1、摘 要- I本科毕业论文（20 届）基于单片机的乳粉包装称重控制系统设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要- II摘 要本设计是一个基于单片机的乳粉包装称重的开环控制系统，采用新技术开发的称重控制设备，对称重装袋乳粉的计量精度以及包装速度进行控制，以便达到工业的要求，实现乳粉的称重过程以及包装过程的自动化。在传统的乳粉包装称重生产线上往往存在着称量的精度较低，包装的速度较慢，人工动手操作的强度很大等缺点，当装入袋中的乳粉重量与预设的重量值相比超出或欠缺时仅仅能够依靠秤体上的附加的额外的重量调整，不便于应用，针对此，需要运用动态化的计量设备来改善
2、生产线上的条件并对此进行研究，实现控制的自动化以及数字化，从而引出所配备硬件的原理、功能以及特点，对所存在的问题进行探讨，提出改进的意见。在本设计中应用到了 51 单片机、传感器以及各种芯片，设计出了一种基于 8051 单片机的乳粉包装称重的开环控制系统的应用电路，能够比较方便地运用与工业控制中。所设计出的硬件电路的系统其实就是一个数据信息采集的系统，它的任务是将由称重传感器输出的信号放大、转换之后，将由此转换过来的数字信息的信号送入单片机，由单片机对其处理后，最终将包装的总袋数显示在八位的数码管上，完成整个系统的控制的过程。关键词：乳粉，包装称重，单片机AbstractIII Abstrac
3、tThe design is a microcontroller-based milk powder packaging weighing open-loop control system, using new technology developed by weighing control equipment, measurement accuracy of weighing and bagging milk powder and packaging speed control, in order to achieve the requirements of the industry to
4、achieve milk powder process of weighing and packaging process automated.Weighing in the traditional packaging of milk powder production line, there is often lower the accuracy of the weighing, packaging slower, more complicated operation, and other shortcomings, when the ultra-poor are only able to
5、rely on additional weight on the scale body to adjust, ease of application, for this requires the use of digital and intelligent dynamic metering equipment to improve the conditions of the production line and to study it, which leads to the hardware with the principles, functions and characteristics
6、, to discuss the problems, improved comments1.51 microcontroller, sensors, and a variety of chips in this design, the design of open-loop control system based on the 8051 milk powder packaging weighing application circuit can be more convenient to use and industrial control. The design of the hardwa
7、re circuit of the system is actually a data acquisition system, its task will be the load cell output signal amplification, conversion, re-use microcontroller to convert the digital signal processing, and ultimately sent to the digital displaytube display.Key words: milk powder, packaging and weighi
8、ng, single-chip目 录IV 目 录 摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III第一章 绪 论 .11.1 课题研究的背景 .11.2 电子称重技术的现状及发展趋势 .11.3 课题研究的目的与意义 .21.4 设计内容及要求 .3第二章 系统方案设计 .42.1 方案论证 .42.1.1 压力传感器的选取 .42.1.2 测量放大器及求和器的选取 .42.1.3 A/D 转换芯片的选取 .42.1.4 键盘及显示接口芯片的选取 .52.2 乳粉包装称重的工艺流程 .5第三章 系统硬件设计 .73.1 传感器模块 .73.1.1 CYY 型压力传感器 .73.1.2 传感器
9、组数的确定 .83.2 测量放大器及求和器模块 .83.2.1 INA102 型测量放大器 .83.2.2 求和器 TD07.93.3 A/D 转换器模块 .103.3.1 A/D 转换器的主要性能指标 .103.3.2 AD574 芯片 .103.4 存储器模块 .113.5 键盘及显示接口扩展模块 .13目 录V 3.5.1 8279 芯片 .133.5.2 LED 显示器 .143.6 输出接口模块 .163.7 电源电路模块 .163.7.1 15V 电源 .163.7.2 步进电机电源 .173.7.3 电桥电源 .17第四章 系统软件设计 .204.1 设计的原则 .204.2 数
10、学模型的分析 .204.3 系统补偿的原理与方案 .224.4 存储区的分配及流程图 .224.4.1 主程序 .224.4.2 中断服务程序 .254.4.3 子程序 .25总 结 .29参考文献 .30致 谢 .31附录 1 程序 .32附录 2 电路原理图 .37第一章 绪 论- 1 -第一章 绪 论1.1 课题研究的背景在现代的工业生产过程中，物料的计量在其中占据了一个重要的位置，而在这其中称重装置又是必须要有的，随着工业生产的不断发展，为了实现工业生产过程的自动化的要求，传统的机械杠杆秤早已随着时代的发展而被淘汰。电子称重的技术在六十年代之后的时间变得越来越成熟，这主要得益于电子技术
11、在期间的不断发展，而机械秤称重的方法也慢慢的被其取代了，尤其是微型计算机出现的时期，即在七十年代初，利用电子元件称重的技术有了很好的机会获得更深的发展 2。电子计算机是一种不需要人的直接干预就可以对各种数字信息进行快速的算术运算和逻辑运算的电子设备，在二十世纪，它的出现和发展在科技方面是一个非常重要的成果。在七十年代之后，微处理器的发展使计算机技术的应用更加广泛，不论是在社会的哪个领域都发挥着十分重要的作用。电子技术的不断发展以及微处理器的广泛应用在一定程度上促进了微型计算机测控技术在各个领域的发展与应用 2。微型计算机测量和控制技术可以应用于社会的各个方面，乳粉的包装称重控制系统就是其在工业
12、上的一个应用，包装称重控制系统主要包括包装称重装置部分和数据的存储部分。现代的电子包装称重控制技术的特点主要是快速包装、准确称重、包装与称重的操作比较方便等。包装称重的控制装置除了提供与包装称重相关的数据之外，也是工业控制过程中的重要的构成部分，它促进了自动化控制在工业生产过程中应用的实现，它可以将工人作业的时间尽量缩短、将工人的操作的条件最大程度的改善以及将产品的质量尽可能的提高等。社会的各个领域中都不乏有包装称重的控制装置的应用，并且在经济上的效益较为明显。然而，我们国内生产厂商出产的产品在此方面的数量和功能是不完整的，因此，研究并改善现有的包装称重的控制装置在当下是非常有必要的。1.2
13、电子称重技术的现状及发展趋势第一章 绪 论- 2 -作为电子称重的控制系统的核心，国内外的大多数公司都非常看重此类控制类仪表的研究与开发工作，投入了不少的人力与物力，许多公司都有自己研发的产品并已形成了模块化的系列，总体上还是国外的制造水平较高，而国内由于条件的限制制造水平较低。在七十年代之后，出现了如电脑组合包装秤、高速自动包装秤等自动秤的新品种，它们对生产过程的自动化是相当有益的。电子称重的装置主要由三部分组成，包括称重计量仪表、称重传感器和承载器。称重计量仪表用于对称重传感器输出的信号和速度信号进行实时的采集与运算，根据要求输出控制信号来控制装置，同时显示必要的参数，从而完成称量、包装、
14、运算、显示、控制的功能，它的性能的好坏对整个控制系统来说是很重要的。由于将低漂移高增益放大器、高分辨率模数转换器等运用到了称重仪表中，故其性能有了很大的提高。为了适应各种应用的需求，当前称重仪表的发展趋势是加大科技的投入，加强基础应用的研究，将新技术广泛应用在称重计量装置的领域中；通过采用控制仪表中的可靠性较高的 PLC 以及集成芯片组成的硬件或者由设备生产制造商提出的软件的积木式组合来实现不同的功能需要。称重传感器用于将所受到的重力转换成为电信号，可以将它看作是电子称重装置的核心。从原理上来分，称重传感器有许多种，目前大量生产并广泛应用的仍是电阻应变式传感器。应变式称重传感器发展的趋势可以总
15、结为“四化” ，即生产工艺的网络化，设计技术的虚拟化，企业管理的信息化，以及制造技术的柔性化。根据近年来对称重传感器的新需求可知称重传感器发展的方向是多功能化、智能化、小型化和集成化。近几年来，在工业控制系统中，数字式的称重传感器逐渐得到了快速地开发和广泛地运用，这在很大程度上提高了传输中的抗干扰能力，这主要是因为它能够直接将数字量输出，此外，也方便了与计算机的通信 2。承载器是一种承载重力并将力传递到称重传感器的机械结构，随着工业的自动化和管理的现代化的发展，承载器在自动动态称重等称重系统中有了较为广泛的应用与快速的发展。第一章 绪 论- 3 -1.3 课题研究的目的与意义近几年来，中国经济
16、的持续稳定的发展和人民生活水平的日益提高带动着乳粉的包装成为了包装应用领域中的一个十分重要的增长点。随着企业经济效益的不断提高，计量的精度和包装的速度在乳粉包装中的要求就显得尤为重要。然而，在传统的方法中，乳粉包装称重大部分都是运用的机械称重即当给料量达到定量时，利用机械秤的标尺的位移及杠杆原理等方法来实现对乳粉的定量控制。但是该方法的操作比较复杂、工人的劳动强度较大、精度比较低，还要进行零位标定以及成品复验，当装入袋中的乳粉重量与预设的重量值相比超出或欠缺时仅仅能够依靠秤体上的附加的额外的重量调整，不便于应用。为了改变这种局面，研发了一些集微电子技术与计算机技术等为一体的称重设备，尤其是微型
17、计算机的运用，使得动态计量的设备具有了具有数字化和智能化的特点，用电子传感元件替换了传统的机械杠杆装置，使得计量得以电子化，达到乳粉包装称重对计量精度及包装速度的要求，实现对管中散乳粉落下过程的实时的动态监测和包装称重的控制，设计出新一代的乳粉包装称重的控制系统。因此，本文所设计的基于单片机的乳粉包装称重控制系统具有十分重要的实际意义，主要是要解决计量精度和可靠性的问题。1.4 设计内容及要求本课题是要设计一种基于 8051 单片机的乳粉包装称重控制系统的电路，其过程中应用到了单片机、传感器以及各种芯片，便于应用与工业上。该硬件电路的系统其实质就是一个数据的采集系统，它的主旨是将来自称重传感器
18、的微弱的模拟信号先进行放大处理，再以较小的误差、失真来进行模数转换，并要求具备较强的抗工频干扰的能力，最后再利用单片机 8051 对数字信号进行滤波、量化等处理，控制数码管的显示等。设计的要求主要有三点：（1）该称重系统中的每袋乳粉的额定重量为 500克；（2）要求每小时包装的数量是 200 袋；（3）该控制系统的控制精度要求为0.1%。第二章 系统方案设计- 4 -第二章 系统方案设计2.1 方案论证2.1.1 压力传感器的选取由于新型的电子称重控制系统大部分都是采用了传感器来作为载重的量度及转换的，且鉴于本设计系统是一个高精度的称重控制系统，故要选取精度较高、性能比较稳定的应变式传感器。而
19、因为 CYY 系列应变式压力传感器是基于引进的国外先进技术的基础上采用独特的生产工艺所生产出来的高科技产品，比较适用在准确测量各种介质的动态压力与静态压力的场合中，因此，本设计系统中的称重传感器决定选用由湖北泰和电气有限公司生产的 CYY 系列的应变式压力传感器。2.1.2 测量放大器及求和器的选取由于由传感器所采集的重量信号需要经过信号的放大滤波之后，才适宜输送给 A/D 转换器进行转换，所以本设计系统中还要设置测量放大器，在选择测量放大器时，尤其需要注意增益的问题和干扰的问题。鉴于 INA102 型测量放大器是一种低功率、高精度的测量仪器，并且还保证了高的增益精度和高的共模抑制比，适用于前
20、置放大器所能应用的场合中 3，因此，在本设计系统中就可以选用 INA102 型的测量放大器。经由压力传感器转换之后的电压信号，其幅度很小，可以算是一种微伏级的信号，这就不容易直接对它进行模数的转换，所以要对此模拟电压进行放大的处理， ，但是，由于通用的运放的失调电压以及温漂的特点很明显不能用于放大微弱信号，鉴于运算放大器 TD07 的各种特性适合运用于微弱信号的精确放大等场合，故本设计系统选取运放 TD07 作为求和器。2.1.3 A/D 转换芯片的选取由于从传感器的输出端输出的是模拟量，而单片机是不能处理模拟量的，它只能对数字信号进行处理，因此，在单片机的智能化仪表应用系统以及实时测控应用系
21、统等中还要把所检测到的模拟量信号转换成为数字量信号，这样才第二章 系统方案设计- 5 -可以在单片机系统中进行下一步的处理，因此在本系统中，为了达到所要设计的系统的要求的目的，还要选取适当的模数转换器来。在对 A/D 转换芯片选取时，主要是依靠对位数的选择，这是因为整个测控系统所能测控的范围与精度要受到 A/D 转换器的位数的影响。由于本设计系统中对称重控制的精度要求是0.1%，所以需要选用的 A/D 转换芯片要求其分辨率是 12 位，此外，本设计系统还要求采样的时间要短，鉴于芯片 AD574 的分辨率是 12 位的，且其转换的时间是 25us,能够满足本设计中对测控系统的控制精度要求，所以选
22、取了AD574 高速 A/D 转换芯片作为本控制系统的模数转换器。2.1.4 键盘及显示接口芯片的选取本设计系统中由于要对包装的袋数进行显示，所以要能够同时执行键盘操作和显示器的操作的芯片是必不可少的，所选用的芯片需要与 51 系列的单片机兼容，并且可以替代 CPU 完成键盘和显示器的控制，因此，可以选用可编程键盘/ 显示控制接口芯片 8279 作为本设计系统的键盘及显示接口芯片。2.2 乳粉包装称重的工艺流程在乳粉的包装称重控制系统的工艺中，系统开始工作的时刻是当传输带将一个空的接装乳粉的袋子送到落料管口的下方时，此时，开始启动异步电机，它能够带着粗螺旋推进器（又可称为绞笼）进行工作即旋转以
23、便推着管中的乳粉从装有散乳粉的落料管下落到袋中。直到落入袋中的乳粉的重量与之前已经设定好的重量相接近但又略微小于所设定的重量时就可以停止粗螺旋推进器的进料动作，之后再使用细螺旋推进器对袋中的乳粉进行微量的添加，当袋中的乳粉的重量满足了之前所给定的重量的要求时，停止细螺旋的进料动作，其中，细螺旋推进器是由步进电动机来带动动作的。经过上述过程就能够得到一袋满足所设定的重量的乳粉了，最后就可以将该袋乳粉经由传输带输送到下一道包装的程序进行包装了，与此同时，后面的空的袋子又被输送带送到落料管口下方继续下一袋乳粉的称重与包装，这个工作是周而复始的进行的。乳粉的包装称重控制系统的工艺流程如图 2-1 所示。我们可以把乳粉的称重过程大致的分为两个主要的阶段，第一个阶段就可以认为就是一个粗调的过程，由异步电机在这一阶段中带着粗螺旋推进器给料，
