【正文】 系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)采集和計(jì)算數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和儲(chǔ)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(shí)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(duì)傳輸線即可完成。本系統(tǒng)對(duì)傳輸?shù)乃俣纫蟛桓撸以趯?shí)際環(huán)境中可能需要傳輸較遠(yuǎn)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(jì)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(jì)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(shí)，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(yàn)位（可選）和停止位。比較兩種串行通信方式，由于本系統(tǒng)對(duì)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(shí)現(xiàn)單片機(jī)的全雙工串行端口與 PC 機(jī) COM 串行接口的鏈接，并編程實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)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(huì)（ 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(jìn)制串行通信，最高傳輸速度 ，最長傳輸距離可達(dá) 15米。雖然 RS232C 設(shè)計(jì)了 25 個(gè)引腳，但對(duì)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(jì)算機(jī)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(jì)的低功耗、單電源發(fā)送接收器。對(duì)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(chǎng)合更為廣泛。 串口通信接口電路設(shè)計(jì) 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(gè)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(jī)的串行口接收引腳 RXD 應(yīng)接 MAX232 的 R1OUT、 R2OUT引腳，單片機(jī)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(duì)應(yīng)河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)如圖 46 所示。 圖 46 AT89S52的 ISP接口設(shè)計(jì) ATMEL 公司的單片機(jī) AT89S 系列單片機(jī)提供了一個(gè)串行接口對(duì)內(nèi)部程序存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)對(duì)其可編程邏輯器件的重配置，它的實(shí)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(jì)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(jī)接口的這個(gè)串口，就可以實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部儲(chǔ)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(jī)上引出的編程線、串行數(shù)據(jù)、時(shí)鐘線對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的 Flash 存儲(chǔ)器進(jìn)行編程，編程線與 I/O線共用，不額外增加單片機(jī)的引腳。 傳感器接口設(shè)計(jì) 懸梁式稱重傳感器有四條接線，紅色為激勵(lì)正（ EXC+），接 10V 電源，黑色為激勵(lì)負(fù)（ EXC）接地，綠色為信號(hào)正（ SIG+）接入 AD7730 的 ANI（ +）引腳，白色為信號(hào)負(fù)（ 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(jì)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(lì)電壓為 5~24V DC，激勵(lì)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(lì)電源，輸出的脈沖信號(hào)可以直接送單片機(jī)計(jì)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(lán)色為 0V，最后一條為屏蔽線 GND。 A、 B兩相信號(hào)的脈沖表示碼盤軸所轉(zhuǎn)的角度，當(dāng) A相超前 B相 90o 時(shí)表示碼盤正轉(zhuǎn)，當(dāng) B 相超前 A 相 90o 時(shí)表示碼盤反轉(zhuǎn)。 Z 相為零脈沖信號(hào)，碼盤每轉(zhuǎn)一周變化一次。本系統(tǒng)中，因?yàn)閭鬏斊д９ぷ鲿r(shí)方向不會(huì)改變，所以 不存在鑒相問題。使用單片機(jī)的外部中斷 INT0，以邊沿觸發(fā)方式對(duì) A相輸出的脈沖計(jì)數(shù)。 ProfibusDP 接口擴(kuò)展 PROFIBUS 是由西門子等公司組織開發(fā)的一種面向工廠自動(dòng)化、過程自動(dòng)化的國際性河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 26 26 現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。 PROFIBUS 的開發(fā)始于 1987 年， 1989 年立項(xiàng)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(chǎng)總線成為我國機(jī)械行業(yè)工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場(chǎng)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(gè)國家和地區(qū)都有地區(qū)性的 PROFIBUS 用戶組織，會(huì)員眾多。我國的相應(yīng)組織 PROFIBUS 專業(yè)委員會(huì) CPO（ Chinese Profibus User Organization）成立于 1997 年，下設(shè)的“ PROFIBUS 產(chǎn)品演示及認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室”和“ PROFIBUS 技術(shù)中心”負(fù)責(zé)產(chǎn)品認(rèn)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(shí)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(dòng)化、過程工業(yè)自動(dòng)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(chǎng)總線報(bào)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(jià)、需快速鋪設(shè)的場(chǎng)合。 RS485 采用平衡差分傳輸方式，在一個(gè)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(chǎng)噪聲，且避免多個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)系統(tǒng)中總線上的傳輸速率對(duì)連接在總線上的各個(gè)設(shè)備是統(tǒng)一設(shè)定的。各個(gè)設(shè)備均連在具有線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的總線上。每一個(gè)線段可以連入的最大設(shè)備數(shù)目為 32，每個(gè)線段的最大長度為 1200 米。當(dāng)設(shè)備數(shù)目多于 32時(shí)，或擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)范圍時(shí)，可以使用中繼器連接各個(gè)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線接口擴(kuò)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(chǎng)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(chǎng)總線領(lǐng)域的推廣需求而專門設(shè)計(jì)開發(fā)的。廣泛應(yīng)用于儀器儀表、人機(jī)界面、智能高低壓電器、變送器、智能 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備、變頻器、電機(jī)啟動(dòng)保護(hù)器等設(shè)備。該系列的產(chǎn)品具有獨(dú)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(shí)別碼、輸入輸出長度等信息，還可讀取相關(guān)信息，并能自動(dòng)生成 GSD 文件，使設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中更加智能化，增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息集成能力，更突出本產(chǎn)品的可維護(hù)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(jì)說明書 27 27 本章小結(jié) 本章對(duì)傳輸帶動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的介紹，主要包括單片機(jī)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(jì)和現(xiàn)場(chǎng)總線接口的擴(kuò)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(jì)與實(shí)現(xiàn)，這是硬件設(shè)計(jì)的核心功能部分。單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)將在下一章中詳細(xì)闡述 。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 28 5 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) 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(jì)，本章開始介紹系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)與編寫。 常見的 MCS51 系列單片機(jī)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(jī)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(duì)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(jī)軟件主要采用 C51 語言編寫。對(duì)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(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。 C語言在功能上、可讀性、可維護(hù)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(dá)到 uVision3 版本，版本號(hào)為 。 Keil C51 軟件提供功能強(qiáng)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(huì)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(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢(shì)。 Keil C51 能夠?qū)?51 系列單片機(jī)以及 51 系列兼容的絕大部分類型的單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。除了支持 C51語言外，它也可以直接進(jìn)行匯編語言的設(shè)計(jì)與編譯。 Keil C51 是一個(gè)非常優(yōu)秀的集成開發(fā)環(huán)境，受到廣大單片機(jī)設(shè)計(jì)者的青睞。 單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)主要功能，將系統(tǒng)軟件分為 4 個(gè)主要功能模塊：主程序模塊、 AD7730 轉(zhuǎn)換模塊、 脈沖計(jì)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(hào)，并將轉(zhuǎn)換得到的 24 位數(shù)據(jù)信號(hào)，同時(shí)由脈沖計(jì)數(shù)模塊完成對(duì)測(cè)速傳感器的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，單片機(jī)通過串行通信模塊將 24位 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和脈沖計(jì)數(shù)值發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行最終處理。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jī)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(dòng)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(dòng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)也帶來了很大的經(jīng)濟(jì)損失。 本文提出的傳輸帶動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)正是從這一實(shí)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(duì)象，在保證計(jì)量精度的同時(shí)，考慮了設(shè)備成本、安裝難度和市場(chǎng)占有率等因素，保障了設(shè)計(jì)的實(shí)用價(jià)值。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)不但實(shí)現(xiàn)了基本數(shù) 據(jù)采集功能，