1和X2

12、兩端跨接石英晶體及兩個(gè)電容，如下圖所示，這樣就和內(nèi)部的反響放大器構(gòu)成穩(wěn)定的自己振蕩器。電容C1和C2通常取30pF，可穩(wěn)定頻率并對正當(dāng)頻率有微調(diào)作用。接線圖如下：圖3.2.2 內(nèi)部振蕩方式3.2.3 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。圖1所示的RC復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)上述基本功能，圖3為其輸入-輸出特性。但解決不了電源毛刺（A點(diǎn)）和電源緩慢下降（電池電壓不足）等問題 而且調(diào)整 RC常數(shù)改變延時(shí)會(huì)令驅(qū)動(dòng)能力變差。左邊的電路為高電平復(fù)

13、位有效右邊為低電平Sm為手動(dòng)復(fù)位開關(guān) Ch可避免高頻諧波對電路的干擾。電路圖如下：圖3.2.3 復(fù)位電路3.3 AD轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 本次課程設(shè)計(jì)使用AD轉(zhuǎn)換器件是ADC0809，ADC0809是8路模擬信號的分時(shí)采集，片內(nèi)有8路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的通道抵制鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s左右，ADC0809芯片為28引腳為雙列直插式封裝，其引腳分布圖如下：圖3.3 AD0809引腳圖3.3.1 A/DC0809主要信號引腳的功能IN7IN0模擬量輸入通道ALE地址鎖存允許信號。對應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號。START上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0

14、809；START下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持 低電平。本信號有時(shí)簡寫為ST.A、B、C地址線。 通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。其地址狀態(tài)與通道對應(yīng)關(guān)系見表9-1。CLK時(shí)鐘信號。ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號由外界提供，因此有時(shí)鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHz的時(shí)鐘信號EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請求信號使用。D7D0數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為最

15、低位，D7為最高OE輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。Vcc +5V電源。Vref參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V).3.3.2 A/DC0809與AT851單片機(jī)的連接電路連接主要涉及兩個(gè)問題。一是8路模擬信號通道的選擇，二是A/D轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。ADC0809與AT89C51單片機(jī)的連接圖如下：圖3.3.2.1 ADC0809與AT89C51單片機(jī)的接線圖如圖3.2.2.2所示模擬通道選擇信號A

16、、B、C分別接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址鎖存允許信號ALE由P2.0控制，則8路模擬通道的地址為0FEF8H0FEFFH.此外，通道地址選擇以WR作寫選通信號，這一部分電路連接如圖所示。圖3.2.2.2 模擬通道選擇信號接線圖從圖中可以看到，把ALE信號與START信號接在一起了，這樣連接使得在信號的前沿寫入（鎖存）通道地址，緊接著在其后沿就啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換只需要一條MOVX指令。在此之前，要將P2.0清零并將最低三位與所選擇的通道好像對應(yīng)的口地址送入數(shù)據(jù)指針DPTR中。例如要選擇IN0通道時(shí)，可采用如下兩條指令，即可啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換： MOV

17、 DPTR , #FE00H ；送入0809的口地址 MOVX DPTR , A ；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換（IN0）注意：此處的A與A/D轉(zhuǎn)換無關(guān)，可為任意值。3.3.3 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式。1）定時(shí)傳送方式對于一種A/D轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為128s，相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機(jī)共64個(gè)機(jī)器周期?？蓳?jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接

18、著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。2）查詢方式A/D轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態(tài)，即可卻只轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。3）中斷方式把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。不管使用上述那種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號有效時(shí)，OE信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接受。不管使用上述那種方式，只要一旦確認(rèn)轉(zhuǎn)換結(jié)束，便可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。所用的指令為MOVX 讀指令，仍以圖9-17所示為例，則有 MOV DPTR , #FE00H MOVX

19、A , DPTR該指令在送出有效口地址的同時(shí)，發(fā)出有效信號，使0809的輸出允許信號OE有效，從而打開三態(tài)門輸出，是轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送入A累加器中。這里需要說明的示，ADC0809的三個(gè)地址端A、B、C即可如前所述與地址線相連，也可與數(shù)據(jù)線相連，例如與D0D2相連。這是啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的指令與上述類似，只不過A的內(nèi)容不能為任意數(shù)，而必須和所選輸入通道號IN0IN7相一致。例如當(dāng)A、B、C分別與D0、D1、D2相連時(shí)，啟動(dòng)IN7的A/D轉(zhuǎn)換指令如下：MOV DPTR， #FE00H ；送入0809的口地址MOV A ，#07H ；D2D1D0=111選擇IN7通道MOVX DPTR， A

20、；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換3.4 鍵盤輸入電路的設(shè)計(jì)3.4.1 按鍵去抖通常的按鍵所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān),當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí),電壓信號小型如下圖。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用,一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通,在斷開時(shí)也不會(huì)一下子斷開。因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng),如下圖。抖動(dòng)時(shí)間的長短由按鍵的機(jī)械特性決定,一般為5ms10ms。按鍵穩(wěn)定閉合時(shí)間的長短則是由操作人員的按鍵動(dòng)作決定的,一般為零點(diǎn)幾秒至數(shù)秒。鍵抖動(dòng)會(huì)引起一次按鍵被誤讀多次。為確保CPU對鍵的一次閉合僅作一次處理,必須去除鍵抖動(dòng)。在鍵閉合穩(wěn)定時(shí)讀取鍵的狀態(tài),并且必須判別到鍵釋放穩(wěn)定后再作處理。按鍵的抖動(dòng),可用硬件或軟件兩種方法。（1）硬件消抖：在鍵數(shù)較少時(shí)可用硬件方法消除鍵抖動(dòng)。下圖所示的RS觸發(fā)器為常用的硬件去抖。圖3.3.1 RS觸發(fā)器硬件消抖圖中兩個(gè)“與非”門構(gòu)成一個(gè)RS觸發(fā)器。當(dāng)按鍵未按下時(shí),輸出為1;當(dāng)鍵按下時(shí),輸出為0。此時(shí)即使用按鍵的機(jī)械性能,使按鍵因彈性抖動(dòng)而產(chǎn)生瞬時(shí)斷開（抖動(dòng)跳開B）,中要按鍵不返回原始狀態(tài)A,雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)不改變,輸出保持為0,不會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)的波形。也就是說,即使B點(diǎn)的電壓波形是抖動(dòng)的,但經(jīng)雙穩(wěn)態(tài)電路之后,其輸出為正規(guī)的矩形波。這一點(diǎn)通過分析RS觸發(fā)