【正文】 系統(tǒng)的上位機軟件功能全面，用戶可以直觀的獲取計量信息，也可對當前計量狀態(tài)做全面評估，杜絕了計量中的不真實現(xiàn)象。 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，考慮了設備成本、安裝難度和市場占有率等因素，保障了設計的實用價值。 河北工程大學畢業(yè)設計說明書 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)。 單片機系統(tǒng)軟件設計 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，它也可以直接進行匯編語言的設計與編譯。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風格界面。 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雜的程序。 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。單片機的程序設計將在下一章中詳細闡述 。 河北工程大學畢業(yè)設計說明書 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計和現(xiàn)場總線接口的擴展。廣泛應用于儀器儀表、人機界面、智能高低壓電器、變送器、智能現(xiàn)場測 量設備、變頻器、電機啟動保護器等設備。它完全兼容 ProfibusDP總線協(xié)議，可以自由設定 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)關設備。每一個線段可以連入的最大設備數(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備是統(tǒng)一設定的。 RS485傳輸是 PROFIBUS 最常用的一種傳輸技術其應用既適用于需高速傳輸?shù)南到y(tǒng)， 也適合于簡單、廉價、需快速鋪設的場合。目前已廣泛應用于制造業(yè)自動化、過程工業(yè)自動化、樓宇和交通電力等領域。我國的相應組織 PROFIBUS 專業(yè)委員會 CPO（ Chinese Profibus User Organization）成立于 1997年，下設的“ PROFIBUS產(chǎn)品演示及認證實驗室”和“ PROFIBUS 技術 中心”負責產(chǎn)品認證和技術支持。我國于 2022年正式批準 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)場總線的國家標準。 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畢業(yè)設計說明書 26 26 現(xiàn)場總線標準。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 A相超前 B相 90o時表示碼盤正轉(zhuǎn)，當 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計數(shù)。 圖 47為懸梁式稱重傳感器和 E6B2CWZ6C 編碼器接口設計電路原理圖。 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。 河北工程大學畢業(yè)設計說明書 25 25 通過 ISP技術，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。 圖 46 AT89S52的 ISP接口設 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。與之對應河北工程大學畢業(yè)設計說明書 24 24 T1OUT、 T2OUT和 R1IN、 R2IN通過 9針標準插頭分別于 PC機的接收端 RXD和發(fā)送端 TXD相連。 MAX232 的 R1IN、 T1OUT、R2IN、 T2OUT引腳需要接 RS232C標準電平，而 T1IN、 R1OUT、 T2IN、 R2OUT引腳則需要 接 TTL/CMOS標準電平。圖中 J1 為標準 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 為 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)終端設備（ DTE）和數(shù)據(jù)通信設備（ 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。 系統(tǒng)采用 RS232C 串口標準，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。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。 河北工程大學畢業(yè)設計說明書 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。當加在 RDY引腳上的電壓為低電平時，單片機可讀取 AD7730數(shù)據(jù)寄存器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)或校準數(shù)據(jù)。 AD7730 與單片機的接口設計 河北工程大學畢業(yè)設計說明書 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)行單片機對 AD7730的讀操作。 AD7730 的讀寫周期時序圖如圖 43所示。當加在 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，單片機可在 SCLK時鐘下降沿時將寄存器對應的值按位寫入 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置 AD7730的工作方式寄存器，設置∑ △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)送入單片機進一步處理?！?△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、增強了系統(tǒng)的抗干擾能力、加快了相應速度、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 河北工程大學畢業(yè)設計說明書 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 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。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 的脈沖信號進行光電隔離，然后由單片機對脈沖計數(shù)。 m以下 慣性力矩 1 106kg 45℃（ 1/4177。 其技術參數(shù)指標見表 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、稱重河北工程大學畢業(yè)設計說明書 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、應用范圍廣，實現(xiàn)了數(shù)字測量和數(shù)字控制， 連接計算機和相應顯示設備后可以實現(xiàn)實時控制和實時測量角位置。當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畢業(yè)設計說明書 15 15 同，也分為增量式和絕對式。基于這種設計原理，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)關系和測量穩(wěn)定性強等優(yōu)點，但同時導致絕對式光 電測速傳感器結(jié)構(gòu)復雜、體積較大和安裝繁瑣。增量式光 電測