基于单片机的乳粉包装称重控制系统设计VIP

SHANDONG 毕业设计说明书 基于单片机的乳粉包装称重控制系统设计 学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 耿梦姣 学 号： 0812206939 指导教师： 孟天星 2012 年 6 月 摘 要 - I 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：关键词：乳粉，包装称重，单片机 Abstract II Abstract The 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 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 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, 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 hardware 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 weighing, single-chip 目 录 III 目 录 摘 要I ABSTRACT.II 目 录 .III 第一章 绪 论 .1 1.1 课题研究的背景.1 1.2 电子称重技术的现状及发展趋势.1 1.3 课题研究的目的与意义.2 1.4 设计内容及要求.3 第二章 系统方案设计 .4 2.1 方案论证.4 2.1.1 压力传感器的选取4 2.1.2 测量放大器及求和器的选取4 2.1.3 A/D 转换芯片的选取 .4 2.1.4 键盘及显示接口芯片的选取5 2.2 乳粉包装称重的工艺流程.5 第三章 系统硬件设计 .7 3.1 传感器模块.7 3.1.1 CYY 型压力传感器7 3.1.2 传感器组数的确定8 3.2 测量放大器及求和器模块.8 3.2.1 INA102 型测量放大器.8 3.2.2 求和器 TD079 3.3 A/D 转换器模块10 3.3.1 A/D 转换器的主要性能指标 .10 3.3.2 AD574 芯片.10 3.4 存储器模块.11 3.5 键盘及显示接口扩展模块.13 目 录 IV 3.5.1 8279 芯片 13 3.5.2 LED 显示器.14 3.6 输出接口模块.16 3.7 电源电路模块.16 3.7.1 15V 电源.16 3.7.2 步进电机电源 17 3.7.3 电桥电源 17 第四章 系统软件设计 .20 4.1 设计的原则.20 4.2 数学模型的分析.20 4.3 系统补偿的原理与方案.22 4.4 存储区的分配及流程图.22 4.4.1 主程序 22 4.4.2 中断服务程序 25 4.4.3 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 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、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， 第二章 设计方案 - 6 - 并且还要保证落入空袋子中的乳粉的重量小于预先设定的的重量，第二个阶段 可以认为是一个细调的过程，由步进电机在这一阶段中带动着细螺旋推进器给 料，并且要保证装入袋中的乳粉的实际的重量与所要求的额定的重量相等。 图 2-1 乳粉包装称重的工艺流程图 乳粉袋 散装 乳粉 称重传感器输入通道 8051 单片机 输出通道 异步电机 步进电机 第三章 系统硬件设计 - 7 - 第三章 系统硬件设计 本设计系统的硬件电路系统从其实质上来说就是一个数据采集的系统，它 的任务就是将从压力传感器输出的电流信号转换过来的电压信号传给模数转换 器，然后模数转换器再把该模拟信号转换成数字信号，当转换结束时就发出转 换结束的信号送给单片机系统，再由单片机对转换后的结果进行滤波与量化等 的处理，最后将处理后的结果送到 LED 进行显示。 3.1 传感器模块 在当今的信息时代里，伴随着各种控制系统的自动化程度和复杂程度的提 高，对传感器测量的精度、响应的速度以及可靠性的要求也在一步步的提高。 在本系统中使用到的是精度比较高且性能较稳定的压力传感器，压力传感器通 常是以应变片作为敏感元件，其检测原理可分为两种，一种是压电式，另外一 种是压阻式。而电阻式的又可以分为两类，一类是金属电阻应变片，另一类是 半导体应变片，在目前使用较多的是半导体应变片。 3.1.1 CYY 型压力传感器 根据由乳粉包装称重控制系统的工艺流程图所提出的技术要求，本设计系 统中的压力传感器选用了湖北泰和电气有限公司生产的 CYY 系列应变式压力 传感器。CYY 系列的压力传感器的主要特点是具有良好的耐温特性和稳定性， 功耗低、体积小、重量轻、迟滞误差小，可以方便的与数字电压表、微机测控 系统及各种记录仪配合使用，进行压力的测量、记录与控制。 该系列中的 CYY-2 型的固态压力传感器的主要技术指标有 01kg/cm2 的测量范围，标称供桥电压是 6V 的，桥路输出最大电压为 20mV 的等指标。 CYY-2 型压力传感器的电路图如图 3-1 所示。 图中的 RP 是电桥调零电位器，该电位器的精度会直接影响到传感器的测 量精度及其灵敏度，故一般不适宜选的过大。此外，为了连接电位器的方便， 该桥路本身并没有接成闭合的形式，应变片一共有五个接线端子，如果不需要 进行调零的话，就可以将端子 1 和端子 5 直接短接作为桥路输出的一个端子。 第三章 系统硬件设计 - 8 - 图 3-1 CYY-2 型压力传感器 3.1.2 传感器组数的确定 可以将传感器的组数记作 M，则 M 的确定可以由下式（3-1）计算出来： M=（KH+G）/L （3-1） 上式中 L 是最大量程，在本设计系统中可以取 L=1000 克，G 是称台的自 重，在该系统中可取 G=1500 克，H 是每袋乳粉的重量，可取 H 为 500 克，K 作为安全系数，在本系统中可选为 2。带入可得 M=2.5，在实际系统中取 M=3，因此，在本称重控制系统中采用了三组桥路。 3.2 测量放大器及求和器模块 在许多工业应用中，通常需要测量和控制某些物理量，比如温度、流量等。 其基本的方法是先利用相应的传感器将待测量转换成为与它成正比的电量，然 后可以通过放大电路对其加以放大，以便于对后续电路作进一步的处理，然而， 传感器所能够提供的电信号常常很小，而且，其中一般包含工频、静电等共模 干扰，所以在对这种信号进行放大的处理时要求放大电路具有高的增益和共模 抑制比等优良特性4。一般将具有这些特点的电路称为测量放大电路，所用到 的就是测量放大器。 经过对本课题进行的分析以及方案论证，本设计系统选用了 INA102 型测 量放大器来进行信号的放大，采用高精度的 TD07 作为求和器进行求和。 3.2.1 INA102 型测量放大器 R2R3 R4R5 R1 +6V 第三章 系统硬件设计 - 9 - INA102 是一种低功率但高精度的单片仪表测量放大器，适用于低静态功 率条件下的信号放大的场合5。它的使用比较方便，只需要简单地选择连接适 当的引脚就能够得到 1、10、100 或者 1000 的增益，也不需要有外部的调节元 件就可以在低增益时获得很低的增益漂移。由于其内膜电阻很好的温度稳定性， 且保证了较高的增益精度和共模抑制比，故 INA102 可以用于前置放大器能应 用的场合进行各种信号源的放大，比如应变计量器。INA102 测量放大器的结 构图如图 3-2 所示。 图 3-2 INA102 的结构图 INA102 的内部结构决定了其具有较高的输入阻抗以及良好的共模抑制比， 在没有外部电阻接在该芯片上的情况下可以有四种增益：在 6 脚和 7 脚相连接 的情况下增益为 1；在 2 脚、6 脚和 7 脚相连接的情况下增益为 10；在 3 脚、 6 脚和 7 脚相连接的情况下增益为 100。在本设计系统中选用的增益为 100，即 将 3 脚、6 脚和 7 脚相连接。 3.2.2 求和器 TD07 本设计系统中的称重传感器一共有三组，每一组的输出都需要连接到 INA102 的输入端进行放大，之后再由求和器 TD07 对三路输出求和。TD07 是 一种低噪声且高精度的运算放大器，通用性很强6。TD07 模拟输入端接口的电 路图如图 3-3 所示。 C5 C6 C4 -15V +15V 6 3 14 7 15 10 9 13 8 12 11 U7 INA102 第三章 系统硬件设计 - 10 - 图 3-3 TD07 模拟输入端的接口电路 3.3 A/D 转换器模块 A/D 转换器是模拟电路与数字电路的接口，其功能是可以将输入的模拟电 压成比例地转换为二进制数字信号，即微型计算机能够接受的信号。这种转换 可以采用多种技术来实现，当前构成 ADC 技术的主要有逐步逼近、双斜积分 和电压频率变换三大技术。 3.3.1 A/D 转换器的主要性能指标 模数转换器的性能通常选用分辨率、转换精度、转换时间、转换频率、误 差等几项主要的技术指标来衡量7。在应用中，需要从控制系统对精度的要求 以及输入模拟信号的范围等多种因素考虑 A/D 芯片的选取。经多方面的综合考 虑，本系统选取的是 AD574 来作为 A/D 转换芯片。 3.3.2 AD574 芯片 AD574 是美国模拟数字公司推出的单片高速的位数是 12 位的逐次比较型 A/D 转换器，采用标准 28 脚封装的双列直插式，可以直接与 8 位或 16 位的微 处理器相连8。AD574 转换芯片的引脚图如图 3-4 所示。 AD574 的逻辑输入 信号用来对芯片进行控制启动与输出，当 CS 与 CE 相同时间都为低电平时该 芯片才能处在正常工作的状态。其逻辑关系如表 3-1 所示。 2 3 74 6 1 8 U 10 TD07 R15 RP1 RP2 +15V -15V +15V 第三章 系统硬件设计 - 11 - 图 3-4 AD574 芯片引脚 STATUS 为高电平时，说明正处在转换的状态，STATUS 为低电平时，表 示转换结束，该信号能够作为微处理器的终端或者是查询端。不管是启动时还 是转换阶段或者输出结果阶段，为了使 CE 保持为低电平，单片机的读写控制 端需要经过与非门和 CE 端相连接。AD574 的相应的口地址为： 9C00H 单元 存放启动口的地址， 9C01H 单元存放高 8 位输出口的口地址， 9C03H 单元存 放低 4 位输出口的口地址。 表 3-1 AD574 逻辑关系 R/C12/ 8A0工作状态 00启动 12 位 A/D 转换 01启动 8 位 A/D 转换 1接 1 脚（5V）12 位并行输入有效 1接 15 脚（0V）0高 8 位并行输出有效 1接 15 脚（0V）1低 4 位加上尾随 4 个零有效 3.4 存储器模块 51 系列单片机的存储器从物理结构上可以分成片内程序存储器、片外程序 存储器、片内数据存储器和片外数据存储器四个部分，且数据存储器和程序存 第三章 系统硬件设计 - 12 - 储器在使用上不可混用，它们在使用上有着严格的区分。程序存储器通常用来 存放程序指令、常数以及表格等，系统在运行的过程中不能修改其中的数据， 数据存储器则用来存放缓冲数据，系统在运行的过程中可以修改其中的数据9。 目前，我国广泛使用的 EPROM 有 2732、2716、2764、27128 和 27256， 在本设计系统中选用的是 2764 作为系统的程序存储器。2764 是 8K*8 字节的紫 外线可擦除电可编程的只读存储器，采用的是 28 脚双列直插式的封装，其引 脚如图 3-5 所示，其主要引脚的定义如下： A0A12 是地址输入线，用于寻址片内的 8K 个存储单元； D0D7 是双向的数据线，编程时用作数据输入线，在正常工作时用作数 据的输出线； OE 是输出允许信号线，低电平有效； CE 是片选信号，低电平有效，为 0 时表示选中； PGM 是编程脉冲输入端；VPP 是编程电压输入端，不同的芯片要求不一 样，可以是+15V，+21V，+12.5V，+25V10。 图 3-5 2764 芯片的引脚图 8051 与 2764 的接线图如图 3-6 所示。 第三章 系统硬件设计 - 13 - 图 3-6 8051 与 2764 的接线图 3.5 键盘及显示接口扩展模块 在单片机的实际应用中常常得进行人机双向的对话，有人向应用系统输入 数据和对应用系统的状态上的干预等，因此，应用系统一般都应该设有键盘。 计算机中所采用的键盘一般有两大类，一类是非编码键盘，另一类是全编码键 盘，非编码键盘仅仅可以简单地提供高、低键盘的输入矩阵，其他的工作都需 要有软件来完成，而全编码键盘是依靠硬件逻辑提供元件相对应的编码，目前， 在应用系统中采用较多的还是非编码键盘。 3.5.1 8279 芯片 经过论证，本设计系统中选用了 8279 作为键盘及显示接口扩展芯片。 8279 是 Intel 公司生产的一种通用可编程键盘/显示器接口芯片，40 列引脚封装， 它具有键盘输入和显示器输出两种功能。8279 能提供自动扫描，能与键盘或者 传感器组成的矩阵相连以便接收输入信息，还能自动消除开关抖动并且能对多 键同时按下提供保护，当显示输出时，有一个 16*8 位的显示 RAM，其内容能 够通过它本身提供的扫描信号进行自动扫描，并由 8 位或 16 位 LED 数码管进 行显示，可以减轻 CPU 的负担，代其完成键盘和显示器的控制11。8279 的引 脚如图 3-7 所示。 A 0 10 A 1 9 A 2 8 A 3 7 A 4 6 A 5 5 A 6 4 A 7 3 A 8 25 A 9 24 A 10 21 A 11 23 A 12 2 CE 20 O E 22 PG M 27 V PP 1 D 0 11 D 1 12 D 2 13 D 3 15 D 4 16 D 5 17 D 6 18 D 7 19 U 5 2764 O C 1 CLK 11 1D 3 1Q 2 2D 4 2Q 5 3D 7 3Q 6 4D 8 4Q 9 5D 13 5Q 12 6D 14 6Q 15 7D 17 7Q 16 8D 18 8Q 19 U 4 SN 74LS374 EA/VP 31 X 1 19 X 2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 IN T0 12 IN T1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 A LE/P 30 TXD 11 RXD 10 U 3 8051 D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 V CC D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 A 0 A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7 A 8 A 9 A 10 A 11 A 8 A 9 A 10 A 11 P2.5 P2.6 P2.7 第三章 系统硬件设计 - 14 - 图 3-7 8279 芯片的引脚图 在 8279 芯片的引脚中，CLK 是系统时钟，输入线，用以产生工作时序； IRQ 是中断请求，输出线，有效时向 CPU 提出中断申请，当 CPU 每次从 RAM 中读出一个字节数据时电平就会变低；SHIFT 是移位信号，输入，当其是高电 平时有效。8279 芯片的主要特点有能在与 51 系列的单片机兼容的条件下同时 进行显示器和键盘的操作，且键盘是以扫描方式运行的，当某键按下，可以产 生中断信号，此外，具备带触点的可去抖动的 N 键巡回的功能与二键锁定的功 能。 3.5.2 LED 显示器 在单片机的实际应用系统中，显示器接口也是主要的人-机接口之一，在常 用的设备中由于 LED 八段数码显示器有着结构较为简单、接口比较容易和低廉 的价格等特性12，故而在单片机的实际应用系统中得到了较为广泛的应用。鉴 于显示器在本设计系统中的作用仅仅是用来简单的显示出重量数据，因此，选 取发光二极管显示器 LED 即可。 在 LED 显示的过程中需要解决好所要显示的内容和显示的代码的问题，显 示的内容是指需要在显示器上显示出来的东西，而每个显示的内容都会有一个 跟它相对应的固定的代码。在显示的过程中，实际上就是要把需要显示的内容 的代码送到数据线上，再由数据线将要显示的代码送到显示器的段上，如此就 能够在显示器上显示出内容了。本设计中所用到的显示内容和代码的转换关系 OUTA0 27 OUTB0 31 OUTA1 26 OUTB1 30 OUTA2 25 OUTB2 29 OUTA3 24 OUTB3 28 DB0 12 BD 23 DB1 13 DB2 14 SL0 32 DB3 15 SL1 33 DB4 16 SL2 34 DB5 17 SL3 35 DB6 18 DB7 19 RL0 38 RL1 39 IRQ 4 RL2 1 RL3 2 CS 22 RL4 5 RD 10 RL5 6 WR 11 RL6 7 A0 21 RL7 8 CLK 3 SHIFT 36 RESET 9 CNTL/S 37 U2 8279 第三章 系统硬件设计 - 15 - 如表 3-2 中所示。 表 3-2 显示内容与代码的转换关系 显示字符0123456789 字型码3FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H7FH6FH LED 显示器的显示方式有两种，一种是静态显示方式，另外一种是动态显 示方式。由于 LED 的静态显示方式所耗成本较大的问题，故本系统并不选取这 种静态的显示方式，而是选择了动态显示的方式。 LED 的动态显示方式是指从段口上按照位次分别送所要显示的字符的段码， 在位口上也按相应的次序分别选通相应的显示位码，选通的位就显示相应的字 符，并且保持几毫秒的延时，未被选通的位就不显示字符（即保持熄灭） ，这 样，对各位的现实就是一个循环的过程。从计算机的工作过程来看，在一个瞬 时只有一个显示字符，而其他的位都是熄灭的，但是，由于人的视觉滞留和显 示器的余辉，这种动态的变化是人为观察不到的，故而从效果上来看，各位显 示器都能够连续而稳定地显示不同的字符，达到显示的目的13。在本设计系统 中，需要用到 8 位的 LED 数码管来显示装入袋中的乳粉的重量和包装的袋数， 该模块的硬件电路图如图 3-8 所示。 a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 LED0 AMBERCA a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 LED1 AMBERCA a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 LED2 AMBERCA a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 LED3 AMBERCA a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 LED4 AMBERCA a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 LED5 AMBERCA a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 LED6 AMBERCA a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 LED7 AMBERCA K3 SW-PB K5 SW-PB K0 SW-PB K6 SW-PB K1 SW-PB K7SW-PB K2 SW-PB K4 SW-PB R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 OUTA0 27 OUTB0 31 OUTA1 26 OUTB1 30 OUTA2 25 OUTB2 29 OUTA3 24 OUTB3 28 DB0 12 BD 23 DB1 13 DB2 14 SL0 32 DB3 15 SL1 33 DB4 16 SL2 34 DB5 17 SL3 35 DB6 18 DB7 19 RL0 38 RL1 39 IRQ 4 RL2 1 RL3 2 CS 22 RL4 5 RD 10 RL5 6 WR 11 RL6 7 A0 21 RL7 8 CLK 3 SHIFT 36 RESET 9 CNTL/S 37 U2 8279 12 U1A SN74LS04 VCC aaaaaaaa bbbbbbbb cccccccc dddddddd eeeeeeee ffffffff gggggggg dpdpdpdpdpdpdpdp a b c d e f g dp D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Y5 RD WR A0 ALE RES SL0 SL1 SL2 SL3 K8 SW-PB R11 R10 VCC C1 RES 第三章 系统硬件设计 - 16 - 图 3-8 硬件电路图 3.6 输出接口模块 在工业控制等实际应用中，经常需要检测某些开关量的状态，这时就需要 用到输出接口扩展芯片，在本设计系统中选用了 8255 芯片作为输出接口。在 本控制系统中输出口是 PB 口，将步进电机的 A、B 和 C 三相绕组一一接到 8255 的 PB0 口、PB1 口和 PB2 口，PB3 口控制异步电机的无触点式开关。 8255 使用单电源+5V 电源供电，40 脚双列直插式封装， 8255 的连接图如图 3- 9 所示。 图 3-9 8255 连接图 3.7 电源电路模块 电源电路模块几乎在每个控制系统中都是必备的，在此，需要使用 5V、15V 的供电电源以及 80V 的步进电机的供电电源。 3.7.1 15V 电源 15V 电源中的正 15V 电源采用 CW802 宽纬度范围的支流集成稳压器，负 15V 电源选取了 CW825 宽纬度范围的集成的稳压器，常温下，当其无外接调 D 0 34 D 1 33 D 2 32 D 3 31 D 4 30 D 5 29 D 6 28 D 7 27 PA 0 4 PA 1 3 PA 2 2 PA 3 1 PA 4 40 PA 5 39 PA 6 38 PA 7 37 PB0 18 PB1 19 PB2 20 PB3 21 PB4 22 PB5 23 PB6 24 PB7 25 PC0 14 PC1 15 PC2 16 PC3 17 PC4 13 PC5 12 PC6 11 PC7 10 RD 5 WR 36 A 0 9 A 1 8 RESET 35 CS 6 U 12 8255 R16 R19 R17 R18 V CC U 13 O PTO ISO 1 T1 N PN PA 0 PA 1 PA 2 PA 3 PA 4 PA 5 PA 6 PA 7 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 RD WR A 0 A 1 RES Y 6 O UT 乳乳乳乳 第三章 系统硬件设计 - 17 - 整功率管时能够向负载提供最大的输出电流是 500A，其能够可靠的工作的范围 是-55+17514。在此用到的15V 的稳压直流电源电路如图 3-10 所示。 U0-U1 的电压值应该大于 3.5V4V 以保证稳压的性能，输出电压 U0 的 大小可以通过改变 R2 的值来进行调整，但是最大不能超过 30V，工作时，瞬 时电流最大不能超过 1A，瞬时输入电压的最大值不能超过 40V，此外，为了能 够对高频干扰或脉冲干扰进行滤波还需要在稳压器的输入端并联 0.1uf 的电容， 在输出端并联 0.01uf 的电容。 总机电路图如附录 1 所示。 图 3-10 15V 直流稳压电源电路图 3.7.2 步进电机电源 步进电机的供电电源为 80V，它对精度的要求并不高，只需要整流后进行 滤波就可以了。 3.7.3 电桥电源 第三章 系统硬件设计 - 18 - 压力传感器的输出电压会受到电桥电压稳定与否的影响，而根据误差的传 递规律 CYY 型压力传感器的比例系数经过放大之后会以 1:1 的比例反映到模数 转换芯片上，这时应该使其波动的范围小于 10V/4096=2.4mV，从而保证模数 转换的输出不会受到电桥电压的波动的影响，此时的电桥电压是 6V，精度的要 求是很高的，是 2.4Mv/6V=0.04%。由此可见，一般的稳压电源是不能够满足 设计的需要的，需要选用高精度的基准电源才行，故本设计系统选用了 LM399，它是一种带恒温器的高精密度的基准稳压电源，其结构简单且具有较 高的性价比15。另外，在本控制系统中还需要对 LM399 的输入电源预稳压。 电桥电源的电路图如图 3-11 所示。 图 3-11 电桥电压的电路图 在图 3-11 中，R1 与 R2 通常应该选择温度系数较小的绕线电阻或者金属膜 电阻，它们的阻值应该与 LM399 的工作时候的电流和传感器的电流二者之和 匹配才可以而且还要使它们的阻值相等， C1 是滤波电容，其作用是用来抑制 或防止尖峰干扰和噪声干扰的，对 LM399 的稳压性能要求并不高，只是要求 其恒温器的电源不能和稳压部分的电源共用而已，R0 是限流电阻，其作用是限 制开机时的瞬时冲击电流，以防止其过大，由于跟踪稳压电源是预稳压的对称 的电源，可以用来作为加在 R1 和 R2 两端的电压。 跟踪式稳压电源的电路图如图 3-12 所示。其中，负电源则是由运算放大器 R1 R2 C1 H +15V+5V -5V-15V R0 第三章 系统硬件设计 - 19 - OP07（其供电电源是经过预稳压的15V 电源）经过采样反馈之后再用三极管 CS9012 来进行扩流的。 图 3-12 跟踪式的稳压电源的电路图 R3 R1 R2 C1 7805 R4 C2 +15V -15V-5V +5V O P07 CS9012 +15V -15V 第四章 系统软件设计 - 20 - 第四章 系统软件设计 4.1 设计的原则 在软件的编制中要遵循四个基本的要求，一是软件的结构要简洁、清晰， 流程要合理；二是能将每个功能程序模块化，这样便于调试、链接，移植、修 复；三是数据和程序的存储区需要合理的规划，便于操作；四是需要标志化地 来管理运行的状态，即设置状态标志，这主要是为了方便查阅每个功能程序的 运行的状态、结果和要求16。 本设计系统的控制要求主要有较短的采样时间、较高的控制精度以及较大 的包装产量，这些都是要考虑在内的，此外，鉴于该控制系统的不可逆性，还 要统一考虑其精度和产量。由分析可知，精度的问题基本上是从软件上来解决 的，风险系数的问题是采用自寻优来解决的，另外，还需要采取以下的方法来 提高控制系统的精度和速度，即尽量减小异步电机工作阶段中的采样时间和程 序的运行时间，选择高速的芯片，还有一点就是当精度达到要求时尽量就不要 再使用浮点运算。 4.2 数学模型的分析 由乳粉包装称重的工艺流程可知，当启动了异步电机后就开始进行称重了， 假设落料管下端乳粉的流量是 Q（t） ，上端的流量是 Q*（t） ，Q*（t）超前 Q（t）时间 m，每一瞬时装入袋中的重量设成 G*（t） ，则可由物料的平衡关系 得到： （4-1） 分别求其拉氏变换并整理可以得到下式： （4-2） 此式即为受控对象（积分特性加滞后特性）的传递函数，要加 Smith 预估 补偿器抑制其纯滞后特性，控制系统的等效方框图如图 4-1 所示，G*(s)是实际 的测量量，G0(s)是预估补偿器的输出量。 第四章 系统软件设计 - 21 - 我们设计包装称重的系统的目的在于根据G*(t)（实际测量值）得到 G(t)（等 效的重量值） ，当 G(t)与给定的重量值相等时，就可以认为称重过程结束了， G(t)虽然在时间上超前于 G*(t)一个时间段，但是二者的动态响应的曲线相似， 相似的曲线图如图 4-2 所示。 图 4-1 等效方框图 预估补偿器的输出表示式如下： （4-3） 上式中，测量值用G*(t)表示，预估值用 G(t)表示，当知道Q*和