目 錄 第一章 緒 論 . 1 1.1 題目來源及課題意義 . 1 1.2 自動加料機控制系統的工作原理及技術要求 . 1 1.3 系統的主要技術參數： . 1 第二章 方案論證 . 2 2.1 單片機的選擇 . 2 2.2 物位傳感器的選擇 . 3 2.3 存儲器擴展電路的選擇 . 5 2.4 LED顯示電路選擇 . 7 2.5 鍵盤輸入電路 . 8 第三章 自動加料機主電路 . 10 3.1 系統結構原理圖 . 10 3.2 主機電路核心器件介紹 . 10 3.3 顯示電路 . 18 3.4 繼電器控制電路 . 22 3.5 鍵盤及顯示電路 . 23 3.6 外部存儲器擴展電路 . 27 3.7 看門狗 MAX813L 電路 . 30 3.8 料位開關 . 32 第四章 系統的抗干擾及可靠性 . 35 第五章 軟件設計 . 36 第六章 結論語 . 38 參考文獻： . 39 附錄 A：系統框圖 . 40 附錄 B：系統硬件框圖 . 40 程序清單： . 42 1 第一章 緒 論 1.1 題目來源及課題意義 在現代科學技術的許多領域中，自動控制技術起這愈來愈重要的作用，并且，隨著生產和科學技術的發展，自動化水平也越來越高。自動控制利用控制裝置使被控對象的某個參數自動的按照預定的規律運行。本設計的自動加料機控制系統就是采用自動控制技術來實 現功能的，這樣就大大提高了工作的效率，整個過程又快又穩。 1.2 自動加料機控制系統的工作原理及技術要求 本設計的由單片機控制的自動加料系統是與料斗式干燥機配套的加料系統。根據加料工藝要求，其工作原理是：先將真空管關閉，啟動電機，用低真空氣流將塑料樹脂粒子送入真空管，電機停轉，再將粒子排入料斗，如此循環。 在設計的控制系統中，可用一個電機控制兩個加料生產線，由方向閥切換。兩個生產線既可單獨運行，也可同時運行。假如兩者同時運行，當一生產線輸送結束后，判斷到另一個生產線排料已經結束，那么，電機不停轉而方向閥 換向，從而為另一個生產線送料。這樣可以發揮控制系統和電機的效率，從而實現供料自動化。 控制系統的控制器有單片機 89C51 和擴展電路組成，單片機控制繼電器，繼電器控制交流接觸器，又由接觸器控制電機等執行機構的運動。本控制系統可以根據送料工藝的需要，設置兩條生產線的輸送、排料、滿料、空料等參數值，也可裝載系統前次工藝參數值。 1.3 系統的主要技術參數： （ 1） 用一臺電機控制兩條生產線 （ 2） 要能檢測到滿料狀態，并顯示出輸送、排料、滿料時間 （ 3） 時間誤差： 0.1 秒 （ 4） 具有抗干擾能力 2 第二章 方案論證 2.1 單片機的選擇 20 世紀 80 年代以來，單片機的發展非常迅速，就通用單片機而言，世界上一些著名的計算機廠家已投放市場的產品就有 50 多個系列，數百個品種。目前世界上較為著名的 8 位單片機的生產廠家和主要機型如下： 美國 Intel 公司： MCS51 系列及其增強型系列 美國 Motorola 公司： 6801 系列和 6805 系列 美國 Atmel 公司： 89C51 等單片機 美國 Zilog 公司： Z8 系列及 SUPER8 美國 Fairchild 公司： F8 系列和 3870 系列 美國 Rockwell 公司： 6500/1 系列 美國 TI（德克 薩司儀器儀表）公司： TMS7000 系列 NS（美國國家半導體）公司： NS8070 系列 等等。 盡管單片機的品種很多，但是在我國使用最多的還是 Intel 公司的 MCS51 系列單片機和美國 Atmel 公司的 89C51 單片機 MCS51 系列單片機包括三個基本型 8031、 8051、 8751 8031 內部包括一個 8 位 CPU、 128 個字節 RAM， 21 個特殊功能寄存器（ SFR）、4 個 8 位并行 I/O 口、 1 個全雙工串行口、 2 個 16 位定時器 /計數器，但片內無程序存儲器，需外擴 EPROM 芯片。比較麻煩，不予采用 8051 是在 8031 的基礎上，片內集成有 4K ROM，作為程序存儲器，是一個程序不超過 4K 字節的小系統。 ROM 內的程序是公司制作芯片時，代為用戶燒制的，出廠的 8051 都是含有特殊用途的單片機。所以 8051 適合與應用在程序已定，且批量大的單片機產品中。也不予采用。 8751 是在 8031 基礎上，增加了 4K 字節的 EPROM，它構成了一個程序小于 4KB的小系統。用戶可以將程序固化在 EPROM 中，可以反復修改程序。但其價格相對8031 較貴。 8031 外擴一片 4KB EPROM 的就相當與 8751，它的最大優點是價格低。隨著大規模集成 電路技術的不斷發展，能裝入片內的外圍接口電路也可以是大規模的。也不予采用。 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內含 4K bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128bytes的隨機存取數據存儲器 3 （ ROM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS-51指令系統，片內置通用 8位中央處理器（ CPU）和 Flash存儲單元。功能強大 AT89C51單片機可提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。此設計就采用AT89C51。 2.2 物位傳感器的選擇 物位是指貯存容器或工業生產設備里的液體、粉粒壯固體、氣體之間的分界面位置，也可以是互不相溶的兩種液體間由于密度不等而形成的界面位置。根據具體用途分為液位、料位、界位傳感器或變送器。物位不僅是物料耗量或產量計量的參數，也是保證連續生產和設備安全的重要參數。特別是在現代工業中，生產規模大，速度高，且常有高溫、高壓、強腐蝕性或易燃易爆物料，對于物位的監視和自動控制更是至關重要。 物位測量可用于計算物料儲量。對于粉粒體，必須考慮到顆粒間有空隙，應區分密度和容重。密度是指不 含空隙的物料每單位體積的質量，即通常的質量密度 ，如果乘以重力加速度 g，就成為重力密度 r，簡稱為重度。容重是包含空隙在內的每單位體積的重量 v， 也就是視在重度或宏觀重度，它總要比顆粒物質本身的重度小，其差額決定于空隙率。而空隙率又取決與許多因素。例如顆粒形狀、尺寸的一致程度、是否受外力壓實、是否經受過振動、有無黏結性等，所以粉粒體物料的體積儲量和質量儲量之間不易精確換算，這是需要注意的。 2.2.1 電容式物位傳感器 利 用物料介電常數恒定時極間電容正比與物位的原理，可構成電容式物位傳感器。 根據電機的結構可將容式物位傳感器分為三中：（ 1）適用與導電容器中的絕緣性物料，且容器為立式圓筒形，器壁為一極，沿軸線插入金屬棒為另一極，其間構成的電容 C 與物位成比例。也可懸掛帶重錘的軟導線作為電機。（ 2）適用與非金屬容器，或雖為金屬容器但非立式圓筒形，物料為絕緣性的。這時在棒壯電極周圍用絕緣支架套裝金屬筒，筒上下開口，或整體上均勻分布多個孔，使內外物位相同。中央圓棒和與之同軸的套筒構成兩個電極，其間電容和容器形狀無關，只取決于物位。所以 這種電極只用于液位，粉粒體容易滯留在極間。（ 3）用于導電性物料，起外形和（ 1）一樣，但中央圓棒電極上包有絕緣材料，電容是由絕緣材料的介電常數和物位決定的，與物料的介電常數無關，導電物料使筒壁與中央電極間的距離縮短為絕緣層的厚度，物位升降相當于電極面積改變。 電容式物位傳感器無可動部件，與物料密度無關，但應注意物料中含水分時將對 4 測量結果影響很大，并且要求物料的介電常數與空氣介電常數差別大，需用高頻電路。所以不予采用。 2.2.2 阻力式料位傳感器 阻力式料位傳感器是指物料對機械運動所呈現的阻擋力。粉末顆粒狀物料比液態物 質流動性差，對運動物體有明顯的阻力，利用這一特點可構成各種料位傳感器。 （ 1）重錘探索法：在容器頂部安裝由脈沖分配器控制的步進電機，此電機正轉時緩緩釋放懸有重錘的鋼索。重錘下降到與料面接觸后，鋼索受到的合力突然減小，促使力傳感器發出脈沖。此脈沖改變門電路的狀態，使步進電機改變轉向重錘提升，同時開始脈沖計數。待重錘升至頂部觸及行程開關，步進電機停止轉動，同時計數器也停止計數并顯示料位（料位值即容器全高減去重錘行程之差）。顯示值一直保持到下次探索后刷新為另一值。開始探索的觸發信號可由定時電路周期性地供給，也可以人為地啟動。不進行探索時，重錘保持在容器頂部，以免物料將重錘淹埋。萬一重錘被物位埋沒，排放物料時產生的強大拉力就可能拉斷鋼索報警措施及出料過濾柵。 但這種方法運用了邏輯電路和數字技術，可連續測量料位值并輸出數字量，是數字傳感器，但其采樣是周期性的，對時間而言不連續，此設計不予采用。 （ 2）旋槳或推板法：這是一種位式傳感器，或稱料位開關。在容器壁的某一高度處裝小功率電動機，其軸伸入容器內，末端帶有槳狀葉片。葉片不接觸物料時，自由旋轉的空載狀態下電動機的電流很小，一旦料位上升到與葉片接觸，轉動阻力增加，甚至成堵 轉狀態，電流顯著加大。根據電流的大小使繼電器的接點動作，發出料位報警或位式控制信號。如電機軸經過曲柄連桿機構變為往復運動，則可帶動活塞或平板在容器中做推拉動作，即成推板法。旋槳法或推板法不一定都是靠電機電流的大小時繼電器接點動作，也可以利用離合器或連桿上的傳動機構，在葉片或推板負載增大時改變電接點的通斷狀態。所用電動機應能在長時間堵轉狀態下，或離合器打滑狀態下，不致過熱而損壞。 這類原理構成的料位開關，只能安裝在容器壁上，安裝高度取決于動作所對應的料位值。應用不那么廣泛，所以次設計也不予采用。 （ 3）音叉法 ：根據物料對振動中的音叉有無阻力探知料位是否到達或超過某高度，并發出通斷信號，這種原理不需要大幅度的機械運動，驅動功率小，機械結構簡單、靈敏而可靠。 音叉由彈性良好的金屬制成，本身具有確定的固有頻率，如外加交變力的頻率與其固有頻率一致，則叉體處于共振狀態。由于周圍空氣對振動的阻尼微弱，金屬內部的能量損耗又很少，所以只需微小的驅動功率就能維持較強的振動。當粉粒體物料觸及叉體之后，能量消耗在物料顆粒間的摩擦上，迫使振幅急劇衰減，音叉停振。 為了給音叉提供交變的驅動力，利用放大電路對壓電元件施加交變電場，靠逆壓電 效應產生機械力作用在叉體上。用另外一組壓電元件的正壓電效應檢測振動，它把 5 振動力 為微弱的交變電信號。再由電子放大器和移相電路，把檢振元件的信號放大。經過移相，施加到驅動元件上去，構成閉環振蕩器。在這個閉環中，既有機械能也有電能，叉體是其中的一個環節，倘若受到物料阻尼難以振動，正反饋的幅值和相位都將明顯的改變，破壞了振蕩條件，就會停振。只要在放大電路的輸出端接以適當的器件，不難得到開關信號。 為了保護壓電元件免受物料損壞和粉塵污染，將驅動和檢振元件裝在叉體內部，經過金屬膜片傳遞振動。如果在容器的上下方都裝叉體 ，可以實現自動進料或自動出料的邏輯控制，或者把料位越限信號遠傳到控制室。在控制室里的控制電路判斷料位是否越限，并按要求使被控的進出料設備啟停。 并且叉體的制造和裝配良好時，音叉也可用于液體測量和控制。在測量時不需要大幅度的機械運動，驅動功率小，機械結構簡單、靈敏而可靠。此設計選擇音叉法阻力式料位傳感器。 2.3 存儲器擴展電路的選擇 2.3.1 24C01 擴展 ： 串行總線上的各單片機或集成電路模塊，通過一條數據線 (SDA)和一條時鐘線(SCL)，按照通信規約進行尋址和信息傳輸。每個集成電路模塊都有唯 偽地址，既可以是主控機 (能控制總線，并能完成一次傳輸過程的初始化和產生時鐘信號及傳輸終止信號的器件 )或被控機 (被主控器尋址的器件 )，可以是發送器 (在總線 1：發送信息的器件 )或接收器 (從總線上接收治息的器件 ) IC 總線上的器件，根據它的不同工作狀態，可分為主控發送器、主控接收器、被控發送器、被控接收器。當多個主控器同時企圖控制總線而不丟失信，這叫多主競爭。這時就要進行仲裁，仲裁就是針對這種情況進行裁決的過程。只允許其卞一個主控器繼續占用總線，其它退出豐攙器狀態。仲裁過程中還要保證總線的信息不丟失。多主競 爭時必須對所有參與競爭的主控器的時鐘信號進行同步處理。信息傳輸時， SCL 為高電平期間， SDA 上的信息必須保持穩定不變，只有 SCL 為低電平期間， SDA 上的信息才允許變化。同時 SDA 上信息每一位部和 SCL 的時鐘脈沖相對應。 SCL 沒有時鐘信號， SDA 信息將停止傳輸處于等待狀態。這因為線“與”邏輯，使 SCL 在低電平時鉗住總線。實現線“與”邏輯功能各 IC 總線接口的輸出端必須是漏極開路或集電極開路結構。 SCL 保持高電平期間， SDA 由高電平向低電平變化這種狀態定義為起始信號。 SCL 保持高電平期間，SDA 由低電平向高電平 變化，這種狀態定義為終止信號。 SDA 傳輸的每個字節必須8 位 (最高有效位首先傳送 )，每個傳送字節必須跟隨一位應答位。與應答信號相應的時鐘信號由主控器產生，發送器在這個時鐘信號釋放 SDA，使它處于高電平狀態， 6 以便接收由接收器在這位發出的應答信號。這時接收器還必須 SCL 在這位高電平期間，在 SDA 上輸出一個恒定低電平信氣以完成應答信號的輸出。整個傳輸過程中，傳輸的字節數目是沒有限制的。數據傳輸一段時間后，接收器無法繼續接收更多的數據，主控器同樣可以終止數據的傳送 4 。 24C01 是一種 128 字節串行 CMOS EEPROM,它具有如下特點： 1存儲容量為128 字節。 2串行接口可使用普通兩根 I/O 接口。 3具有頁寫模式：每頁 4 字節。 4同步周期小于 10ms 4 。 它只使用一條數據線和一條時鐘線，采用 ATMEL 公司的 24C01串口存儲器，應用簡單方便，但是其編程較為復雜。 2.3.2 2864A 芯片擴展 ： 2864A 是一種并行 EEPROM，它的特點同上，但每頁有 16 字節， 2864A 與 8051單片機的接口電路如下圖所示 ,2864A 的片 選端 CE 與高地址線 P2 7 連接， P2 7=0才能選中 2864A ， 這 種 線 選 法 決 定 了 2864A 對 應 多 組 地 址 空 間 ， 即0000H1FFFH,2000H3FFFH,4000H5FFFH,6000H7FFFH,這 8K 字節存儲器可作為數據存儲器使用 ,但掉電后數據不丟失 1 。 2864A 的四種工作方式： （ 1）維持方式 ： 當 CE 為高電平時， 2864A 進入低功耗維持狀態。此時，輸出線呈高阻狀態， 芯片的電流從 140mA 下降至維持電流 60mA。 （ 2）讀方式 ： 當 CE 和 OE 均為低電平而 WE 為高電平時，內部的數據緩沖器被打開，數據送上總線，此時，可進行讀操作。 （ 3）寫方式 ： 2864A 提供了兩種數據寫入方式：頁寫入和字節寫入。 頁寫入：為了提高寫入速度， 2864A 片內設置了 16 字節的 “頁緩沖器 ”，并將整個存儲器陣列劃分成 512 頁，每頁 16 個字節。頁的區分可由地址的高 9 位（ A4A12）來確定，地址線的低四位 (A0A3)用以選擇頁緩沖器中的 16 個地址單元之一。對2864A 的寫操作可分為兩步來實現：第一步，在軟件控制下把數據寫入頁緩沖器，這部稱為頁裝載，與一般的靜態 RAM 寫操作是一樣的。第二步，在最后一個字節（即第 16 個字節）寫入到頁緩沖器后 20ns 自動開始，把頁緩沖器的內容寫到 EEPROM陣列中對應的地址單元中，這一步成為頁存儲。 7 寫方式時， CE 為低電平，在 WE 下降沿，地址碼 A0A12 被片內鎖存器鎖存，在上升沿時數據被鎖存片內還有一個字節裝載限時定時器，只要時間未到，數據可以隨機地寫入頁緩沖器。在連續向頁緩沖器寫入數據的過程中，不用擔心限時定時器會溢出，因為每當 WE 下降沿時，限時定時器自動被復位并重新啟動計時。限時定時器要求寫入一個字節數據的操作時間BLWT須滿足； 3SA LKP: ADD A,R4 ;計算鍵號 PUSH A ;鍵號進棧保護 LK3: ACALL DIR ;調用顯示子程序 ,延時 6MS ACALL DIR ;調用判有無鍵閉合子程序 ,延時 6MS JNZ LK3 ;判鍵釋放否 ,未釋放 ,則循環 POP A ;鍵已釋放 ,鍵號出棧 -A 51 RET NEXT: INC R4 ;列計數器加 1,為下一列掃描做準備 MOV A,R2 ;判是否已掃到最后一列 (最右一列 ) NB Acc.7,KND ;鍵掃描已到最后一列 ,跳 KND重新 ；進行整個 ;鍵盤的掃描 RL A ;鍵掃描未掃到最后一列 ,位選碼左 ；移一位 MOV R2,A ;位選碼 -R2 AJMP LK4 KND: AJMP KEYI KS1: MOV DPTR ,#7F01H ;判有無鍵閉合子程序 ,全 0-掃描 (PA口 ) MOV A,#00H ;列線全為低電平 MOVX DPTR,A ; INC DPTR ； DPTR增 2，指向 PC 口 INC DPTR MOVX A,DPTR ；從 PC口讀行線的狀態 CPL A 行線的狀態取反，如無鍵按下，則 A ；中內容為 0 ANL A,#0FH ；屏蔽無用的高 4位 RET PID: MOV R5， 3 1H ;取 W MOV R4， 32H MOV R3， #00H :取 Yi MOV R2， 2AH ACALL CPL1 ;取 Yi的補碼 ACALL DSUM ;計算 ei=W-Yi MOV 39H， R7 ;存 ei MOV 3AH， R6 MOV R5， 35H ;取 I MOV R4， 36H MOV R0， #4 AH ;R0放乘積高位字節地址指針 ACALL MULT1 ;計算 Pi=I*ei MOV R5， 39H :取 ei 52 MOV R4， 3AH MOV R3， 3BH ;取 ei-1 MOV R2， 3CH ACALL CPL1 ;求 ei-1:的補碼 ACALL DSUB ;求 pp= ei=ei-ei-1: MOV A， R7 MOV R5， A :存 ei MOV A， R6 MOV R4， A MOV R3， 4BH ;取 Pi MOV R2， 4AH ACALL DSUM ;求 Pi+Pp MOV 4BH， R7 MOV 4AH， R6 ;存和 (Pi+即 ) MOV R5， 39H MOV R4， 3AH ;取 ei MOV R3， 3DH MOV R2， 3EH ;取 ei-2 ACALL DSUM :計算 ei=ei-2 MOV A， R7 MOV R5， A MOV A， R6 MOV R4， A MOV R3, 3BH MOV R2， 3CH ;取 ei-1 ACALL CPL1 :求 ei-1，補碼 ACALL DSUM ;計算 ei=ei-2-ei-1 MOV A， R7 MOV R5， A ;存和 MOV A， R6 MOV R4， A MOV R3， 3BH MOV R3， 3CH ;取 ei-l ACALL CPL1 :求 ej-1補碼 ACALL DSUM ;計算 ei=ei- 2-2e i-1、 53 MOV R5， 37H ;取 D MOV R4， 38H MOV R0， #46H ACALL MULT1 ;求出 Pd=D*(ei=ei-2-2ei-1) MOV R5， 47H MOV R4， 46H :存 Pd MOV R3， 4BH MOV R2， 4AH ;取 (pi+PP) ACALL DSUM ;計算 pi+pp+pd MOV R5， 33H ;取 Kp MOV R4， 34H MOV R0， #46H ACALL MULTl ;計算 Kp*(Pi+Pp+Pd) MOV R3， 47H MOV R2， 46H MOV R5， 2FH ;取 ui-1 MOV R4， 30H ACALL DSUM ;求出 ui=ui-l+KP*(Pi+Pp +pd) MOV 2FH， R7 ;存 uiui_， MOV 30H， R6 MOV 3DH， 3BH ;ei-l-ei-2 MOV 3EH， 3CH MOV 3BH， 39H :ei-ei-1 MOV 3CH， 3AH RET DSUM: MOV A， R4 ADD A， R2 MOV R6， A MOV A， R5 ADDC A， R3 MOV R7， A RET CPLI: MOV A， R2 CPL A ADD A， #0lH 54 MOV R2， A MOV A， R3 CPL A ADDC A， #00H MOV R3， A RET MULTI: MOV A， R7 RLC A MOV SIGN1， C ；存被乘數符號位 JNC POS1 ；被乘數為正轉 MOV A， R6 ;求補 CPL A ADD A， #0lH MOV R6， A MOV A， R7 CPL A ADDC A， #00H MOV R7， A POSI: MOV A， R5 RLC A MOV SIGN2， C :存乘數符號位 JNC POS2 ;乘數為正轉 MOV A， R4 CPL A ADD A， #0lH MOV R4， A MOV A， R5 CPL A ADDC A， #00H MOV R5， A POSZ: ACALL MUL1， MOV C， SIGN1 ANL C， SIGN2 JC TPL ;C=1是兩個負數相乘轉 MOV C， SIGN1 55 ORL C， SIGN2 JNC TPL ;C=0是兩個正數相乘轉 DEC R0 DEC R0 DEC R0 MOV A， R0 CPL A ADD A， #0lH MOV R0， A INC R0 MOV A， RO CPL A ADDC A， #00H TPL: RET MULT: MOV A， R6 ;取 b MOV B， R4 ;取 d MUL AB ;求 bd MOV Ro， A ;求 bdL MOV R3， B ;求 bdLR3 MOV A， R4 ;取 d MOV B， R7 ;取 a MUL AB ;求 ad ADD A， R3 ;求 adL+bdH MOV R3， A ;暫存 adL+bdH MOV A， B ADDC A， #00H ;adH+進位 MOV R2， A ;暫存 MOV A， R6 ;取 b MOV B， R5 ;取 c MUL AB ;求 bc ADD A， R3 ;求 adL+bcL+bdH INC R0 ;修改