【正文】 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。 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(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)。 單片機(jī)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。除了支持 C51語言外，它也可以直接進(jìn)行匯編語言的設(shè)計與編譯。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 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。 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。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。 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。 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。單片機(jī)的程序設(shè)計將在下一章中詳細(xì)闡述 。 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(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)計和現(xiàn)場總線接口的擴(kuò)展。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)場測量設(shè)備、變頻器、電機(jī)啟動保護(hù)器等設(shè)備。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。 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(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)場總線網(wǎng)關(guān)設(shè)備。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。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。 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。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。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(rèn)證實驗室”和“ PROFIBUS 技術(shù)中心”負(fù)責(zé)產(chǎn)品認(rèn)證和技術(shù)支持。我國于 2021 年正式批準(zhǔn) PROFIBUS 現(xiàn)場總線成為我國機(jī)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)。 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)。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。 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)。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(jī)計數(shù)。 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。 ISP通過單片機(jī)上引出的編程線、串行數(shù)據(jù)、時鐘線對單片機(jī)內(nèi)部的 Flash 存儲器進(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。 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(jī)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。 圖 46 AT89S52的 ISP接口設(shè)計 ATMEL 公司的單片機(jī) AT89S 系列單片機(jī)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。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(jī)的接收端 RXD和發(fā)送端 TXD相連。 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。圖中 J1 為標(biāo)準(zhǔn) RS232C 總線 9針插頭。 12V 電源的限制，使用場合更為廣泛。對于各種 EIA232E 和 ，轉(zhuǎn)變?yōu)?RS232C 數(shù)據(jù)電平需要177。本系統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換工作交由 MAX232 芯片完成。 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”。 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。 系統(tǒng) 采用 RS232C 串口標(biāo)準(zhǔn)，實現(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，并編程實現(xiàn)上下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。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。 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。 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。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)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和儲存等功能。也可采用將 RDY 引腳連接單片機(jī)的 INT0 或 INT1 引 腳，使用中斷方式控制 AD7730，還可以通過直接訪問內(nèi)部寄存器的 RDY 位數(shù)據(jù)，從而節(jié)省一個引腳。當(dāng)加在 RDY 引腳上的電壓為低電平時，單片機(jī)可讀取 AD7730 數(shù)據(jù)寄存器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)或校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。 AD7730 與單片機(jī)的接口設(shè)計 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 22 22 圖 44 AD7730與 AT89S52的接口原理圖 數(shù)據(jù)采集電路中， AD7730 與 AT89S52 單片機(jī)的接口電路原理圖如圖 44所示。在加在 POL上的電壓為高電平時，可以執(zhí)行單片機(jī)對 AD7730 的讀操作。 AD7730 的讀寫周期時序圖如圖 43所示。當(dāng)加在 AD7730的時鐘邏輯引腳 POL 為高電平時，可執(zhí)行功能寄存器寫入操作，單片機(jī)可在 SCLK 時鐘下降沿時將寄存器對應(yīng)的值按位寫入 AD7730 的串行數(shù)據(jù)輸入引腳 DIN，在 SCLK 時鐘為上升沿時，將寫入的數(shù)據(jù)鎖存到輸入移位寄存器中。 。 多路轉(zhuǎn)換器（ MUX）的輸出信號先與片內(nèi) 6 為 DAC 的輸出信號相加，從而使輸入信號在可編程 增益放大器（ PGA）的額定量程之內(nèi)，然后再加到系統(tǒng) PGA 上。 40mV、177。 10mV、177。AD7730 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 42 所示。用戶可以通過軟件設(shè)置 AD7730的工作方式寄存器，設(shè)置∑ △模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字濾波器、信噪比、采樣分辨率、 采樣頻率，從而做出最優(yōu)選擇。由于模擬低通濾波器只能濾除大于 kfs/2 頻 帶寬度的信噪，所以需要利用采樣抽取電路和數(shù)字濾波器來濾除頻帶無用信號和量化信噪，提取期望信號，提高轉(zhuǎn)換分辨率和信噪比。本系統(tǒng)采用 AD7730 轉(zhuǎn)換懸梁式稱重傳感器輸出的模擬量，并將轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)送入單片機(jī)進(jìn)一步處理?！?△類型模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置由于使用了數(shù)字式反饋比較方式，從而使用量化噪音大大降低、提高了轉(zhuǎn)換精度、增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力、加快了相應(yīng)速度、優(yōu)化了線性度。∑ △ 類型數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置還同時具有雙積分式模數(shù)轉(zhuǎn)換器抑制串摸干擾的功能。 AD7730 是∑ △類型數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置。 AD7730 是由美國 ADI 公司生產(chǎn)的 24位無失碼、雙通道差分模式高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，有效分辨率為 21 位，線性誤差177。由于懸梁式電阻應(yīng)變稱重傳感器輸出為頻率較低的模擬量，所以需要模數(shù)轉(zhuǎn)換部件具有精確的計量精度，但對響應(yīng)速度沒有過高要求。在 flash 編程和校驗時， P3 口也接收一些控制信號。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P3 口： P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口輸出 P2 鎖 存器的內(nèi)容。 在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 19 19 MOVX DPTR） 時， P2 口送出高八位 地址。對 P2 端口寫 “1” 時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時 可以作為輸入 口使用。 在 flash 編程和校驗時， P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P1 口： P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 輸出緩 沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。 在 flash 編程時， P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指 令字節(jié)。 當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0 口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù) 用。作為輸出口，每位能 驅(qū)動 8 個 TTL 邏 輯電平。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng) 可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。 8KB 片內(nèi) Flash，可擦 /寫 1000 次以上； 256字節(jié)片內(nèi) RAM；全靜態(tài)邏輯，工作頻率范圍 0~24MHz； 32 個可編程 I/O 口；三級程序存儲器加密；一個全雙工串行口；三個 16位定時 /計數(shù)器；支持在線編程 ISP（ In System Programmable）功能。 AT89S52 是 Atmel 公司推出的與 MCS51 兼容系列單片機(jī)。在元件庫中，整合了以前 Protel DXP 版本和 Protel 99 版本等各個版本的庫文件，使功能更強(qiáng)大，使用更方便。使用 Altium Designer summer 08 工具完成系統(tǒng)硬件的原理圖和 PCB 板圖設(shè)計。速度數(shù)據(jù)采集部分，首先將測速傳感器輸出的脈沖信號進(jìn)行光電隔離，然后由單片機(jī)對脈沖計數(shù)。 m以下 慣性力矩 1 106kg 45℃（ 1/4177。 其技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見表 32 小結(jié) 本部分 主要介紹了系統(tǒng)所使用的主要器件及其性能參數(shù)及特點，包括單托輥稱架、稱重河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 16 16 傳感器、測速傳感器、系統(tǒng)為處理器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的類型等。光 電轉(zhuǎn)換式測速傳感器體積小、安裝簡便、精度高、應(yīng)用范圍廣，實現(xiàn)了數(shù)字測量和數(shù)字控制，連接計算機(jī)和相應(yīng)顯示設(shè)備后可以實現(xiàn)實時控制和實時測量角位置。當(dāng)傳輸帶帶動光柵圓盤轉(zhuǎn)動時，速度轉(zhuǎn)換為光柵對光線的遮擋頻率，并通過光 電轉(zhuǎn)化生成脈沖信號或具體數(shù)字編碼。但依靠摩擦力的原理限制了速度的測量精度。 外形如圖 33 所示 圖 33 歐姆龍 E6B2CWZ6C增量型旋轉(zhuǎn)編碼器 接觸式測速方式的基本原理是基于接觸傳輸帶的摩擦輪，當(dāng)傳輸帶行駛時，依靠于傳輸帶之間的摩擦帶動自身運動，熱按通過光 電或磁 電式將速度信號轉(zhuǎn)換成電信號。 測速傳感器選擇 綜合各方面因素考慮， 本系統(tǒng)測速傳感器選用歐姆龍 E6B2CWZ6C 增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，該編碼器屬于接觸式軸光電編碼器。 (2)磁 電式測速傳感器 磁 電式測速傳感器的工作原理與光 電式測速傳感器相河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 15 15 同，也分為增量式和絕對式?；谶@種設(shè)計原理，絕對式光 電測速傳感器有固定零點、無誤差的累積、中斷后不會造成數(shù)據(jù)損失、輸出量與角度符合一定函數(shù)關(guān)系和測量穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點，但同時導(dǎo)致絕對式光 電測速傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、