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1、液体原料自动称重配料系统(硬件设计)摘 要本论文在分析了国内外称重技术发展的基础上，着重对一个用于工业控制且功能较齐全的自动称重系统进行设计。随着自动化和管理现代化的进展，自动在线称重在整个称重系统中有了很大的发展。因此，进一步采用新技术，开发各种自动称重系统和提高称重的准确度已经成为了多数国家科技发展的重中之重。自动配料控制系统主要由单片机控制器、电机驱动电路等组成，主要工作原理是用压力传感器进行物料的重量测量，传感器把物料的重量转换成电信号，经AD转换芯片把信号送入单片机进行处理，再由单片机发出物料已秤足重量的信号去控制步进电机的工作。本论文所设计的自动称重系统是应用于工业上的液体原料自动
2、称重中的，它的实现有两个过程，第一阶段由步进电机带动水泵抽水给料，这一阶段可看成为粗调过程，给料重量一定要小于额定重量。第二阶段由步进电机带动水泵抽水进料，可看成是细调过程，使实际重量等于要求的额定重量。本称重系统采用单片机STC89C54为控制核心，实现称重仪的基本控制功能。本系统通过应用传感器，各种芯片及单片机使得该称重系统的实际操作性更强，便于应用于工业上。关 键 词：STC89C54单片机；步进电机；传感器；额定重量THE AUTOMATIC WEIGHIMG SYSTEM FOR LIQUID MATERIAL（HARDWARE DESIGN）ABSTRACTBasis on the
3、 researching of the progress of the weighing technology, this paper introduces the development of automatic weighing system which has a complete function.With the progress of automation in industry and modernization in management, there is much progress in weighing online, dynamic weighing and syste
4、m of weighing.Adopting newer technology, developing diversified automatic weighing system, improving accuracy and enhancing network function are emphasized in every country nowadays. .It was consisted of a single-microcomputer control center，and circuits for driving motors. Its principle was used se
5、nsors to measure the weight of materials. Then sensors converted the weight to electrical signal. Passing the transfer the signal processed by the sing-microcomputer controlled the stepper motors working.The article introduced the automatic named weighing system which is applied in the industry, its
6、 realization has two processes, the first stage is the pump by the stepper motor to afford the material, this age which is worthy of looking at is because of the coarse adjustment process,certainly it must be smaller than the schedule weight for the material weight. The second stage is impetus which
7、 is much more precise than the first pump feeding, it may be regarded as the special process. This system has been applied in the sensor, each kind of chips and monolithic integrated circuits. This system is based on single chip AT89C51, it can make electronic scales basic control function come true
8、. The system would be stronger by using different elements,and it would have better performance in application of the industry.KEY WORDS: STC89C514 single ship; stepper motor; sensor;rated weight 目 录前 言1第1章 系统整体方案设计31.1 配料称重系统的构成及原理31.2 配料控制器总体框图41.3 配料系统硬件系统整体设计41.4 本章小结5第2章 系统硬件设计62.1 单片机系统的设计62.1
9、.1 单片机的选择及其介绍62.1.2 单片机的性能参数72.2 键盘模块的设计82.2.1 矩阵键盘的结构及其工作原理82.2.2 矩阵式键盘的按键识别方法92.3 显示模块的设计102.3.1 数码管的结构及其原理102.3.2 数码管的接口电路的设计112.4 AD转换电路的设计132.4.1 传感器及AD转换芯片的选择132.4.2 AD转换工作原理132.5 电机电路的设计142.5.1 步进电机的原理142.5.2 步进电机的设计162. 6报警电路的设计172.6.1 LED灯的工作原理172.6.2 蜂鸣器的工作原理182. 7本章小结19第3章 PROTEL软件的介绍203.
10、1 protel简介203.2 protel 99SE绘制电气原理图213.2.1 概述213.2.2 常用操作21结 论23参考文献24致谢25附录26附录1 原理图26附录2 PCB27 V前 言目前，随着自动化控制程度的提高，在冶金、建材、化工、食品加工、饲料加工等行业广泛地需要配料控制器来进行物料配比自动控制。比如在建筑业，混凝土的配置就是很重要的环节，它不仅关系到工程质量而且还关系到人身安全，在最早的混凝土配置中完全依靠大量的人力来完成，劳动强度大而且由于水泥粉尘的污染损坏了工人的身体健康和周围的环境。现在许多建筑工程和筑路，建桥、房屋建筑、工厂大规模的建设等都要求，承建建设任务的建
11、筑公司必须使用皮带配料秤单片机控制器来控制物料的自动配比，利用皮带配料秤单片机控制器进行配料，只需一人或几人就可以在现场或远离物料配料场控制配料的完成，不仅节省了人力物力，也减少了环境污染，大大提高了生产效率，为企业降低了生产成本。物料必须实现科学的配比，如建筑业中的混凝土并非是水泥越多越好。为了提高产品质量，物料必须实现科学的配比，在食品加工、冶金、化工、饲料加工等行业也越来越注重物料配比的精度和配料的控制速度，也就需要高精度高速度的配料控制系统单片机控制器来进行自动控制。我们设计的液体配料系统单片机控制器也正是为了此目的。在国际上，特别是在大型建筑工程建设中，要高质量高水平地完成建设任务，
12、能否迅速进行混凝土配制是建设的关键。同时，混凝土的质量也是不能忽视的关键问题。因此，用户在选择承建公司时往往要看他们的建筑机械是否先进、是否能既快又好的保证混凝土的配制。这是用户选择建设公司的条件之一。先进的设备是建设公司进行招投标参与竞争不可缺少的资本。随着半导体技术的发展，单片机的应用越来越广泛。目前利用单片机和微机组成的皮带配料秤单片机控制器已广泛地应用在冶金、化工、建材、饲料加工等诸多行业，自动配料控制系统不仅具有自动化程度高，配料连续性好，操作人员劳动强度低，而且配料精度高，产品质量容易控制，还能实现动态物料的配比，自动和手动相结合，实现自动跟踪误差调整、自动称重、自动混合、自动显示
13、。因此使用液体配料单片机控制器能明显地提高工作效率，增加经济效益，提高管理的现代化水平。随着工业自动化和管理现代化的进展，自动在线称重、快速在线称重和配料系统有了很大发展。进一步采用新技术，开发各种自动称重系统，提高动态称重的准确度，加强网络功能是当今各国发展的重点。本课题正是从这一方面出发进行设计的，使得本课题设计的自动称重系统既能获取称重信息，又能实现对称重信息的管理实行配料系统，而且其稳定性好，称量速度快、精度高，可连续自动称重，显示称量结果，自动配料，实现了称重数据的存储，配料的自动化，并且该自动称重系统还实现了可视化，从而杜绝不真实计量现象，维护企业和客户的利益。另外，其界面直观，便
14、于使用。而且本设计电路简单，成本低，抗工频干扰强，具有很好的推广价值。28第1章 系统整体方案设计1.1 配料称重系统的构成及原理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、高可靠以及高稳定性,而且在整个生产过程中需要动态连续或间歇性动态连续运行。配料控制器大都以标准51单片机为核心,通过扩展较多的外围功能部件,来满足生产需要。因此该配料控制系统采用STC89C52RC单片机，可实现人或者上位机和称重仪表的通讯。系统结构分为电气和机械2部分:其中电气部分包含3个模块: 单片机控制模块、称重传感器和A/D 转换模块;机械
15、部分步进电机和抽水机部件组成。工作原理是:由操作人员或上位机根据实际配料需要，向配料控制器发流量控制命令,配料控制器就会将检测到的流量与给定流量进行比较。根据比较结果,通过PID算法调节减速电机的速度,达到调节电动机带动抽水机给料速度的目的,使其实际的流量与设定的流量相等,从而保证配料精度。具体来说：系统开始控制操作之前，通过按键和显示模块组成的人机作界面将相应的参数值输入到单片机控制部分，使系统处于正常工作状态。按下启动按钮系统开始工作，当检测到料斗重量并自动去皮后，步进电机匀加速到最高转速值驱动抽水机快速下料，当所下料到快加提前量时，步进电机在匀低速运转，从而驱动抽水机慢速下料，当所下料到
16、慢加提前量时，单片机控制步进电机以极低的脉冲前进，驱动抽水机点动式下料，直到料到设定值，卸料后开始第二次自动称重及分份控制。由于配料控制器具有检测功能,所以它还能输出物料的瞬时流量和总累计量等。通过控制器自身键盘可设定配料流量,因而控制器也可以不通过上位机而独立的工作。1.2 配料控制器总体框图系统总体框图如下： 图1-1.配料控制器总体框图1.3 配料系统硬件系统整体设计硬件设计部分的设计分为以下几部分：单片机系统的设计，4*4矩阵键盘的设计，数码管显示接口的扩展，AD转换PCF8591转换芯片电路的设计，报警电路的设计。1.4 本章小结本章首先给出了本系统的总体组成。详细的阐述了本系统的基
17、本功能和工作原理，并建立了自动配料控制系统基本控制模型，为系统的进一步研究提供了理论基础。第2章 系统硬件设计如前所述，系统的硬件部分设计主要包括： (1) 单片机系统的设计。(2) 键盘接口的扩张。(3) 显示接口的扩展。(4) AD转换电路的设计。(5) 报警电路的设计。2.1 单片机系统的设计2.1.1 单片机的选择及其介绍51单片机是对所有兼容Intel 8031的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测
18、控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。本系统中我们选择单片机STC89C52。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，是具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32
19、 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 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。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。STC89C52引脚图如下图所示：图2-1.STC89C52的引脚图2.1.2 单片机的性能参数STC89
20、C52单片机的主要性能参数如下：(1)与MCS5 1产品指令系统完全兼容；(2)4k字节在系统编程(ISP)Flash闪速存储器；(3)1000次擦写周期；(4)5V的工作电压范围；(5)全境态工作模式：0Hz33MHz；(6)三级程序加密锁；(7)1288字节内部RAM；(8)32个可编程IO口线；(9)2个16位定时器计数器；(10)6个中断源；(11)全双工串行UART通道；(12)低功耗空闲和掉电模式；(13)中断可从空闲模唤醒系统；(14)看门狗(wDT)及双数据指针；(15)掉电标识和快速编程特性；(16)灵活的在线系统编程。2.2 键盘模块的设计2.2.1 矩阵键盘的结构及其工作
21、原理在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图1所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键
22、没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。下图为矩阵键盘的电路原理图： 图2-2.矩阵键盘电路原理图 2.2.2 矩阵式键盘的按键识别方法确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。（1）判断键盘中有无键按下 将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘
23、中无键按下。（2）判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。下面给出一个具体的例子：如图2-2上所示。8031单片机的P1口用作键盘I/O口，键盘的列线接到P1口的低4位，键盘的行线接到P1口的高4位。列线P1.0-P1.3分别接有4个上拉电阻到正电源+5V，并把列线P1.0-P1.3设置为输入线，行线P1.4-P.17设置为输出线。4根行线和4根列线形成16个相交点。(
24、1)检测当前是否有键被按下。检测的方法是P1.4-P1.7输出全“0”，读取P1.0-P1.3的状态，若P1.0-P1.3为全“1”，则无键闭合，否则有键闭合。(2)去除键抖动。当检测到有键按下后，延时一段时间再做下一步的检测判断。(3)若有键被按下，应识别出是哪一个键闭合。方法是对键盘的行线进行扫描。P1.4-P1.7按下述4种组合依次输出：P1.7 1 1 1 0P1.6 1 1 0 1P1.5 1 0 1 1P1.4 0 1 1 1在每组行输出时读取P1.0-P1.3，若全为“1”，则表示为“0”这一行没有键闭合，否则有键闭合。由此得到闭合键的行值和列值，然后可采用计算法或查表法将闭合键
25、的行值和列值转换成所定义的键值(5)为了保证键每闭合一次CPU仅作一次处理，必须却除键释放时的抖动。2.3 显示模块的设计2.3.1 数码管的结构及其原理数码管也称LED数码管，晶美、光电、不同行业人士对数码管的称呼不一样，其实都是同样的产品。数码管按段数可分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等数码管；按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+
26、5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。led数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4
27、，5，6，8，10位等等，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。led数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。在本次设计中，我们选择8位共阴数码管。 图2-3.8位共阴数码管及其电路原理图2.3.2 数码管的接口电路的设计一、键盘输入电路 键盘是由若干个按键组成的开关组,当没有一个键按下时，所有行线输出为1；
28、当某个键按下时，该键所在的行线和列线短接，行线的输出由列线的输入电平决定，74LS164可提供键盘的列扫描信号。 二、键盘信号的识别 本设计采用的是非编码式键盘，采用软件方法判别究竟是哪一个键按下。其过程如下：(1) 进行整体扫描；(2) 当有键按下时。 三、键盘消抖的处理机械按键在闭合时不会马上稳定接通，在断开时也不会一下子断开，而是伴随着一连串的抖动。为保证CPU对按键的一次闭合仅做一次处理，对抖动信号必须进行消抖处理。本系统采用软件消抖，调用子程序实现延时10 ms，待键闭合稳定后再次接受键入的信号，此时抖动已经停止，键盘状态有效。 四、显示器电路(1)LED显示器工作原理。显示器为七段
29、数码管，需由驱动电路7407(反向器)驱动，并采用共阴极接法。共阴极LED显示器的阴极共地，当某二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮。十进制数对应的段码见表2-1。 表2-1 七段LED显示器段码表(共阴极) 显示字符0123456789.段码3FH06H5BH4FH66H6DH07H7DH7EH6FH80H (2) 显示扫描电路。LED的每一种显示字符对应一个段码，CPU送出这个段码，LED便显示这个段码所对应的字符。在本系统中由移位寄存器74LS164提供需要显示的段码。当我们需要同时显示多个字符时，可逐次把需要的字符显示在规定的位置上。本系统通过P1.0P1.5口向显示器提供位选码，用
30、于控制各个显示器的接地端。在每点亮一个显示器之后，必须稍停一段时间，使之发光稳定，然后轮流点亮其他的显示器。这样巡回扫描速度较快，每秒可重复多次。虽然在同一时刻只有一个显示器在工作，但利用人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效应，我们看到的都是稳定的多个字符同时显示。这种显示为动态显示，此时，段选码和位选码均由软件控制。2.4 AD转换电路的设计2.4.1 传感器及AD转换芯片的选择本系统中我们使用德国HBM公司的HBM26F称重传感器。在自动化控制设备的数据采集和转换输出过程中，A/D转换往往是必不可少的，因此在很多场合要使用到A/D转换芯片。选择一款合适的A/D转换芯片显得由为重要。
31、传统的并行A/D转换需占用较多的I/O 口，串行的A/D转换周期长，读写复杂，可扩展性较差。I2C 总线A/D转换具有接口线少，控制方式简单，通信速率较高，扩展性方便等优点，得到了广泛应用。PCF8591是一种具有I2C总线接口的8 位A/D转换芯片，在与CPU的信息传输过程中仅靠时钟线SCL 和数据线SDA 就可以实现。I2C总线是Philips（飞利浦）公司推出的串行总线，它与传统的通信方式相比具有读写方便、结构简单、可维护性好、易实现系统扩展、易实现模块化标准化设计、可靠。2.4.2 AD转换工作原理PCF8591 的A/D 转换为逐次比较型，在A/D 转换周期中借用DAC 及高增益比较
32、器。对PCF8591 进行写读操作后便立即启动A/D 转换，并读出A/D 转换结果。在每个应答信号的后沿触发A/D 转换周期，采样模拟电压并读出前一次转换后的结果。A/D 转换中，一旦A/D 采样周期被触发，所选择通道的采样电压便保存在采样、保持电路中，并转换成8 位二进制码（单端输入） 或二进制补码（差分输入） 存放在ADC 数据寄存器中等待器件读出。如果控制字节中自动增量选择位置1，则一次A/D 转换完毕后自动选择下一通道。读周期中读出的第一个字节为前一个周期的转换结果。上电复位后读出的第一字节为80H。PCF8591 的A/D 转换亦使用的是I2C 总线的读方式操作完成的。其中data
33、0data n 为A/D 的转换结果，分别对应于前一个数据读取期间所采样的模拟电压。A/D 转换结束后，先发送一个非应答信号位A 再发送结束信号位P。灰底位由主机发出，白底位是由PCF8591 产生。上电复位后控制字节状态为00H，在A/D 转换时须设置控制字，即须在读操作之前进行控制字节的写入操作。图2-4.A/D 转换数据操作格式PCF8591 为单一电源供电（2.56 V） 典型值为5 V，CMOS 工艺。PCF8591 有4 路8 位A/D 输入，属逐次比较型，内含采样保持电路；1 路8 位D/A 输出，内含有DAC的数据寄存器。A/D、D/A 的最大转换速率约为11 kHz，但是转换
34、的基准电源需由外部提供。图2-5.A/D电路原理图2.5 电机电路的设计2.5.1 步进电机的原理步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备-步进电机控制驱动器，控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环形分
35、配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的，步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。从结构上看，步进电机分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的。步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式(HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现
36、精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。（1）四相步进电机的工作原理该设计采用了20BY-0型步进电机，该电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。（2）步进电机的静态指标及术语相数：产生不同队N、S磁场的激磁
37、线圈对数，常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲用n表示，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即ABBCCDDAAB,四相八拍运行方式AABBBCCCDDDAA。步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿角运行拍数），以常规二、四相，转子齿角为50齿角电机为例。四相运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度，八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度。定位转矩：电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。（3）四相步进电机的脉冲分配规律目前，对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形
38、脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序 与波形分别如图1 a、b、c所示。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。步进电机的电路原理图如下图所示： 图2-6.步进电机的电路原理图2
39、.5.2 步进电机的设计本系统选用四相六线的24BYJ48型永磁感应式步进电机，步进电机主要参数：图2-7.步进电机的主要参数其外形尺寸如下图所示： 图2-8.步进电机的外形尺寸2. 6报警电路的设计本设计当液体原料的实际值与设定值相等或者大于实际值大于实际值的时候，报警电路工作。报警电路分为两部分，声报警和光报警。光报警用LED灯工作，声报警用蜂鸣器。当实际值达到或者大于设定值的时候，LED灯发光，蜂鸣器发出声音报警。2.6.1 LED灯的工作原理图2-9A 点就相当于单片机的I/O 口，A 点相当于单刀双掷开关，可以接到+5V，也可以接到电源地。接到+5V 或者悬空，整个电路中没有电流流过
40、，LED 的状态是熄灭。如果A接到电源地，2 端压差5V，假设LED 正常工作压降1.5V，正常工作电流10mA。在数字电路中，接+5V 为电平“1”，接地为“0”。所以在单片机中，按照上图连接LED 到P1.1 口，我们只需要控制P1.1 口的电平是“0”或“1”就可以控制LED 的亮灭。O3 , f图2-9.LED灯的电路原理图2.6.2 蜂鸣器的工作原理蜂鸣器发生原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机的引脚输出的电流较小，因此需要增加一个电流放大的电路。如图所示，蜂鸣器的正极接到电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射机E,三极管
41、的基极B经过限流电阻R后由单片机的某个引脚控制，当引脚输入高电平时候，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当引脚输出低电平时候，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们通过程序控制引脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。 图2-10.蜂鸣器的电路原理图2. 7本章小结 本章根据系统功能需求对配料控制系统的各个硬件模块进行了介绍。使读者对本设计的各个功能模块有一个清晰的认识。第3章 PROTEL软件的介绍3.1 protel简介早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只
42、有电路原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到DXP 2004，是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。在国内PROT
43、EL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。2005年年底，Protel软件的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本Altium Designer 6.0。Altium Designer 6.0，它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化PCB 设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品
44、所需的全部功能。这款最新高端版本Altium Designer 6除了全面继承包括99SE，Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多改进和很多高端功能。Altium Designer 6.0拓宽了板级设计的传统界限，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。在本次设计中我们使用protel 99SE。3.2 protel 99SE绘制电气原理图3.2.1 概述进入Design Protel 99se后在Documents中通过右键 “New” 建立 “Schematic Docum
45、ent”文件，打开后即可进行电路原理图的编辑。先按照已画好的电路草图将所有元件找到拖放到编辑框里。将编辑框缩小，将元件照电路的样子搭好，整体上排列匀称。接下来就可以进行局部的连线了。 或者可以先将电路的各个模块搭好，再通过框定各模块平移组合成完整的电路，取消框定要通过EditDeSelectInside Area再用鼠标框定以前选中的模块，就可以解除，表现为模块由黄色变成普通颜色。对某个工程的操作是对一个数据库的操作，因此不同的数据库会在不同的窗口中打开，通过最小化可看到各个数据库的窗口。3.2.2 常用操作1、调用画图工具ViewToolbarsCustomize2、在移动元件时按空格可旋转
46、元件3、找元件时要参照对元件库的描述， Converter含有AD、DA等； Analog是模拟器件如运放等；Memory是存储器件.4、一个工程数据库中最好不要将所有文件都放在文件夹Documents中,因为这样会产生一些意想不到的小问题。而将文件直接放在数据库根目录下则不会出现这些问题。3.3 protel 99SE生成PCBProtel99SE生成PCB正确的步骤是:（1）新建库文件，SCH文件，PCB文件，全部保存；（2）画原理图，在画原理图的时候要注意每个元件的封装设置；（3）给每个元件分配唯一的标号，用Tools-Anotate自动标号也可以；（4）生成网表文件.net；（5）更新PCB，即将sch导入到PCB文件中.这样PCB文件中就会出现散落的元件,元件管脚之间用灰色的细线表示存在电气连接；（6）元件位置摆放,一般是手动布局；（7）布线。在布线之前是不会出现你所说的深蓝色的线的，深蓝色的线是PCB文件中的底层走线，是实际的布线结果，红色表示的是顶层的走线。结 论在当今电子技术快速发展的时代，单片机技术日趋成熟完善，而单片机的功能多，价格也越来越适合于普遍使用。因此在许多领域用单片机作为控制中心器越方便。特别是单片机具有体积小，重量轻的优势，可以把单片机使用在环境不能接触的地方，代替人来工作。也就是说，用单片机制作智能化的仪器