1、目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 题目来源及课题意义 . 1 1.2 自动加料机控制系统的工作原理及技术要求 . 1 1.3 系统的主要技术参数： . 1 第二章 方案论证 . 2 2.1 单片机的选择 . 2 2.2 物位传感器的选择 . 3 2.3 存储器扩展电路的选择 . 5 2.4 LED 显示电路选择 . 7 2.5 键盘输入电路 . 8 第三章 自动加料机主电路 . 10 3.1 系统结构原理图 . 10 3.2 主机电路核心器件介绍 . 10 3.3 显示电路 . 18 3.4 继电器控制电路 . 22 3.5 键盘及显示电路 . 23 3.6 外部存储器扩展电路 . 27
2、 3.7 看门狗 MAX813L 电路 . 30 3.8 料位开关 . 32 第四章 系统的抗干扰及可靠性 . 35 第五章 软件设计 . 36 第六章 结论语 . 38 参考文献： . 39 附录 A：系统框图 . 40 附录 B：系统硬件框图 . 40 程序清单： . 42 1 第一章 绪 论 1.1 题目来源及课题意义 在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起这愈来愈重要的作用，并且，随着生产和科学技术的发展，自动化水平也越来越高。自动控制利用控制装置使被 控对象的某个参数自动的按照预定的规律运行。本设计的自动加料机控制系统就是采用自动控制技术来实现功能的，这样就大大提高了工作的效率，
3、整个过程又快又稳。 1.2 自动加料机控制系统的工作原理及技术要求 本设计的由单片机控制的自动加料系统是与料斗式干燥机配套的加料系统。根据加料工艺要求，其工作原理是：先将真空管关闭，启动电机，用低真空气流将塑料树脂粒子送入真空管，电机停转，再将粒子排入料斗，如此循环。 在设计的控制系统中，可用一个电机控制两个加料生产线，由方向阀切换。两个生产线既可单独运行，也可同时运行。假如 两者同时运行，当一生产线输送结束后，判断到另一个生产线排料已经结束，那么，电机不停转而方向阀换向，从而为另一个生产线送料。这样可以发挥控制系统和电机的效率，从而实现供料自动化。 控制系统的控制器有单片机 89C51 和扩
4、展电路组成，单片机控制继电器，继电器控制交流接触器，又由接触器控制电机等执行机构的运动。本控制系统可以根据送料工艺的需要，设置两条生产线的输送、排料、满料、空料等参数值，也可装载系统前次工艺参数值。 1.3 系统的主要技术参数： （ 1） 用一台电机控制两条生产线 （ 2） 要能检测到满料状态，并显示出输送、排 料、满料时间 （ 3） 时间误差： 0.1 秒 （ 4） 具有抗干扰能力 2 第二章 方案论证 2.1 单片机的选择 20 世纪 80 年代以来，单片机的发展非常迅速，就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有 50 多个系列，数百个品种。目前世界上较为著名的 8
5、 位单片机的生产厂家和主要机型如下： 美国 Intel公司： MCS51 系列及其增强型系列 美国 Motorola 公司： 6801 系列和 6805 系列 美国 Atmel公司： 89C51 等单片机 美国 Zilog 公司： Z8 系列及 SUPER8 美国 Fairchild 公司： F8 系列和 3870 系列 美国 Rockwell公司： 6500/1 系列 美国 TI（德克萨司仪器仪表）公司： TMS7000 系列 NS（美国国家半导体）公司： NS8070 系列 等等。 尽管单片机的品种很多，但是在我国使用最多的还是 Intel公司的 MCS51 系列单片机和美国 Atmel公
6、司的 89C51 单片机 MCS51 系列单片机包括三个基本型 8031、 8051、 8751 8031 内部包括一个 8 位 CPU、 128 个字节 RAM， 21 个特殊功能寄存器（ SFR）、4 个 8 位并行 I/O 口、 1 个全双工串行口、 2 个 16 位定时器 /计数器，但片内无程序存储器，需外扩 EPROM 芯片。比较麻烦，不予采用 8051 是在 8031 的基础上，片内集成有 4K ROM，作为程序存储器，是一个程序不超过 4K 字节的小系统。 ROM 内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的 8051 都是含有特殊用途的单片机。所以 8051 适合与应用在程
7、序已定，且批量大的单片机产品中。也不予采用。 8751 是在 8031 基础上，增加了 4K 字节的 EPROM，它构成了一个程序小于 4KB的小系统。用户可以将程序固化在 EPROM 中，可以反复修改程序。但其价格相对8031 较贵 。 8031 外扩一片 4KB EPROM 的就相当与 8751，它的最大优点是价格低。随着大规模集成电路技术的不断发展，能装入片内的外围接口电路也可以是大规模的。也不予采用。 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（ PEROM）和 128bytes 的随机存
8、取数据存储器3 （ ROM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（ CPU）和 Flash 存储单元。功能强大 AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。此设计就采用AT89C51。 2.2 物位传感器的选择 物位是指贮存容器或工业生产设备里的液体、粉粒壮固体、气体之间的分界面位置，也可以是互不相溶的两种液体间由于密度不等而形成的界面位置。根据具体用途分为液位、料位、界位传感器或变送器。物位不仅是物料耗量或产量计量的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数。特别是在现代工业中
9、，生产规模大，速度高，且常有高温、高压、强腐蚀性或易燃易爆物料，对于物位的监视和自动控制更是至关重要。 物位测量可用于计算物料储量。对于粉粒体，必须考虑到颗粒间有空隙，应区分密度和容重。密度是指不含空隙的物料每单位体积的质量，即通常的质量密度 ，如果乘以重力加速度 g，就成为重力密度 r，简称为重度。容重是包含空隙在内的每单位体积的重量 v， 也就是视在重度或宏观重度，它总要比颗粒物质本身的重度小，其差额决定于空隙率。而空隙率又取决与许多因素。例如颗粒形状、尺寸的一致程度、是否受外力压实、是否经受过振动、有无黏结性等，所以粉粒体 物料的体积储量和质量储量之间不易精确换算，这是需要注意的。 2.
10、2.1 电容式物位传感器 利用物料介电常数恒定时极间电容正比与物位的原理，可构成电容式物位传感器。 根据电机的结构可将容式物位传感器分为三中：（ 1）适用与导电容器中的绝缘性物料，且容器为立式圆筒形，器壁为一极，沿轴线插入金属棒为另一极，其间构成的电容 C 与物位成比例。也可悬挂带重锤的软导线作为电机。（ 2）适用与非金属容器，或虽为金属容器但非立式圆筒形，物料为绝缘性的。这时在棒壮电极周围用绝缘支架套装金属筒，筒上下开口，或整体上均匀分布多个孔，使内 外物位相同。中央圆棒和与之同轴的套筒构成两个电极，其间电容和容器形状无关，只取决于物位。所以这种电极只用于液位，粉粒体容易滞留在极间。（ 3）
11、用于导电性物料，起外形和（ 1）一样，但中央圆棒电极上包有绝缘材料，电容是由绝缘材料的介电常数和物位决定的，与物料的介电常数无关，导电物料使筒壁与中央电极间的距离缩短为绝缘层的厚度，物位升降相当于电极面积改变。 电容式物位传感器无可动部件，与物料密度无关，但应注意物料中含水分时将对4 测量结果影响很大，并且要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，需用高频电路。所以不予采用。 2.2.2 阻力式料位传感器 阻力式料位传感器是指物料对机械运动所呈现的阻挡力。粉末颗粒状物料比液态物质流动性差，对运动物体有明显的阻力，利用这一特点可构成各种料位传感器。 （ 1）重锤探索法：在容器顶部安装由脉冲分配器控
12、制的步进电机，此电机正转时缓缓释放悬有重锤的钢索。重锤下降到与料面接触后，钢索受到的合力突然减小，促使力传感器发出脉冲。此脉冲改变门电路的状态，使步进电机改变转向重锤提升，同时开始脉冲计数。待重锤升至顶部触及行程开关，步进电机停止转动，同时计数器也停止计数并显示料位（料位值即容器全高减去重锤行程之差） 。显示值一直保持到下次探索后刷新为另一值。开始探索的触发信号可由定时电路周期性地供给，也可以人为地启动。不进行探索时，重锤保持在容器顶部，以免物料将重锤淹埋。万一重锤被物位埋没，排放物料时产生的强大拉力就可能拉断钢索报警措施及出料过滤栅。 但这种方法运用了逻辑电路和数字技术，可连续测量料位值并输
13、出数字量，是数字传感器，但其采样是周期性的，对时间而言不连续，此设计不予采用。 （ 2）旋桨或推板法：这是一种位式传感器，或称料位开关。在容器壁的某一高度处装小功率电动机，其轴伸入容器内，末端带有桨状叶片。叶片不接触物 料时，自由旋转的空载状态下电动机的电流很小，一旦料位上升到与叶片接触，转动阻力增加，甚至成堵转状态，电流显著加大。根据电流的大小使继电器的接点动作，发出料位报警或位式控制信号。如电机轴经过曲柄连杆机构变为往复运动，则可带动活塞或平板在容器中做推拉动作，即成推板法。旋桨法或推板法不一定都是靠电机电流的大小时继电器接点动作，也可以利用离合器或连杆上的传动机构，在叶片或推板负载增大时
14、改变电接点的通断状态。所用电动机应能在长时间堵转状态下，或离合器打滑状态下，不致过热而损坏。 这类原理构成的料位开关，只能安装在容器 壁上，安装高度取决于动作所对应的料位值。应用不那么广泛，所以次设计也不予采用。 （ 3）音叉法：根据物料对振动中的音叉有无阻力探知料位是否到达或超过某高度，并发出通断信号，这种原理不需要大幅度的机械运动，驱动功率小，机械结构简单、灵敏而可靠。 音叉由弹性良好的金属制成，本身具有确定的固有频率，如外加交变力的频率与其固有频率一致，则叉体处于共振状态。由于周围空气对振动的阻尼微弱，金属内部的能量损耗又很少，所以只需微小的驱动功率就能维持较强的振动。当粉粒体物料触及叉
15、体之后，能量消耗在物料颗粒间的摩擦上，迫使振幅急 剧衰减，音叉停振。 为了给音叉提供交变的驱动力，利用放大电路对压电元件施加交变电场，靠逆压电效应产生机械力作用在叉体上。用另外一组压电元件的正压电效应检测振动，它把5 振动力 为微弱的交变电信号。再由电子放大器和移相电路，把检振元件的信号放大。经过移相，施加到驱动元件上去，构成闭环振荡器。在这个闭环中，既有机械能也有电能，叉体是其中的一个环节，倘若受到物料阻尼难以振动，正反馈的幅值和相位都将明显的改变，破坏了振荡条件，就会停振。只要在放大电路的输出端接以适当的器件，不难得到开关信号。 为了保护压电元件免受物料损 坏和粉尘污染，将驱动和检振元件装
16、在叉体内部，经过金属膜片传递振动。如果在容器的上下方都装叉体，可以实现自动进料或自动出料的逻辑控制，或者把料位越限信号远传到控制室。在控制室里的控制电路判断料位是否越限，并按要求使被控的进出料设备启停。 并且叉体的制造和装配良好时，音叉也可用于液体测量和控制。在测量时不需要大幅度的机械运动，驱动功率小，机械结构简单、灵敏而可靠。此设计选择音叉法阻力式料位传感器。 2.3 存储器扩展电路的选择 2.3.1 24C01 扩展 ： 串行总线上的各单片机或集成电路模块，通过一条数 据线 (SDA)和一条时钟线(SCL)，按照通信规约进行寻址和信息传输。每个集成电路模块都有唯 伪地址，既可以是主控机 (
17、能控制总线，并能完成一次传输过程的初始化和产生时钟信号及传输终止信号的器件 )或被控机 (被主控器寻址的器件 )，可以是发送器 (在总线 1：发送信息的器件 )或接收器 (从总线上接收治息的器件 ) IC 总线上的器件，根据它的不同工作状态，可分为主控发送器、主控接收器、被控发送器、被控接收器。当多个主控器同时企图控制总线而不丢失信，这叫多主竞争。这时就要进行仲裁，仲裁就是针对这种情况进行裁决的过程。只允 许其卞一个主控器继续占用总线，其它退出丰搀器状态。仲裁过程中还要保证总线的信息不丢失。多主竞争时必须对所有参与竞争的主控器的时钟信号进行同步处理。信息传输时， SCL 为高电平期间， SDA
18、 上的信息必须保持稳定不变，只有 SCL 为低电平期间， SDA 上的信息才允许变化。同时 SDA 上信息每一位部和 SCL 的时钟脉冲相对应。 SCL 没有时钟信号， SDA 信息将停止传输处于等待状态。这因为线“与”逻辑，使 SCL 在低电平时钳住总线。实现线“与”逻辑功能各 IC 总线接口的输出端必须是漏极开路或集电极开路结构。 SCL 保持高电平期间， SDA 由高电平向低电平变化这种状态定义为起始信号。 SCL 保持高电平期间，SDA 由低电平向高电平变化，这种状态定义为终止信号。 SDA 传输的每个字节必须8 位 (最高有效位首先传送 )，每个传送字节必须跟随一位应答位。与应答信号
19、相应的时钟信号由主控器产生，发送器在这个时钟信号释放 SDA，使它处于高电平状态，6 以便接收由接收器在这位发出的应答信号。这时接收器还必须 SCL 在这位高电平期间，在 SDA 上输出一个恒定低电平信气以完成应答信号的输出。整个传输过程中，传输的字节数目是没有限制的。数据传输一段时间后，接收器无法继续接收更 多的数据，主控器同样可以终止数据的传送 4 。 24C01 是一种 128 字节串行 CMOS EEPROM,它具有如下特点： 1存储容量为128 字节。 2串行接口可使用普通两根 I/O 接口。 3具有页写模式：每页 4 字节。 4同步周期小于 10ms 4 。 它只使用一条数据线和一
20、条时钟线，采用 ATMEL 公司的 24C01串口存储器，应用简单方便，但是其编程较为复杂。 2.3.2 2864A 芯片扩展 ： 2864A 是一种并行 EEPROM，它 的特点同上，但每页有 16 字节， 2864A 与 8051单片机的接口电路如下图所示 ,2864A 的片选端 CE与高地址线 P2 7 连接， P2 7=0才 能 选 中 2864A ， 这 种 线 选 法 决 定 了 2864A 对 应 多 组 地 址 空 间 ， 即0000H1FFFH,2000H3FFFH,4000H5FFFH,6000H7FFFH,这 8K 字节存储器可作为数据存储器使用 ,但掉电后数据不丢失 1
21、 。 2864A 的四种工作方式： （ 1）维持方式 ： 当 CE为高电平时， 2864A 进入低功耗维持状态。此时，输出线呈高阻状态，芯片的电流从 140mA 下降至维持电流 60mA。 （ 2）读方式 ： 当 CE和 OE 均为低电平而 WE 为高电平时，内部的数据缓冲器被打开，数据送上总线，此时，可进行读操作。 （ 3）写方式 ： 2864A 提供了两种数据写入方式：页写入和字节写入。 页写入：为了提高写入速度， 2864A 片内设置了 16 字节的 “页缓冲 器 ”，并将整个存储器阵列划分成 512 页，每页 16 个字节。页的区分可由地址的高 9 位（ A4A12）来确定，地址线的低
22、四位 (A0A3)用以选择页缓冲器中的 16 个地址单元之一。对2864A 的写操作可分为两步来实现：第一步，在软件控制下把数据写入页缓冲器，这部称为页装载，与一般的静态 RAM 写操作是一样的。第二步，在最后一个字节（即第 16 个字节）写入到页缓冲器后 20ns 自动开始，把页缓冲器的内容写到 EEPROM阵列中对应的地址单元中，这一步成为页存储。 7 写方式 时， CE为低电平，在 WE 下降沿，地址码 A0A12 被片内锁存器锁存，在上升沿时数据被锁存片内还有一个字节装载限时定时器，只要时间未到，数据可以随机地写入页缓冲器。在连续向页缓冲器写入数据的过程中，不用担心限时定时器会溢出，因
23、为每当 WE 下降沿时，限时定时器自动被复位并重新启动计时。限时定时器要求写入一个字节数据的操作时间 BLWT 须满足； 3S BLWT 20S，这样是正确完成对 2864A页面写入操作的关键。当一页装载完毕，不再有 WE 信号时，限时定时器将溢出，于是页存储操作随即自动开始。首先把选中页的内容擦除，然后写入的数据由页缓冲器传递到 EEPROM 阵列中。 字节写入：字节写入的过程与页写入的过程类似，不同之处在于仅写入一个字节，限时定时器就溢出。 （ 4）数据查询方式 ： 数据查询是指用软件来检测写操作中的页存储周期是否完成。 在页存储期间，如对 2864A 执行读操作，那么读 出的是最后写入的
24、字节，若芯片的转储工作未完成，则读出数据的最高位是原来写入字节最高位的反码。据此， CPU可判断芯片的编程是否结束。如果读出的数据与写入的数据相同，表示芯片已完成编程， CPU 可继续向 2864A 装载下一页数据。 并且编程起来比较简单，所以此设计采用此方案。 2.4 LED 显示电路选择 LED 显示器是由 N 个 LED 显示块拼接成 N 位 LED 显示器。 N 个 LED 显示块有8 N 跟位选线，根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不相同，段选线控制显示字符的字型，而位选线为各个 LED 显示块的公共端，它 控制该 LED 显示位的亮、暗。 LED 显示器有静态显示和动
25、态显示两种显示方式。 2.4.1 LED 静态显示方式 LED 显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或 +5V）；每位的段选线（ adp）分别与一个 8 位的锁存器输出相连。所以称为静态显示。各个 LED 的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。也正因此如此，静态显示器的亮度都较高。这种显示方式接口编程容易。付出的代价是占用口线较多，若用 I/O 接口，则要占用 4 个 8 位 I/O 口，若用锁存器接口，则要用 4 片 74LS373 芯片。如果显示器位数增多，则静态显示方式更是无法适应，因此在显示位数较多的情况下，一般都采用
26、动态显示方式。 2.4.2 LED 动态显示方式 在多位 LED 显示时，为了简化硬件电路，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，有一个 8 位 I/O 口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阳极或共阴极分别由相应的 I/O 线控制，实现各位的分时选通。其中段选线占用一个 8 位 I/O 口，而位选线占用一个 4 位 I/O 口。由于各位的段选线并联，段码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话， 4 位 LED 将显示相 同的字符。若要各位 LED 能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线状态，而其他各位的
27、位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字节的段码。在确定 LED 不同位显示的时间间隔，不能太短，因为发光二极管从导通到发光有一定的延时，导通时间太短，发光太弱人眼无法看清。但也不能太长，因为毕竟要受限于临界闪烁频率，而且此时间越长，占用 CPU 时间也越多，另外，显示位增多，也将占用大量的 CPU 时间，因此动态显示实质是一牺牲 CPU 时间来换取元件的减少。 所以，由于本系统只涉 及到 2 位显示输出，就采用了 和 2 片 8 位移位寄存器串级使用的 LED 静态显示方式。 2.5 键盘输入电路 2.5.1 矩阵式键盘接口 ： 矩阵式键盘（也称行列式键盘）适用于按键数目较多的场
28、合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交点上。一个 3 3 的行列结构可以构成一个有 9 个按键的键盘。同理，一个 4 4 的行列结构可以构成一个 16 键的键盘，很明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的 I/O 口线。按键设置在行列线交点9 上，行列线分别接到按键开关两端。行线通过上拉电阻接到 +5V 上。平时无 按键按下时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由于此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低电平，则行线电平为低电平，列线电平如果为高电平，则行线电平为高电平。这是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在 1 。由于矩阵键盘中行列线为多键公
29、用，各按键均影响该键所在行列的电平。因此各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行列信号配合起来比做适当的处理，才能确定闭合键的位置。 2.5.2 独立式按键接口 ： 独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接入一根输入 线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。独立式按键电路配置灵活，软件简单。但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。 由于此系统中共有启动两条生产线的“启动 1”键和“启动 2”键、分秒选择键、时间设置加、时间设置减、显示生产线状态的切换键，时间设置键、时间切换键。只有这 8 个键，比较简单。所以就采用独立式按键接口电路。
