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DZ223基于PLC滚塑机系统设计,毕业设计
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目 录 目 录 . 1 第一章 绪论 . 3 第二章 方案论证 . 4 2.1 滚塑机简要工作过程 . 4 2.2 方案选择 . 4 2.2.1变频器 +PLC . 4 2.2.2 变频器 +单片机 . 5 第三章 系统设计 . 6 3.1系统组成 . 6 3.1.1 单片机 . 错误 !未定义书签。 3.1.2转台 . 7 3.1.3 变频器 . 7 3.1.4位移传感器 . 13 3.2单片机的组成 . 18 3.2.1 8031 的基本组成 . 18 3.2.2时钟电路 . 21 3.2.3 复位电路 . 22 3.2.4 定时器 /计数器的设计 . 23 3.3程序存储器与数据存储器的扩展 . 25 3.3.1 程 序存储器的扩展 . 25 3.3.2 数据存储器的扩展 . 27 3.4模拟量与数字量的转换 . 29 3.4.1 MCS-51 单片机与八位 DAC0832 的接口 . 30 3.4.2 MCS-51 单片机与八位 ADC0809 的接口 . 32 3.5 键盘和显示器 8279可编程键盘 /显示器接口 . 35 3.5.1 8279 的结构 . 36 3.5.2 8279 的引脚与功能 . 38 3.5.3 8279 接口和编程方法 . 40 3.5.4 显示器接口 . 41 3.5.5 键盘接口 . 41 3.5.6 8031 和 8279 的接口方法 . 43 第四章 软件设计 . 44 4.1初始化 . 44 4.3显示 . 51 nts 2 nts 3 第一章 绪论 在国外，滚塑已经是一个广泛采用的塑料成型工艺之一。在本世纪 40年代，开始用聚氯乙烯糊通过滚塑成型方法生产塑料 球之类的玩具等产品。 50年代，开发了以低密度聚乙烯粉状树脂为原料的聚乙烯滚塑成型工艺，生产聚乙烯贮槽、大型管材等工业产品，从而大大促进了滚塑工艺的发展。此后，尼龙、聚碳酸酯、ABS等多种塑料也相继采用滚塑工艺成型，到 70年代初，滚塑已成为一个颇具规模的塑料成型工艺。 20余家公司从事滚塑成型加工，其中有德国、法国、瑞士、挪威、奥地利、丹麦等国的公司。 70年代初、英国已能提供可生产容量达 18000L的容器的滚塑机； 1970年美国已有 500余家单位从事滚塑制品的生产拥有 500余台滚塑机 . 为了适应 制备大型滚塑制品的需要， 60年代末期开发了许多能滚塑成型大型制件，能有效地利用占地面积和热能的机器。 1970年，市售滚塑机中一半以上的滚塑机，其回转直径范围超过 1.75m。此外，机器的控制水平也得到了不同程度的提高，例如三臂式滚塑机 McNeilAuronismodd 3000-200可以分别控制各臂的加热、冷却周期，以便同时滚塑成型不同尺寸和不同物料的制品，其回转直径达5m，每个臂可承受的模具和树脂的总重量约 13500N；传热效果好，占地面积小的夹套式滚塑机也在这段时间设计、制造出来。 我国滚塑的开发研究 亦可追溯到 60年代，到 60年代后期，上海玩具行业已开始利用滚塑成型方法年产软聚氯乙烯小球；上塑三厂已成功地试制出容积 200L和 1500L的滚塑聚乙烯容器； 70年代中期，北京玻璃钢研制所开发成功滚塑尼龙容器并在森林灭火瓶等产品中得到应用。但真正大规模工业化生产，还是在 80年代中、后期，从国外引入先进滚塑设备与技术之后。目前，已能制备容器量20000L，以上的化工贮槽以及高塑全塑游艇等大型塑料制品，但决大多数厂家设备还是以进口为主。（滚塑 =旋转成型） nts 4 第二章 方案 论证 2.1 滚塑机简要工作过程 滚塑机的工作过程其实是一个过程控制。它有 3种操作方式 ,即手动、半自动和全自动 .设备分为 5个工作区域 ,分别为 :装料区、加热室预冷区、冷却室和卸料区 .机械臂上装有轮盘，以固定模具，机械臂由电机驱动的转台带动沿圆形轨道行驶到各区域。循环起始点为装料区 ,在此工作区内需实现盘的角度调整 ,使模具能在水平面上安全装料 ;第二步转台带动机械臂及模具转至加热室 ,在加热室中，机械臂前端由齿轮带动盘 3600 旋转，塑料材料在模具中滚塑成型 .在此工作区需实 现加热室温度控制和盘臂自动旋转及其转速调整 .第三步进入预冷区，在这个区域模具静止不动，使塑料部件凝固成型。第四步进入冷却区 ,用风冷却模具 ,利用风机来实现这一操作 .转台在每个区域停留的时间由工艺的需求来设定。我们只研究转台带动机械臂沿轨道旋转行驶部分。 2.2 方案选择 对于电动机控制小车在轨道上行驶有很多种办法， 本设计希望采用变频调速器作为电机的调速控制设备， 电机规格 为 ： 230VAC/3PH/60HZ/1700RPM。所以我们设计了两种方案：变频器 +PLC控制与变频器 +单片机控制。 2.2.1 变频器 +PLC 此种方案以 PLC 代替传统的继电器逻辑系统，利用逻辑运算实现设备的程序逻辑控制。 PLC 向设备传递信息，主要是控制设备的执行元件与电磁阀、接触器、继电器，以及确保设备运动部件状态的信号和故障信号。设备给 PLC 信息主要是设备主控板上各开关、按钮等信息。 将所有的 转台 位置机械极限更换成磁感应极限，既减少了日常的维护又增加了定位的可靠性，并将 转台 位置极限及上下阀极限引入 PLC 输入作为故障显示、报警及相关 转台 位置、 开关 的控制，将变频器由 PLC 控制，同时将变频器的状态引入 PLC 输入，所有的 开关 输出均由 PLC 控制，通过 编写 S7-400PLC 程序 ， 及设定变频器实现 转台 系统的自动定位、自动 开启等。 转台 电气系统硬件构成 本系统采用西门子 S7-400 系列 PLC， CPU 采用 412-2 DP 并通过 CPU412-2 DP直接与上位机 WINCC 组态软件进行通讯，输入模块采用 32 点 24V 直流输入模块共计 128 点，输出模块采用 32 点 24V 直流输出模块共计 64 点，变频器采用富士 G11 通用型变频器。 nts 5 2.2.2 变频器 +单片机 在本文设计系统中，采用变频调速器作为电机的调速控制设备，接受单片的 D/A 输出量作为变频器的给定值，按照给定值 工作。 本设计采用三相异步电动机，用 变频调速器作为电机的调速控制设备 。以单片机（ 8031）作为转台检测和控制核心。位置检测采用电涡流式位置传感器。运用国际标准编程语言。经济型控制，价格低廉，编程简单，操作方便。 综上 采用方案二作为设计方案。nts 6 第三章 系统设计 3.1系统组成 本系统由单片机、转台、变频器、传感器等几部分组成。系统框图如图所示。 下文将对每一部分系统组成进行具体介绍。 8 0 3 1键 盘 显 示 接 口 8 2 7 9传 感 器L E D 显 示器A / D 转 换键 盘R A M 扩 展变 频 器R O M 扩 展D / A 转 换 器M系统框图 3.1.1 单片机 单片机控制电路主要由一片 8031 及 程序存储器与数据存储器的扩展、 模拟量与数字量的转换等组成。主要用于实现转台位置检测控制、变频器对电动机的驱动以及键盘显示等功能。 考虑到电机的起动电流制动时比较小，不会造成电源电压不稳定，对单片机和传感器的工作产生干扰，所以，电机驱动电路和单片机以及传感器电路无须用光耦隔离。 nts 7 3.1.2 转台 转台上装有机械臂，由电动机来带动转台沿圆形轨道行驶。本 设 计 采 用 的 电 动 机 是 三 相 异 步 电 动 机 ， 型 号 为230VAC/3PH/60HZ/1700RPM。此电动机是由变频器来驱动控制的。对于电动机我们已经很了解，在此不再多加介绍，对于变频器，我们在下节中详细介绍。 3.1.3 变频器 在本文设计系统中，采用变频调速器作为电机的调速控制设备，接受单片的 D/A 输出量作为变频器的给定值，按照给定值工作。 由变频器控制电动机 具有以下明显优点： （ 1） .电机启动电流小，转矩大，避免了大电流冲击，节电显著。 （ 2） .节约备件，无需更换接触器等低压电器。 （ 3） .无需人工维护，可靠性极高。 下面我们对变频器做以详细介绍。 一、变频器原理 一般的变频调速系统主要采用交 -直 -交型变频装置。基本思路是先把三项交流电变为直流电，再经过逆变器变为频率可调的三项交流电。 根据不同的控制方式，可以有以下三种不同的变频调速方法，即恒磁通变频调速、恒流变频调速和恒功率变频调速。恒磁通变频调速是运用最多的一种变频调速方式，它必须在变频的同时进行调压，并在低频时加以补偿，以获得恒磁通恒转距调速特性。 图所示为交 -直 -交变频器的电路模型。 选用一组可控整流器把电网交流电源变换为可调的直流电，接着再用一组桥接开关 TH1、 TH2、 TH3 和 TH4 对负载 R1 提供交流电压，其幅度由前组可控整流电路的控制角 a 决定，而频率 f则由后组桥接开关器件的导通规律决定。 （画图） 变频单元原理图 : nts 8 二、变频器的基本结构 图所示为交 -直 -交型变频调速电路的两种典型 结构框图，就功能而言，同类变频器的基本结构大同小异，一般由整流电路、滤波电路、逆变电路及控制电路几部分组成。 （画图） （ 1）整流器 其作用是变交流为直流电。在变频技术中，可以采用硅整流管结构成不可控整流器，也可采用晶闸管构成可控整流器。交流输入电源是单相还是三相，视负载的额定电压和功率要求而定。 （ 2）滤波器 用来缓冲直流环节与负载之间的无功功率。电压行变频器采用大电容滤波，电流型变频器采用大电感滤波。 （ 3）逆变器 功率逆变器的作用是将直流电逆变为频率、幅度可调的交流电。随着可关断晶闸管（ GTO） 、功率晶体管（ GTR）、功率场效应晶体管（功率MODFET）、绝缘栅双级晶体管（ IGBT）以及 MOS 控制晶闸管（ MCT）等新型功率器件的不断问世，功率逆变器的性能越来越完善。 （ 4）控制电路 其作用是，根据变频调速的不同控制方式，产生相应的控制信号，控制空率逆变器中各功率器件的工作状态，使逆变器及整流器（采用可控整流方式时）协调工作，输出预定频率和幅度的交流电源。对恒转矩调速而言，控制电路应保证输出电压压频比基本不变。 图 A所示交 -直 -交变频电路，是通过在逆变器输出电源频率 f变化的同时，改变可控整流电路的 触发角 a，从而使逆变器输出方波的幅度也随之变化，从而保证 u/f（压频比）为一常数，实现恒转矩调速。 图 B 所示电路为采用脉宽调速技术（ PWM）的交 -直 -交变频控制电路。由电网电压整流后提供给逆变器固定的直流电压，逆变器的功率器件则采用全控（即可控制其导通，也可控制其关断）元件，在输出电压频率为 f的每一个半周，逆变器给负载送入多个宽度不等的脉冲序列，其等效电压与正弦波极其相似，故称nts 9 为正弦波脉宽调制 SPWM。该电路输出电压 u。的每一个脉冲幅度相同。调速时改变输出脉冲由窄变宽又由宽变窄的频率（即改变输出等效电压 uof 的频率 f），并且相应改变脉冲中每一个脉冲的宽度，使 uof发生变化，这样就保证了输出电 压的 u/f值不变，满足变频器工作特性的基本要求。 三 、 LG 变频器功能及引脚介绍 （ 1）功率 /电压等级： 每个变频单元由两组整流桥、两组滤波电容和一组逆变桥组成。逆变桥采用非对称的三电平单相逆变电路构成，通过适当控制各个开关管的工作状态，可以在逆变部分输出 0v， Ud,2Ud(Ud 为一组直流电压的幅值 )共 5 个电压电平，多个变频单元在逆变单元在逆变侧串联起来，按正现规律控制进而实现串联倍压输出 LG变频器一般特性 30 55kW,200-230VAC,3 相 - 变频器类型：采用 IGBT 的 PWM 控制 - 控制方式： V/F 空间矢量 PWM 技术 - 恒转矩，变转矩双功率等级 - 防护等级： IP00 - 2 10Hz 载波频率 - 0.5 400Hz 输出频率 - 可移动的控制面板 (读 /写参数 ) - 6 个多功能输入端子 - 5 个多功能输出端子 (3 个集电极开机方式， 2 个继电器方式 ) - 4-20mA 模拟量输出 - 直流制动 nts 10 - 端子功能 电源端子配置 端子号 功能 R S T 交流电源输入（ 3 相， 200 230VAC 或 380 460VAC） G 接地 P1 P2 直流母线正端子 外接直流电抗器 (P1-P2)和制动单元连接端 N 直流母线负端子 制动单元 (N-N)连接端子 U 到电机输出端子（ 3 相， 200 230VAC 或 380 460VAC） nts 11 V W 控制端子配置 类型 端子号 名称 描述 输入信号 起动接点 功能选择 P1 P6 FX RX 多功能输入 1 6 正转指令 反转指令 用于多功能输入端子 得电前进，失电停止 得电后退，失电停止 BX 紧急停止 当 BX 信号为 ON，变频器输出被关闭 当电机使用机械包闸制动， BX 用于关闭输出信号，当BX 信号为 OFF 时， FX 得电，电机运行 RST 故障复位 用于故障复位 CM 顺序公共端子 输入端的公共端子 模拟量 频率选择 VR 频率给定电源(10V) 模拟频率设置电源，最大输出 +12V,10mA V1 V2 频率给定（电压） 用于 0-10V 的输入频率，内置电阻 20K I 频率给定（电流） 用于 4-20mA 的输入频率，内置电阻 20K CM 频率公共端子 频率设置公共端子 输出信号 输入 FM 频率输出 （用于外部监视） 根据变频器输出频率输出 PWM 信号，最大输出电压和输出频率为 0-12V 和 1mA LM 电流 /电压输出 （用于外部监视） 输出电流或输出电压，缺省设置为输出电压。最大输出电压和输出频率为 0-12V 和 1mA，输出频率设置为1.8kHz 模拟量 IO 模拟输出 (412mA) 根据变频器输出频率输出数字信号 接点 A,C,B 故障触电输出 当保护功能运行时被激活， AC250V,1A 或更小；DC30V， 1A 或更小 故障： 30A-30C 闭 (30A-30C 开 ) 正常： 30B-30C 闭 (30A-30C 开 ) 1A-1B,2A-2B 多功能继电器输出1， 2 定义多功能输出端子后使用， AC250V,1A 或更小；DC30V,1A 或更小 OC1,OC2,OC3 多功能集电极开路输出 定义多功能输出端子后使用， DC24V,50mA EG 公共端子 OC1,OC2,OC3 的接地端子 3 相变频器型号 3 相恒转矩负载 (KW) 3 相变转矩负载 (KW) SV030iH-4 30 37 SV037iH-4 37 45 nts 12 SV045iH-4 45 55 SV055iH-4 55 75 SV075iH-4 75 90 SV090iH-4 90 110 SV110iH-4 110 132 SV132iH-4 132 160 SV160iH-4 160 185 SV220iH-4 220 280 nts 13 SOHO-SM 变频调速器以 16 位或 32 位微处理器为核心，内部包括控制和驱动两大部分。变频器可通过其外部控制端子实现启停、正反转、 S 曲线加减速及多段速度控制。矢量控制运算中要用到的电机本身的一些参数，可由变频器自动测出。此外，该变频器还具有过流、过载、电动机过热、过压及欠压，超速及失速等保护功能。变频器还能提供运行停止信号，零速信号，速度到达信号 及运行准备信号等，可编程控制器综合外部信号和变频器给出的控制信号，经分析及逻辑运算向外部设备及变频器给出控制命令。 3.1.4 位移传感器 位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器，我所 选用的 是 电涡流式传感器 。该位移传感器 是一种建立在电涡流效应原理上的传感器 ，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无 接触检测物体的目的。 它具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线形范围大、抗干扰能力强以及体积小等一系列优点。电涡流式传感器最大的特点，是可以对物体表面为金属导体到多种物理量实现非接触测量。 该 位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响， 并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。 一、 电涡流式传感器的 基本结构形式 电涡流式传感器的基本结构包括探头和变换器两个部分。变换器由测量电路组成，线圈用多股包漆包线或银线绕制而成，一般放在端部（线圈 可绕制在框架的槽内，也可用粘合剂粘结在端部）。 二、 电涡流式传感器的 基本工作原理 1。电涡流效应 至于变磁场中的金属导体，当变磁场穿过该导体时，将在导体内产生感生电流，这种感生电流的流线在导体内自行闭合，象流水中的旋涡一样，故称为电涡流。如图（ 3-1）所示 : 一个通有交变电流 I 1的线圈，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个交变的磁场 H1。当金属导体置于该磁场范围时，导体即产生电涡流 I2。此电涡流也将产生一个磁场 H2，由于 H2与 H1方向相反，因而减弱原磁场，从而导致线圈nts 14 的电感量、阻抗和品质因数 发生改变，这种现象称为电涡流效应。一般地说，传感器线圈的阻抗、电感和品质因数的变化与导体的几何形状、导电率以及导磁率有关，也与线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到导体间的距离有关，可以用一个函数表达式来表示 : Z=F( , ,r,I, ) （ 3-1） 式中 Z 线圈的阻抗； 导体材料的导磁率； 导体材料的导电率； r 线圈和导体的尺寸因子 ; 线圈激励电源的角频率 ; I 线圈中 的电流强度 ; x 线圈中与导体间的距离 . 由金属导体和通电线圈组成的电涡流系统又称为线圈 导体系统 .系统中 ,线圈的阻抗是一个多元函数 .若线圈和导体材料确定后 ,可使 , ,r,I 以及等参数不便 ,则此时线圈阻抗就成为距离的单值函数 ,即 等效电路 线圈 导体系统的电涡流效应可以用等效电路的形式进行分析。县全是一个回路， R1为线圈电阻， L1为线圈电感， I1 为激励电流， U1为激励电压；导体中的电涡流构成另一回路，相当于一个短路环， R2 为环路的电阻， L2 为环路的电感， I2 就是感生的电涡流。图 3-2（ a）中的 M 为 L1 和 L2 相互的互感量， M可以看成为只受到线圈和导体间距离的影响。 由图 3-2（ a）所示的等效电路，根据基尔霍夫定律，可列出电路方程组为 R1I1+j L1I1-j MI2=U1 022221121111ILjIRKIjUMIjILjIR 解方程可得传感器由于受电涡流效应影响的复阻抗为 SS LjRIZ 1/1(3-2) 式（ 3-2）可用图 5-24（ b） 的等效电路表示，即 nts 15 21S21SLLLRRR (3-3) 式中 SR 考虑了电涡流效应后，传感器线圈的等效电阻； SL 考虑了电涡流效应后，传感器线圈的等效电感； 2R 电涡流环路反射到线圈内的等效电阻； 2L 电涡流环路反射到线圈内的等效电感。 由等效电路可作如下分析： 线圈等效电阻 21 RRRS 。无论金属导体为何种材料，只要有电涡流产生就有 2R 。同时随着导体与线圈间的距离减少， 2R 会越大，因此，1RRS ； 线圈等效电感 21 LLLS 。由于线圈自身电感 1L 要受磁性材料的影响，若金属导体为磁性材料时， 1L 略有增加，若为非磁性 材料， 1L 不变。但 2L 却是由金属导体的电涡流强弱来决定的。线圈和导体间距离越小， 2L 则越大，故从总的结果来看1LLS ； 线圈原有的品质因数110 RLQ ，当产生电涡流影响后，线圈品质因数SS RLsQ ，显然0QQS 。 三、特性分析 由式（ 3-1）可知，电涡流传感器线圈的阻抗受到多种参数的影响。因此用固定句个参数不变，而控制一个参数的改变来决定其阻抗，就可用来测量位移、温度和硬度等。电涡流传感器的基本测量参数是位移，且设计中只涉及到位移，因此只分析位移型传感器的特性。 （ 1）输出特性 电涡流传感器的输出特性是指传感器的输出与被测导体同线圈（探头）之间距离的关系。若传感器输出信号为电压，则输出特性为SCU f(x) .即输出电压是间距的函数。经实验测得的位移型电涡流传感器的输出 特性如图 3-2 所示。这是一条非线形的曲线，当间距 x很小时，由于电涡流效应显著，使线圈阻抗减小，输出电压值小；当间距很大时，由于电涡流效应减弱，传感器输出电压nts 16 升高；而当间距超过一定数值后，电涡流效应很弱，故输出电压趋向一稳定值。因此，只有当间距在一定范围内（如图 3-2 中 x1x2 之间），传感器的输出才近似为线性化。 图 3-2 电涡流传感器输出特性 电涡流传感器输出的线性范围大约为线圈的外径，其线性度也较底。 （ 2）灵敏度 电涡流传感器的灵敏度根据被测参 量不同有不同的定义。对于位移型电涡流传感器，其灵敏度是指单位位移时，传感器输出电压的大小。 电涡流传感器的灵敏度受下列因素的影响： 受探头线圈尺寸的影响。可从实验中得知，当线圈外径与内径之比增大时，传感器的灵敏度会升高，而且输出特性的线性度好。另外线圈的厚度减小也能使灵敏度提高，故探头线圈做成扁平的为好。 受被测物体（导体）的形状和大小的影响。一般被测物体的半径应大于线圈外径的 .倍时，才不影响传感器的灵敏度。若被测物体半径只有线圈外径的一半 时，传感器的灵敏度将要降低一倍，被测物体的厚度对传感器的灵敏度也有影响，一般磁性材料的厚度要在 . mm 以上，非磁性材料厚度要在 .mm以上，才能不影响到传感器的灵敏度。 受被测物体材料特性的影响。一般说来被测物体的电导率越高则传感器越灵敏，而被测物体的磁导率大，反而使传感器的灵敏度有所降低。 受工作频率的影响。当工作频率升高时，传感器的灵敏度将提高，但输出电压的幅值不一定增大。 四、测量电路 根据电涡流传感器的原理，被测参量可以由传感器转 换为传感器线圈的值、等效阻抗 和等效电感 等三个电参数。究竟利用哪个参数并将其最后变换为电压或电流信号输出，这要由测量电路来决定。电涡流传感器做测量时，线圈与并接电容（一般在传感器内）组成并联谐振回路。线圈等效电感的变化使并联回路的谐振频率发生变化，将其被测量变换为电压或电流信号输出。并联谐振回路的谐振频率为 LCf 21 (3-4) 目前电涡流传感器所配用的谐振电路有调幅式、调频式和电桥式等三种类型。 1.调幅式测量电路 nts 17 所谓调幅简单地说就是将输入量的变化通过谐振电路变成一个高频率震荡波的幅值的变化，然后再经过检波得出输入量变化相对应的电压波形而输出。 图 3-3所示为调幅谐振电路的原理框图。此电路的工作原理是这样的：晶体震荡器产生一等幅的高频震荡波被送入电涡流传感器中由线圈与组成的并联谐振回路内。当传感器做测量时，线圈与被测物体的距离变化使回路失谐、阻抗减小、线圈两端输出电压的幅值改变，即使原高频震荡波形的幅值发生改变（称为调幅）。电路中的源极输出器为一个阻抗发生器，它控制后边的电路不影响回路的工作，由高频放大器 将调幅波进行放大，再用检波器将调幅波解调后，得到其波形与输入量变化相同的电电信号。但由于有高次谐波及干扰信号的存在，还需要经过滤波器滤去高次谐波和干扰信号后，输出波形才是与输入被测参量变化相同的电压信号。 图 3-3 调幅谐振电路原理框图 2.调频式测量路 所谓调频就是指用被测量的变化去改变（调制）激励信号的工作频率，使激励信号的工作频率随被测量的变化而变化。调频谐振电路的特点，即电涡流传感器的电感线圈就是激励震荡器的一个震荡元件。所以线圈电感量的变化可以直接使震荡器的震荡频率发生变化，从而实现频率调 制。 图 3-4 所示为调制式谐振电路的原理框图。此电路的工作原理是这样的：由电涡流传感器线圈组成震荡器的震荡元件。测量时线圈电感与被测物体之间的距离发生改变而使线圈的电感也发生改变，故而使震荡器的震荡频率随之改变。这样，震荡器就输出一个幅值不变而频率变化的高频震荡波信号；此信号经高频放大器进行放大后，再经过限幅器限定幅值以适合鉴频器的输入要求；鉴频器将频率变化的调频波用幅值变化的形式反映出频率的变化，即解调；低频和功率放大器将信号放大使其能驱动显示装置，显示器可以是一般的模拟电表，也可以是数字仪表，还可以用 记录仪器等。 图 3-4 调频式谐振电路原理框图 图 3-5所示为一简单的调频电路。它由两部分组成：晶体管与电容，同传感器线圈及电容构成一个电容三点式震荡器，其震荡频率 f碎传感器电感（ x） 的变化而变化；晶体管与射极电阻等元件构成一个射极输出器，起阻抗匹配作用。 nts 18 图 3-5 调频式测量电路 3.电桥测量电路 如图 3-6所示，图中、为差动式传感器的两个线圈，或者一是传感器线圈，另一是固定平衡线圈。桥路输出的电压幅值随传感器线圈阻抗变化而变化。 图 3-6 涡流式传感器电桥 3.2单片机的组成 3.2.1 8031的基本组成 8031 是有 8 个部件组成，即 CPU，时钟电路，数据存储器，并行口（ P0 P3）串行口，定时计数器和中断系统，它们均由单一总线连接并被集成在一块半导体芯片上，即组成了单片微型计算机， 8031 就是 MCS-51 系列单片机中的一种。 nts 19 图 3-1 8031 基本组成 1、 CPU 中央处理器： 中央处理器是 8031 的核心，它的功能是产生控制信号，把数据从存储器或输入口送到CPU 或 CPU 数据写入存储器或送到输出端口。还可以 对数据进行逻辑和算术的运算。 2、 时钟电路： 8031 内部有一个频率最大为 12MHZ 的时钟电路，它为单片机产生时钟序列，需要外接石英晶体做振荡器和微调电容。 内存： 内部存储器可分做程序存储器和数据存储器，但在 8031 中无片内程序存储器 。 3、 定时 /计数器： 8031 有两个 16 位的定时 /计数器，每个定时器 /计数器都可以设置成定时的方式和计数的方式，但只能用其中的一个功能，以定时或计数结果对计算机进行控制。 4、 并行 I/O 口： MCS-51 有四个 8 位的并行 I/O 口， P0， P1， P2， P3，以实现数据的并行 输出。 串行口： 它有一个全双工的串行口，它可以实现计算机间或单片机同其它外设之间的通信，该并行口功能较强，可以做为全双工异步通讯的收发器也可以作为同步移位器用。 5、 中断控制系统： 8031 有五个中断源，既外部中断两个，定时计数中断两个，串行中断一个，全部的中断分为高和低的两个输出级。 nts 20 3.2.2 8031 的管脚说明 图 3-2 8031 管脚图 8031 的制作工艺为 HMOS，采用 40 管脚双列直插 DIP 封装，引脚说明如下： VCC（ 40 引脚） 正常运行时提供电源。 VSS（ 20 引脚） 接地。 XTAL1（ 19 引脚） 在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，该放大器构成了片内的震荡器，可以提供单片机的时钟信号，该引脚也是可以接外部的晶振的一个引脚，如采用外部振荡器时，对于 8031 而言此引脚应该接地。 XTAL2（ 18 引脚） 在内部，接至上述振荡器的反向输入端，当采用外部振荡器时， 对 MCS51 系列该引脚接收外部震荡信号，即把该信号直接接到内部时钟的输入端。 RST/VPD（ 9 引脚） 在振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的电平将单片机复位，复位后应使此引脚电平保持不高 于 0.5V 的低电平以保证 8031 正常工作。在掉电时，此引脚接备用电源 VDD，以保持 RAM 数据不丢失，当 BVCC 低于规定的值时，而 VPD 在其规定的电压范围内时， VPD 就向内部数据存储器提供备用电源。 ALE/PROG（ 30 引脚） 当 8031 访问外部存储器时，包括数据存储器和程序存储器，ALE9 地址锁存允许 0 输入的脉冲的下沿用于锁存 16 位地址的低 8 位，在不访问外部存储器的时候， ALE 仍有两个周期的正脉冲输出，其频率为振荡器的频率的 1/6，在访问外存储器的是候，在两个周期中， ALE 只出现一次， ALE 断可驱动 8 个 LS TTL 负载，对于有片内 EPROM 的而言，在 EPROM 编程期间，此脚用于输入编程脉冲 PROG。 （ 29 引脚） 此脚输出为 单片机内访问外部程序存储器的读选通信号，在读取外部指令期间， PSEN 非有两次在每个周期有效，在此期间，每当访问外部存储器时，nts 21 两个有效的 PSEN 非将不再出现，同样这个引脚可驱动 8 个 LSTTL 负载。 /VPP（ 31 引脚） 当 保持高电平时，单片机访问内部存储器，当 PC 值超过0FFFH 时，将自动转向片外存储器。当 保持低电平时，则只访问外部程序存储器，对 8031而言，此脚必须接地 。 P0， P1， P2， P3： 8031 有四个并行口，在这四个并行口中，可以在任何一个输出数据，又可以从它们那得到数据，故它们都是双向的，每一个 I/O 口内部都有一个 8 位数据输出锁存器和一个 8 位数据输入缓冲器，各成为 SFR 中的一个，因此 CPU 数据从并行 I/O 口输出时可以得到锁存，数据输入时可以得到缓冲，但他们在功能和用途上的差异很大， P0 和 P2口内部均有个受控制器控制的二选一选择电路，故它们除可以用做通用 I/O 口以外还具有特殊的功能， P0 口通常用做通用 I/O 口为 CPU 传送数据， P2 口除了可以用做通用口以外，还具有 第一功能，除 P0 口以外其余三个都是准双向口。 8031 有一个全双工串行口，这个串行口既可以在程序下把 CPU 的 8 位并行数据变成串行数据一位一位的从发送数据线发送出去，也可以把串行数据接受进来变成并行数据给CPU，而且这种串行发送和接收可以单独进行也可以同时进行。 8031 的 串行发送和接收利用了 P3 口的第二功能，利用 P3.1 做串行数据接收线，串行接口的电路结构还包括了串行口控制寄存器 SCON，电源及波特率选择寄存器 PCON 和串行缓冲寄存器 SBUF，他们都属于 SFR， PCON 和 SCON 用于设置串行口工作方式和确 定数据发送和接收， SBUF 用于存放欲发送的数据起到缓冲的作用。 3.2.2 时钟电路 8031 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。 在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振荡器 (简称晶振 )或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如图所示。 图中，电容器 Col， C02 起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在 5-30pF。晶振频率的典型值为 12MH2，采用 6MHz 的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟情号比较稳定，实用电路中使用较多。 外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式的外部电路如图 所示。 nts 22 ;X T A L 1X T A L 2(a)内部振荡方式 外部震荡源1XTAL2（ b）外部振荡方式 由图可见，外部振荡信号由 XTAL2 引入， XTAL1 接地。为了提高输入电路的驱劝能力，通常使外部信号经过一个带有上拉电阻的 TTL 反相 门后接入XTAL2。 3.2.3 复位电路 当 MCS-5l 系列单片机的复位引脚 RST(全称 RESET)出现 2 个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果 RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。 根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。 上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电复位电路如图 (a)中左图所示。图中电容 C1 和电阻 R1 对电源十 5V 来说构成微分电路。上电后，保持 RST 一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻 R1，也能达到 上电复位的操作功能，如图 (a)中右图所示。 nts 23 上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路如图 (b)所示。上电后，由于电容 C3 的充电和反相门的作用，使 RST 持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键 K 后松开，也能使 RST 为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。 根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。 图 (a)中： Cl 10-30uF， R1 1kO 图 (b)中： C： 1uF， Rl lkO， R2 10kO 3.2.4 定时器 /计数器的设计 MCS-51 单片机内部有两个 16 位可编程的定时器 /计数器，即定时器 T0 和定时器 T1。它们既可作定时器方式，又可作计数器方式。 结构 定时器 /计数器的基本结构。基本部件是两个 8 位的计数器（其中 TH1,TL1 是T1 的计数器， TH0， TL0 是 T0 的计数器。 在作定时器使用时，输入的时钟脉冲是由晶体震荡器的输出经 12 分频后得到的，所以定时器也可看作是对计算机机器周期的计数器（因为每个机器 周期包含12
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