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1、 河北联合大学轻工学院本科生毕业设计中期检查报告题 目：定量给料皮带秤控制器的软件设计学 部：信息科学与技术部专 业：自动化班 级：*姓 名：*学 号：*指导教师：*老师2012年 05月 08日工作进展情况（对照计划进程表和任务书）在查阅了有关的参考书和期刊后，了解了定量给料皮带秤系统的结构和原理，定量给料皮带秤以单片机为中央处理器，辅以外围模拟、数字电路功能模块，实现从接收传感器传来的信号到最后的显示输出，逐步弄明白并确定了单片机的型号，传感器的选择、看门狗电路设计，电源设计、信号放大电路、AD转换芯片以及数码管显示电路的设计.工作的进展情况如下：1 系统设计思路微控制器技术传感器技术的发
2、展和计算机技术的广泛应用,使电子产品的更新速度达到了日新月异的地步。本系统在设计过程中,除了能实现系统的基本功能外,还增加了打印和通讯功能,可以实现和其他机器或设备（包括上位PC机和数据存储设备）交换数据.除此之外,系统的微控制器部分选择了兼容性比较好的AT89系列单片机,在系统更新换代的时候,只需要增加很少的硬件电路,甚至仅仅删改系统控制程序就能够实现。另外称重过程当中，称可以有一定于实际应用量的过载，但不能超出要求的范围。综上所述,本系统的主要设计思路是：利用压力传感器采集因压力变化产生的电压信号，经过电压放大电路放大，然后再经过模数转换器转换为数字信号，最后把数字信号送入单片机。单片机经
3、过相应的处理后，得出当前所称物品的重量，然后再显示出来。同时依据操作人员所给的设定值，单片机通过调节电机的转速达到对皮带的速度相应的调节，以此达到工作时人们所想要的皮带速度。系统方案论证与选型2 系统方案论证与选型2.1系统方案论证本系统由5个部分组成:控制部分、测量部分、数据显示部分、键盘部分、和电路电源部分,系统设计总体方案框图如图2所示。LED可控硅调功调速电路电机皮带机单片机放大电路称重传感器AD转换键盘图2 系统总体设计思路框图测量部分是利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信号），而后经处理电路（如滤波电路，差动放大电路，）处理后，送A/D转换器，将模拟量转化为
4、数字量输出。控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号，并将其存储到存储单元中。同时控制器还可以接受来自键盘输入的数字速度数值命令，经过控制器相应的软件处理，指令信号通过IO口送入可控硅调功调速电路，可控硅调功调速电路依据指令调节电机的转速，而受电机转速控制的皮带的传输速度也发生相应的改变。控制器还可以通过对扩展I/O的控制，对键盘进行扫描，而后通过键盘散转程序显示。2.2控制器选型本系统要求使用单片机作为系统的主控制器,以单片机为主控制器的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“
5、智能化测量控制系统”。这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理、控制过程的便捷性以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。根据总体方案设计的分析,可以选用带EEPROM的单片机,由于应用程序不大,应用程序直接存储在片内,不用在外部扩展存储器，这样电路也可简化。intel公司的8051和8751都可使用，在这里选用ATMENL生产的AT89CXX系列单片机。AT89CXX有两大优势:第一，片内存储器采用闪速存储器,使程序写入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片,使整个硬件电路体积更小,此外价格低廉性能比较稳定的MCPU,具有8K8ROM、2568RAM、2个16位定时计数器、4个8
6、位I/O接口,这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。最后方案确定选择AT89C51这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。 2.3系统检测控制部分的硬件选择 硬件型号的选择对软件的设计有很大的影响，所以此段对硬件的选择进行了说明。由于定量给料皮带秤的数据采集部分主要包括称重传感器、处理电路和A/D转换电路，而对电机的控制是可控硅电路，因此此部分的论证主要分以下四方面。 2.3.1称重传感器的选择传感器是一个十分重要的元件,因此对传感器的选择也显的特别的重要,不仅要注意其量程和参数,还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难以程度和设计性价比等等。 综合以上考虑,本系统采用CHBW电阻应
7、变式传感器,其最大量程为1000kg的称重传感器由双弯曲梁结构，优质合金钢制造。四角误差校准，偏听偏信心载荷保持精度。长期稳定性好，可靠性高，密封防尘设计，感器测量精度高、温度特性好、工作稳定等优点。广泛应用于基于单片机的电子皮带秤。该称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，其工作原理如图3所示： 图3 图3称重传感器工作原理图2.3.2放大电路选择称重传感器输出电压振幅范围020mV。而A/D转换的输入电压要求为02V，因此放大环节要有100倍左右的增益。对放大环节的要求是增益可调的（70150倍），根据本设计的实际情况增益设为100倍即可，零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。按照输
8、入电压20mV，分辨率20000码的情况，漂移要小于1V。由于其具有极低的失调电压的温漂和时漂（1V），从而保证了放大环节对零点漂移的要求。残余的一点漂移依靠软件的自动零点跟踪来彻底解决。稳定的增益量可以保证其负反馈回路的稳定性，并且最好选用高阻值的电阻和多圈电位器。由图3称重传感器的工作原理图可知，电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成R/R，而应变电阻的变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值120，灵敏系数 K=2，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000，应变电阻相对变化量为：R/R = K= 21000106 =0.002 （2-3）由式2-3可以看出电阻变化只有0.24，其电
9、阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路，把应变计的R/R变化转换成电压或电流变化，但是这个电压或电流信号很小，需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被A/D转换芯片接收的信号。在前级处理电路部分，我们考虑可以采用以下两种方案：方案一：利用普通低温漂运算放大器构成前级处理电路；普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此种方案不宜采用。方案二：主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器，而构成的前级处理电路；差动放大器具有高输入阻抗
10、，增益高的特点，可以利用普通运放(TL062)做成一个差动放大器。其设计电路如图4示：图4 用普通运放设计的差动放大器2.3.3 A/D转换器的选择世界上有多种类型的ADC，有传统的并行、逐次逼近型、积分型ADC，也有近年来新发展起来的-型和流水线型ADC，多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。 根据系统的精度要求以及综合的分析其优点和缺点，本设计采用了12位A/D MAX187转换器。A/D MAX187转换器是美国MAXIM公司生产的一种串行A/D 转换器,具有低功耗、高精度、高速度、体积小、接口简单等特点。它是一种单通道12 位逐次逼近型串行A/ D 转换器,内部设有采
11、样保持电路,采用单一的+5V 供电,接收0+5V 模拟信号输入。 MAX187特点 12位分辨率； 单一+ 5V 工作电压,工作电流1.5mA ,关断电流2A ； 内部采样/ 保持电路,75Ksps 采样速率； 1/2LSB 整体非线形度； 内部4.096V 基准电压, 与SPI、QSPI 及Mi2crowire 兼容的3 线串行接口。；MAX187内部结构 图5 MAX187内部结构图MAX187 的工作过程实现如下：1）保持SCLK= 0 ,CS 的下降沿使采样/ 保持器开始工作,转换器进行转换; 在转换期间应始终保持SCLK= 0 ;数据输出前应保持CS = 0。2）经过一个内部8. 5
12、s 转换周期后,DOUT 被拉为高点平,转换结束,数据在SCLK的时序控制下从OUT 端输出。3) 在转换结束后,可在任何时刻通过SCLK时钟将数据移出移位寄存器。DOUT 在SCLK的下降沿开始输出,下一个时钟的下降沿在DOUT 端产生一个MSB ,由于有12 位和一个开始位,所以至少有13 个时钟周期来移出这些数据。4) 连续13 个SCLK周期后,使CS = 1 ,DOUT 变为高阻态,结束一个完整的转变周期。如果13 个SCLK周期后,CS 仍为0 ,这时SCLK仍不断发生,DOUT 端在LSB 后将输出“0”,成为无效位。5) 在两个操作周期间应保持一个最小时间间隔Tcs = 0.5
13、s ,以使A/ D 转换器完成初始化,这样整个一个转换输出的周期大约为12.25s。2.3.4电机调速电路的选择 本次毕设选择的是可控硅过零调压调速控制电路，它的工作原理为：P = F V ，在外部情况不变即F 保持不变时，在规定时间内电功率P 的变化将使速度V 跟着改变，因此调电功P 就可达到调速的目的。其原理图如图6所示 图6 可控硅过零调功原理图2.4键盘处理部分方案论证，本毕设选择矩阵式键盘。矩阵式按键分布图如图7所示 图7 矩阵式键盘 2.5数据显示电路选择数据显示是电子秤的一项重要功能，是人机交换的主要组成部分，它可以将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的显示出来。数据显示部
14、分可以有以下两种方案可供选择：一是 LED数码管显示,二是LCD液晶显示两种选择。在设计中选择LED显示。3系统软件设计 3.1程序的总体设计 为了能够实现上述功能，经过认真的分析和整理，以及对整体功能进行细化、分配，把系统的程序划分为以下几个主要模块:1、初始化模块: 通过该模块来对堆栈、定时器、计数器、中断和特殊功能寄存器进行赋值，有关寄存器的清零，以及计数器/定时器的初值存放等。2、按键操作模块: 该模块能够在系统一上电后就开始对键盘进行扫描，一旦在相应时刻检测到有键按下，就会相应转去执行处理程序，处理完毕后能够返回主程序。3、A/D转换模块：MAX187的A/D转换子程序。4、显示模块
15、 ：该模块应能够把显示码进行准确显示。5、显示码转换模块：用来实现系统内的二进制AD值转化为BCD码，BCD码再转换成分离BCD码，分离BCD码最后转换成数码管显示码，以便送出显示，它是显示处理程序的先遣队。6可控硅过零调功调速模块：用来实现单片机对电机转速的控制。除了上述功能以外，该系统还具有看门狗功能以及工作状态显示功能等。3.2 系统主程序流程图 该系统的主程序有初始化（相关寄存器清零，设置显示初值，看门狗初始化等）、A/D转换，标度变换，显示处理键盘扫描，键盘处理等程序,流程图如图8所示初始化显示处理喂看门狗按键处理子程序AD转换子程序标度交换数据 判断 控制 图8 主程序流程图3,3
16、子程序设计 本设计的系统子程序主要包括电子狗设计、A/D转换启动程序设计、键盘程序设计、显示程序设计、以及中断程序设计等。 3.3.1系统看门狗介绍X5045芯片是集上电复位、电压监控、看门狗定时以及EEPROM数据存储四种功能一起的多用途芯片。其流程图如图9所示初始化上电复位看门狗0.1秒N写允许Y写子程序读状态读子程序 图9 电子狗设计流程图3.3.2 动态显示和按键扫描处理程序实现 动态显示和按键扫描处理,因对时间有较高的要求，故定时中断服务程序来处理。采用T1定时器0(T0),来实现二者功能。动态显示功能是在某一瞬间，只让某一位的字位线处于选通状态，即共阴极的为低电平，同时字段线上输出
17、相应位要显示字符的字段码。而其他各位的字位线处于悬空状态，不显示。同样在下一瞬时，只显示下一位LED，如此循环每位LED。虽然这些字符是在不同的瞬时轮流显示出来的，但由于人眼的视觉残留效应，看到的是每位同时显示字符。1ms的初值要装入定时器，然后将程序计数器的内容(断点地址)压入堆栈保护起来，然后将对应的定时器T0中断矢量装入程序计数器PC，使程序转向T0中断矢量地址000BH，执行该中断服务程序。其动态显示和按键扫描处理程序如图10所示指定堆栈起始地址;工作寄存器组指定选工作寄存器组保存现场选通74LS145按键扫描以及抖动处理执行按键操作 图10 动态显示和按键扫描处理程序流程图3.3.3
18、 A/D转换程序实现A/D转换程序主要是将称重传感器检测到的控制对象的模拟信号转换成数字信号的过程。A/D转换子程序流程图如图11所示NAD允许标志=1？和清零Y读AD值 保存更新标志将值累加到AD累加和YAD数+1将累加和除以AD数得到平均值 保存平均值 更新标志启动AD清AD允许 标志N返回图11 A/D转换程序流程图3.3.4显示处理子程序设计 显示子程序主要是显示当前物重的大小,也是比较重要的程序之一。其中：dpt=0,工作状态。dpt=1，设置。dpt=2，校准。其程序流程图如图12所示 YN判dpt=1？取测量值NST取工作时显示值二进制转换压缩BCD码压缩BCD码变独立BCD码查表 独立BCD码变显示码送到显示区返回 图12 显示处理子程序流程图未按计划完成任务的原因及今后工作计划未按计划完成任务的原因：并未按计划将中期报告准备好，主要原因是没有把握好时间。今后工作计划：进一步细化各个功能软件的的具体设计并进行调试，然后再进行系统的综合调试。存在的主要问题及解决措施在设计的初期，查阅一些定量给料皮带秤的总体工作原理时，有部分工作原理看不明白，又通过认真仔细的理解和其他资料的帮助，解决了难点。在此发现硬件选型很重要，但是软件的使用和程序的设计地位也不轻，很多知识在之前的学习当中没有重视起来而造成知识的短缺，在结合硬件编程时遇到困难。因此在这次设计当中又学到了很多知识