（控制理论与控制工程专业论文）工业称重仪表设计.pdf

摘要 摘要 改革开放3 0 年来，我国工农业取得举足轻重地发展，各行业生产的产品随着 市场的不断壮大，产品批量也逐步扩大；工业称重仪表种类很多，且应用领域广 泛，对国民经济的发展有着巨大的影响；称重仪表属计量领域，计量同其它高科 技一样，是国家之间竞争的重点之一。本文工业称重仪表主要应用于定量包装称 重领域，是将机械、电气、电子、计算机、自动控制结合在一起的计量设备。称 重仪表性能的好坏直接影响到生产企业的经济效益。本文设计的称重仪表实现了 高称重精度和高称重速度，满足了工业生产的需要。 本文设计的称重仪表主要应用于饲料类产品的定量包装。根据总体设计方案， 文章给出了工业称重仪表控制器的软硬件设计，包括c p u 选型、外围单元电路设 计、开关电源的设计和软件设计的整体框架及系统程序的设计。该称重仪表属智 能动态仪表，能控制整个称重系统自动工作，减少了许多人力成本。 本文的主要工作： 1 论述了工业称重仪表的现状及发展趋势，提出了课题的背景及意义，以及本 人的主要研究内容。 2 分析研究了工业称重仪表设计总体方案，包括称重系统的原理和称重显示控 制器软硬框架。 3 由p c f 8 5 6 3 时钟芯片通过1 2 c 实现实时时钟。 4 分析研究了开关电源的整个硬件系统设计整个过程，电源产生先基本的多路 输出，其中一路为反馈确保电压稳定，各路输出通过电路转换得到更为精确的电 压，为工业称重仪表的主控板、设定显示板安全和稳定地供电。 5 由c s 5 5 3 2 芯片通过s p i 总线协议实现数据采集，包括软硬件设计。 6 分析研究了工业称重仪表的人机界面的设计，具体有显示窗、按键和指示灯。 最后对全文的工作作了总结，并指出了以后可以进一步探索的方向。 关键词：称重仪表；总线协议；人机界面 a b s t r a c t a b s t r a c t a f t e r3 0y e a r so fr e f o r ma n do p e n i n gu p ，c h i n ah a sm a d ea ni m p o r t a n ti n d u s t r i a l a n da g r i c u l t u r a ld e v e l o p m e n t ，p r o d u c t so ft h ei n d u s t r ya st h em a r k e tc o n t i n u e st o g r o w , a r ea l s og r a d u a l l ye x p a n d t h ev o l u m e ；t h e r ea r em a n yt y p e so fi n d u s t r i a lw e i g h i n g i n s t r u m e n t st h a th a v eaw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n sa n di m p a c to nt h ed e v e l o p m e n to f t h en a t i o n a le c o n o m y ；t h ew e i g h i n gi n s t r u m e n t sb e l o n g st oaf i e l do ft h e m e a s u r e m e n t ，t h em e a s u r e s ，l i k eo t h e rh i g h t e c h ，i st h ec o m p e t i t i o na m o n gt h en a t i o n a l p r i o r i t i e s i nt h i sp a p e rt h ei n d u s t r i a lw e i g h i n gi n s t r u m e n t si sm a i n l yu s e di nw e i g h i n g t h ef i e l do fq u a n t i t a t i v ep a c k i n g ，w h i c hc o m b i n e dt h em e c h a n i c a l ，e l e c t r i c a l ，e l e c t r o n i c ， c o m p u t e r , a u t o m a t i cc o n t r o lk n o w l e d g e t h ew e i g h i n gi n s t r u m e n tp e r f o r m a n c e st o p r o d u c ead i r e c ti m p a c to nt h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yo fe n t e r p r i s e s i nt h i sp a p e r , w e i g h i n gi n s t r u m e n t sd e s i g n e dt oa c h i e v eah i g hw e i g h i n ga c c u r a c ya n dh i g hw e i g h i n g s p e e d ，t om e e tt h en e e d so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g no f t h ew e i g h i n gi n s t r u m e n ti sm a i n l yu s e di nf e e dp r o d u c t s p a c k a g i n g a c c o r d i n gt ot h eo v e r a l ld e s i g np r o g r a m ，t h ea r t i c l eg i v e st h ec o n t r o l l e ro f i n d u s t r i a lw e i g h i n gi n s t r u m e n t a t i o nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gt h ec p u 妙p es e l e c t i o n ，t h ee x t e r n a lu n i tc i r c u i td e s i g n ，s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yd e s i g na n d s o f t w a r ed e s i g no ft h eo v e r a llf r a m e w o r ka n dt h ei m p o r t a n tp r o g r a m m i n go f s y s t e m t h ew e i g h i n gi n s t r u m e n ti sas m a r td y n a m i c i n s t r u m e n tt h a tc a nc o n t r o lt h e e n t i r ea u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e m ，t or e d u c et h ec o s to fh u m a nr e s o u r c e t h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a u t h o rd i s c u s s e st h es t a t u so fi n d u s t r i a lw e i g h i n gi n s t r u m e n ta n dd e v e l o p p i n g t r e n d ，t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h es u b j e c t , a n dt h ec o n t e n t so f m y r e s e a r c h 2 a u t h o ra n a l y s i so f t h e d e s i g no f t h eo v e r a l lp r o g r a mo f i n d u s t r i a lw e i g h i n g i n s t r u m e n t s ，i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l eo fw e i g h i n gs y s t e m sa n d h a r d w a r ea n ds o f t w a r e a b s t r a c t f r a m e w o r ko f t h ew e i g h i n gd i s p l a yc o n t r o l l e r 3 f r o mp c f 8 5 6 3c l o c kc h i pw eg e tr e a lt i m ec l o c kt h r o u g h1 2 c 4 a u t h o ra n a l y z e dt h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yd e s i g no ft h ee n t i r eh a r d w a r es y s t e m t h r o u g h o u tt h ep r o c e s s ，t h ep o w e rg e n e r a t e dt h eb a s i cm u l t i p l eo u t p u t ，i n c l u d i n gaw a y a st h ef e e d b a c kt oe n s u r et h a tt h ev o l t a g es t a b ili t y ，e a c ho u t p u t t h r o u g ht h ec i r c u i t c o n v e r s i o no fv o l t a g eb e c o m e sm o r ep r e c i s e ，s u p p l y sp o w e rf o ri n d u s t r i a lw e i g h i n g i n s t r u m e n tc o n t r o lb o a r d sa n d d i s p l a yb o a r d ss a f e l ya n ds t a b l y 5 a u t h o ra d o p t e dt h ec s 5 5 3 2c h i pa n ds p ib u s p r o t o c o lf o rd a t aa c q u i s i t i o n ， i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n 6 t h ea u t h o ra n a l y z e dh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ed e s i g no ft h ei n d u s t r i a l w e i g h i n gi n s t r u m e n t ，s p e c i f i c a l l yt h es h o w i n gw i n d o w s ，b u t t o n sa n dl i g h t s f i n a l l y , t h et h e s i ss u m m a r i z e du p t h ew o r ka n dp o i n t e do u t t h ed i r e c t i o no f f u r t h e re x p l o r a t i o n k e y w o r d s ：w e i g h i n gi n s t r u m e n t s ；b u sp r o t o c o l ；h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体己经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：鼋叼寸 1 年& 月i j l 日 i 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：勃斗 1 年蝴7 e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 称重仪表现状及发展趋势 工业电子称重技术的出现，极大促进了现代工业的发展，特别是定量包装称 重技术及仪表，在工业上批量生产过程中的应用，既提高了产品的质量，又提高 了生产效率。工业称重仪表的应用领域非常广泛，同时也促进了称重仪表技术较 快地发展，目前国内称重仪表的生产厂家就有近百家。据统计，称重仪表产量从 1 9 9 6 年的1 1 万台，至u 2 0 0 2 年的约1 0 万台，几年内产量几乎增加了1 0 倍，其产 值已达几亿元，市场前景非常广阔。 本节结合现代工业对称重仪表的要求概要分析称重仪表的未来发展方向。早 期数字电子和模拟电子技术的发展水平较低，通常参数设置依靠数十个d i p 开关的 位置来确定，并且要多只传感器串连接入仪表，导致仪表非常复杂而且操作繁琐； 而现在，电子称重技术己得到了飞速的发展，普遍使用的称重仪表基本成型：各 种参数通过按键即可设置；通过按钮即可进行各种操作；高速高精度a d 转换技 术的突破，使得计量更准确、可靠。 任何行业、任何技术都不可能停滞不前的，随着人们对工业称重仪表的功能 需求增加以及现代科技技术的不断发展。工业称重仪表在性能上，向着高速度、 高准确度、高稳定性、多功能、接口丰富便于与计算机通信等方向发展；在品种 上，专用型称重仪表，动态称重仪表，称重计算机将有所发展，在结构上，向着 小型化、模块化和组合化方向发展心吨1 。 1 2 课题研究的意义 工业称重仪表应用领域相当广泛，如化肥、饲料、罐头等等，不同领域对工 业称重仪表的要求也有所不同，但无论是从整个硬件还是软件系统上来讲，他们 都有很多共同之处，可以相互借鉴。随着现代电子技术的不断发展，工业称重仪 表智能化要求的不断提高，对现代工业称重仪表提出了更多的要求，除了满足基 本的称重功能外，还必须针对不同行业领域实现多种工作模式、多种量程范围、 工业称重仪表设计 电子实钟功能，本文设计的称重仪表主要用于饲料的定量包装，因而必须具备目 标包数、包装类别和生产班别等参数的设置、备份、查询、删除功能。对于这些 功能的实现，一个性能优越的处理器及良好外围器件和软件实现是至关重要；基 于此，我们提出了本课题的研究。 1 3本人的主要工作及研究的内容 参与了整个工业称重仪表控制系统总体方案的设计，并负责整个工业仪表设 备软硬件的具体实现，采用p h i l i p s 公司的p 8 9 c 5 8 r c 2 单片机，开发出一套应用 域广泛的称重显示设置控制器。 在前期调研的基础上，研究了国内外工业称重仪表的现状及其应用领域，确 定了该工业称重仪表显示控制器所要实现的功能和具有的创新点。通过对国内外 现有产品优点和不足之处的比较，确定了该系统采用p 8 9 c 5 8 r c 2 作为m c u ，采用 p c f 8 5 6 3 芯片通过1 2 c 总线通讯协议来实时时钟，采用t o p 2 4 4 y 来设计开关电源， 采用c s 5 5 3 2 芯片通过s p i 协议来实现高精度的数据采集。 本文设计的开关电源是整个硬件系统设计的难点，电源先产生基本的多路输 出，其中一路为反馈确保电压稳定，各路输出通过电路转换得到更为精确的电压， 为工业称重仪表的主控板、设定显示板安全和稳定地供电。实验结果表明，所设 计开关电源性能指标高，是可靠合理、高效的电源。 本文设计的产品已经成功推向市场，并取得良好的市场和客户一致的好评。 最后总结了本课题的工作情况和课题现有工作所取得的成果，并指出了今后工作 需要改进的地方和方向。 第二章工业称重仪表设计总体方案 第二章工业称重仪表设计总体方案 2 1 定量包装称重系统原理 由于本文设计的工业稳重仪表在主要应用于定量包装称重领域，我们有必先 了解一下定量包装稳重系统的原理。一般主流的定量称重量控制系统关系图如图 2 1 所示，它由电控箱( 图中点划线部分) 和外围执行机构组成。在电控箱中，称重 显示控制器是其核心组成部分，也是本设计重点介绍的内容。 计量料斗f1 传感器电磁阀i 加料机构 一j 一# 一1 开关电源卜叫称重显示控制器l + 操作面板 i j i 及指示灯 - i i 量料斗料门 l - a c 2 2 0 v 电源 - _ 夹袋输入开 i - - j 夹袋输出机构i iii 一 ni 图2 1 定量称重控制系统关系图 定量称重机械设备示意图如图2 2 所示，由进料输送带，放料门，传感器， 加料门，送袋传送带组成。加料料斗的料门由三级电磁阀控制，电磁阀用空气压 缩机提供气源的采用气动驱动式，用来控制实现快加，中加，慢加三种加料方式。 放料门，传感器，加料门组成称重料斗，在放料门上端两端固定传感器，以便m c u 通过传感器得到称重料斗内物料重量，控制加料料门和放料料门的关闭开启，以 及夹袋、打码等。称重料斗的放料门同样也是由电磁阀控制，控制称重料斗上有 夹袋输出。 本系统传输部件是由一个电机控制的传动系统，实现对包装件的传送，封口根 据产品和包装的不同，采用人工的方式完成。累计包数显示窗显示累计称重包数， 重量显示窗实时显示物料重最值。单片机及其相应的控制执行电路承担了定量称 重包装系统整个过程的自动控制。 工业称重仪表设计 图2 2 定量称重机械设备示意图 称量开始时，触动夹袋开关，控制器控制贮料斗的快加料阀、中加料阀和慢 加料阀同时打开，物料进入称量斗；当称量斗中物料重量达到快加料闪值时，控 制快加料阀关闭，此时物料仅从中加料阀和慢加料阀流出，进入中加和慢加混合 加料阶段：当称量斗中物料重量达到中加料闪值时，控制中加料阀关闭，此时物 料仅从慢加料阀流出，进入慢加加料阶段；当称称量斗物料量接近目标值，达到 慢加料阀值时，控制慢加料阀关闭，这样就完成了称量过程。接着打开称量斗的 放料门，物料卸入包装袋中；卸料完毕后，关闭卸料阀，夹袋装置自动松开，经 过人工的封口，再将装有物的袋子放到传送带上h 1 。 2 2 称重显示控制器硬件设计 2 2 1 称重显示控制器硬件结构 称重显示控制器是整个工业称重系统的核心，如图2 3 所示，它由以下几个部 分组成： ( 1 ) m c u 考虑到实用性设计原则，本产品采用的单片机是p h i l i p s 公司的p 8 9 c 5 8 r c 2 ， 其兼容标准m c s - 5 1 指令系统。由于显示控制器软件编程采用c 语言编程，与采 用i 厂编相比，对程序空间的要求较大，p 8 9 v 5 1 r c 2 片内含3 2 kb y t e s 的可反复擦写 的f l a s h 只读程序存储器。功能强火的p 8 9 v 5 1 r c 2 单片机可为您提供许多高性价 比的应用场合可灵活应用于各种控制领域睇3 。 第二章工业称重仪表设计总体方案 辱匝芦 图2 3 称重仪表控制显示器硬件结构框图 ( 2 ) 电源模块 电源模块由本人设计完成，是基于t o p 2 4 4 y 的单片开关电源，先直接得到2 4 v 、 9 v 电压其中2 4 v 电压供i o 输出，9 v 经过7 8 0 5 得到稳定的5 v 供主控板和设定显 示板使用。 ( 3 ) 时钟模块 采用基于i2 c 通讯的p c f 8 5 6 3 实现实时时钟，将在第三章详细介绍。 ( 4 ) 存储器 6 2 6 4 是8 k x 8 位静态随机存储器，用于存储累计数据和变量。因6 2 6 4 是 8 k 容量的r a m ，故要用到1 3 根地址线( a o - a 1 2 ) 。6 2 6 4 扩展电路如图2 4 所示。 本接口方案采用地址完全译码设计。使用了7 4 l s l 3 8 译码器为扩展的存储器 分配地址空间。给6 2 6 4 数据存储器分配惟一的地址空间是：0 0 0 0 h - - - 1 f f f h 。 ( 5 ) 采集模块 采用2 4 位高精度a d 转化芯片c s 5 5 3 2 ，具体在第五章详细介绍。 ( 6 ) 通讯模块 提供4 8 5 或2 3 2 通讯接口供与上位机通讯。 ( 7 ) 打印接口 提供打印接口打印累计包数和累计重量。 ( 8 ) 人机界面 提供两个显示窗口( 8 位数码管和5 位数码管) 、8 盏l e d 指示灯以及4 个按键。 工业称重仪表设计 1 0 9 8 _ ； 6 5 4 3 6 2 6 - l v c c c s 2 2 s 2 6 图2 4 外部r a m 扩展图 ( 9 ) i o 模块 输入：手动加料、手动放料、暂停启动、手动自动、上袋。 输出：夹袋、热合打码、放料、快加、中加、慢加、加料指示灯、放料指示 灯、到量指示灯、暂停指示灯、报警指示灯。 2 2 2 硬件抗干扰措施 为了保证下位机系统能可靠、稳定的运行，在设计下位机硬件系统时主要考 虑到了以下的一些硬件抗干扰措施【6 】： ( 1 ) 合理选择良好的元器件：现在市售的一些元器件，性能不是很好，极易 受到干扰，只能在很好的环境( 指电压稳定，没有磁干扰) 下正常工作。因此， 在选购元件时，特别是单片机、晶振等都需要良好的选择。系统设计时，根据电 器参数选择合理器件以满足系统性能要求。尽量选用集成度高、温漂小、抗干扰 性能好以及功耗小的元器件。 ( 2 ) 配置去耦电容：设计印刷线路板时，每个集成电路的电源，地之间都加 一个去耦电容。去耦电容有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容，提供和 吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能；另一方面旁路掉该器件的高频噪声。 一一一一 一一一一一一一一一一一一一一一h1ii， 程一傀 m m m ；s 所 渤 u ，- - l 肋舭越心斛彤舶前 箸| 川； 觚 一岱 一一一一一 耋糕if 踟一黝一脱一附一科一j主i一晰一肼一址一 渤一必一观一必一科一阱一 蹦一拼 第二章工业称重仪表设计总体方案 ( 3 ) 遵守布线规则：布线时，接地线尽量加粗。元件在印刷线路板上排列的 位置充分考虑抗电磁干扰问题，原则之一是各部件之间的引线要尽量短。在布局 上，把模拟信号部分，高速数字电路部分，噪声源部分( 如继电器，大电流开关 等) 这三部分合理地分开，使相互间的信号耦合为最小。 2 3 工业称重仪表软件架构 由于称重控制器的核心控制作用，工业称重仪表的软件实际上就是称重控制 器软件，在介绍工业称重仪表整个软件架构之前，这里有必要先介绍一下称重控 制器的参数设定，这样能对整个称重控制器的操作有更加深刻的理解，有利于对 整个软件框架理解。 2 3 1 称重控制器的参数设定 本产品的功能非常丰富，所有参数的设置和部分功能的操作在称重显示控制 仪表的面板上进行，为了避免误操作设计有对应密码，只有输入正确密码才能进 行相应的参数设置和操作。 ( 1 ) 密码及参数输入方法： 在称重状态下，按“设置”键一次，显示包装重量；再按“设置”键一次， 显示“p0 0 0 0 ，且左起第一位“0 ”闪烁，按“一键改变闪烁位，按“f 键 改变闪烁位数值，输入密码，按“设置”键一次确认并进入显示参数( 单设置项) 或设置项状态( 多设置项) 。 ( 2 ) 单设置项 按“一”键改变闪烁位，按“f ”键改变闪烁位数值，输入参数值。按“项 目键一次不保存退回称重状态；按“设置”键一次保存退回称重状态。 ( 3 ) 多设置项 ， 按“项目”( 递增) 、“一”( 递减) 键选择设置项，按“设置”键一次进入显 示参数状态，按“一”键改变闪烁位，按“f 键改变闪烁位数值，输入参数值。 按“设置”键一次，保存并退回下一个设置项；按“项目”键一次不保存并退回 下一个设置项。“0 0 ”设置项时按“设置”键一次，退回称重状态。 工业称重仪表设计 2 3 2 整体软件流程 称重控制器的整体软件流程主要包括初始化、a d 采集处理、显示状态组、称 重控制组几个模块组成，如图2 5 所示。 2 3 3 软件抗干扰措施 虽然在硬件设计过程中已经采取了相关抗干扰措施，但是并不能排除所有各 种干扰，这时有必要采用各种软件抗干扰措施，与硬件措施相结合，提高系统工 作的可靠性。措施主要有：在设计中坚持程序结构化，功能模块化原则；读键盘 时，采取了防抖动的设计。 2 4 本章小结 本章首先介绍了称重控制系统的工作原理，其次根据称重控制系统应具有的 硬件功能和设计原则，确定了总体的硬件设计方案；在充分考虑了系统的设计要 求的基础上，选取了p h i l i p s 公司的p 8 9 v 5 1 r c 2 型单片机作为控制器的微处理器， 并对与控制器相关的外围电路进行了设计。然后介绍了称重控制器参数设置及整 个软件流程，采用了模块化程序设计，根据功能要求将整个程序分为四个部分。 整个软件、硬件系统的设计过程，严格遵循了系统的设计原则，并以实际需要作 为出发点，设计的软硬件系统能满足称重控制系统的要求。在软硬件设计的每个 环节中都充分地考虑到了抗干扰的具体措施。 第二章工业称重仪表设计总体方案 包 置 子 子 重 图2 5 称重控制器的整体软件流程 理 l 检测 l 理 j 工业称重仪表设计 第三章基于i2 c 总线的实时时钟 本章首先介绍了p c f 8 5 6 3 时钟芯片的特点以及1 2 c 总线原理，然后对实时时 钟进行了软硬件设计，实现了实时时钟的功能。 3 1p c f 8 5 6 3 时钟芯片介绍 p c f 8 5 6 3 是一种功耗很低的实时时钟芯片，它具有可编程时钟输出，中断输 出和掉电检测等功能，通过1 2 c 总线接口串行传递，最大传输速率为t 4 0 0 k b i t s s ， 每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动增加，以便继续读取相应数据。 3 1 1p c f 8 5 6 3 各引脚功能 p c f 8 5 6 3 引脚排列和各引脚的功能分别如图4 1 和表4 1 所示。 o s c i o s c o i n t v s s 图4 1p c f 8 5 6 3 引脚图 表4 1p c f 8 5 6 3 引脚功能说明 符号管脚号 描述 o s c il 振荡器输入 o s c o2振荡器输出 i n t3 中断输出( 开漏：低电平有效) v s s 4 地 s d a5 串行数据i o s c l6 串行时钟输入 c l k o u t7时钟输出( 开漏) v d d8 正电源 篡： 第三章基于1 2 c 总线的实时时钟 3 1 2p c f 8 5 6 3 的内部结构 p c f 8 5 6 3 有1 6 个8 位寄存器分别是：自动增量的地址寄存器，3 2 7 6 8 k h z 的振 荡器( 带有一个内部集成的电容) ，分频器( 用于给实时时钟r t c 提供源时钟) ，可编 程时钟输出，定时器，报警器，掉电检测器和4 0 0 k h z l 2 c 总线接口。所有寄存器所 对应的地址如表4 2 和4 3 所示引。 表4 2 控制寄存器 地址 寄存器名称 b i t 7 b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i t l b i t o o o h 控制状态寄存器lt e s t0s t o p0t e s t c0o0 0 l h 控制状态寄存器2000t i t pa ft fa i et i e o d h c l k o u t 频率寄存器 f ef d i f d o o e h 定时器控制寄存器 t e t d it d o 0 f h 定时器倒计数数值寄存器 定时器倒数计数数值 表4 3b c d 寄存器 地址 寄存器名称 b i t 7b i t 6b i t 5 b i t 4b i t 3b i t 2b i t l b i t o 0 2 h 秒 v l 0 0 5 9 b c d 码格式 0 3 h分钟 0 0 5 9 b c d 码格式 0 4 h 小时0 0 2 3 b c d 码格式 0 5 h 日 o l 一3 1 b c d 码格式 0 6 h星期0 6 0 7 h 月世纪 c o l 一1 2 b c d 码格式 0 8 h 年0 0 9 9 b c d 码格式 0 9 h 分钟报警 a e 0 0 5 9 b c d 码格式 0 a h 小时报警 a e 0 0 2 3 b c d 码格式 o b h 日报警a e o l 一3 1 b c d 码格式 o c h 星期报警 a e 0 - 6 这里以典型的日寄存器为例说明寄存器位的功能，其它寄存器的功能的类似， 7 6 位无效，5 0 位代表b c d 格式的当前日数值值为0 1 3 1 ，当年计数器的值是 工业称重仪表设计 闰年时，p c f 8 5 6 3 自动给- , 9 增加一个值使其成为2 9 天。 在程序设计的过程当中，上面所涉及到的寄存器储存的内容都是b c d 形式的， 它们都要转换成十进制，以有得于对数据的进一步处理，日的b c d 至u 十进制转换代 码如下： u c h a rb c d t o t e n 2 ( u c h a rb c d n u m ) u c h a rt e n n u m ： t e n n u m = o x o f & b c d n u m ： b c d n u m = b c d n u m 4 ： b c d n u m = o x 0 3 b c d n u m ： t e n n u m = t e n n u m + 1 0 木b c d n u m ： r e t u r n ( t e n n u m ) ： 其它如年、月、时、分、秒的十进制与b c d 码的转换代码不再举例。 3 1 3p c f 8 5 6 3 的其它功能 p c f 8 5 6 3 除了记时的功能以外，还具有报警、定时等功能，但本设计并没有 用到，这里只作简单的介绍。 报警寄存器清零时，相应的报警条件才会有效，一个报警将在每分钟至每星 期范围内产生一次。设置报警标志位a f ( 控制状态寄存器2 的位3 ) 用于产生中 断，a f 只可以用软件清除。 定时器设置标志位t f 用于产生一个中断，t i t p 控制中断产生条件，通过软 件设置8 位的二进制数倒计数，每隔一个倒计数周期就会产生脉冲中断信号，读 定时器时返回倒计时设定值。 3 212 0 总线原理 3 2 112 c 总线概述 近年来，芯片间串行数据传输技术被大量采用，串行扩展接口和串行扩展总 第三章基于1 2 c 总线的实时时钟 线的设置大大简化了系统的结构。由于串行总线连接线少，总线结构比较简单， 不需要专用的插座而直接用导线连接各种芯片即可。因此，采用串行总线可以使 系统的硬件设计简化、系统的体积减小、可靠性提高，同时，系统的更改和扩充 极为容剔引。 本论文采用的1 2 c 是p h l i p s 公司推出的一种高性能芯片间串行传输总线，它 具有很多接口不能相比的优势，它只用通过两根连线即可实现了全双工同步数据 传送，节省了单片机的资源，可以很容易扩展外围器件。当前很多器件通过片选 线寻址，而1 2 c 总线采用了器件地址的配件设置方法，通过软件寻址即可，从而 使硬件系统具有更简单、更灵活的扩展方法。 1 2 c 总线进行数据传输时只需两根信号线，一根用传输双向数据的数据线 s d a ，一根用于传送时钟信号的时钟线s c l 。每个接到1 2 c 总线上的设备都有一 个惟一的地址，当有多个1 2 c 通信的设备时，各设备的串行数据都接到总线的s d a 线上，时钟均接到总线的s c l 线上。 一个1 2 c 总线可以有多个主机，总线运行由主机控制。这里所说的主机指启 动数据的传送这，发出时钟信号，传送结束时发出终止信号的设备。通常主机由 各种单片机或其它微处理器担当，被主机寻访的设备叫从机，它可以是各种单片 机、存储器、l e d 驱动器、a d 或d a 转换器、时钟日历器件等【8 】o1 2 c 总线的基 本结构如图4 2 所示。 s s 图4 21 2 c 总线的基本结构 从理论上讲，可以连接到总线上的器件数目可以最多有1 0 2 4 个器件，总线上 数据传输率在各个模式下不同，一般可达1 0 0 k b s ，最高可达3 4 m b s 。 工业称重仪表设计 3 2 2i = c 总线起始与终止 本文采用的m c u 不需要带有1 2 c 总线接口，在这样的系统中，只有单主方式， 利用m c u 的p 3 2 和p 3 3 即可完全实现1 2 c 总线上主节点对1 2 c 总线器件的读、 写操作。采用的方法就是利用软件实现1 2 c 总线的数据传送，即软件与硬件相结 合的信号模拟。 根据1 2 c 总线协议的规定，s c l 线为高电平期间，s d a 线由高电平向低电平 的变化表示起始信号；s c l 线为高电平期间，s d a 线由低电平向高电平的变化表示 终止信号，起始和终止如图4 2 2 所荆。 s占：二二二j、一一一一一、。一，厂丁 图4 31 2 c 总线起始与终止 1 2 c 总线数据传输起始代码： v o i d1 2 c s t a r t ( v o i d ) e a = 0 ； s d a = i ；s c l = i ；s o m e n o p 0 ； s d a = 0 ；s o m e n o p 0 ；| l 趴姆a 。 s c l = 0 ； 1 2 c 总线数据传输终止代码： v o i d1 2 c s t o p ( v o i d ) s c l = o ；s d a = 0 ；s o m e n o p ( ) ； s c l = i ；s o m e n o p o ；s d a = i ；s t o p e a = i ； ) - 1 4 第三章基于1 2 c 总线的实时时钟 3 2 3i = c 总线数据传送 1 2 c 总线上传输的数据信号是广义的，即包括地址信号，也包括真正的数据信 号。按总线规约，起始信号后便为寻址这字节，其中高7 位为被寻址的从机地址， 最低一位为数据传送的方向，“0 ”时表示主机写数据，“l ”时表示主机读数据。 利用1 2 c 总线进行数据传送时，传送的字节数是没有限制的，每传送一个字 节数后都跟随一位应答信号，与应答信号相对应的时钟由主机产生，主机在这一 时钟位上释放数据线，使其处于高电平状态，以便从机在这一位上送出应答信号 ( 低电平) ，并表示继续接收，若从机输出高电平则表示为非应答信号，表示结束 接收。 主机写数据时代码： v o i d1 2 c s e n d b y t e ( u c h a rc h ) u c h a ri = 8 ； w h i l e ( i 一) s c l = o ；- n o p - ( ) ； s d a = ( b i t ) ( c h & 0 x s 0 ) ； c h s c l = 0 ； ) 主机读数据时代码： u c h a r1 2 c r e c e i v e b y t e ( v o i d ) u c h a r _ 8 ； u c h a rd d a t a = 0 ； s d a = i ； w h i l e ( i 一) 工业称重仪表设计 d d a t a 输出电压、电流。添加的电压、 电流如下：9 v o 4 a 、9 v o 3 a 、2 4 v o 3 a 和2 4 v 0 5 a 。 图4 2 软件设计参考方案 4 点击下一步，选择地区a s i a 。 5 点击完成，生成设计结果。软件自动将功率最大的一端作为反馈端即为 2 4 v o 5 a 。此时生成的结果并不是最优的，只是软件机械地根据输出结果得 第四章开关电源设计 到的方案。a c t i v ed e s i g n 一 s t a r to p t i m i z a t i o n 进行优化。 6 由软件生成的参考方案中，作为反馈的那一路输出的精度要求相对较低，故 选取9 v o 4 a 这一路输出作为反馈，具体操作是：单击任何一路输出，在弹出的 对话框中的m a i n 选项中选择o u t p u t 2 。 至此就生成了参考方案，设计方案中各种参数均可在d e s i g nr e s u l t 中查看， 包括对各种元器件的要求、变压器的材料和绕制方法等。 4 3 2 设计的开关电源最终方案 即使通过软件的自身优化，由软件生成的开关电源方案并不是本设计的最佳 方案，但这也并不意味着由软件生成的方案一无是处，本设计对由软件生成的方 案作了参考，原来的大体框架是正确的。 基于所需的电压的精确性考虑，我们最终所需要的电压并不是由开关电源直 接生成的，而是先由开关电源生成一定电压，再设计相关的电路，经过相关电路 转换得来的。 在参考方案中，钳位电路太过于简单，为了进一步确保电源的变压器安全、 正常的工作，本设计加强了钳位保护电路。 开关电源最为核心的部件就是变压器，由软件设计的方案生成了变压器的各 项参数，但那只能作为参考，实际上，变压器的设计过程是相当艰辛的，远比想 像当中要复杂得多。 参考的开关电源方案中其它的元器件虽然存在，但很多在附近都买不到，只 能根据开关电源电路中对相关元器件与电压和电流有关的特性，必须对元器件进 行重新选择。 如图4 3 所示的开关电源的最终方案图：该电路带有e m i 滤波，带有d 1 、 d 2 、c 3 、r 2 钳位，欠电压，过电压，过电流保护，并增加光耦软启动电路，实 现四路电直流输出，保证精准9 v 。输入为世界通用的宽范围交流8 5 v - - 2 6 5 v ，交 流输入保护电路由保险丝和e m i 滤波器( x 安全电容c 1 和共模扼流圈l c m ) 组成， 再经过d b l 0 7 的半波整流之后到达高频变压器的初级。电容c 4 为“安全电容 ， 是一种y 电容，接在直流高压端与输出地之间，能把t o p 2 4 4 y 的共模干扰减至最 少。初级钳位部分( 由d 1 和d 2 组成) 能够吸收再m o s f e t 关断时由高频变压器一 工业称重仪表设计 图4 3 开关电源的最终方案 次绕组漏感产生的尖峰脉冲电压，使得漏极电压在任何情况下均低于7 0 0 v 。并 且加入了钳位缓冲电路c 3 ，r 2 从而减少钳位管的损耗。该电路过使用3 片集成 电路：t o p 2 4 4 y 为6 端单片开关电源( t p l ) ，线性光耦p c 8 1 7 ( p c i ) 和可调式精 密并联稳压器t l 4 3 1 ( t l l ) 。输出电压v o ( 9 v o 4 a ) 经过电压分压器r 6 、r 7 取 样，与t l 4 3 1 中的基准电压2 5 v 比较后产生误差电压，再经过光耦的隔离和传 输之后来