【正文】 系統(tǒng)要求實現(xiàn)采集和計算數(shù)據(jù)實時顯示、數(shù)據(jù)保存等功能。而 AT89S52 只有 256字節(jié) RAM 和 8K 的 FLASH，不能滿足系統(tǒng)的要求，所以必須借助 PC 機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和儲存等功能。 串口通信 CPU 采用兩種基本方式與外部通信，一種是一位一位順序傳輸?shù)拇型ㄐ?，一種是數(shù)據(jù)各位同時傳輸?shù)牟⑿型ㄐ拧? 比較兩種傳輸方式，并行通信雖然傳輸速度快但每一位都需要一根傳輸線，串行相比并行通 信傳輸速率慢，但只需要一對傳輸線即可完成。本系統(tǒng)對傳輸?shù)乃俣纫蟛桓撸以趯嶋H環(huán)境中可能需要傳輸較遠距離，綜合功能和成本考慮使用串行通信方式。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 23 23 串行通信又分為同步通信和異步通信兩種方式。同步通信傳輸速率高，硬件設(shè)計復(fù)雜，異步通信方式使用普遍，傳輸速率在 50到 19200 波特之間。在異步通信時，發(fā)送和接收方要確定具體的發(fā)送波特率和數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)是以幀為單位傳送的，每一幀數(shù)據(jù)由四部分組成：起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位（可選）和停止位。比較兩種串行通信方式，由于本系統(tǒng)對通信速度要求不高，所以選擇異步通信方式。 系統(tǒng) 采用 RS232C 串口標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)單片機的全雙工串行端口與 PC 機 COM 串行接口的鏈接，并編程實現(xiàn)上下位機的數(shù)據(jù)通信。 RS232C 標(biāo)準(zhǔn) RS232C 是在串行異步通信方式中使用最為廣泛的總線標(biāo)準(zhǔn)，是由美國電子工業(yè)協(xié)會（ EIA）公布的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。 RS232C 主要用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備（ DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（ DCE）之間的二進制串行通信，最高傳輸速度 ，最長傳輸距離可達 15米。雖然 RS232C 設(shè)計了 25 個引腳，但對于一般的串行雙向通信，只用到串行口輸入引腳TXD、串行口輸出引腳 RXD 和接地引腳 GND。 RS232C 規(guī)定的邏輯電平電壓范圍與 CMOS和 TTL 電平不同，規(guī)定在 +3~+l5V 之間為邏輯電平“ 0”， 3V~15V 之間為邏輯電平“ 1”。由于計算機接口芯片和接口電路大部分采用 CMOS 和 TTL 電平，所以在串行通信之前，必須先轉(zhuǎn)換電平，使之與 CMOS 和 TTL 電平相匹配。本系統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換工作交由 MAX232 芯片完成。 MAX232 芯片簡介 MAX232是美國 MAXIM公司專為 RS232C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的低功耗、單電源發(fā)送接收器。對于各種 EIA232E 和 ，轉(zhuǎn)變?yōu)?RS232C 數(shù)據(jù)電平需要177。 10V 電源，所以 MAX232 芯片完成 RS232C 與 CMOS 和 TTL的電平轉(zhuǎn)換只需要 +5V 電源即可，從而打破了177。 12V 電源的限制，使用場合更為廣泛。 串口通信接口電路設(shè)計 本系統(tǒng)的串口通信接口電路原理圖如圖 45 所示。圖中 J1 為標(biāo)準(zhǔn) RS232C 總線 9針插頭。圖中 C C C C9 為 MAX232 芯片內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需要的 4 個電解電容，最好選用鉭電容，盡量靠近芯片焊接，取值大小均為 1uF/25V。 MAX232 的 R1IN、 T1OUT、R2IN、 T2OUT 引腳需要 接 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)電平，而 T1IN、 R1OUT、 T2IN、 R2OUT 引腳則需要 接 TTL/CMOS 標(biāo)準(zhǔn)電平。因此單片機的串行口接收引腳 RXD 應(yīng)接 MAX232 的 R1OUT、 R2OUT引腳，單片機的串行口發(fā)送引腳 TXD應(yīng)接 MAX232 芯片的的 T1IN、 T2IN 引腳。與之對應(yīng)河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 24 24 T1OUT、 T2OUT 和 R1IN、 R2IN 通過 9針標(biāo)準(zhǔn)插頭分別于 PC 機的接收端 RXD和發(fā)送端 TXD相連。 圖 45通信接口電路原理圖 程序下載線連接 AT89S52 的 ISP 接口設(shè)計如圖 46 所示。 圖 46 AT89S52的 ISP接口設(shè)計 ATMEL 公司的單片機 AT89S 系列單片機提供了一個串行接口對內(nèi)部程序存儲器編程（ ISP），以及后來推出的 AT90S 系列中多數(shù)芯片都支持在線編程功能。 ISP 是最先由Lattiee 公司提出的一種技術(shù)，是通過同步串行方式實現(xiàn)對其可編程邏輯器件的重配置，它的實現(xiàn)一般只需要少量的外部電路輔助。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 25 25 通過 ISP技術(shù)，電路板上空白器件可以編程寫入最終用戶代碼，即使將芯片焊接在電路板上，只要留出和上位機接口的這個串口，就可以實現(xiàn)芯片內(nèi)部儲存器的改寫，而無需再取下芯片。已經(jīng)編程的器件也可以用 ISP 方式擦除或再編程。 ISP通過單片機上引出的編程線、串行數(shù)據(jù)、時鐘線對單片機內(nèi)部的 Flash 存儲器進行編程，編程線與 I/O線共用，不額外增加單片機的引腳。 傳感器接口設(shè)計 懸梁式稱重傳感器有四條接線，紅色為激勵正（ EXC+），接 10V 電源，黑色為激勵負（ EXC）接地，綠色為信號正（ SIG+）接入 AD7730 的 ANI（ +）引腳，白色為信號負（ SIG）接入 ANI（－）引腳，之間串聯(lián) 10K 限流電阻。 圖 47為懸梁式稱重傳感器和 E6B2CWZ6C 編碼器接口設(shè)計電路原理圖。 圖 47編碼器與和稱重傳感器的接口電路 E6B2CWZ6C 編碼器正常工作的激勵電壓為 5~24V DC，激勵電壓的選擇直接關(guān)系到數(shù)據(jù)脈沖的電壓值。所以本系統(tǒng)選用 5V DC 作為激勵電源，輸出的脈沖信號可以直接送單片機計數(shù)。 E6B2CWZ6C 編碼器有 6 條接線，褐色為 VCC，黑色為 A相輸出，白色為 B相輸出，橙色為 Z相輸出，藍色為 0V，最后一條為屏蔽線 GND。 A、 B兩相信號的脈沖表示碼盤軸所轉(zhuǎn)的角度，當(dāng) A相超前 B相 90o 時表示碼盤正轉(zhuǎn)，當(dāng) B 相超前 A 相 90o 時表示碼盤反轉(zhuǎn)。 Z 相為零脈沖信號，碼盤每轉(zhuǎn)一周變化一次。本系統(tǒng)中，因為傳輸皮帶正常工作時方向不會改變，所以 不存在鑒相問題。使用單片機的外部中斷 INT0，以邊沿觸發(fā)方式對 A相輸出的脈沖計數(shù)。 ProfibusDP 接口擴展 PROFIBUS 是由西門子等公司組織開發(fā)的一種面向工廠自動化、過程自動化的國際性河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 26 26 現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。 PROFIBUS 的開發(fā)始于 1987 年， 1989 年立項為德國標(biāo)準(zhǔn) DIN19245（ Deutsche industrial Norman）， 1996 年 3月被批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN50170（ European Standard），并于 2021 年成為 IEC61158（ International Electro technical Commission）。我國于 2021 年正式批準(zhǔn) PROFIBUS 現(xiàn)場總線成為我國機械行業(yè)工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線的國家標(biāo)準(zhǔn)。 PROFIBUS 的用戶組織 PI（ PROFIBUS INTERNATIONAL）成立于 1995 年，在 30 多個國家和地區(qū)都有地區(qū)性的 PROFIBUS 用戶組織，會員眾多。我國的相應(yīng)組織 PROFIBUS 專業(yè)委員會 CPO（ Chinese Profibus User Organization）成立于 1997 年，下設(shè)的“ PROFIBUS 產(chǎn)品演示及認證實驗室”和“ PROFIBUS 技術(shù)中心”負責(zé)產(chǎn)品認證和技術(shù)支持?？傊?PROFIBUS 是一種具有廣泛應(yīng)用范圍的、開放的數(shù)字通信系統(tǒng)，適合于快速、時間要求嚴(yán)格和可靠性要求高的各種通信任務(wù)。目前已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、過程工業(yè)自動化、樓宇和交通電力等領(lǐng)域。 PROFIBUS 由三種兼容的通信協(xié)議類型組成，即 PROFIBUSDP、 PROFIBUSPA和 PROFIBUSFMS（ Fieldbus Message Specification，現(xiàn)場總線報文規(guī)范）。 RS485 傳輸是 PROFIBUS 最常用的一種傳輸技術(shù)其應(yīng)用既適用于需高速傳輸?shù)?系統(tǒng)，也適合于簡單、廉價、需快速鋪設(shè)的場合。 RS485 采用平衡差分傳輸方式，在一個兩芯卷繞且有屏蔽層的雙絞電纜上傳輸大小相同而方向相反的電流，以削弱工業(yè)現(xiàn)場噪聲，且避免多個節(jié)點間接地電平差異的影響。其傳輸數(shù)據(jù)的速率為 ~12Mbps，且一個系統(tǒng)中總線上的傳輸速率對連接在總線上的各個設(shè)備是統(tǒng)一設(shè)定的。各個設(shè)備均連在具有線型拓撲結(jié)構(gòu)的總線上。每一個線段可以連入的最大設(shè)備數(shù)目為 32，每個線段的最大長度為 1200 米。當(dāng)設(shè)備數(shù)目多于 32時，或擴大網(wǎng)絡(luò)范圍時，可以使用中繼器連接各個不同的網(wǎng)段。 本系統(tǒng)采用 創(chuàng)捷 PQ20 系列外置式 ProfibusDP 從站橋接模塊實現(xiàn)現(xiàn)場總線接口擴展，該模塊提供用戶利用 RS232/RS485 串行通訊端口和 Profibus 總線系統(tǒng)通訊功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)關(guān)設(shè)備。它可以采用標(biāo)準(zhǔn)的 DIN 軌道安裝方式，采用直流 24V 電源供電，符合工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)要求。它完全兼容 ProfibusDP總線協(xié)議，可以自由設(shè)定 3～ 126 的ProfibusDP從站地址。是為滿足國內(nèi)傳統(tǒng)工控產(chǎn)品制造商在 PROFIBUS 現(xiàn)場總線領(lǐng)域的推廣需求而專門設(shè)計開發(fā)的。廣泛應(yīng)用于儀器儀表、人機界面、智能高低壓電器、變送器、智能 現(xiàn)場測量設(shè)備、變頻器、電機啟動保護器等設(shè)備。該系列的產(chǎn)品具有獨特的設(shè)備數(shù)據(jù)綜合描述軟件，使用戶利用 PC 就能輕松設(shè)置從站地址、識別碼、輸入輸出長度等信息，還可讀取相關(guān)信息，并能自動生成 GSD 文件，使設(shè)備在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中更加智能化，增強現(xiàn)場級信息集成能力，更突出本產(chǎn)品的可維護性、高集成性、互操作性和開放性。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 27 27 本章小結(jié) 本章對傳輸帶動態(tài)稱重系統(tǒng)的硬件設(shè)計做了詳細的介紹，主要包括單片機和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的選擇，數(shù)據(jù)采集電路和通信接口的設(shè)計和現(xiàn)場總線接口的擴展。著重闡述了基于AD7730 芯片的稱重傳感器數(shù)據(jù)采集電 路的設(shè)計與實現(xiàn)，這是硬件設(shè)計的核心功能部分。單片機的程序設(shè)計將在下一章中詳細闡述 。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 28 28 5 單片機軟件設(shè)計 前面章節(jié)已經(jīng)介紹了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集硬件電路的設(shè)計，本章開始介紹系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計與編寫。 常見的 MCS51 系列單片機編程語言有 4種，即匯編語言、 C51 語言、 BASIC 語言和PL/M 語言。目前使用最多的單片機開發(fā)語言是匯編語言和 C51 語言，這兩種語言都有良好的編譯器支持，使用廣泛。 一般來說匯編語言用于對效率要求較高的小型程序， C51 語言用于編寫較為復(fù)雜的程序。本系統(tǒng)由于涉及的功能模塊較 多，所以單片機軟件主要采用 C51 語言編寫。對于C51語言的開發(fā)，目前有很多成熟的開發(fā)環(huán)境，本系統(tǒng)采用 Keil C51 集成開發(fā)環(huán)境。 Keil C51 開發(fā)工具介紹 Keil C51 是美國 Keil Software 公司推出的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。 C語言在功能上、可讀性、可維護性、結(jié)構(gòu)性上都明顯優(yōu)于匯編語言，因而易學(xué)易用。 Keil C51 目前已經(jīng)達到 uVision3 版本，版本號為 。 Keil C51 軟件提供功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具和豐富的庫函數(shù)，全部是 Windows風(fēng)格界面。 值得一提的是，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到 Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 Keil C51 能夠?qū)?51 系列單片機以及 51 系列兼容的絕大部分類型的單片機進行設(shè)計。除了支持 C51語言外，它也可以直接進行匯編語言的設(shè)計與編譯。 Keil C51 是一個非常優(yōu)秀的集成開發(fā)環(huán)境，受到廣大單片機設(shè)計者的青睞。 單片機系統(tǒng)軟件設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)主要功能，將系統(tǒng)軟件分為 4 個主要功能模塊：主程序模塊、 AD7730 轉(zhuǎn)換模塊、 脈沖計數(shù)模塊及串行通信模塊。 該軟件完成的任務(wù)是：通過 AD7730 轉(zhuǎn)換模塊采集稱重傳感器電橋輸出的電壓信號，并將轉(zhuǎn)換得到的 24 位數(shù)據(jù)信號，同時由脈沖計數(shù)模塊完成對測速傳感器的輸出脈沖進行計數(shù)，單片機通過串行通信模塊將 24位 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和脈沖計數(shù)值發(fā)送到上位機進行最終處理。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 29 29 主程序模塊流程框圖 圖 41 主程序模塊流程框圖 開始 初始化可編程芯片 開機自檢 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理 串口通信 循環(huán)采樣？ 結(jié)束 Y N 結(jié)論 30 結(jié)論 傳輸帶動態(tài)稱重系統(tǒng)在我國有廣 闊的發(fā)展前景，港口、冶金、建材、鐵道、飼料、煤炭、煙草、化工等部門都需要在未來發(fā)展中裝備大量的傳輸帶動態(tài)稱重系統(tǒng)。但是，目前國內(nèi)的相關(guān)產(chǎn)數(shù)量少，精度低，功能單一且缺乏對現(xiàn)場總線的支持，不能滿足工業(yè)一體化的需求，給廠礦企業(yè)的稱重管理帶來了極大的不便，同時也帶來了很大的經(jīng)濟損失。 本文提出的傳輸帶動態(tài)稱重系統(tǒng)正是從這一實際情況出發(fā)，選擇單托輥秤架，增量式光電編碼器和懸梁式稱重傳感器作為研究對象，在保證計量精度的同時，考慮了設(shè)備成本、安裝難度和市場占有率等因素，保障了設(shè)計的實用價值。系統(tǒng)的硬件設(shè)計不但實現(xiàn)了基本數(shù) 據(jù)采集功能，