单片机在水泥定量包装控制中的应用(毕业论文doc)道.doc

襄 樊 学 院 理 工 学 院 毕业设计论文题目 单片机在水泥定量包装控制中的应用专业 机械设计制造及其自动化班级姓名学号指导教师职称 讲师 2013 年 4 月 22 日 目 录第一章 前 言. .4 1.1 选题背景. .4 1.1.1 老式水泥包装机. .4 1.1.2 称重控制机构电子化发展概况.4 1.1.3 研究内容及意义.5 1.2 本文主要工作. .5 1.2.1 本设计工作的主要内容. .5 1.2.2 系统设计思想. .5第二章 系统综述. .6 2.1 系统概述.6 2.2 系统的工作原?.6 2.3 设计方案选择. . .6 2.3.1 电磁阀阀值控制方案论证系统.7 2.3.2 显示方案选择.7 2.3.3 信号放大环节方案选择.7第三章 系统硬件设计.8 3.1 称重单元 .9 3.1.2 精密放大器 . .9 3.1.3 数模转化电路 .10 3.2.80c51 单片机示意图及应用 .11 3.3 键盘及其显示单元 .13 3.4 称重显示单元 . .14 3.5 压袋落袋装置及传送带 .17 3.6 电源设计 . .20第四章 系统软件设计 . .21 4.1 主程序设计. .23 4.2 模数转换子程序.24第五章 总结 .24参考文献 .28附录一.29附录二.30 第一章 前 言1.1 选题背景1.1.1 老式水泥包装机 过去的水泥包装机（如 G4201）配备机械称，后来发展成为机电称，即在机械称上安装了感应接近开关，把机械的重量装换位位置信号把机械的重量装换位位置信号用户用位置信号自动关闭出料闸门，实现定量控制。水泥包装称重的特点是动态称量，在未关闸之前，托架上的重量总是不停地变化。包装机每个出料口的生产为 15t、h，每袋包装时间小于 125s，去掉上袋和携袋时间，实际每袋灌装时间约为 85s，算得出料口工作时间的生产能力约为6kg.s。 对于安装感应接近开关的机电秤，忽略机械刀口产生的误差之后，其位置测量精度最高只能达到 0.3mm，灌装时称重指示位移 0.3mm 需 0.15s，而在 0.15s 内的出料量是 0.9kg，这0.9kg 就是机电秤的极限分辨能力，为袋重的 1.8。可见，接近开关分辨力及机械惯性所致的动态计算精度较低和控制响应速度太低是袋重误差较大的原因。欲提高包装机定量控制精度，就必须提高动态称量精度和控制响应速度，因此，就必须放弃称量的机械结构，采用电子称量技术。1.1.2 称重控制机构电子化发展概况 国外的水泥包装机使用电子和微机称量机构已有二三十年的历史。近年来，国内水泥包装机专用称量和定量控制电子设备的研制及生产开始有了长足进展。从技术来源看，有立足国内开发的，又引进国外较先进技术的，也有在国外产品基础上进行二次开发的，从技术角度则可以把这些产品划分为两大类，第一类是以模拟电子技术为主进行称量和定量的产品，第二类则是以数字电子技术位主的产品。 模拟电子称：从力传感器输出表示称重量的毫伏信号 Vin 先经过处理整定，然后送到显示器作称重指示，另一路送到比较器 COMP 中与设定重量信号进行比较，当称重达到设定值时，比较器输出停止灌装的信号 VOU，通过执行机构关闭出料阀门，完成一次包装换循环。这类模拟电子秤的根本特征为，实现秤量和定量控制是通过对模拟信号处理完成的。模拟电子秤响应速度比机械秤高得多，但由于处理的是模拟量，对漂移引起的误差不易控制，电器稳定性较低，股精度不尽人意；另外，使用中必须经常调整，操作不方便。由于前述的缺点的存在，这类?缙诓纺芄怀谠诵械奈欢啵乙灿赡饣刮只饫嗖吩谌党映浦氐姆故飞纤嫉牡匚皇遣豢煞袢系摹?数字化电子秤：它的精度高，很容易达到千分之一的静态精度；其次，抗干扰能力强， ；第三，稳定性好，受温度影响很因为数字电路是根据数字信号的有无（电平高低）工作的，小；第四，操作简单，只需按键，很少需要调整。力传感器的输出信号 Vin 先经过处理后，再由模数转换 A/D 转换成数字信号送入微处理器 CPU，微处理器把重量信号送到显示器，当称重达到设定值时，微处理器命令输出接口 I/O 输出控制信号 VOUT，停止供料，完成一次装袋循环，其特征是通过对数字信号的处理及执行程序完成称量和定量控制。 1.1.3 研究内容及意义 目前我国中、小型水泥厂袋装水泥设备比较陈旧和落后同时工人的工作环境非常恶劣、粉尘大、强电干扰严重对人体的危害非常严重。为解决中、小型水泥厂袋装水泥的计量落后状况为此我们设计了水泥定量包装控制装置用来解决水泥包装现场环境恶劣、粉尘大、强电干扰严重等问题。 1.2 本文主要工作 1.2.1 本设计工作的主要内容 本课题的主要设计任务是:选用 MCS51 单片机利用器体积小、功耗低、运算速度快、抗干扰能力强等优点最大限度的发挥原件优势对包装机的自动调零、动态调整、排除干扰和故障报警等实现全系统控制。 通过设计能够达到的技术指标如下: 1. 电源提供直流电压: 12V、5V 2. 传感器灵敏度为 2.0 mv/v可称量重量为 50KG 的水泥。 3. 当袋装接近 50KG 的 90时由主机发出一条命令电磁铁动作关闭 1/2 阀门.当达到 100时再发出一个信号停止包装。若重量符合规定利用原件将包装袋数加 1并 自动调整下一次限制使得最终重量更接近于预定重量。若连续包装的 5 袋均超过或 低于所能承受允许重量范围则发出声光报警。 4. 1.2.2 系统设计思想 总体的设计采用了模块化设计.这种设计方法有助于提高工作效率。具体的说 就是把一个整体的设计拆分成信号采集模块、信号处理模块、显示模块和数据传输 四个模块。具体的设计步骤可以分为如下几步: 1.系统硬件电路的设计 （1）系统主机电路的设计。包括单片机、复位电路、LED 的设计。 （2）传感器信号采集和处理电路的设计。 （3）系统电源的电路的设计。 2.系统元件设计 （1）系统主程序的设计。 （2）系统各个子模块的程序设计。 单片机在水泥定量包装控制中的应用摘要 随着生产和流通的日益社会化合现代化，实用产品包装的机械化和自动化，不仅体现了现代生产的发展方向，同时也可以获得巨大的经济效益。随着计算机技术的飞速发展，将微机应用于包装系统，改造传统的包装机械，有利于改造包装机械的性能，提高包装设备的计量精度、速度和自动化水平。利用自动化装置控制和管理包装过程，使其按照预先规定的程序自动进行。在社会流通的全过程中，包装能发挥保护、美化、宣传、销售产品的功能，提高商品的竞争能力。在连续化、大型化的工业生产过程中，包装是最后一道工序。早期多采取人工包装，操作繁琐、单调、重复，工人劳动强度大，包装质量不高，有些产品长期与人接触还会影响身体健康。由于工业产品千差万别，用户要求各不相同，很难形成统一的包装模式和定型的包装设备，因而包装工序长期以来成为连续化生产过程中的薄弱环节。利用 51 单片机?刂破鞯亩砍屏克包装系统，它可以实现定量给料以及传送、封口等工作过程的自动控制，实现产品包装自动化、机械化。此系统适用于各种粉状或者小颗粒等物品的定量称重包装和配料系统。关键词 单片机 闭环控制 重量偏差 控制器 软件 引言 随着全球科技的发展，发达国家已经把核能技术、微电子技术、激光技术、生物技术和系统工程融入了传统的机械制造技术中。新的合金材料、高分子材料、复合材料、无机非金属材料等新材料也得到了推广应用，食品水泥包装机械的集成化、智能化、网络化、柔性化将成为未来发展的主流。 水泥包装机械行业面对市场的需求和如何赶上甚至超越发达国家的食品水泥包装机械，及如何加大自主创新步伐，力争在短时间内开发出一批具有自主知识产权和国际先进水平的产品，是摆在我国食品水泥包装机械企业面前的紧迫任务。 实用产品包装的机械化和自动化，不仅体现了现代生产的发展方向，同时也可以获得巨大的经济效益。随着计算机技术的飞速发展，将微机应用于包装系统，改造传统的包装机械，有利于改造包装机械的性能，提高包装设备的计量精度、速度和自动化水平。利用自动化装置控制和管理包装过程，使其按照预先规定的程序自动进行。 第一章 水泥自动包装机的概述 在水泥的生产过程中，包装是最后一道工序，产品的重量是否达标50公斤，误差2是一个很重要的指标。目前各县级的中、小型水泥厂的包装多是人工的凭经验的包装，常出现过重造成浪费，日积月累，也是相当可观的，而过少又不达标，产品不合格，影响工厂信誉。因此，大型的水泥厂一般都引进了自动装袋、配料等成套微机控制系统，但它须大规模地改建、扩建、配套等。投资大、技改时间长，很难在中小型水泥厂推广。本文介绍的技改、经实践验证微机自动控制好，成本、造价低，操作方便等优点，特别适合现有的中、小型水泥厂的技改，略加改造也适用于其它包装工厂，有推广价值。 1.1水泥包装机的分类 水泥包装机大都分为固定式和旋转式固定式水泥包装机是指 1-4 嘴包装机由人工移动插袋来完成水泥的灌装旋转式水泥包装机是指 6-14 嘴人工不动包装机旋转来完成插袋灌装. 旋转式水泥包装机的配套设备: 振动筛螺旋闸门.给料机溜槽包装机主机接包输送机正包输送机清包输送机荷重传感器料位控制仪等有时也根据水泥厂不同要求做为配套。 1.2水泥包装机的特点： 1）包装计量准确，袋重一致性好。由于采用简便的键盘设定袋重方式，操作工人可方便的将袋重调整到所需要的重量，以保证袋重合格率。 2）自动化程度高，工人劳动强度低，人工只需完成插袋动作，其余如开闸、灌装、闭闸、推包等动作均由电脑控制，自动完成。 3）包装机在包装过程中回灰量极小，同时采用了密闭顺流的收尘方式使扬尘减少，操作岗位空气含尘浓度达到了环保和劳动保护的要求，包装机工作时噪声低，在其它设备开动时几乎无法察觉包装机是否在运行，该设备在正常运行时噪声只有 7 分贝左右。 4）采用了单元组合结构，使设备重量轻，标准化程度高，备品备件品种少，易购买，易更换。 1.3 水泥包装机的工作原理： 当包装机工作时，人工将水泥纸袋插到料咀上，同时纸袋推动了装在料嘴上方摆杆，使摆杆上的开关信号接通，向微机发出启动信号，微电脑接到信号后，立即启动主电机，控制电力液压推动器打开三位出料闸门，使闸门全开。卸料室内的水泥在水平旋转叶片的加速作用下，靠离心力高速喷出，通过闸、橡胶较管和出料嘴灌入水泥袋内，同时传感器不断地将袋内水泥重量值转化为电模拟量，经运算放大器放大后，该模拟量送入微电脑，由微电脑计算处理。当袋内水泥装到45KG时，微电脑便关闭一位闸，使闸门处于半开位置，水泥以细流状灌装，到50KG时再使闸门全部关闭，此时推包电力液压推动器动作，从料架上推下水泥包，每装完一袋水泥后，电脑内的累加器自动进行加一计算，并实现累加产量。 计算机的操作过程如下（1）按下启动键，微机显示运行状态。（2）插上纸袋时，插袋信号开关接通，电脑即自动启动主电机，开启大闸位电力液压推动器和小闸位电压液压推动器。（3）延时 3.5 秒，袋重未达到 5KG 时，则说明包装不正常，电脑会自动关所有电机。（4）灌装时包重达 45KG 时，关闭大闸位电力液压推动器。（5）包装达到 50KG 时，关闭主电机、小闸位电力液压推动器。（6）启动推包电力液压推动器至托盘上，重量小于 50KG 时停推电力液压推动器，但另一嘴工作在细流灌装过程时，推包电力液压推动器暂缓复位，以减少对机械的冲击，以免另一嘴的计量精度受到影响，造成重量不足，这全由电脑自动完成。（7）累加单嘴包装数和总包数。（8）自动回到运行状态，等待插袋信号的到来，完成下一包灌装的全过程。 第二章 系统方案的确立 本次设计是用单片机控制，以实现水泥包装的自动化。方案确立原则是在满足系统功能要求的前提下，力求投资少、性能高、效益好、方便易用等特点。因此我们的方案是：采用由单片机控制的数据采集、处理、送显并同时输出控制信号。系统设计思路框图如下： 放大电路 AD 转换器 输出控制电路 AT89C51 单片机 键盘输入 称重传感器 LED 显示 技术要求： 误差称重范围：-1KG-1kg 电源电压：220V/50HZ 键盘：44 矩阵按键 显示输出：4 个七段显示码 传感器型号：HMD1003 型电阻应变式称重传感器 第三章 系统方案论证与选型 3.1 控制器部分 3.1.1 单片机的简介 目前单片机的品种很多，其中最具代表性的当属 Intel 公司的 MCS51 单片机系统。MCS51 系列的典型的结构，完善的总线，SFR 的集中管理模式，位操作系统和面向控制功能的丰富指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础。单片机就是在一块半导体硅片上集成了微处理器（CPU），存储器（RAMROMEPROM）和各种输入、输出接口（定时器/计数器，并行 ，这样一块集成电路芯片具有一台计算I/O 口，串行口，A/D 转换器以及脉宽调制器 PWM 等）机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。 3.1.2 单片机的选择 本设计采用的是 AT89C51 单片机，89C51 单片机是一种带 4K 字节闪烁可编程可?脸欢链娲鳎PEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，89C51 单片机与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 89C51 单片机是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 1）主要特性： 与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环 数据保留时间：10 年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 1288 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16 位定时器/计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路2）引脚图：AT89C51 单片机引脚图如下图所示：3）引脚说明： 电源引脚： ：典型值5V。 VCC（40 脚） ：接低电平。 VSS（20 脚） 外部晶振： X1、X2 分别与晶体两端相连接。当采用外部时钟信号时，X2 接振荡信号，X1 接地 输入输出口引脚： P0 口：I/O 双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 P1 口：I/O 双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 P2 口：I/O 双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 P3 口：I/O 双向口。作输入口时，应先软件置“ 1”。 控制引脚： RST/VPD、ALE/-PROG、-PSEN、-EA/VPP 组成了 MSC-51 的控制总线。 ：复位信号输入端（高电平有效）RST/VPD（9 脚） 。 第二功能：加5V 备用电源，可以实现掉电保护 RAM 信息不丢失。 ：地址锁存信号输出端。 ALE/-PROG30 脚） 第二功能：编程脉冲输入。 ：外部程序存储器读选通信号。 -PSEN（29 脚） ：外部程序存储器使能端。 -EA/VPP31 脚） 。 第二功能：编程电压输入端（21V） 4）详细说明 P0 口：是一 个 8 位漏极开路输出型双向 I/O 端口。作为输出端口时，每位能以吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 输入，对端口写 1 时，又可作高阻抗输入端用。在访问外部程序或数据存储器时，它是时分多路转换的地址（低 8 位）/数据总线，在访问期间将激活内部的上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。P1 口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作输入口。P2 口作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。 P2 口：P2 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。P2 口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作输入口。P2 口作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器时和 16 位外部地址的外部数据存储器（如执行 MOVX D