1、第1章 緒論 基于皮帶配料秤單片機控制系統是在總結比較現有多種配料系統的總體結構，控制方法的基礎上，并結合微機配料生產過程自動化要求不斷提高的情況以及配料秤系統本身所處環境和所控對象特殊性、多樣性的情況下設計研制而成的。該系統是一種用于測量和控制皮帶輸送機的速度和物料流量的實時控制器。實現了自動化管理，具有技術先進、功能比較完備、操作簡單、應用靈活、運行可靠等優點。 皮帶輸送機廣泛地應用于礦山、冶金、碼頭和化工等行業，對于散裝的固態原料(如礦石、水泥、煤粉)進行自動輸送，特別適合于高溫、高空和有害環境下作業。對于食品等工農業生產也有很大的作用，例如：飼料的生產需根據各種牲畜的生長規律，在不同的

2、生長期需要成份含量不同的飼料；各種化工產品、建筑材料、農藥的生產也是一樣。配料質量控制的優劣直接關系著下游生產能否順利進行。一方面為了提高產品的質量和產量，提高生產效率，另一方面對特殊性、多樣性的環境，可以減輕崗位工人的勞動強度，保護了工人的安全。鑒于這種情況，我們就需要高精度高速度的皮帶配料秤單片機控制器來進行自動控制。同時，優化設計研制技術先進、設備成熟、經濟實用的單片機配料控制系統至關重要。 目前利用單片機和微機組成的皮帶配料秤單片機控制器已廣泛地應用在冶金、化工、建材、飼料加工等諸多行業，皮帶配料秤控制系統不僅具有自動化程度高，配料連續性好，操作人員勞動強度低，而且配料精度高，產品質量

3、容易控制，還能實現動態物料的配比，自動和手動相結合，實現自動跟蹤誤差調整、自動稱重、自動混合、自動顯示。因此使用皮帶配料秤單片機控制器能明顯地提高工作效率，增加經濟效益，提高管理的現代化水平。 隨著單片機技術和微電子技術的發展，配料控制系統的發展經歷了人工手動控制、機械電氣控制、單片機控制、工業控制計算機集中控制等幾個階段。 第一階段中，微機配料設備龐大，各設備之間互不聯系，或聯系甚少，由現場的操作人員決定是否要調整控制器。一個操作人員只能監視和操作一個至兩個計量秤，并且手工記錄配料的相關數據，在很大程度上產品的質量取決于操作員的熟練程度。 在第二階段，隨著電子管、晶體管技術的飛速發展，逐漸出

4、現了各種小型化的微機配料電動組合儀表。但電動組合儀表也存在著兩大問題，一是電噪聲的問題比較嚴重，為克服噪聲，不得不采用極為復雜的電子線路：另一個問題由于微機配料系統所控對象所處環境常常都很惡劣，電子元器件的老化嚴重，抗干擾的能力和可靠性不高。 而單片機配料系統是在大規模集成芯片技術成熟的基礎上應運而生的。單片機配料系統較的系統設計電路復雜程度低，可靠性也比以前的配料系統大大的提高，而且滿足了用戶實用性的要求。所以迄今為止，單片機配料系統在一定程度上占據了中小型企業配料生產的主控地位。 配料過程中的計量和檢測是十分重要的。其計量方式也是多種多樣，各有利弊。如果選擇不合理，不僅使用效果不佳，也將給

5、生產造成不應有的損失。配料計量秤的分類計量按其稱重方式分為：容量法和重量法兩種。以水泥行業為例，單片機配料控制系統選用的都是重量法。重量法按其計量過程狀態分為靜態計量(或間斷計量)和動態計量(或連續計量)。水泥生產微機配料系統中常用的靜態計量設備有：斗式秤、減法量斗式配料秤(失重秤)、雙懸臂間斷給料皮帶秤。其動態計量設備有：單懸臂恒速皮帶秤、雙懸臂連續給料恒速皮帶秤、調速皮帶秤、核子秤等。由于動態連續計量，可以保持生產過程的連續性，從而適應連續性生產工藝要求，并為配料時物料的均勻混合提供有利條件。同時，其計量速度快，有利于減輕計量過程的勞動強度，改善勞動條件和為生產過程自動化提供有利條件。因此

6、本課題是動態時時測量皮帶上物料的重量。 早在70年代，我國就從日本、德國、丹麥、美國、荷蘭等國家引進了計量給料秤和連續給料秤制造技術，大大地促進了國內電子秤的發展。目前，無論是品種還是技術性能基本上能滿足工業配料生產的需要。但是，一方面國產的工業電子秤的穩定性、可靠性差，功能不夠完善，品種規格較少，標準化、系統配套化水平低。另一方面，例如水泥行業：絕大多數水泥廠管理和技術水平低，生產工藝裝備落后，環境條件惡劣，特別是產量占全國水泥總產量80%以上的地方小型水泥廠更是如此。針對我國工業配料工藝的具體情況，微機配料計量秤的發展方向還是以重量法為主，要求計量秤的結構簡單，操作和維修方便，計量準確且范

7、圍寬，應用場合廣，穩定可靠，經久耐用。 如今，國內的皮帶配料秤水平與國際水平仍具有很大差距，而且各種新技術不斷涌現，處于全國各種企業大力進行技術革新的形勢之下，市場對皮帶配料秤的需求增大，我國也一直在加大對皮帶配料秤的研究。 本課題旨在在原有的皮帶配料秤技術的基礎上，設計一個以AT89S52單片機為核心的皮帶配料秤控制系統。第2章 皮帶配料秤的整體結構和總體設計方案 皮帶配料秤是一種動態控制型平衡器，它利用皮帶運轉，將皮帶上運載的物料稱重，并能根據設定流量的要求通過改變電機的轉速調整皮帶速度，以使物料流量達到設定流量，并且通過數碼管顯示時時流量。下面說明以AT89S52單片機為核心的皮帶配料秤

8、的整機結構和工作原理。2.1 皮帶配料秤單片機控制系統整體結構 皮帶秤組成大致分為秤架、稱重傳感器、速度傳感器和顯示控制器4大部分。具體設計以及硬件電路將在第三章作說明。皮帶配料秤的整體結構圖如圖2-1所示。圖2-1 皮帶配料秤整體結構圖 由皮帶配料秤工藝結構圖中可以看出在皮帶的上方有一個料斗不斷往下發料，皮帶運動時物料隨皮帶輸送出去，皮帶運行速度的快慢直接影響輸送出去料的多少。輸送皮帶由滑差電機M驅動，測速傳感器SR輸出信號的頻率和皮帶速度成正比，輸送皮帶的下方裝有荷重傳感器，輸出與皮帶上物料成正比的電壓信號。皮帶配料秤控制器BWF接收速度傳感器的速度信號和荷重傳感器的重量信號，計算皮帶上物

9、料的瞬間流量并顯示出來，經過BWM控制器的控制，輸出電流控制信號，經功率放大器Q放大，從而通過控制可控硅VT的導通角來調節滑差電機M的轉速，進而使物料流量穩定在預期的設定值。送皮帶上物料流量的設定值由操作員在鍵盤上設定，系統投入運行后，單片機采樣皮帶荷重信號和走速信號，并且計算瞬時流量和輸出控制電流(420mA)，實現對流量的控制。22 控制和測量原理系統閉環控制回路原理圖如圖2-2所示。F（t）瞬時流量流量設定荷重+PID調節D/A輸出滑差電機計算 圖2-2 系統閉環控制回路原理圖2.2.1 瞬時流量的測量 當輸送皮帶以V(t)走帶時，皮帶上的物料一般為不均勻分布，瞬時流量為F(t)=P(t

10、)V(t) 式中： P(t)單位長度上物料的瞬時重量； V(t)皮帶的瞬時線速度。 本系統中P(t)為荷重傳感器電壓輸出信號的函數，因為存在著非線性，故可近似由三次多項式表示為： P(t)=a+b+cx(t)+d （2-1）式中：x(t)荷重傳感器在時刻t輸出的電壓信號經A/D 轉換后的數字量； a、b、c、d線性轉換系數。由調試過程中現場測定,可通過鍵盤輸入。從上述公式可推導出瞬時流量F(t)為： F(t)= a+b+cx(t)+dV(t)瞬時流量由5位十進制顯示，顯示形式為精確到小數點后3位。2.2.2 流量控制 在流量測試的基礎上，把流量設定值和實際測試得到的瞬時流量進行比較，計算出誤差

11、。采用增量PID調節算法，計算輸出到DAC0832 的(數字量)，經DAC0832變換為420mA 的電流信號，經過放大后去控制可控硅的導通角，實現調節滑差電機電磁離合器勵磁電流的功能，從而調節滑差電機的轉速。增量式PID控制算法只需計算增量，當存在計算誤差或精度不足時，對控制量計算的影響較小；增量式積分項運算僅與本次偏差有關，不易產生積分飽和，可取得較好的調節效果；在實際系統中，易于實現手動和自動的無擾動切換，故在控制策略的選用中得到了廣泛的推廣。其計算公式如下： V=P(e +Ie+De) （2-2）式中： V 輸出控制量的增量；e設定值S與本次實際測得的流量值Fi之差e=S-F，e=e-

12、ee上一時刻設定值與實測值之差；2e=(e-e)-(e-e)=e-e2e兩次誤差值的增量；其中,P 為比例系數；I 為積分系數；D 為微分系數。輸出控制量V的表達式為 V=V+V （2-3）式中：V上一時刻輸出的控制變量 系統選用AT89S52單片機作為系統的控制核心，構成皮帶秤控制器BWF。皮帶輸送機投入運行前，輸送皮帶上物料流量的設定值由操作人員在鍵盤上設定。系統投入正常運行后，單片機采樣皮帶荷重信號(通過ADC0832)和走速信號(T法測速)，將皮帶走速信號V(t)與皮帶單位長度上的瞬時重量P(t)相乘即可計算出皮帶上物料的瞬間流量F(t)。瞬間流量可通過6個七段數碼管顯示出來，為操作人

13、員提供工藝數據參考。AT89S52系統再將流量實際值與其設定值進行比較，經增量PID調節運算后計算出控制量Vi，通過DAC0832轉換為電流輸出信號(420 mA)，而后經LM339放大去控制可控硅的導通角，實現調節滑差電機電磁離合器勵磁電流的功能，從而調節執行機構滑差電機的轉速，使輸送皮帶上的物料流量盡可能穩定在設定值附近，并具有良好的靜態指標和動態性能。 系統結構圖如圖2-3所示。A/D轉換UANH荷重傳感器報警電路鍵盤顯示電路測速傳感器整形物料D/A放大可控硅控制板單片機 圖2-3 系統結構圖 由系統結構圖知道硬件設計部分的設計分為以下幾部分：（1）單片機AT89S52系統。（2）稱重信

14、號輸入通道設計。（3）速度信號輸入通道設計。（4）鍵盤輸入電路設計。（5）鍵盤顯示接口電路設計。（6）輸出通道設計。 軟件部分的設計主要是針對鍵的掃描，對數據進行采集并處理，計算出瞬時流量，再進行PID調節，控制可控硅的導通角，從而控制滑差電機的轉速。可分為以下幾個模塊： (1) 主程序的設計。 (2) 鍵掃描及顯示程序。 (3) A/D轉換程序。 (4) D/A轉換程序。 (5) PID運算程序。 第3章 皮帶配料秤硬件電路的設計 硬件原理電路的設計關系到整個系統能否合理運行，是解決設計問題的重中之重，擁有系統設計的思想之后，就要對硬件電路進行設計，本系統的硬件模塊第二章已經說過，現在具體說

15、明設計方法。 因為皮帶配料秤控制器需要實現復雜的功能，其外圍設備比較多，內部需要執行大量的數據處理和控制，軟件非常龐大，要求執行速度比較快，而且為了降低成本、縮短開發周期、降低設計難度等因素，所以必須選擇一款功能比較強的單片機。經過一番比較，選擇現在非常實用的一款單片機AT89S52。 單片機AT89S52具有以下標準功能： 片內存儲器包含8KB的Flash，可在線編程，擦寫次數不少于1000次；具有256字節的片內RAM；具有可編程的32根I/O口線（P0,P1,P2和P3口）；具有三個可編程定時器T0,T1和T2；內含2個數據指針TPTR0和TPTR1；中斷系統是具有8個中斷源，6個中斷矢

16、量，2級優先權的中斷結構；串行通信口是一個全雙工的UART串行口；2種低功耗節電工作方式為空閑模式和掉電模式；具有3級程序鎖定位；含有一個看門狗定時器；具有斷電標志POF；工作電源電壓為4.05.5V。 本系統的設計中，AT89S52單片機是控制器的核心，其最小系統的設計如圖3-1所示。 圖3-1 單片機最小系統 本系統的設計中，稱重信號輸入通道是由傳感器，放大器以及A/D芯片組成。系統設計中分別選用的是荷重傳感器，LM339放大器以及AD0832轉換芯片，并且將最后轉換的數字信號輸入到單片機的P3.4口。具體設計說明如下。3.2.1 荷重傳感器原理電路 本系統選用的荷重傳感器屬于應變式壓力計

17、，其原理是用應變片直接測量彈性元件的應變，實現間接測量壓力。這種方法彈性元件變形極小，可以測量高頻率變化的壓力。 應變元件實際是一個測力應變筒，被測壓力經膜片轉換成相應大小的力，再傳給應變筒。應變筒受壓縮變形，沿軸向貼的應變片受壓阻值變小，沿周向貼的應變片受拉阻值增大，組成應變電橋即可得到輸出電壓值，從而測出壓力值的大小。 測量荷重傳感器原理采用全橋，其中輸出電壓VSCVR1/R1。全橋中的R1、R2、R3、R4在沒有壓力時的阻值均相等，有壓力時發生變化。R1為應變片測力時變化的阻值，它反映了所測壓力的大小與輸出電壓Vsc的關系(成正比)。本設計使用全橋的目的在于：當R1R2R3R4時,電橋電

18、壓靈敏度最高，并消除了非線性誤差，也起到了補償作用。 荷重傳感器輸出全橋電路如圖3-2所示。圖3-2 荷重傳感器輸出全橋電路3.2.2 A/D轉換及放大電路的設計 稱重傳感器輸出的模擬信號需要經過A/D轉換處理，經過放大、壓頻轉換，變成數字信號輸入到單片機內，然后轉換成對應的重量值。由于A/D轉換輸出的信號特別微弱，都是mV數量級的，因此對該信號處理時首先要進行放大。本文選用的A/D轉換芯片是ADC0832，放大部分選擇的是具有放大功能的比較器LM339。 ADC0832是美國國家半導體公司生產的8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨率可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與

19、參考電壓的復用，使芯片的模擬電壓輸入在0-5V之間。芯片轉換時間僅為32S，具有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩定性強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。 正常情況下ADC0832與單片機的接口應為4條數據線，分別是CS，CLK,DO,DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO和DI并聯在一根線上使用。本設計采用的就是這種方式。在進行A/D轉換時，須先將CS使能端接置低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片

20、時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖，本系統AT89S52通過74LS74分頻給芯片的CLK輸入時鐘脈沖。轉換數據的傳送經 A/D轉換后得到的數據應及時傳送給單片機進行處理。數據傳送的關鍵問題是如何確認A/D轉換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。 LM339類似于增益不可調的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當

21、于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態可靠地轉換到另一種狀態，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。3.2.3 稱重信號輸入通道的總體設計 本系統通過對各個硬件模塊的合理選擇，從而采集到單位長度皮帶上的瞬時重量(皮帶荷重信號)，具體電路原理（如圖3-3所示）過程說明如下： (1)由荷重傳感器測出瞬時變化的應變情況，并轉化為電壓信號以010 mV輸出。 (2)經過放大器LM339變為標準電壓05 V，送入串行A/D轉換器ADC0832的單輸入通道CH0。 (3)經A/D轉換器把模擬量轉換為

22、數字量送入AT89S52的口。 (4)在芯片AT89S52中進行數據處理以得到單位長度上皮帶的瞬時重量。 圖3-3 重量采集電路原理圖速度信號輸入通道設計 速度信號輸入通道的設計包含以下幾個硬件組成模塊：測速傳感器，比較器，光耦隔離等，同時涉及到門控方式。系統中分別選用的是光電測速傳感器，比較器LM339，且運用T法測速。3.3.1 光電測速傳感器 皮帶配料秤上所用測速傳感器目前主要有磁阻脈沖式、光電脈沖式兩類。本系統選用光電式測速傳感器。光電脈沖式測速傳感器由裝在輸入軸上的開孔圓盤、光源、光敏元件等組成。當圓盤轉到某一位置時，由光源發射的光通過開孔圓盤上的孔照身到光敏元件上，使光敏元件感光，

23、產生一個電信號。圓盤上的孔可以是1個或多個，取決于設備要求的脈沖數。轉盤的圓孔的個數決定了測量的精度, 個數越多, 精度越高. 這樣就可以在單位時間內盡可能多地得到脈沖數, 從而避免了因為兩個過孔之間的距離過大, 而正好在過孔之間或者是在下個過孔之前停止了, 造成較大的誤差. 在本系統的設計中，每當轉盤隨著后輪旋轉的時候, 傳感器將向外輸出脈沖. 把這些脈沖通過一系列的波形整形成單片機可以識別的TTL 電平, 即可算出輪子即時的轉速.3.3.2 速度信號輸入通道的總體設計 光電脈沖式速度傳感器輸出的脈沖信號本身波形不是很好，再加上傳輸過程中引入的干擾，使得輸入到皮帶配料秤控制器AT89S52的

24、速度信號波形更差，如果不經過整形，會導致速度脈沖計數錯誤。如圖3-4所示皮帶走速原理圖，該圖的設計很好的完成了對波形信號的整形，同時滿足了系統的技數要求。因此測速可通過以下過程實現：（1）由測速傳感器輸出的信號，其頻率為皮帶走速的線性函數，該頻率由光碼盤檢測回路獲得。（2）。（3）由AT89S52的定時器測出方波的周期，選用門控方式定時計數，Q輸出高電平時T1計數，Q輸出低電平時停止計數，然后讀出的計數值m。（4）由公式n=60f/pm計算電機的轉速，然后查表得轉換系數，計算出皮帶走速。 圖3-4 皮帶走速原理圖 3.4鍵盤顯示接口電路的設計 本設計使用的是擴展鍵盤接法，這種接法用的是mn矩陣

25、鍵盤，可以節省部分管腳，但編程較復雜。同時本文中由于單片機的管腳有限，實現的系統功能復雜，為了節省單片機的引腳，又在外部擴展接了一個芯片74LS164，此芯片是8位并入串出轉換器，可以用于實現鍵盤輸入功能。它與AT89S52的串行口按方式0連接，74LS164接受RXD端串行輸出的待顯示數據，每輸出一個字節，AT89S52內部的硬件自動使SCON寄存器的中斷標志TI置位，通過對TI的測試，即可確定一個字節是否發送完畢。這種方式在程序設計時與并行動態掃描編程方法類似。根據系統的實際需要，采用28鍵盤，包括09這10個數字鍵，6個功能鍵：寫入鍵WR、設定鍵S、校零鍵Z、返回鍵MON、停機鍵STOP

26、、運行鍵RUN。 顯示系統是幾乎所有的儀表的必不可少的重要組成部分。最早的機械式指針指示因為其不直觀，能夠表達的信息很有限，已經很少使用。隨后發展起來的LED數碼管顯示是直觀的，能夠表達ASCII碼信息，主要用于顯示數字。而且數碼管有亮度高，顯示大，驅動部分的軟件簡單等優點。基于以上原因，本文中皮帶配料秤顯示控制器采用數碼管顯示方式。 本系統配有6位共陽極LED顯示器，運行時可實時顯示瞬時流量，LED顯示器有靜態和動態顯示兩種方法，在微機控制系統中，若控制系統時間允許，常采用動態掃描顯示，這種方法的優點是線路簡單，價格便宜。而且對顯示器要求不是太高的場合，可直接選用串行數據輸出方式進行動態掃描

27、，這種方式利用AT89S52內部的串行口和某個并行口(如P1口)組成了控制電路。 鍵盤顯示接口電路見圖3-5所示。 圖3-5 鍵盤顯示接口電路 7407是集電極開路高壓輸出的六緩沖器/驅動器，其功能是對74LS164輸出的段碼信號進行放大，驅動LED顯示，需通過上拉電阻接高電平。LED的位選由AT89S52的P0.2P0.7發出，經過7404反向驅動器來實現。3.5 輸出通道的設計 系統的輸出通道包括D/A轉換芯片，觸發電路以及滑差電機。本系統選用DACO832作為的D/A轉換的芯片，觸發控制芯片選用TC787，滑差電機選用SGETA-70的交流調速電機。3.5.1 D/A轉換接口電路的設計

28、在本系統中,執行機構電機的轉速可由經D/A轉換芯片輸出的控制電流來調節,從而實現對皮帶上物料的流量控制。本系統選用的轉換芯片是DAC0832。 DAC0832是國內使用較為普遍的8位D/A轉換器，它采用CMOS/Si-Cr工藝制成。由于片內有輸入數據寄存器，故可以直接與單片機接口。DAC0832以電流形式輸出，當需要轉換為電壓輸出時，可外接運算放大器。因此本系統選用DAC0832作為D/A轉換芯片。 在DAC0832與單片機AT89S52的連接中，（如圖3-6）由于DAC0832內部已設有輸入數據寄存器,因而可以直接與單片機的數據總線相連,并且作為單片機的外部數據存儲單元。DAC0832的地址

29、可以設為C000H。Vcc和ILE接5V,AT89S52的與DAC0832的相連，Vss與、DGND相連后接地。本系統DAC0832工作于單緩沖方式，只用輸入寄存器鎖存數據。8位DA寄存器接成直通方式，即把及都接地。由單片機的P2.6選通。 圖3-6 D/A轉換原理圖 D/A轉換是進行調節滑差電機轉速的核心部分，當數據采集后送入CPU進行處理，計算出瞬時流量，并與設定值作比較，通過PID調節送出控制變量Vi后，CPU對DAC0832進行一次寫操作，把一個數字量直接寫入數據寄存器，通過D/A轉換，輸出模擬量。 其中DAC0832的兩個輸出端Iout1和Iout2為電流輸出形式，為了提供420 m

30、A的控制電流，輸出加上一級功率放大，而后電流放大后接可控硅控制板，控制可控硅的導通角，從而調節滑差電機的轉速，使物料流量穩定在預期的設定值。3.5.2 觸發電路的設計 本系統DAC0832變換為420mA 的電流信號后，經過放大后去控制電機的轉速時，需先去控制晶閘管的導通角，因此要設計一個觸發電路控制晶閘管的導通角，而后控制電機的轉速。 本系統在設計觸發電路時，選用TC787的觸發芯片。TC787具有一下主要特點：(1) TC787適用于主功率器件是晶閘管的三相全控橋或其他拓撲結構電路的系統中作為晶閘管的移相觸發電路。而適用于以功率晶體管(GTR)或絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為功率單元的三相

31、全橋或其他拓撲結構電路的系統中作為脈寬調制波產生電路，且任一種芯片均可同時產生六路相序互差60的輸出脈沖。(2) TC787在單、雙電源下均可工作，使其適用電源的范圍較廣泛，它們輸出三相觸發脈沖的觸發控制角可在0180范圍內連續同步改變。它們對零點的識別非常可靠，使它們可方便地用作過零開關，同時器件內部設計有移相控制電壓與同步鋸齒波電壓交點(交相)的鎖定電路，抗干擾能力極強。電路自身具有輸出禁止端，使用戶可在過電流、過電壓時進行保護，保證系統安全。 本系統設計的觸發電路如圖3-7所示：同步信號經過電位器RP1，RP2，RP3及RCT型網絡濾波接入到TC787的同步電壓輸入端，通過調節RP1，R

32、P2，RP3可微調各相電壓的相位，以保證同步信號與主電路的匹配。連接在13腳的電容決定輸出脈沖的寬度，7-12腳采用6只驅動管擴展電流，經脈沖變壓器隔離后將脈沖輸出。 圖3-7 觸發電路 3.5.3 滑差電機的選擇 本系統選用工業控制常用的JD1A-40滑差電機，其中控制電機功率為15-45KW，調速范圍10-1420r/min，直流90V 5A可控電機功率。3.6 主電路的設計主電源的設計如圖3-8所示： 圖3-8 主電路整流部分 VT1VT6組成三相橋式全控整流橋，將其中陰極連接在一起的3個晶閘管稱為共陰極組；陽極連在一起的3個晶閘管稱為共陽極組。晶閘管按1至6的順序導通。晶閘管通過觸發角

33、的改變，改變電路的工作情況，本系統中，通過控制晶閘管的導通角來控制滑差電機的轉速。本設計選擇的是直流勵磁控制。 保護部分(1)電動機遇到沖擊負載，或傳動機構出現“卡住”現象，引起電動機電流的突然增加。(2)裝置的輸出側短路，如輸出端到電動機之間的連接線發生相互短路，或電動機內部發生短路等。2.起動中的過流當負載的慣性較大，而起動時間又較短時，將產生過電流。這是因為在起動過程中，系統工作頻率上升太快，電動機的同步轉速n0迅速上升，而電動機轉子的轉速n，則因負載慣性較大而跟不上去，導致轉子繞阻切割磁力線的速度太快(等于轉差太大)，結果是升速電流太大。3.制動中的過電流當負載的慣性較大時，而制動時間

34、太短時，也會引起過電流。因為，降速時間太短，同步轉速迅速下降，而電動機轉子因負載的慣性大，仍維持較高的轉速，這也同樣使轉子繞阻切割磁力線的速度太大而產生過電流。3.7 報警電路的設計 當系統配料出現問題三次以上時，需要給工作人員提醒，本系統設計報警器，其電路原理圖如圖3-6所示。 報警電路由AT89S52的觸發，振蕩器以555定時器芯片為核心。當系統工作正常時，輸出為1，禁止振蕩脈沖在與非門輸出，揚聲器關閉。當檢測到異常情況時，清零，使揚聲器發出報警信號。 由于P1口是準雙向口，要想將某一位作輸出位時，必須先在鎖存器中寫入“1”。所以應先將P1口置為高電平，使為1，再經過反向去封閉振蕩器。這就

35、是在硬件上加一個反向器的原因。 振蕩器可選用石英晶體振蕩器或多諧振蕩器，產生一個音頻范圍內的振蕩波形，再由放大電路放大，驅動揚聲器發音。 本設計采用由555定時器組成的多諧振蕩器，其中555定時器內部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，用555定時器組成的多諧振蕩器的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。555定時器組成的多諧振蕩器通過電容的周期充電與放電，使在電路的輸出端得到一個周期性的矩形波，達到設計的需要。 圖3-6 報警電路原理圖 第4章 軟件設計 軟件是皮帶秤顯示控制器的靈魂，各種功能都需要軟件配合完成，軟件設計自然而然地成為本課題設計的重點之一。本系統采用模塊化程序設計技術

36、編寫監控軟件。根據系統功能，將軟件劃分為若干個功能相對獨立的模塊，為每一個模塊設計算法和程序流程，再根據流程圖編制程序。每個模塊程序調試成功后，最后連接在一起進行總調。本設計的軟件體系非常復雜，編程任務很重，著重通過以下幾個方面來介紹： （1）皮帶配料稱主程序設計 （2） 鍵掃描及顯示。 （3） 鍵輸入和鍵命令處理。 （4） 運行管理程序，包括信號采集、計算瞬時流量及控制輸出三部分。 同時為了提高控制精度，采用了浮點數的技術，在程序中調用了大量的實用子程序。4.1 系統初始化 系統初始化主要任務是在程序開始時，對本系統中所用到的各個地址、串行口和定時器1的工作方式進行初始化設定，并對用戶地址進

37、行規劃。如表4-1所示，以簡單的形式，把需要初始化的單元列出來，并對存放的數據以及初始化狀態逐個做出介紹。 表4-1 初始化狀態表工作單元存 放 數 據初始化狀態38H，39H，3AHe（上次實測值與設定值之差）00H，00H，00H29H，2AH，2BHe（兩次誤差之差e-e）00H，00H，00H65H，66H，67HV（上次輸出控制變量）00H，00H，00H3BH超限次數00H位地址存 放 數 據初始化狀態3EH判斷S鍵是否按下標志0（未按）3DH判斷是否首次按鍵標志0（首次）3FH判斷電機是否在中速運行標志1（中速）35H系統P輸入標志位0（未送過）36H系統a輸入標志位0（未送過）

38、37H系統c輸入標志位0（未送過）報警標志位1（禁止報警）設定值輸入標志位1（無輸入） 4.2 鍵盤掃描及顯示 系統運行時之前，需要確定是否輸入設定值，本系統在設計時運用了鍵掃描的方式。在進行鍵盤掃描時，先整體掃描是否有鍵按下，如果有，再逐行掃描，確定是哪個鍵按下。在進行逐列行描時，先得出按鍵所在行，然后經過掃描得出列值， 行值加列值就得到按鍵的鍵值。如圖4-1所示 （1）進行整體掃描時，從74LS164輸出00H判斷P0.0、P0.1是否為0，當為0時表示有鍵按下。此時P3.2為1，表示流量設定值還未輸入，返回值掃描等待輸入。 （2）當有鍵按下時，調用子程序實現延時10ms，消除鍵抖動。再次

39、整體掃描，進行第二次判斷以消除干擾。 （3）第二次掃描仍為有鍵按下時，由逐列掃描找出這個鍵所在的位置。此時74LS164逐次輸出對應的值。掃描第一列時由74LS164輸出低電平，分別掃描各列，判斷P0.0或者P0.1是否為0，當為0時表明第一行有鍵按下，轉去計算鍵值。當第一行沒有鍵按下時，再繼續掃描第二行。逐次掃描各行直到找到為0的列輸出為止，由按鍵所在的行值和列值即可計算出按鍵所在的位置。因本系統按鍵只有兩列，故行值加列值即得鍵值。其中，第一列的列值是00H（P0.0=0），第二列的列值為08H（P0.1=0）。 （4）當鍵值大于等于10時，說明按下的是功能鍵，則通過散轉程序轉到各自的入口地

40、址，分別實現各自的功能。若按鍵值小于10，則為數字鍵，調用顯示子程序。圖4-1 鍵掃描程序流程圖4.3 鍵輸入和鍵命令處理 本系統在執行鍵掃視時，當鍵值大于等于10時，說明按下的是功能鍵，下面介紹各個功能鍵的功能： (1) 當按下的鍵值為10時，代表WR鍵。WR鍵的功能為輸入流量設定值或PID調節及線性公式中的系數(P、I、D、a、b、c、d)。流量設定值是一個兩位數，P、I、D、a、b、c、d轉速系數是4位數，其格式為前兩位是整數位，后兩位是小數位。在輸入設定值時，應先保證S鍵(設定鍵)已按下，此時輸入的兩位數為設定值的兩個單字節BCD碼，再將其壓縮為一個字節的壓縮BCD碼，存入內存緩沖區設

41、定值單元以備計算時使用。在輸入系數時，應按照P、I、D、a、b、c、d轉速系數的順序依次送入相對應的數。同理，也應將4位數據壓縮為兩個字節的壓縮BCD碼備用。WR鍵處理流程圖見圖4-2所示。圖4-2處理流程圖 (2)當鍵值為11時，代表S鍵。S鍵是用戶設定流量的專用鍵。按下此鍵流量設定值先顯示出來，如需要改變設定值，則用鍵盤敲入相應的數字鍵，隨后按下WR鍵即可。S鍵處理流程圖見圖4-3所示圖4-3 S鍵處理流程圖 (3)當鍵值為12時，執行退出鍵MON。按下該鍵后，6個LED中最右邊的顯示器顯示提示符“P”，其他5個顯示器全熄滅。然后返回鍵掃描程序，這樣就可以退出命令狀態，執行清標志位功能，等

42、待新命令的輸入。 在調試過程中，MON鍵用得非常頻繁，修改參數或輸入命令鍵出錯時可按MON鍵退回到初始狀態。 (4)當鍵值為13時，執行停機鍵STOP。STOP鍵的功能是當系統處于運行狀態時，按下該鍵，使系統停止工作。在本設計中，DAC0832的片選信號是由端輸出并接反向器后引入的，DAC0832的地址為C000H。將00H送DAC 0832，則D/A轉換后的模擬量為0，電機就停止轉動，起到了STOP鍵的功能。停機后系統仍要跳回到鍵掃描程序，為下次投入運行做準備。 (5)當鍵值為15時，執行Z鍵。Z鍵是校零鍵，它是測試輸送皮帶自重的專用鍵。按下此鍵，先啟動輸送皮帶空轉運動，然后啟動A/D轉換器

43、對荷重傳感器的輸出信號進行轉換，取若干次結果的平均值作為皮帶的自重，寫入相應單元保存。在正式運行中，荷重傳感器輸出的是毛重信號，計算時應扣除皮帶自重。 (6) 當鍵值為14時，執行運行鍵RUN，即配料系統在按下RUN鍵后進入運行狀態。在本系統中，首先要判別是否已輸入過設定值，若沒有輸入過，則應跳回鍵掃描。如果設定值已經輸入，則轉去執行本系統的核心環節-運行管理程序。 4.4 運行管理程序 運行管理程序是本系統設計的核心，包括數據采集，數制轉換，還包括計算和顯示以及報警等功能，還有系統的重要控制和處理。下面介紹其計思想。4.4.1 采樣程序 本系統的采樣周期是2s，用延時程序實現。該系統任務單一

44、，CPU只是需要按順序進行采樣、計算、控制輸出、顯示等任務，各個任務之間無時序上的沖突，因此不用采用中斷處理。采樣程序工作過程如下： （1）啟動ADC0832將荷重傳感器的信號轉換為數字量，再減去執行Z鍵后所得的皮帶自重，將皮帶單位長度上的瞬時重量P（t）存入固定的單元，為后面的F（t）做準備。 （2）讓定時器1選用門控方式計數。將TMOD的最高位GATE置1，這樣當TR1為1（開定時器1）時，定時器的起停將由控制。根據定時器中的值可計算引腳上出現的正脈沖寬度。然后應用T法測速原理計算線速度。在進行設計時，定時器1以方式1（16位計數器模式）工作，則定時器方式選擇寄存器TMOD中的M1M0=1

45、0B，T法測速時采用門控方式，GATE=1。故TMOD=10010000B，即在初始化時TMOD將置為90H。4.4.2 數制轉換程序 由于計算過程中出現了三次方，加上PID調節的精度要求高，因而變成軟件計算過程中采用三字節浮點數。P、I、D、a、b、c、d轉換系數是以兩個字節的壓縮BCD碼存放的，規定第一個字節存整數，第二個字節存小數，但實際的系數是4位十進制數，所以要轉換為三字節浮點數。 （1）將雙字節壓縮BCD碼轉換為4個單字節BCD碼，并擴大100倍，即把兩個字節全看作整數。 （2）調用4位二進制整數轉換成二進制整數的子程序，將數據轉換為二進制形式。 （3）調用雙字節整數（二進制數）轉

46、換為三字節浮點數的子程序，將數據轉換為三字節浮點數形式。4.4.3 計算過程本設計的計算主要有兩部分：一是計算瞬時流量，二是通過PID調節程序計算輸出控制變量。為了提高控制精度，采用三字節浮點數的加、減、乘等算法進行計算。 用公式F(t)= a+b+cx(t)+dV(t)計算瞬時流量F(t)，可調用浮點數加法、乘法子程序，計算結果送入顯示程序。用PID調節子程序在流量測試的基礎上，把流量設定值和實際測試得到的瞬時流量值進行比較，計算出誤差，再用增量式PID調節算法計算出輸出控制量，控制滑差電機的速度，從而實現流量控制。系統流程圖如圖4-4所示。調用三字節浮點數減法子程序計算S-調用三字節浮點數

47、乘法子程序計算I*調用三字節浮點數減法子程序計算e=e-e調用三字節浮點數加法子程序計算e+ I*調用三字節浮點數減法子程序計算調用三字節浮點數乘法子程序計算D*調用三字節浮點數加法子程序計算e+ I* D*調用三字節浮點數加法子程序計算調用三字節浮點數乘法子程序計算=P（e+ I* D*）送入DAC0832控制流量 圖4-4 PID調節子程序流程圖 當超限三次后，就要報警。圖4-5為運行管理程序流程圖。若報警條件滿足，則置為0。由硬件電路可知，為0后震蕩器脈沖便可輸出，從而使揚聲器發聲。同時計算值去控制滑差電機，使瞬時流量盡可能跟隨設定值，保證系統穩定運行。 YNY開始采樣荷重及皮帶走速信號

48、送相應單元a、b、c、d轉換為浮點數計算P(t)PID及轉速系統轉速為浮點數計算F(t)并顯示計算=S-是否超限?超限計算器加1超限次數超過3次否？清超限計數器用PID計算公式求出浮點數取整后依字節送DAC0832延時2sP2.3=1關報警跳回鍵掃描N圖4-5 運行管理程序流程圖 結論 電子技術的飛速發展和現場總線技術的成熟，給工業自動化生產帶來了深刻的變革，也給整個稱重技術注入了新的血液，為提高皮帶配料秤的計量性能創造了有利條件。而國內在這方面的技術水平雖然有了一定的進步，但與國外還是有很大差距，國內制造的皮帶秤配料秤的準確度和穩定性較差。本課題在消化吸收國內外同類產品的基礎上，對皮帶秤配料秤的研制進行了初步的探索。 本