【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 功率小，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(tài)。由于周圍空氣對(duì)振動(dòng)的阻 尼微弱，金屬內(nèi)部的能量損耗又很少，所以只需微小的驅(qū)動(dòng)功率就能維持較強(qiáng)的振動(dòng)。當(dāng)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(qū)動(dòng)力，利用放大電路對(duì)壓電元件施加交變電場(chǎng)，靠逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械力作用在叉體上。用另外一組壓電元件的正壓電效應(yīng)檢測(cè)振動(dòng)，它把振動(dòng)力變?yōu)槲⑷醯慕蛔冸娦盘?hào)。再由電子放大器和移相電路，把檢振元件的信號(hào)放大。經(jīng)過(guò)移相，施加到驅(qū)動(dòng)元件上去，構(gòu)成閉環(huán)振蕩器。在這個(gè)閉環(huán)中，既有機(jī)械能也有電能，叉體是其中的一個(gè)環(huán)節(jié)，倘若受到物料阻尼難以振動(dòng)，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(huì)停振。只要在放大電路的輸出端接以適當(dāng)?shù)钠骷浑y得到開(kāi)關(guān)信號(hào)。 為了保護(hù)壓電元件免受物料損壞和粉塵污染，將驅(qū)動(dòng)和檢振元件裝在叉體內(nèi)部，經(jīng)過(guò)金屬膜片傳遞振動(dòng)。如果在容器的上下方都裝叉體，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)料或自動(dòng)出料的邏輯控制，或者把料位越限信號(hào)遠(yuǎn)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(jìn)出料設(shè)備啟停。并且叉體的制造和裝配良好時(shí)，音叉也可用于液體測(cè)量和控制。在測(cè)量時(shí)不需要大幅度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏而可靠。綜上所述， 此設(shè)計(jì)選擇音叉法阻力式料位傳感器。 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的選擇 24C01 擴(kuò)展： 串行總線上的各單片機(jī)或集成電路模塊，通過(guò)一條數(shù)據(jù)線 (SDA)和一條時(shí)鐘線 (SCL)，按照通信規(guī)則進(jìn)行尋址和信息傳輸。每個(gè)集成電路模塊都有唯 — 偽地址，既可以是主控機(jī) (能控制總線，并能完成一次傳輸過(guò)程的初始化和產(chǎn)生時(shí) 12 鐘信號(hào)及傳輸終止信號(hào)的器件 )或被控機(jī) (被主控器尋址的器件 )，可以是發(fā)送器(在總線 1：發(fā)送信息的器件 )或接收器 (從總線上接收信息的器件 ) I178。C 總線上的器件，根據(jù)它的不同工作狀態(tài)，可分為主控發(fā)送器、 主控接收器、被控發(fā)送器、被控接收器。當(dāng)多個(gè)主控器同時(shí)企圖控制總線而不丟失信息，這叫多主競(jìng)爭(zhēng)。這時(shí)就要進(jìn)行仲裁，仲裁就是針對(duì)這種情況進(jìn)行裁決的過(guò)程。只允許其中一個(gè)主控器繼續(xù)占用總線，其它退出封藏器狀態(tài)。仲裁過(guò)程中還要保證總線的信息不丟失。多主競(jìng)爭(zhēng)時(shí)必須對(duì)所有參與競(jìng)爭(zhēng)的主控器的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行同步處理。信息傳輸時(shí)， SCL 為高電平期間， SDA 上的信息必須保持穩(wěn)定不變，只有 SCL 為低電平期間， SDA 上的信息才允許變化。同時(shí) SDA 上信息每一位部和 SCL 的時(shí)鐘脈沖相對(duì)應(yīng)。 SCL 沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)， SDA 信息將停止傳輸處于等待狀態(tài) 。這因?yàn)榫€“與”邏輯，使 SCL 在低電平時(shí)鉗住總線。實(shí)現(xiàn)線“與”邏輯功能各 I178。C 總線接口的輸出端必須是漏極開(kāi)路或集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)。 SCL 保持高電平期間， SDA 由高電平向低電平變化這種狀態(tài)定義為起始信號(hào)。 SCL 保持高電平期間， SDA 由低電平向高電平變化，這種狀態(tài)定義為終止信號(hào)。 SDA 傳輸?shù)拿總€(gè)字節(jié)必須 8 位 (最高有效位首先傳送 )，每個(gè)傳送字節(jié)必須跟隨一位應(yīng)答位。與應(yīng)答信號(hào)相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)由主控器產(chǎn)生，發(fā)送器在這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)釋放 SDA，使它處于高電平狀態(tài)，以便接收由接收器在這位發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)。這時(shí)接收器還必須 SCL 在這位 高電平期間，在 SDA 上輸出一個(gè)恒定低電平信氣以完成應(yīng)答信號(hào)的輸出。整個(gè)傳輸過(guò)程中，傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)目是沒(méi)有限制的。數(shù)據(jù)傳輸一段時(shí)間后，接收器無(wú)法繼續(xù)接收更多的數(shù)據(jù)，主控器同樣可以終止數(shù)據(jù)的傳送 [2]。 24C01是一種 128 字節(jié)串行 CMOS EEPROM,它具有如下特點(diǎn)： 存儲(chǔ)容量為 128 字節(jié)。 串行接口可使用普通兩根 I/O 接口。 具有頁(yè)寫(xiě)模式：每頁(yè)4字節(jié)。 同步周期小于 10ms 。它只使用一條數(shù)據(jù)線和一條時(shí)鐘線，采用 ATMEL公司的 24C01 串口存儲(chǔ)器，應(yīng)用簡(jiǎn)單方便，但是其編程較為復(fù)雜。 2864A芯片擴(kuò)展： 2864A 是一種并行 EEPROM，它的特點(diǎn)同上，但每頁(yè)有 16字節(jié)， 2864A 與8051 單片機(jī)的接口電路如下圖所示 ,2864A 的片選端 CE 與高地址線 連接，P2． 7=0 才能選中 2864A，這種線選法決定了 2864A 對(duì)應(yīng)多組地址空間，即0000H~1FFFH,2020H~3FFFH,4000H~5FFFH,6000H~7FFFH,這 8K 字節(jié)存儲(chǔ)器可作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用 ,且掉電后數(shù)據(jù)不丟失 。 13 圖 2864 擴(kuò)展電路 2864A 的四種工作方式： （ 1）維持方式：當(dāng) CE 為高電平時(shí)， 2864A 進(jìn)入低功耗維持狀態(tài)。此時(shí)，輸出線呈高阻狀態(tài)，芯片的電流從 140mA 下降至維持電流 60mA。 （ 2）讀方式：當(dāng) CE 和 OE 均為低電平而不為高電平時(shí)，內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖器被打開(kāi)，數(shù)據(jù)送上總線，此時(shí)，可進(jìn)行讀操作。 （ 3）寫(xiě)方式： 2864A 提供了兩種數(shù)據(jù)寫(xiě)入方式：頁(yè)寫(xiě)入和字節(jié)寫(xiě)入。 頁(yè)寫(xiě)入：為了提 高寫(xiě)入速度， 2864A 片內(nèi)設(shè)置了 16 字節(jié)的“頁(yè)緩沖器”，并將整個(gè)存儲(chǔ)器陣列劃分成 512 頁(yè)，每頁(yè) 16 個(gè)字節(jié)。頁(yè)的區(qū)分可由地址的高 9位（ A4~A12）來(lái)確定，地址線的低四位 (A0~A3)用以選擇頁(yè)緩沖器中的 16個(gè)地址單元之一。對(duì) 2864A 的寫(xiě)操作可分為兩步來(lái)實(shí)現(xiàn)：第一步，在軟件控制下把數(shù)據(jù)寫(xiě)入頁(yè)緩沖器，這部稱為頁(yè)裝載，與一般的靜態(tài) RAM 寫(xiě)操作是一樣的。第二步，在最后一個(gè)字節(jié)（即第 16個(gè)字節(jié)）寫(xiě)入到頁(yè)緩沖器后 20ns 自動(dòng)開(kāi)始，把頁(yè)緩沖器的內(nèi)容寫(xiě)到 EEPROM 陣列中對(duì)應(yīng)的地址單元中，這一步成為頁(yè)存儲(chǔ)。 寫(xiě)方式時(shí)， CE 為低電平，在 WE 下降沿，地址碼 A0A12 被片內(nèi)鎖存器鎖存，在上升沿時(shí)數(shù)據(jù)被鎖存片內(nèi)還有一個(gè)字節(jié)裝載限時(shí)定時(shí)器，只要時(shí)間未到，數(shù)據(jù)可以隨機(jī)地寫(xiě)入頁(yè)緩沖器。在連續(xù)向頁(yè)緩沖器寫(xiě)入數(shù)據(jù)的過(guò)程中，不用擔(dān)心限時(shí)定時(shí)器會(huì)溢出，因?yàn)槊慨?dāng) WE 下降沿時(shí)，限時(shí)定時(shí)器自動(dòng)被復(fù)位并重新啟動(dòng) 14 計(jì)時(shí)。限時(shí)定時(shí)器要求寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的操作時(shí)間 BLWT 須滿足；3μS BLWT 20μS，這樣是正確完成對(duì) 2864A 頁(yè)面寫(xiě)入操作的關(guān)鍵。當(dāng)一頁(yè)裝載完畢，不再有 WE 信號(hào)時(shí)，限時(shí)定時(shí)器將溢出，于是頁(yè)存儲(chǔ)操作隨即自動(dòng)開(kāi)始。首先把選中頁(yè)的內(nèi)容擦除，然后寫(xiě)入的數(shù)據(jù)由頁(yè)緩沖器傳遞到 EEPROM 陣列中。 字節(jié)寫(xiě)入：字節(jié)寫(xiě)入的過(guò)程與頁(yè)寫(xiě)入的過(guò)程類似，不同之處在于僅寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)，限時(shí)定時(shí)器就溢出。 （ 4）數(shù)據(jù)查詢方式 ： 數(shù)據(jù)查詢是指用軟件來(lái)檢測(cè)寫(xiě)操作中的頁(yè)存儲(chǔ)周期是否完成。在頁(yè)存儲(chǔ)期間，如對(duì) 2864A 執(zhí)行讀操作，那么讀出的是最 后寫(xiě)入的字節(jié)，若芯片的轉(zhuǎn)儲(chǔ)工作未完成，則讀出數(shù)據(jù)的最高位是原來(lái)寫(xiě)入字節(jié)最高位的反碼。據(jù)此， CPU 可判斷芯片的編程是否結(jié)束。如果讀出的數(shù)據(jù)與寫(xiě)入的數(shù)據(jù)相同，表示芯片已完成編程 ， CPU 可繼續(xù)向 2864A 裝載下一頁(yè)數(shù)據(jù)。 并且編程起來(lái)比較簡(jiǎn)單，所以此設(shè)計(jì)采用此方案 [3]。 LED顯示電路選擇 LED 顯示器是由 N 個(gè) LED 顯示塊拼接成 N 位 LED 顯示器。 N 個(gè) LED 顯示塊有 N跟位選線，根據(jù)顯示方式的不同，位選線和段選線的連接方法也各不相同，段選線控制顯示字符的字型，而位選線為各個(gè) LED 顯示塊的公共端，它控 制該LED 顯示位的亮、暗。 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種顯示方式。 LED 靜態(tài)顯示方式 LED 顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時(shí)，各位的共陰極（或共陽(yáng)極）連接在一起并接地（或 +5V）；每位的段選線 （ a~dp） 分別與一個(gè) 8位的鎖存器輸出相連。所以稱為靜態(tài)顯示。各個(gè) LED 的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存器的輸出將維持不變，直到顯示另一個(gè)字符為止。也正因此如此，靜態(tài)顯示器的亮度都較高。這種顯示方式接口編程容易。付出的代價(jià)是占用口線較多，若用 I/O 接口，則要占用 4 個(gè) 8 位 I/O 口，若用鎖存器接口，則要用 4片 74LS373芯片。如果顯示器位數(shù)增多，則靜態(tài)顯示方式更是無(wú)法適應(yīng)，因此在顯示位數(shù)較多的情況下，一般都采用動(dòng)態(tài)顯示方式。 LED 動(dòng)態(tài)顯示方式 在多位 LED 顯示時(shí)，為了簡(jiǎn)化硬件電路，通常將所有位的段選線相應(yīng)的并聯(lián)在一起，有一個(gè) 8位 I/O 口控制，形成段選線的多路復(fù)用。而各位的共陽(yáng)極或共陰極分別由相應(yīng)的 I/O 線控制，實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通。其中段選線占用一個(gè) 8位 I/O 口，而位選線占用一個(gè) 4 位 I/O 口。由于各位的段選線并聯(lián)，段碼的輸出對(duì)各位來(lái)說(shuō)都是相同的，因此，同一時(shí)刻，如果各位位選線都處于選 通狀態(tài)的話，4位 LED 將顯示相同的字符。若要各位 LED 能夠顯示出與本位相應(yīng)的顯示字符， 15 就必須采用掃描顯示方式，即在某一時(shí)刻，只讓某一位的位選線狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，段選線上輸出相應(yīng)位要顯示字節(jié)的段碼。在確定 LED 不同位顯示的時(shí)間間隔，不能太短，因?yàn)榘l(fā)光二極管從導(dǎo)通到發(fā)光有一定的延時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間太短，發(fā)光太弱人眼無(wú)法看清。但也不能太長(zhǎng)，因?yàn)楫吘挂芟抻谂R界閃爍頻率，如果此時(shí)間越長(zhǎng)，占用 CPU 時(shí)間也越多，另外，顯示位增多，也將占用大量的 CPU時(shí)間，因此動(dòng)態(tài)顯示實(shí)質(zhì)是一犧牲 CPU時(shí)間來(lái)?yè)Q取元件 的減少。 所以，由于本系統(tǒng)只涉及到 2位顯示輸出，就采用了 和 2片 8位移位寄存器串級(jí)使用的 LED 靜態(tài)顯示方式。 鍵盤輸入電路 矩陣式鍵盤接口： 矩陣式鍵盤（也稱行列式鍵盤）適用于按鍵數(shù)目較多的場(chǎng)合，它由行線和列線組成，按鍵位于行列的交點(diǎn)上。一個(gè) 3 3 的行列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè)有 9 個(gè)按鍵的鍵盤。同理，一個(gè) 4 4 的行列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè) 16 鍵的鍵盤，很明顯，在按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，矩陣式鍵盤與獨(dú)立式鍵盤相比，要節(jié)省很多的 I/O 口線。按鍵設(shè)置在行列線交點(diǎn)上，行列線分別接到按鍵開(kāi)關(guān)兩端。行線通過(guò)上拉電 阻接到 +5V上。平時(shí)無(wú)按鍵按下時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線電平狀態(tài)將由于此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線電平如果為低電平，則行線電平為低電平，列線電平如果為高電平，則行線電平為高電平。這是識(shí)別矩陣鍵盤按鍵是否按下的關(guān)鍵所在。由于矩陣鍵盤中行列線為多鍵公用，各按鍵均影響該鍵所在行列的電平。因此各按鍵彼此將相互發(fā)生影響，所以必須將行列信號(hào)配合起來(lái)比做適當(dāng)?shù)奶幚?，才能確定閉合鍵的位置。 獨(dú)立式按鍵接口： 獨(dú)立式按鍵就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接入一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀 態(tài)不會(huì)影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過(guò)檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)按鍵按下了。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件簡(jiǎn)單。但每個(gè)按鍵需要占用一個(gè)輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。 由于此系統(tǒng)中共有啟動(dòng)兩條生產(chǎn)線的 “啟動(dòng) 1”鍵和“啟動(dòng) 2”鍵 ， 分秒選擇鍵 ， 時(shí)間設(shè)置加 ， 時(shí)間設(shè)置減 ， 生產(chǎn)線狀態(tài)的切換鍵，時(shí)間設(shè)置鍵 ， 時(shí)間切換鍵。只有這 8 個(gè)鍵，比較簡(jiǎn)單。所以就采用獨(dú)立式按鍵接口電路。 小結(jié) 本章主要討論了單片機(jī)、傳感器、存儲(chǔ)器、 LED 顯示電路、鍵盤輸入電路這五個(gè)部分。重點(diǎn)論述各個(gè)部分里可選擇方案在使用上的利弊端，最后介紹并論證了本設(shè)計(jì)在各個(gè)部分里所選的方案可行性。 16 第 3 章 自動(dòng)送料小車主電路設(shè)計(jì) 主電路采用 AT89C51，由于 AT89C51 內(nèi)含 4KB 容量，因此在設(shè)計(jì)中不需要外擴(kuò) ROM。硬件電路主要有 LED 顯示電路、鍵盤接收電路、繼電器控制電路、EEPROM 外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 主電路采用 AT89C51，由于 AT89C51 內(nèi)含 4KB 容量。硬件電路主要有 LED顯示電路、鍵盤接受電路、繼電器控制電路、 EEPROM 外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 框圖 如下： 使小車置于初始位置 按下呼叫按鈕 啟動(dòng)電動(dòng)機(jī) 使其正轉(zhuǎn) 小車快速行駛 感應(yīng)到呼叫位置小車停止 10s 后小車返回初始位置 停止 8s 再次啟動(dòng) 小車停止 開(kāi)始 17 主機(jī)電路核心器件介紹 AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4K bytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（ PEROM）和 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ ROM），器件采 用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器（ CPU）和 Flash存儲(chǔ)單元。功能強(qiáng)大 AT89C51 單片機(jī) 可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 AT89C51主要性能參數(shù) .與 MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 .4K 字節(jié)可重擦寫(xiě) Flash 閃速存儲(chǔ)器 .1000 次擦寫(xiě)周期 .全靜態(tài)操作： 0Hz24MHz .三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 .128 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM .32 個(gè)可編程 I/O 口線 .2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 .6 個(gè)中斷源 .可編程串行 UART 通道 .低功