储粉仓粉位高度控制系统.doc

课 程 设 计 说 明 书
学生姓名:

学 号:

学 院:
自动化工程学院
班 级:

题 目:
储粉仓粉位高度控制系统

指导教师: 职称:

2015年6月2 日
目录
一、设计方案、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、1
二、工作原理 1
2、1 流程框图 1
2、2 工作原理 1
三、硬件设计 2
3、1 传感器 2
3、2 单片机电路设计 3
3、2、1 AT89C51功能及引脚分布 3
3、2、2 振荡方式得选择 5
3、2、3 复位电路得设计 5
3、3 AD转换电路得设计 6
3、3、1 ADC0809主要信号引脚得功能 6
3、3、2 ADC0809与AT851单片机得连接 7
3、3、3 转换数据得传送 8
3、4 键盘输入电路得设计 9
3、4、1 按键去抖 9
3、4、2 键盘扫描方法 10
3、5 数显输出电路得设计 11
四、软件设计部分 12
4、1 原理图得绘制 12
4、2 流程图得设计 13
五、参考文献 13
1. 设计方案
利用单片机为控制核心,设计一个对锅炉煤粉粉位进行监控得系统。根据监控对象得特征,要求实时检测煤粉得粉位高度,并与开始预设定值做比较,由单片机控制固态继电器得开断进行粉位得调整,最终达到粉位得预设定值。检测值若高于上限设定值时,要求报警,断开继电器,控制送粉器停止送粉;检测值若低于下限设定值,要求报警,开启继电器,控制送粉器开始送粉。现场实时显示测量值,从而实现对煤粉粉位得监控。
2、1流程框图
煤粉粉位
ZNZC煤粉仓重锤料位计
ADC0809

8051
键盘
蜂鸣器
存储器
数码管
DAC7512N/50

送粉器

图1锅炉粉位自动控制系统工作流程框图
2、2工作原理
基于单片机实现得液位控制器就是以AT8C951芯片为核心,由键盘、数码显示、A／D转换、传感器,电源与控制部分等组成。工作过程如下:煤粉粉位位发生变化时,由测量粉位得传感器ZNZC煤粉仓重锤料位计测出,并转化为4-20MA标准信号送入A／D转换器,A／D转换器把模拟信号变成数字信号量,由单片机进行实时数据采集,并进行处理,根据设定要求控制输出,同时数码管显示粉位高度。通过键盘设置粉位高、低与限定值以及强制报警值。该系统控制器特点就是直观地显示粉位高度,可任意控制粉位高度。
3、硬件设计
液位控制器得硬件主要包括由传感器(带变送器)、单片机、键盘电路、数码显示电路、A／D转换器与输出控制电路等。
3、1传感器
ZNZC重锤式料位计主要用于测量料仓及各种储料罐中得物料高度, 使用户可靠得掌握料仓中得料位、 可用来测量各种复杂环境料仓得料位,包括粉状,颗粒状及块状物料等介质、 广泛应用于化工,食品,冶金,水电,水泥,塑料,采矿及其她工业领域、。总览重锤式料位计由机械传动部分,仪表控制部分,探测锤三部分组成。特点设计结构新颖,功能强大、可实现24小时自动测量。

图1 ZNZC引脚图
表1 ZNZC传感器参数
参考操作条件
环境温度: -5℃～+60℃
最小介质密度: 300g/L  (更小密度需定制)
最小测量时间间隔:
测量高度     5m    3m
测量高度     10m    6m
测量高度     20m   12m
测量高度     30m  18m
机械传动部分
测量范围:最大30m
测量精度:±0、08m
测量速度: 0、15m/s
钢丝绳直径: 2mm
钢丝绳材质: 304不锈钢
探测锤重量: 2Kg
整机重量: 30Kg
仪表控制部分
供电电压: AC220V,50Hz
功耗: 75W
信号输出: 4～20mA
显示: 4位LCD
重量: 3Kg
3、2 单片机电路设计
3、2、1 AT89C51功能及引脚分布
本次课程设计基于AT89C51单片机, AT89C51就是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器得低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。AT89C2051就是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器得单片机。单片机得可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准得MCS-51指令集与输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU与闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL得AT89C51就是一种高效微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉得方案。引脚分布如下图3、2、1所示:

图3、2、1 AT89C51及引脚分布
VCC:供电电压。
GND:接地。
P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口得管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址得第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:P1口就是一个内部提供上拉电阻得8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这就是由于内部上拉得缘故。在FLASH编程与校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:P2口为一个内部上拉电阻得8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口得管脚被外部拉低,将输出电流。这就是由于内部上拉得缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址得高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器得内容。P2口在FLASH编程与校验时接收高八位地址信号与控制信号。
P3口:P3口管脚就是8个带内部上拉电阻得双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这就是由于上拉得缘故。
P3口也可作为AT89C51得一些特殊功能口,如下表所示:
管脚 备选功能
P3、0 RXD(串行输入口)
P3、1 TXD(串行输出口)
P3、2 /INT0(外部中断0)
P3、3 /INT1(外部中断1)
P3、4 T0(记时器0外部输入)
P3、5 T1(记时器1外部输入)
P3、6 /WR(外部数据存储器写选通)
P3、7 /RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程与编程校验接收一些控制信号。
RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期得高电平时间。
ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许得输出电平用于锁存地址得地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变得频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率得1/6。因此它可用作对外部输出得脉冲或用于定时目得。然而要注意得就是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE得输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令就是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:外部程序存储器得选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效得/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管就是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:反向振荡放大器得输入及内部时钟工作电路得输入。
XTAL2:来自反向振荡器得输出。
3、2、2 振荡方式得选择
本次设计用到得就是内部振荡方式,这种方式下在X1与X2两端跨接石英晶体及两个电容,如下图所示,这样就与内部得反响放大器构成稳定得自己振荡器。电容C1与C2通常取30pF,可稳定频率并对正当频率有微调作用。接线图如下:

图3、2、2 内部振荡方式
3、2、3 复位电路得设计
复位电路得基本功能就是:系统上电时提供复位信号,直至系统电源稳定后,撤销复位信号。为可靠起见,电源稳定后还要经一定得延时才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分-合过程中引起得抖动而影响复位。图1所示得RC复位电路可以实现上述基本功能,图3为其输入-输出特性。但解决不了电源毛刺(A点)与电源缓慢下降(电池电压不足)等问题 而且调整 RC常数改变延时会令驱动能力变差。左边得电路为高电平复位有效右边为低电平Sm为手动复位开关 Ch可避免高频谐波对电路得干扰。电路图如下:

图3、2、3 复位电路
3、3 AD转换电路得设计
本次课程设计使用AD转换器件就是ADC0809,ADC0809就是8路模拟信号得分时采集,片内有8路模拟选通开关,以及相应得通道抵制锁存用译码电路,其转换时间为100μs左右,ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装,其引脚分布图如下:

图3、3 AD0809引脚图
3、3、1 A/DC0809主要信号引脚得功能
IN7～IN0——模拟量输入通道
ALE——地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿,A、B、C地址状态送入地址锁存器中。
START——转换启动信号。START上升沿时,复位ADC0809;START下降沿时启动芯片,开始进行A/D转换;在A/D转换期间,START应保持 低电平。本信号有时简写为ST、
A、B、C——地址线。 通道端口选择线,A为低地址,C为高地址,引脚图中为ADDA,ADDB与ADDC。其地址状态与通道对应关系见表9-1。
CLK——时钟信号。ADC0809得内部没有时钟电路,所需时钟信号由外界提供,因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz得时钟信号
EOC——转换结束信号。EOC=0,正在进行转换;EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询得状态标志,又可作为中断请求信号使用。
D7～D0——数据输出线。为三态缓冲输出形式,可以与单片机得数据线直接相连。D0为最低位,D7为最高
OE——输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到得数据。OE=0,输出数据线呈高阻;OE=1,输出转换得到得数据。
Vcc—— +5V电源。
Vref——参考电源参考电压用来与输入得模拟信号进行比较,作为逐次逼近得基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V)、
3、3、2 A/DC0809与AT851单片机得连接
电路连接主要涉及两个问题。一就是8路模拟信号通道得选择,二就是A/D转换完成后转换数据得传送。ADC0809与AT89C51单片机得连接图如下:

图3、3、2、1 ADC0809与AT89C51单片机得接线图
如图3、2、2、2所示模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即(P0、0、P0、1、P0、2),而地址锁存允许信号ALE由P2、0控制,则8路模拟通道得地址为0FEF8H～0FEFFH、此外,通道地址选择以WR作写选通信号,这一部分电路连接如图所示。

图3、2、2、2 模拟通道选择信号接线图
从图中可以瞧到,把ALE信号与START信号接在一起了,这样连接使得在信号得前沿写入(锁存)通道地址,紧接着在其后沿就启动转换。
启动A/D转换只需要一条MOVX指令。在此之前,要将P2、0清零并将最低三位与所选择得通道好像对应得口地址送入数据指针DPTR中。例如要选择IN0通道时,可采用如下两条指令,即可启动A/D转换:
MOV DPTR , #FE00H ;送入0809得口地址
MOVX DPTR , A ;启动A/D转换(IN0)
注意:此处得A与A/D转换无关,可为任意值。
3、3、3 转换数据得传送
A/D转换后得到得数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送得关键问题就是如何确认A/D转换得完成,因为只有确认完成后,才能进行传送。为此可采用下述三种方式。
1)定时传送方式
对于一种A/D转换其来说,转换时间作为一项技术指标就是已知得与固定得。例如ADC0809转换时间为128μs,相当于6MHz得MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序,A/D转换启动后即调用此子程序,延迟时间一到,转换肯定已经完成了,接着就可进行数据传送。
2)查询方式
A/D转换芯片由表明转换完成得状态信号,例如ADC0809得EOC端。因此可以用查询方式,测试EOC得状态,即可却只转换就是否完成,并接着进行数据传送。
3)中断方式
把表明转换完成得状态信号(EOC)作为中断请求信号,以中断方式进行数据传送。不管使用上述那种方式,只要一旦确定转换完成,即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时,OE信号即有效,把转换数据送上数据总线,供单片机接受。
不管使用上述那种方式,只要一旦确认转换结束,便可通过指令进行数据传送。所用得指令为MOVX 读指令,仍以图9-17所示为例,则有
MOV DPTR , #FE00H
MOVX A , DPTR
该指令在送出有效口地址得同时,发出有效信号,使0809得输出允许信号OE有效,从而打开三态门输出,就是转换后得数据通过数据总线送入A累加器中。
这里需要说明得示,ADC0809得三个地址端A、B、C即可如前所述与地址线相连,也可与数据线相连,例如与D0～D2相连。这就是启动A/D转换得指令与上述类似,只不过A得内容不能为任意数,而必须与所选输入通道号IN0～IN7相一致。例如当A、B、C分别与D0、D1、D2相连时,启动IN7得A/D转换指令如下:
MOV DPTR, #FE00H ;送入0809得口地址
MOV A ,#07H ;D2D1D0=111选择IN7通道
MOVX DPTR, A ;启动A/D转换
3、4 键盘输入电路得设计
3、4、1 按键去抖
通常得按键所用开关为机械弹性开关,当机械触点断开、闭合时,电压信号小型如下图。由于机械触点得弹性作用,一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通,在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开得瞬间均伴随有一连串得抖动,如下图。抖动时间得长短由按键得机械特性决定,一般为5ms～10ms。
按键稳定闭合时间得长短则就是由操作人员得按键动作决定得,一般为零点几秒至数秒。键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保CPU对键得一次闭合仅作一次处理,必须去除键抖动。在键闭合稳定时读取键得状态,并且必须判别到键释放稳定后再作处理。按键得抖动,可用硬件或软件两种方法。
(1)硬件消抖:在键数较少时可用硬件方法消除键抖动。下图所示得RS触发器为常用得硬件去抖。

图3、3、1 RS触发器硬件消抖
图中两个“与非”门构成一个RS触发器。当按键未按下时,输出为1;当键按下时,输出为0。此时即使用按键得机械性能,使按键因弹性抖动而产生瞬时断开(抖动跳开B),中要按键不返回原始状态A,双稳态电路得状态不改变,输出保持为0,不会产生抖动得波形。也就就是说,即使B点得电压波形就是抖动得,但经双稳态电路之后,其输出为正规得矩形波。这一点通过分析RS触发器得工作过程很容易得到验证。
(2)软件消抖:如果按键较多,常用软件方法去抖,即检测出键闭合后执行一个延时程序,产生5ms～10ms得延时,让前沿抖动消失后再一次检测键得状态,如果仍保持闭合状态电平,则确认为真正有键按下。当检测到按键释放后,也要给5ms～10ms得延时,待后沿抖动消失后才能转入该键得处理程序。
3、4、2 键盘扫描方法
扫描查询法,就是一种最常用得按键识别方法,如下图所3、4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,然后检测列线得状态。只要有一列得电平为低,则表示键盘中有键被按下,而且闭合得键位于低电平线与4根行线相交叉得4个按键之中。若所有列线均为高电平,则键盘中无键按下。
(2)判断闭合键所在得位置 在确认有键按下后,即可进入确定具体闭合键得过程。其方法就是: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,再逐行检测各列线得电平状态。若某列为低,则该列线与置为低电平得行线交叉处得按键就就是闭合得按键。

图3、4 4×4键盘扫描法接口电路
3、5 数显输出电路得设计
下图为并行输入硬件译码静态显示电路,采用锁存器MC14495将P1口低4位输出地BCD码译成七段字形段码,利用P1口高4位作为各锁存译码器得锁存信号。CPU把送显数据写到锁存器后,对应得各位LED即可稳定显示。

图3、5 硬件译码并行输入静态显示电路
4. 软件设计部分
原理图绘制

系统框图:
开始
设定粉位上、下限,给定初始值
就是否高于给定值
就是否低于给定值
启动送粉机,开始送粉
数显输出
结束
关闭送粉机、报警
报警
Y
Y
N
N