胶合板配料单片机控制系统的研制.doc

桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 编号 毕业设计 论文 说明书 题 目 胶合板配料单片机胶合板配料单片机 控制系统的研制控制系统的研制 摘 要 胶合板广泛应用于家具制造 室内装修 以及工程建筑 车船制造 包装等行业 近年来中国胶合板产品质量有了大幅提升 在国际市场上竞争力越来越强 中国不仅 是胶合板出口大国 还是世界第一大胶合板生产国 随着中国基础设施建设规模的扩 大与中西部开发力度的加强 胶合板的市场潜力巨大 胶合板生产过程中原料的配比对其品质起着重要的影响 配料控制器对于加大胶 合板的生产能力起到很大的作用 配料控制器是一种广泛应用于建材 化工 治金 医药 饲料等行业中的配料称重仪器 配料控制器的主要要求是具有高速 高精度 高可靠性及高稳定性 而且在整个过程中需要动态连续或间歇性动态连续运行 还可 以进行手动和自动模式切换 本课题是以单片机为核心 设计和制作一套胶合板配料单片机控制系统 利用称 重传感器对配料进行重量测量 检测到的压力信号进过放大电路进行放大后通过 A D 转换将信号传给单片机 配于按键进行系统的控制 最后通过 LCD1602 进行显示 并 将实际采集总重量值和预置总值进行比较 若超出预置总值则进行超重报警 该系统 达到 2 FS 的精度要求 实现基本功能 电路简便 使用效果好 能够达到设计客观 要求 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 关键词 单片机 配料控制器 模式切换 称重传感器 控制系统 Abstract Plywood is widely used in furniture manufacturing interior decoration and engine ering construction travel manufacturing packaging and other industries In recent years China plywood products quality to have dramatically and in the international market competition is more and more strong China is not only plywood exporting countries b ut also the world s largest plywood producing countries With China s infrastructure cons truction and the expansion of the scale of the Midwest development efforts to strengt hen plywood market potential is tremendous The ratio of materials to quality plays an important influence in plywood production process ingredients controller for the production capacity increasing plywood has played a significant role Batching controller is a widely used in building material chemical industry metallurgy medicine feed etc of the ingredients weighing apparatus The main requirements batching controller is a high speed high accuracy high reliability and high stability and in the whole process needed to dynamic continuous or intermittent dynamic run continuously 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 also can undertake manual and automatic mode switch This subject is based on single chip microcomputer as the core design and produce a plywood ingredients single chip microcomputer control system Use weighing transducer to ingredients weight measurement detection to the pressure signal of entered amplifier circuit to amplify through after A D conversion will signal to the single chip microcomputer match in the system control buttons and finally LCD1602 through that and will actually be collection total weight value and preset value compared if exceed the preset value for overweight alarm System to achieve the accuracy requirements of 2 FS Basic functions Circuit is simple the use of effective able to meet the design objective requirements Key words single chip microcomputer controller model switching data acquisition control system 目 录 引言 1 1 绪论 1 1 1 课题研究背景 1 1 2 课题研究的目的和意义 2 1 3 设计的主要任务 2 2 配料控制系统的相关知识介绍 3 2 1 配料系统的工作原理及其作用 3 2 1 1 配料系统主要功能说明 3 2 1 2 部分功能操作说明 4 2 2 控制系统构成 5 2 2 1 上位机单元 5 2 2 2 下位机单元 5 2 2 3 触摸屏 5 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 2 3 系统创新优点 5 3 3 方案设计方案设计 6 3 1 设计要求 6 3 2 设计思想 6 3 3 方案确定 7 4 硬件设计制作 8 4 1 设计原理 8 4 2 系统器件选择和电路设计 8 4 2 1 配料运行控制模块 8 4 2 2 称重传感器的基本工作原理 10 4 2 3 前置放大电路 12 4 2 4 称重与放大模块电路 14 4 2 5 单片机 AT89S52 15 4 2 6 模数转换器 ADC0832 19 4 2 7 液晶显示模块 LCD1602 21 4 2 8 按键和开关电路 24 4 2 9 超重报警电路 24 4 2 10 通电控制开关和显示模块 25 4 2 11 PCB 的排版 25 4 3 电路板的制作过程 26 4 3 1 电路板图形的熨烫 26 4 3 2 腐蚀电路板 26 4 3 3 电路板的钻孔和焊接 27 5 软件设计 28 5 1 C 语言的介绍与选用 28 5 2 程序的设计 28 5 2 1 采集转换模块 29 5 2 2 液晶显示模块 30 5 2 3 键盘和拨动开关模块 31 5 2 4 超重报警模块 31 5 3 程序设计小结 32 6 6 系统的调试系统的调试 33 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 6 1 硬件的调试 33 6 2 软件的调试 33 6 3 调试过程中遇到的问题 34 6 4 调试获得的结果 34 7 总结和憧憬 37 7 1 总结 37 7 2 憧憬 38 谢 辞 39 参考文献 40 附 录 41 附录一 系统设计原理图 41 附录二 样机原理图 43 附录三 PCB 图 45 附录四 47 系统主程序 47 键盘输入程序 54 液晶显示子程序 56 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 1 1 页页 共共 5656 页页 引言 胶合板因为其强大的实用功能而被广泛使用 随着中国经济的快速增长 近年来 中国胶合板产品质量本身 也有了大幅提升 在国际市场上竞争力越来越强 中国不 仅是胶合板出口大国 还是世界第一大胶合板生产国 随着中国基础设施建设规模的 扩大与中西部开发力度的加强 胶合板的市场潜力巨大 胶合板生产过程中原料的配 比对其品质起着重要的影响 配料控制器对于加大胶合板的生产能力起到很大的作用 配料系统是一种用于工业 如胶合板配料 农业 如饲料配料 生产上自动化的 配料设备 通常是由带有自动配料算法软件的电脑 微机 作为其自动配料的控制系 统 随着工业对生产能力的要求越来越大 自动化必将完全取代过去的手工模式生产 自动配料系统是精细化工厂生产工艺过程中一道非常重要的工序 配料工序质量对整 个产品的质量举足轻重 自动配料控制过程是一个多输入 多输出系统 各条配料输 送生产线严格地协调控制 对料位 流量及时准确地进行监测和调节 配料系统的核 心硬件均采用优质产品 其中控制仪表采用优质称重控制仪表 它具有高精度 高可 靠性 抗干扰能力强等特点 传感器选用高精度称重模块 称重模块安装简单 维护 方便 为系统长期稳定性提供了可靠的保证 因此配料系统精度高 速度快 稳定性 能好 自动化程度高 配料系统的推广对于加大工业生产能力有着重大意义 其高度自动化减轻劳动强 度 保障生产的可靠性 安全性 降低生产成本 减少环境污染 可以使企业生产提 高产品的质量及经济效益 1 绪论 自动配料系统是精细化工厂生产工艺过程中一道非常重要的工序 配料工序质量 对整个产品的质量举足轻重 自动配料控制过程是一个多输入 多输出系统 各条配 料输送生产线严格地协调控制 对料位 流量及时准确地进行监测和调节 1 1 课题研究背景 胶合板具有变形小 幅面大 施工方便等优点 广泛应用于家具制造 室内装修 以及工程建筑 车船制造 包装等行业 随着中国经济的快速增长 成为促进胶合板 市场需求的强劲牵引力 华北 华东以及长江中下游一带速生丰产林木材大量涌进市 场 以及国外优质阔叶木材的不断补充 汇成中国胶合板工业不断发展的巨大原料提 供源泉 充足的人力资源 也是中国发展胶合板工业的成本核算与其他胶合板生产国 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 2 2 页页 共共 5656 页页 相比占有优势的重要因素 近年来中国胶合板产品质量本身 也有了大幅提升 在国 际市场上竞争力越来越强 中国不仅是胶合板出口大国 还是世界第一大胶合板生产 国 随着中国基础设施建设规模的扩大与中西部开发力度的加强 胶合板的市场潜力 巨大 胶合板生产过程中原料的配比对其品质起着重要的影响 配料控制器对于加大 胶合板的生产能 力起到很大的作用 配料控制器是一种广泛应用于建材 化工 治金 医药 饲料等 行业中的配料称重仪器 对配料控制器的主要要求是具有高速 高精度 高可靠性及 高稳定性 而且在整个过程中需要动态连续或间歇性动态连续运行 还可以进行手动 和自动模式切换 随着科学技术的日新月异 生产过程自动化程度要求越来越高 原有的生产配料 装置远不能满足当前高度自动化的需要 减轻劳动强度 保障生产的可靠性 安全性 降低生产成本 减少环境污染 提高产品的质量及经济效益是企业生产必须面临的重 大问题 目前电子称重配料控制系统已广泛应用于建材 化工 冶金等多种行业中 它集 自动控制技术 计量技术 传感器技术 计算机管理技术于一体的机电一体化系统 具有重量值数字显示 过程画面动态显示 配方修改管理 配料速度快 控制精度高 等优点 采用上位计算机完全屏上控制系统 具有配料数据自动存储 配料过程清单 查询和班 日 月 年报表统计及打印等功能 系统采用开放的控制方式 兼容性强 开放的数据库 通过以太网可接入厂级局 域网 可实现管控一体化 随着对配料控制系统能力的开发 系统必将更加完善 这 对于工业生产能力的发展必将是一次重大的突破 科技改变世界 1 2 课题研究的目的和意义 由于胶合板自身优点突出 其在各个领域的应用必将更加广泛 原料的配比对其 品质起着重要的影响 配料控制器对于加大胶合板的生产能力起到很大的作用 随着 工业自动化的发展 对于配料的控制的需要更加高的要求 而采用单片机为核心的配 料系统具有操作简单方便 可靠性强 人机界面友好 功能完备等特点 可广泛应用 于饲料 粮食 制药 冶金 化工等需要电脑自动配料的行业 智能化信息化水平高 这对于生产向自动化的发展有着更大的推动作用 1 3 设计的主要任务 本文主要以 AT89S52 单片机为控制核心 实现配料比重量基本控制功能由电源 称重传感器 A D 转换器 单片机 键盘 开关 LED 显示器 控制执行系统等部分组 成 系统的软件部分应用单片 C 语言进行编程 实现了该设计的全部控制功能 单片 机控制系统利用传感器的作用来显示出配料的重量 完成一些列控制任务和要求 得 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 3 3 页页 共共 5656 页页 出设计所要求的数据 2 配料控制系统的相关知识介绍 集自动控制技术 计量技术 传感器技术 计算机管理技术于一体的机电一体化 系统 具有重量值数字显示 过程画面动态显示 配方修改管理 配料速度快 控制 精度高等优点 下图 2 1 就是配料系统运行界面 图 2 1 配料控制系统运行界面 2 1 配料系统的工作原理及其作用 2 1 1 配料系统主要功能说明 1 实现手动操作和自动控制配料功能 2 美观实用的生产过程动态模拟 能显示实时的工作状态和每种物料的目标重量 实际重量及误差值 3 存贮配方预置 可随时进行配方调用 修改 删除和查询 4 在配料过程中 具有缺料自动报警 并可在线人工更换装有相同物料的仓号 5 具有操作员权限管理 现场管理和网络化的远程服务等功能 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 4 4 页页 共共 5656 页页 6 采用工业计算机作为上位机监控系统 配以 WINCC 监控组态软件 保证系统的 稳定性 可靠性 长期性 7 整个系统均为人机对话模式 操作简单易用 维护方便 8 可实现远程管理 控制室的计算机可与总经理室的计算机联网 总经理室内 可实时查看生产情况和生产报表 9 采用变频器控制下料 可提高配料精度 从而提高产品的质量和稳定性 2 1 2 部分功能操作说明 1 手动 自动控制 配料系统画面设有工作状态显示 在不配料或配料暂停状态下 可以人工随意地 开启配料绞龙 但每次只能开启一台绞龙 在画面上只需鼠标点击对应的料仓下料绞 龙电机 弹出对话框 即可操作电机开 停 在配料过程中 手动操作无效 2 物料定义 点击 物料定义 按钮 打开物料定义画面 按照所有配方原料名进行填写 便于耗料统计 3 配方设置 在配料之前 必须进行配方设置 点击 配方设置 按钮 弹出配方设置画面 4 配方控制 点击 选择配方 按钮 弹出预先设置的配方名 选择所需要配料的配方名 按 确 认 即可 5 参数设置 配方设置完后 需要设置配料控制参数 点击 参数设置 按钮 打开控制参数设 置画面 按生产要求设置参数 生产批量 设置当前要自动配料次数 发添加信号时重量值 即卸料后重量值小于等于设定值时 发出添加小料信号 当设定值为零时 表示无添加加入 设定值不为零时 则通知现场加添加剂 配料秤开门报警时间 即从发出卸料信号时开始计时 当达到设定时间 即发出 卸料故障报警 零点附近值 即卸料后重量值小于设定值时 即视为零值 表示卸料结束 发出 关闭卸料门 当设定值太大 容易导致卸料不完全就关闭料门 当设定值太小 则常 常因为秤量斗内壁粘料而不能自动关门 导致卸料故障报警 配料顺序 设置生产配方的下料顺序 设定值 0 表示该仓号物料不参与配料 6 中途退出 当所设定的生产批量尚未完成 但又需要终止当前配方号的配料 按 中途退出 按钮 按提示确认 系统配完当前批次 即可自动退出 并提示配料已完成 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 5 5 页页 共共 5656 页页 7 实时显示每批配料过程数据 如每种物料的目标值 实际值 误差值和总计 值等 2 2 控制系统构成 2 2 1 上位机单元 1 硬件 上位机采用高品质的研华工控机 机箱 IPC 610P 主板 PCA 6003V P 1G 256M 内存 52X 光驱 80GHDD 硬盘 17 彩色显示器 USB COM 通信 接口 2 软件 采用西门子 WinCC 组态软件 它以 WINDOWS 中文操作系统作为其操作平台 充分 利用 WINDOWS 功能 图形界面较好 它能与单片机进行通讯 可读取 I O 状态 发送 I O 指令 具有报警 故障查询及打印功能 组态画面真实反映实时状态 工程设定及 配方输入多样 适应工况能力较强 而且软件设有不同的访问权限 可让不同权限的 人操作不同的内容 3 软件开发 单片机控制程序设计 监控组态软件及统计报表设计 2 2 2 下位机单元 1 单片机开发系统 配置通信模块 根据实际控制要求 配置不同型号 2 变频器及电气控制组件 采用三菱公司生产的变频控制器 E540 系列 根据实际控制电机功率要求 配置 不同型号 电气器件采用施耐德公司产品 3 称重传感器及称重仪表 如厂家原本已配有 为改造项目 可不选 2 2 3 触摸屏 可选件 可代替上位计算机 进行配料流程显示 配方管理 系统操作等 因存储空间少 不能存储配料数据 没有报表查询 打印等功能 2 3 系统创新优点 单片机代替了传统的机械传动及庞大的控制电器 实现了电气的自动化控制 通过对皮带电动机的变频调速 达到节约能源和提高配料精度 该系统具有功能 强大 方便灵活 可靠性高 低成本 易维护等优点 大大提高了配料精度 便于 计量的微机化控制 实现网络化生产管理 通过投产使用取得了良好的经济效益 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 6 6 页页 共共 5656 页页 3 方案设计 3 13 1 设计要求设计要求 在生产过程中 配料比对样品的品质好坏有着很大的影响 以单片机为核心 设计一个可以控制配料选择系统 1 系统可以全程控制配料变化 满足工作要求 2 电路简单合理 经济适用 3 实现配料的重量采集 并通过数字显示器显示出准确数值 4 可以进行手动 自动模式切换 超重报警 检测精确 3 2 设计思想 本次设计要实现的是功能是配料控制系统 通过从网上查阅的大量资料 我对配 料系统有了大致的了解 为了对配料系统有更直观的演示 我对于这次设计任务采取 了如下方案 1 采用 AT89C51 单片机作为控制电路的核心 2 利用电磁阀控制气缸运动实现进料过程 3 利用压力传感器检测压力信号经过放大电路进行放大 放大后的信号通过 ADC0832 将信号传给单片机的 I O 口 实现单片机对系统的控制 4 单片机通过对按键和液晶显示的控制能够客观看得出配料的变化和选择 蜂鸣 器和三极管可以实现配料超重报警 5 软件部分用 Keil C51 编写程序 在遵循系统原则的基础上 设计了系统的总体方案图如下图 3 1 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 7 7 页页 共共 5656 页页 AT89S52 按键 ADC0832 压力传感器 蜂鸣器报警 LCD1602 信号放大 配料 图 3 1 系统结构图 总体设计方案框图如下图所示 在时钟晶振的起振下 单片机系统有了运行的能 力 独立按键设置进配料初值和类型 拨动开关实现手动和自动模式切换 电磁阀控 制气缸运动实现进料过程 压力传感器检测压力变化信号经过放大电路放大后通过 ADC0832 将信号传给单片机 单片机进行处理 单片机处理好以后传给 LCD1602 显示 出相应的重量值 在单片机的处理过程中如果检测到重量值超过了设置的极限值 蜂 鸣器报警系统就会报警 这样就会达到配料控制要求 3 3 方案确定 1 采用 AT89S52 单片机作为核心控制芯片 组成控制电路 2 采用电磁阀控制气缸运动 3 采用压力传感器进行检测压力变化信号经 INA126 芯片实现放大信号功能 4 采用 ADC0832 来将进行放大后的信号进行 A D 转换 5 采用独立按键和 LED1602 来实现对配料的选择变化和显示情况 6 采用蜂鸣器和三极管来实现配料系统的超重报警 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 8 8 页页 共共 5656 页页 4 硬件设计制作 4 1 设计原理 电磁阀控制气缸运动实现进料过程 当重量变化后 压力施给传感器 该传感器 发生形变 从而使阻抗发生变化 同时使激励电压发生变化 输出一个变化的模拟信 号 该信号经放大电路 INA126 放大输出到 A D 转换器 转换成便于处理的数字信号 输出到 CPU 运算控制 CPU 根据程序将这种结果输出到显示器 按键可以进行初值 设定 拨动开关进行自动 手动模式接换 数据采集完毕后当采集总量值超过 800KG 时进行超重报警 4 2 系统器件选择和电路设计 4 2 1 配料运行控制模块 1 气缸 因为五种配料都是液体 所以本次设计使用气缸来控制配料 气缸是引导活塞在 其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件 它的原理就是将压缩空气的压力能转换为 机械能 驱动机构作直线往复运动 摆动和旋转运动 其由缸筒 端盖 活塞 活塞 杆和密封圈组成 根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力 由此来选择 气缸时应使气缸的输出力稍有余量 气缸因其性能好和控制简便被广泛使用 所以在 本次设计中我使用单作用气缸来控制液体配料的供给 2 电磁阀 在对气缸的控制中 我选择的是用电磁阀来控制气缸的 电磁阀是用电磁控制的 工业设备 用在工业控制系统中调整介质的方向 流量 速度和其他的参数 电磁阀 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 9 9 页页 共共 5656 页页 可以配合不同的电路来实现预期的控制 而控制的精度和灵活性都能够保证 电磁阀里有密闭的腔 在不同位置开有通孔 每个孔都通向不同的油管 腔中间 是阀 两面是两块电磁铁 哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边 通过控制阀 体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔 而进油孔是常开的 液压油就会进入不同的 排油管 然后通过油的压力来推动油缸的活塞 活塞又带动活塞杆 活塞杆带动机械 装置动 这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动 电磁阀的动作快速 功 率微小 外形轻巧 电磁阀响应时间可以短至几个毫秒 即使是先导式电磁阀也可以 控制在几十毫秒内 在对气缸的控制中 我选择的是气动电磁阀 通过通断电控制电磁阀线圈的充磁 和消磁 在弹簧力的共同作用下控制电磁阀阀芯的位置 从而控制气流的方向 气流方向 的改变同时改变气缸运动的方向 从而可以控制液体配料的输出量 电磁阀的工作状 态图如下图 4 1 所示 图 4 1 电磁阀工作状态图 3 继电器 因为电磁阀的电压是 24V 所以在设计中我使用继电器来实现电磁阀的通和关电 继电器实际上是用小电流去控制大电流运作的一种 自动开关 电磁继电器一般 由铁芯 线圈 衔铁 触点簧片等组成的 只要在线圈两端加上一定的电压 线圈中 就会流过一定的电流 从而产生电磁效应 衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回 弹簧的拉力吸向铁芯 从而带动衔铁的动触点与静触点 常开触点 吸合 当线圈断 电后 电磁的吸力也随之消失 衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置 使动触 点与原来的静触点 常闭触点 释放 这样吸合 释放 从而达到了在电路中的导通 切断的目的 继电器有标准化程度高 通用性好 可简化电路等优点 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 1010 页页 共共 5656 页页 在本次设计中 我是用的是常开继电器 当给继电器一个高电平时 继电器就会 闭合 使电磁阀动作而控制气缸 因为我要实现的是手动和自动模式 所以在自动时 我通过单片机给继电器一个信号 信号经过三极管放大后达到继电器的动作要求而动 作 实现要求 当在手动模式下工作时 通过开关来控制继电器动作 4 配料控制模块接线图 如下图 4 2 所示 五中液体配料用五个气缸和五个电磁阀控制配料的供给 当进 行自动模式是 S6 7 8 9 10 五个开关断开 单片机进行自动控制电磁阀 当进 行手动模式的时候 通过这五个开关来进行控制电磁阀的通和断 实现手动进料 Q3 PNP1E2C3B Q2 PNP1E2C3B Q4 PNP1E2C3B Q5 PNP1E2C3B Q6 PNP1E2C3B P11P12P13P15P14 5V K5K4K3K2K1 传传传传传传传传传传传传传传传 传传5传传4传传3传传2传传1 24V S10S9S8S7S6 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 1111 页页 共共 5656 页页 图 4 2 配料控制模块接线图 4 2 2 称重传感器的基本工作原理 传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置 用传感器首 先要考虑传感器所处的实际工作环境 这点对正确使用传感器至关重要 它关系到传 感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命 乃至整个的可靠性和安全性 因此传感 器外围电路的抗干扰能力是数据采集电路设计的关键环节 称重传感器主要由弹性体 电阻应变片电缆线等组成 内部线路采用惠更斯电桥 当弹性体承受载荷产生变形时 输出信号电压可由式 4 1 给出 4 Ein R R R R R R R R RR RR Eout 4 4 3 3 2 2 1 1 42 42 1 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理 弹性体 弹性元件 敏感梁 在外 力作用下产生弹性变形 使粘贴在他表面的电阻应变片 转换元件 也随同产生变形 电阻应变片变形后 它的阻值将发生变化 增大或减小 再经相应的测量电路把这 一电阻变化转换为电信号 电压或电流 从而完成了将外力变换为电信号的过程 电阻应变片 弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要 部分 1 电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上 即成为一 片应变片 他的一个重要参数是灵敏系数 K 我们来介绍一下它的意义 如式 4 2 所 示 设有一个金属电阻丝 其长度为 L 横截面是半径为 r 的圆形 其面积记作 S 其 电阻率记作 这种材料的泊松系数是 当这根电阻丝未受外力作用时 它的电阻 值为 R R L S 4 2 当他的两端受 F 力作用时 将会伸长 也就是说产生变形 设其伸长 L 其横 截面积则缩小 即它的截面圆半径减少 r 此外 还可用实验证明 此金属电阻丝 在变形后 电阻率也会有所改变 记作 对式 4 2 求全微分 即求出电阻丝 伸长后 他的电阻值改变了多少 我们有式 4 3 R L S L S S L S2 4 3 用式 4 3 去除式 4 2 得到 R R L L S S 4 4 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 1212 页页 共共 5656 页页 另外 我们知道导线的横截面积 S r2 则 s 2 r r 所以 S S 2 r r 4 5 从材料力学我们知道 r r L L 4 6 其中 负号表示伸长时 半径方向是缩小的 是表示材料横向效应泊松系数 把式 4 5 4 6 代入 4 4 有 R R L L 2 L L 1 2 L L L L K L L 4 7 其中 K 1 2 L L 4 8 式 4 7 说明了电阻应变片的电阻变化率 电阻相对变化 和电阻丝伸长率 长 度相对变化 之间的关系 需要说明的是 灵敏度系数 K 值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一 个常数 它和应变片的形状 尺寸大小无关 不同的材料的 K 值一般在 1 7 3 6 之间 其次 K 值是一个无因次量 即它没有量纲 在材料力学中 L L 称作为应变 记作 用它来表示弹性往往显得太大 很不 方便常常把它的百万分之一作为单位 记作 这样 式 4 7 常写作 R R K 4 9 2 弹性体 弹性体是一个有特殊形状的结构件 它的功能有两个 首先是它承受称重传感器 所受的外力 对外力产生反作用力 达到相对静平衡 其次 它要产生一个高品质的 应变场 区 使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变枣电信号的转换任务 3 检测电路 检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出 因为惠斯登电桥具 有很多优点 如可以抑制温度变化的影响 可以抑制侧向力干扰 可以比较方便的解 决称重传感器的补偿问题等 所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用 因 为全桥式等臂电桥的灵敏度最高 各臂参数一致 各种干扰的影响容易相互抵销 所 以称重传感器均采用全桥式等臂电桥 传感器结构原理图如下图 4 3 所示 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 1313 页页 共共 5656 页页 图 4 3 传感器结构原理图 桥式测量电路有四个电阻 其中任何一个都可以是电阻应变片电阻 电桥的一个 对角线接入工作电压 E 另一个对角线为输出电压 Uo 4 2 3 前置放大电路 经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低 经由电桥等电路变换后 的信号亦难以直接用来显示 记录 控制或进行 A D 转换 为此 测量电路中常设有 模拟放大环节 这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特 性的放大器来完成 在本次设计中采用的是美国Burr Brown 公司近期推出的一种精密仪表放大器 INA126 通过二个运放的组合 设计 使器件具有极低的静态电流和较宽的电源范围 经激光修正后的电路 具有很低的输入失调 输入漂移和极好的共模抑制比 其增益可 通过一个外接电阻在5 10000 范围内设置 1 INA126的性能特点 静态电流小 小于175 A 源范围宽 1 35 18V 调电压低 小于250 V 漂低 小于3 V 噪声 典型值35nV Hz 100kHz 时 率响应的典型值200kHz G 5 摆率的典型值0 4V s 输出 10V G 5 入阻抗的典型值109 4p F 模抑制比大于83 dB 共模电压为 11 25V时 2 INA126结构 INA126 的内部电路结构和引脚排列如下图4 4所示 它主要由N1 和N2 二个高精 度运放和四个精密电阻组合而成 INA126 其引脚功能如下 1 脚 8 脚 Rg 增益设置 端 一般接入精密电阻 3 脚 2 脚 IN IN 差分正负输入端 一般输入传感 器信号 7 脚 4 脚 V V 正负电源输入端 一般各自与地接入0 1 F 的去耦 电容 5 脚 Ref 参考输入端 通常接地 也可通过其调整失调电压 6 脚 Vo 放 大器输出端 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 1414 页页 共共 5656 页页 图4 4 内部电路结构和引脚排列图 3 基本接法 INA126 的基本连接电路如下图4 5所示 1 脚 8脚之间跨接增益电阻Rg 其增 益G 可由式4 10确定 输出电压V o 为G V IN V IN G 5 80k R g 1 4 10 为了降低噪声 应在电源输入端4 脚 7 脚与地接入0 1 F 0 47 F 的去耦电 容 另外 输出参考端Ref 与负载共地 以提高共模抑制能力 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 1515 页页 共共 5656 页页 图4 5 基本连接电路图 4 2 4 称重与放大模块电路 压力传感器是标准的电桥结构 当传感器受压时 R1 R4阻值发生变化 从而引起 输出电压差 并经INA126 放大输出Vo 压力传感器与INA126连接 将检测信号放大后 通过A D转换传输到单片机 如下图4 6所示 图4 6 检测放大电路图 D A C B C4 100uf C5 0 1uf C6 0 1uf 5V RP2 100K 5V 5V U 0 R6 300 传传传传传 3 2 6 1 8 74 U 1 INA 126 4 300 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 1616 页页 共共 5656 页页 4 2 5 单片机 AT89S52 1 主要性能 单片机 AT89S52 的主要性能分别为 与 MCS 51 单片机产品兼容 8K 字节在系统 可编程 Flash 存储器 1000 次擦写周期 全静态操作 0Hz 33Hz 三级加密程序存 储器 32 个可编程 I O 口线 三个 16 位定时器 计数器 八个中断源 全双工 UART 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 11 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指 针 掉电标识符 2 功能特性描述 AT89S52 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 使用 ATMEL 公司高密度非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产品指令和 引脚完全兼容 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编程器 在单 芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 AT89S52 为众多嵌入式控 制应用系统提供高灵活 有效的解决方案 AT89S52 具有以下标准功能 8k 字节 Flash 256 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 2 个数据指针 三个 16 位定 时器 计数器 一个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 片内晶振及时钟电路 另外 AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作 支持 2 种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工作 掉电保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器被冻结 单片机一切工作停止 直到下一个中断或硬件复位 为止 3 引脚结构 AT89S52 引脚结构图如下图 4 7 所示 图 4 7 单片机 AT89S52 引脚结构图 VCC 电源 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 1717 页页 共共 5656 页页 GND 地 P0 口 P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I O 口 作为输出口 每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平 对 P0 端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部程序和数据 存储器时 P0 口也被作为低 8 位地址 数据复用 在这种模式下 P0 具有内部上拉电 阻 在 flash 编程时 P0 口也用来接收指令字节 在程序校验时 输出指令字节 程 序校验时 需要外部上拉电阻 P1 口 P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 p1 输出缓冲器能驱 动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P1 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作 为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电 流 IIL 此外 P1 0 和 P1 2 分别作定时器 计数器 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和时器 计数器 2 的触发输入 P1 1 T2EX 具体如表 1 所示 在 flash 编程和校验时 P1 口接收低 8 位地址字节 表 1 P1 口引脚的第二功能 P2 口 P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器能驱 动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作 为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电 流 IIL 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 时 P2 口送出高八位地址 在这种应用中 P2 口使用很强的内部上拉 发送 1 在使用 8 位地址 如 MOVX RI 访问外部数据存储器时 P2 口输出 P2 锁存 器的内容 在 flash 编程和校验时 P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号 P3 口 P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 p2 输出缓冲器能驱 动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P3 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作 为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电 流 IIL P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能 第二功能 使用 RST 复位输入 晶振工作时 RST 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位 看门狗计时完成后 RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平 特殊寄存器 AUXR 地址 8EH 上的 DISRTO 位可以使此功能无效 DISRTO 默认状态下 复位高电平有效 PSEN 外部程序存储器选通信号 PSEN 是外部程序存储器选通信号 当 AT89S52 从外部程序存储器执行外部代码时 PSEN 在每个机器周期被激活两次 而在访问外部 数据存储器时 PSEN 将不被激活 引脚号第二功能 P1 0 T2 定时器 计数器 T2 的外部计数输入 时钟输出 P1 1 T2EX 定时器 计数器 T2 的捕捉 重载触发信号和方向控制 P1 5 MOSI 在系统编程用 P1 6 MISO 在系统编程用 P1 7 SCK 在系统编程用 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 1818 页页 共共 5656 页页 在 flash 编程和校验时 P3 口也接收一些控制信号 如表 2 所示 表 2 P3 口引脚第二功能 引脚号第二功能 P3 0 RXD 串行输入 P3 1 TXD 串行输出 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT0 外部中断 0 P3 4 T0 定时器 0 外部输入 P3 5 T1 定时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器写选通 ALE PROG 地址锁存控制信号 ALE 是访问外部程序存储器时 锁存低 8 位地 址的输出脉冲 在 flash 编程时 此引脚 PROG 也用作编程输入脉冲 在一般情况 下 ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲 可用来作为外部定时器或时钟使用 然而 特别强调 在每次访问外部数据存储器时 ALE 脉冲将会跳过 如果需要 通 过将地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位置 1 ALE 操作将无效 这一位置 1 ALE 仅在 执行 MOVX 或 MOVC 指令时有效 否则 ALE 将被微弱拉高 这个 ALE 使能标志位 地 址为 8EH 的 SFR 的第 0 位 的设置对微控制器处于外部执行模式下无效 EA VPP 访问外部程序存储器控制信号 为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序存 储器读取指令 EA 必须接 GND 为了执行内部程序指令 EA 应该接 VCC 在 flash 编 程期间 EA 也接收 12 伏 VPP 电压 XTAL1 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 从上述单片机介绍中可以看出 AT89S52 单片机功能强大 存储器有片内存储和片 外存储两种存储器 控制器的容量都是跟自身芯片面积成比例关系 内存容量大 内 部的 ROM 和 RAM 分工严格 位处理功能很强 单片机中对于逻辑的控制处理能力强 尤其体现在对位功能的处理 对位处理的同时 单片机的运行速度还是很快的 在本 次设计中 对于要实现的功能 采用 AT89S52 单片机足以满足要求 3 单片机最小系统 利用单片机的第 9 18 和 19 号管脚来实现单片机的最小系统如下图 4 8 所示 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第第 1919 页页 共共 5656 页页 C3 10uf R31K R2 10K SW SW 传传 C1 33pf C2 33pf P35 5V P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 E A V PP 31 X TA L 1 19 X TA L 2 18 RST VPD 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT 0 12 P3 3 INT 1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 T 1 P1 1 T 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSE N 29 A LE PRO G 30 P3 1 TX D 11 P3 0 RX D 10 V cc 40 G nd 20 A T89S5X D 0 A T89S5X P2 0 P2 1 P2 2 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P2 3 P2 4 P30 P31 P32 P33 P34 5V 图 4 8 单片机最小系统原理图 当按一下开关按钮 这时候就会给单片机一个复位的信号 这个复位信号是低电 平的 并且这个信号将会使单片机的程序从头开始运行 总的来说有两种复位方式 上电复位和手动复位 上电复位就是利用系统在一上电时利用电容两端电压不能突变 的原理给最小系统一个短时间的有效低电平 而手动复位就是通过按钮来接通并且给 低电平让系统进行复位的 这个时候如果手一直按着按钮 那么这个系统将会一直复 位 这样就不能使程序正常进行了 复位电路模块电路图如下图 4 9 所示 C3 10uf R21K R1 10K SW SW 5V 图 4 9 复位电路模块图 XTAL1 XTAL2 为片内振荡器的反相放大器的输入和输出端 可采用石英晶体或陶 瓷振荡器组成时钟振荡器 如需从