【文章內(nèi)容簡介】 對于 15 位有效字長的單片機，其精度可達 %以上。單片機不存在模擬調(diào)節(jié)器零點漂移問題，比較容易解決非線性特性以及各種噪聲干擾，通過重復測量可以有效的提高測量精度。 （ 3）單片機控制系統(tǒng)的控制效率高：一個主機可以多路復用，分時對通道進行采集和實時控制。 （ 4）單片機控制系統(tǒng)的可重復性強：單片機 由數(shù)字集成電路組成，受溫度、振動等環(huán)境條件的變化影響不大，因此通常不須要進行現(xiàn)場調(diào)整，同類產(chǎn)品互換性強。 （ 5）單片機控制系統(tǒng)可集中操作顯示：利用各種外部設(shè)備，可方便進行打印、顯示、記錄、讀出數(shù)據(jù)及表格，容易實現(xiàn)各種邏輯判斷，越線警報等功能，可以隨時進行參數(shù)在線修改，便于集中操作顯示 [16]。 （ 6）容易實現(xiàn)整體優(yōu)化：通過與上位計算機的通信，實現(xiàn)信息處理、生產(chǎn)管理、整體優(yōu)化，實現(xiàn)實時控制和控制管理一體化，提高自動化程度。 根據(jù)上訴 單片機 系統(tǒng) 的特點， 以及 本系統(tǒng)的 控制要求 ， 采用單片機擴展系統(tǒng)實現(xiàn)紙張定量的自動控 制。 MCS 是 Intel 公司生產(chǎn)的單片機系列，它包括 Intel 公司的MCS4 MCS5 MCS96 系列單片機。由于 MCS51 系列單片機具有 性能 穩(wěn)定，價格低的特點，所以在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，主要采用 MCS51 系列單片機。它主要包括三個基本型 803 805 8751。本系統(tǒng)采用 MCS51 系列單片機 中的 8031 為中央處理單元。 2． 2 輸入輸出通道方案的確定 被控過程的各種信息由傳感器檢測后，通過過程控制通道送到微型計算機中，經(jīng)過計算處理后發(fā)出相應(yīng)的控制信號，這些控制信號又通過過程通道輸出到執(zhí)行機構(gòu) ，從而控制生產(chǎn)過程按要求的目標有條不紊的運行。 因此，輸入輸出通道的設(shè)計是計算機控制系統(tǒng)設(shè)計中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。 9 2． 2． 1 模擬量輸入通道方案的確定 輸入通道 主要 包括傳感器和 A/D 轉(zhuǎn)換器。 一 、 傳感器的確定 傳感器 是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中直接感受被測量的部分，轉(zhuǎn)換元件是指傳感器能將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號部分。傳感器輸出信號有很多形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，輸出信號的形式由傳感器的原 理確定 [17]。 本 系統(tǒng)中紙張定量是主要的檢測量， 主要是檢測紙張的 厚度。在厚度檢測中通常使用 核輻射傳感器。本 系統(tǒng) 采 用 β射線測厚儀測量紙張定量 。 從源發(fā)射出來的β粒子穿過氣隙中的紙吸收掉一部分，未被吸收的β穿過紙張在電離室中產(chǎn)生一個小電流，該電流是源和探測器間物質(zhì)質(zhì)量的函數(shù)，放大器測得該電流并變成電壓送到高精度電壓 —— 頻率轉(zhuǎn)換器 ， 所產(chǎn)生的脈沖串在一個精確的時間間隔之內(nèi)，由一個計數(shù)器，并由計算機讀取 ， 原理圖如 22 所示 [32]。 圖 22 定量測量原理圖 二、 模擬量通道數(shù)及通道形式的確定 本系統(tǒng)中需要對三點的紙張厚度進行檢測，因此有三路模擬信號輸入。在 計算機控制系統(tǒng)中 對于 多路模擬量輸 入的 實現(xiàn)方法有兩種。 （ 1） 每個通道設(shè)置一個獨立的A/D 轉(zhuǎn)換器。這種方法的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快，精度高，工作可靠，即使某一通道出現(xiàn)故障也不 會影響其它通道的工作，相應(yīng)的軟件也比較簡單。但是，如果模擬量輸入 通道較多，就會使系統(tǒng)造價增加很多，尤其 是 采用高精度的 A/D 轉(zhuǎn)換器 。 （ 2） 多通道復 用一個 A/D 轉(zhuǎn)換器，并輔以多路模擬開關(guān)和采樣保持器來實現(xiàn)。這種電路工作時，是由計算機通過多路模擬開關(guān)，分時地把一個 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出送至各個采樣保持 10 器，對模擬電壓進行保持。其優(yōu)點是成本較低，但電路結(jié)構(gòu)復雜、精度低、可靠性差[18]。 為了降低成本，本系統(tǒng)采用第二種方案，即三路通道公用一個 A/D 轉(zhuǎn)換器。 三 、 A/D 轉(zhuǎn)換器的確定 模擬量輸入通道的主要任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。能夠完成這一任務(wù)的器件叫做 A/D 轉(zhuǎn)換器。 A/D 轉(zhuǎn)換器的種類很多，就位數(shù)來分，有 8 位、 10 位、 12 位、 16位等。位數(shù)越高，其分辨率也越高， 但價格也越貴。 A/D 轉(zhuǎn)換器就其結(jié)構(gòu)而言，有單一的 A/D 轉(zhuǎn)換器（如 ADC083 AD673 等），有內(nèi)含多路開關(guān)的 A/D 轉(zhuǎn)換器（如 ADC0809，ADC0816 均帶多路開關(guān)）。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，又生產(chǎn)出多功能 A/D 轉(zhuǎn)換芯片， AD363 就是它的一種典型芯片。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有 16 路多路開關(guān)、數(shù)據(jù)放大器、采樣 保持器及 12 位 A/D轉(zhuǎn)換器，其本身就已構(gòu)成了一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。近年來，隨著微型計算機的大量使用，出現(xiàn)了許多物美價廉的串行 A/D 轉(zhuǎn)換器，如 MAX195 等。 根據(jù)輸入信號的最大值和最小值之差，按照下式可 以計算出 A/D轉(zhuǎn)換器 的 字長 。本系統(tǒng)采用 8位 A/D 轉(zhuǎn)換器。 log )1(2m inm ax? XXn ??? 綜上所述， 本系統(tǒng) 采用 ADC0809 作為 A/D轉(zhuǎn)換器。 2． 2． 2 模擬量輸出通道的確定 模擬輸出通道 主要 包括 D/A 轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行器。 一、執(zhí)行器的確定 執(zhí)行器是構(gòu)成 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)不可缺少的重要部分。執(zhí)行器在系統(tǒng)中的作用是根據(jù)調(diào)節(jié)器的命令，直接控制能量或物料等被調(diào)介質(zhì)的輸送量，達到調(diào)節(jié)溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)的目的。從結(jié)構(gòu)上來說，執(zhí)行 器一般都由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)兩部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是執(zhí)行器的推動部分，它按照調(diào)節(jié)器所給信號的大小，產(chǎn)生推力或位移；調(diào)節(jié)機構(gòu)是執(zhí)行器的調(diào)節(jié)部分，最常見的是調(diào)節(jié)閥，它受執(zhí)行機構(gòu)的操作，改變閥心與閥座間的流通面積，調(diào)節(jié)工藝介質(zhì)的流量 [19]。 根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的構(gòu)成使用的能源種類，執(zhí)行器可分為氣動、電動、和液動三種。其中，氣動執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、價格便宜、維護方便、防火防爆等優(yōu)點，在自動控制中獲得最普遍的應(yīng)用。電動執(zhí)行器的優(yōu)點是能源取用方便，信號傳輸速度快和傳輸距離遠；缺點是結(jié)構(gòu)復雜、推力小、價格貴，適用于防 爆要求不高及缺乏氣源的場所。液動執(zhí)行器的特點是推力最大，但目前使用不多。本系統(tǒng)選用電動執(zhí)行器作為執(zhí)行機構(gòu) [31]。 二、 D/A 轉(zhuǎn)換器的確定 11 D/A 轉(zhuǎn)換器的 種類很多，按輸入數(shù)字量位數(shù)來分， D/A 轉(zhuǎn)換器有 8 位、 10 位、12 位和 16 位等。按 輸出 形式來分，有 電流 輸出 形式 和 電壓輸出型 ，其中電壓輸出型又有單極性輸出和雙極性輸出兩種形式。 在選擇 D/A 轉(zhuǎn)換器時， 通常從下面幾個方面考慮。 （ 1） 輸出形式 D/A 轉(zhuǎn)換器有兩種輸出形式，一種是電壓輸出形式，即給 D/A 轉(zhuǎn)換器輸入的是數(shù)字量，而輸出為電壓。另一種是電流輸出形式，即輸出電流 。在實際應(yīng)用中，對于電流輸出的 D/A轉(zhuǎn)換器，如果要模擬電壓輸出，可在其輸出端加一個由運算放大器構(gòu)成的電 路 ，將電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 （ 2） D/A 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部是否有 鎖存器 由于 D/A轉(zhuǎn)換是需要一定時間的，在這段時間內(nèi) D/A 轉(zhuǎn)換器輸入端的數(shù)字量應(yīng)保持穩(wěn)定，為此應(yīng)當在 D/A 轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入端的前面設(shè)置鎖存器 。 對于 內(nèi)部無鎖存器的 D/A 轉(zhuǎn)換器 ，需要在轉(zhuǎn)換器芯片的前面增加鎖存器。對于 內(nèi)部帶有鎖存器的 D/A轉(zhuǎn)換器 ， 可與 單片機 直接相接。 （ 3）字長的選擇 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出一般都通過功率放大器推動執(zhí)行機構(gòu)。設(shè)執(zhí)行機構(gòu)的最大輸 入值為 Umax ,最小輸入值為 Umin，靈敏度為λ，可得 D/A 轉(zhuǎn)換器字長 [14]： log )(2 m inm ax? ?n UU ? 因為本設(shè)計的電動執(zhí)行器的控制信號是 0~10mA 控制電流 ,其啟動電流 (即控制死區(qū) )通常是 150μ : 7lo glo g 672)150 001(2 ????n AmAmA ? 根據(jù)本系統(tǒng)的要求，選擇 DAC0832 作為電路的 D/A 轉(zhuǎn)換器。 2． 3 系統(tǒng)外部設(shè)備的 確定 所謂人機交互接口 ，是指人與計算機之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入 /輸出設(shè)備的接口。這些輸入 /輸出設(shè)備主要有鍵盤、顯示器和打印機等。它們是計算機應(yīng)用系統(tǒng)中必不可少 部分。 2． 3． 1 鍵盤的選擇 鍵盤是若干按鍵的集合，是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令及數(shù)據(jù)的接口設(shè)備。常用鍵盤為獨立式鍵盤和行列式鍵盤 [19][22]。 12 獨立式鍵盤就是各鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易的判斷哪個按鍵被按下。在按鍵數(shù)目較多時，獨立式鍵盤電路需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)繁雜，故此種鍵盤適用于按鍵較 少或操作速度較高的場合。 行列式 （也稱矩陣式） 鍵盤適用于按 鍵數(shù)目較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上，行列線分別連在按鍵開關(guān)的兩端。列線通過上拉電阻接制正電源，以使無鍵按下時列線處于高電平狀態(tài)。行列式鍵盤有 3 3 的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成 1個具有 9個按鍵的鍵盤。還有 4 4 的行、列可以構(gòu)成 16個按鍵的鍵盤等等。 本系統(tǒng) 中用到的鍵盤數(shù)目較少，只有幾個功能鍵，因此采用 獨立式按鍵即可。 2． 3． 2 顯示器的選擇 為了 使操作人員及時掌握生產(chǎn)情況，在一般的微型計算機控制系統(tǒng)或智能化儀器中，都配有顯示器。 常用的顯示器 件有： ① 顯示和記錄儀表，② CRT 顯示終端，③ LED 或 LCD 顯示器，④大屏幕顯示器。在這些顯示方法中，顯示和記錄儀表能連續(xù)進行顯示和記錄。但它的價錢較貴，且為模擬信號表示，讀數(shù)不方便，有一定的誤差，所以它只能用于企業(yè)的技術(shù)改造，在新設(shè)計的微型計算機系統(tǒng)中不宜采用。 LED 數(shù)碼管由于具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，功耗低，響應(yīng)速度快，易于匹配，壽命長，可靠性高等優(yōu)點，目前已被微型計算機控制系統(tǒng)及智能化儀表廣泛采用。而 LCD 則以其功耗極低的特點，占據(jù)了從電子表到計算器，從袖珍儀表到便攜式微型計算機系統(tǒng)等應(yīng)用場合，為人矚 目。CRT終端是目前微型計算機控制系統(tǒng)中最常用的顯示設(shè)備。他直觀、靈活、不但可以顯示數(shù)字，而且可以顯示畫面及報表，如生產(chǎn)流程圖、報警畫面、動態(tài)趨勢圖、條形圖，以及狀態(tài)和回路查詢畫圖等 [23][24][25]。 根據(jù)本系統(tǒng)的要求，選取 LED 顯示器。 2． 3． 3 報警系統(tǒng) 在單片機測控系統(tǒng)發(fā)生故障或處于某種緊急狀態(tài)時，單片機系統(tǒng)應(yīng)能發(fā)出提醒人們警覺的報警信號或提示信號，常見的報警信號可分為閃光報警、鳴音報警和音樂報警。 蜂鳴音報警接口電路的設(shè)計只需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過 MCS51 的一根口線經(jīng)驅(qū)動器驅(qū) 動便可發(fā)生，電路簡單，價格便宜。因此我們選用蜂鳴器報警。 13 2． 4 系統(tǒng)總體框圖 根據(jù)總體方案的確定，紙張定量自動系統(tǒng)的方框圖如圖 23 所示。 圖 23 系統(tǒng)總方框圖 顯 示 器 鍵 盤 8 0 3 1 最 小 系 統(tǒng) D/A轉(zhuǎn)換器 電動執(zhí)行器 A/D 轉(zhuǎn)換器 電源 I/V轉(zhuǎn)換 報警系統(tǒng) 傳感器 14 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 硬件系統(tǒng)是控制單元與機械系統(tǒng)、各種檢測元件相連接的接口電路。主要 包括單片機最小系統(tǒng)，檢測電路，輸入通道，執(zhí)行單元，輸出通道以及鍵盤顯示電路的設(shè)計。 3． 1 8031 單片機的最小系統(tǒng) 控制系統(tǒng)采用功能較強的 MCS51 系列中的 8031 單片機 。 MCS51 系列單片機結(jié)構(gòu)由七個部件組成，由一個 8 位中央處理器 CPU、 128 字節(jié)的 RAM、片內(nèi)振蕩器、 4個 8 位并行 I/O 端口（ P0、 P P P3）、 1個全雙工串行 I/O 端口、 2 個 16 位定時 /記數(shù)器（ T0、 T1）以及特殊功能寄存器。 3． 1． 1 8031 單片機的引腳結(jié)構(gòu) 8031 單片機為 40引腳芯片如圖 31所示，按其功能可分為三部分 [27]： 圖 31 8031 的引腳結(jié)構(gòu) 一、 I/O 口引腳 P0 口： 8位雙向 I/O 端口，連接外部存儲器時作為低 8位地址和 8位數(shù)據(jù)線。 15 但輸出的低位數(shù)據(jù)必須用鎖存器鎖存。 P1 口： 8位準雙向 I/O 端口，為用戶使用的 I/O 口線，在編程和校驗時接低8位地址，任一位可以獨立地輸入 /輸出。 P2 口： 8 位雙向 I/O 端口，具有輸出鎖存功能，故 無 需加鎖存器。連接外部存儲器時作為高 8位地址線，在編程和校驗時接收高地址和信號。 P3 口： 8位準雙向 I/O 端口，另外還兼有中斷，定時器 /計數(shù)器，串行通道。 二、電源及時鐘引腳 電源引腳 電 源引腳接入單片