【正文】 序 ...................................................... 32 1 緒 論 本章首先論述一下自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)的發(fā)展背景 同時(shí)簡要 介紹國內(nèi)外關(guān)于這方面的研究發(fā)展情況與未來的發(fā)展趨勢，然后論述一下研究的目的和意義。自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)更是許多工業(yè)生產(chǎn)廠不可或缺的一部分。因?yàn)橹挥袚碛辛己玫臄?shù)據(jù)采集方式才能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，擁有完善的控制系統(tǒng)才能保證整個(gè)操作過程有條理且高效率的運(yùn)作。常見的有利用 A/D 芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換的原理采集例如電壓、電流、溫度、壓力等模擬量； 利用編碼器將幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的原理采集例如角度、速度等物理量 ； 利用電感式接近開關(guān)電渦流效應(yīng)來檢測金屬物品的通過 ； 利用電容式接近開關(guān) 電容介電常數(shù)變化 的原理來檢測物體的通過 ； 利用 光電傳感器光束是否被遮擋 來檢 測 物體的有或 無 。 未來，隨著相關(guān)領(lǐng)域新技術(shù)與新器件的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集會(huì)向?qū)崟r(shí)性更強(qiáng)、靈敏度更高的方向發(fā)展。 本課題的內(nèi)容是自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)計(jì)部分的研制，是集數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制于一體的智能系統(tǒng)，是為適應(yīng)生產(chǎn)的自動(dòng)化發(fā)展而提出的，有著良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。 ⑴ A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）芯片采集數(shù)據(jù) A/D 芯片是一種將電壓、電流等模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件。常見的逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器有 8位分辨率的 ADC0809， 12位分辨率的 AD574；常見的雙斜積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器有 3 位半的 MC14433,4 位半的ICL7135。然而由于其采集對(duì)象往往是電壓、電流、溫度、壓力、流量和速度等物理量，此處針對(duì)本課題研究的生產(chǎn)線上物品的統(tǒng)計(jì)就不合適了 。利用編碼器采集數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是精度高、測 量范圍廣，缺點(diǎn)是抗干擾能力差。 ⑶ 電感式接近開關(guān)采集數(shù)據(jù) 電感式接近開關(guān)屬于一種有開關(guān)量輸出的位置傳感器，它由 LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場的振蕩感應(yīng)頭時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。 其結(jié)構(gòu)如圖 1— 1所示。因此可以用它專門檢測金屬產(chǎn)品生產(chǎn)線上的物品。 其結(jié)構(gòu)如圖 1— 2所示。 利用這個(gè)接近開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)本課題對(duì)物品的采集，電容式接近開關(guān)所能檢測的物體不限于金屬物體。 ⑸ 光電傳感器采集數(shù)據(jù) 光電傳感器是利用被檢測物體對(duì)光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射光線的物體均可檢測。 其結(jié)構(gòu)如圖 1— 3所示 。 ② 鏡反射式光電開關(guān) ： 鏡反射式光電開關(guān)亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過 反射鏡 ，反射回接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號(hào)。 圖 1— 4 鏡反射式光電開關(guān) ③ 對(duì)射式光電開關(guān) ： 對(duì)射式光電開關(guān)包含在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對(duì)放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器。當(dāng)檢測物體是不透明時(shí)，對(duì)射式光電開關(guān)是最可靠的檢測模式。 5 圖 1— 5 對(duì)射式光電開關(guān) ④ 槽式光電開關(guān) ： 槽式光電開關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的 U 字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于 U 型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過 U 型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測到的開關(guān)量信號(hào)。 其結(jié)構(gòu)如圖 1— 6所示。通常 光纖傳感器 分為對(duì)射式和漫反射式。 圖 1— 7 光纖式光電開關(guān) 光電傳感器的優(yōu)點(diǎn)是 光電器件響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，具有較高的可靠性和可行性。 控制方式方案論證 在控制設(shè)計(jì)上，則有計(jì)算機(jī)多級(jí)控制系統(tǒng)和集散控制系 統(tǒng)可選 。 DDC 直接控制生產(chǎn)過程，實(shí)施多種控制功能； SCC指揮直接數(shù)字控制系統(tǒng)工作； MIS 主要 進(jìn)行計(jì)劃和調(diào)度，指揮監(jiān)督控制系統(tǒng)工作。集散控制系統(tǒng)是由多臺(tái)下位機(jī)分別控制生產(chǎn)過程中的多個(gè)控制回路，同時(shí)又可集中獲取數(shù)據(jù)和集中管理的自動(dòng)控制系統(tǒng)。相對(duì)集中的管理方 式有利于實(shí)現(xiàn)功能標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化設(shè)計(jì)，與計(jì)算機(jī)多級(jí)控制相比，集散控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上更加靈活，布局更加合理，成本更低。 第一級(jí)為下位機(jī)，直接面對(duì)控制對(duì)象完成實(shí)時(shí)控制，由 MCS51 系列的 8051單片機(jī)擴(kuò)展而成，安裝在工業(yè)現(xiàn)場。 PC機(jī) 與單片機(jī)之 間通過通訊接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊 。力求此計(jì)數(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、處理快捷、成本低、具備可行性，工廠車間能夠?qū)嶋H的投入生產(chǎn)運(yùn)行中。 當(dāng) 電感式接近開關(guān)所在的生產(chǎn)線上有金屬產(chǎn)品靠近時(shí)，由于渦流效應(yīng)，產(chǎn)生低 7 電平，該信號(hào)經(jīng)處理后傳給單片機(jī) T0 端，該單片機(jī)進(jìn)行一次計(jì)數(shù)。 當(dāng)光電 傳感器 所在的生產(chǎn)線有物件通過時(shí)， 擋在 了發(fā)射器和接收器 之間，傳感器將會(huì)輸出一個(gè)低電平，而當(dāng)沒有物體擋在中間時(shí)則輸出為高電平，從而形成一個(gè)脈沖。 PC機(jī)通過通訊接口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，控制方式為集散式。 系統(tǒng) 原理框圖如圖 1－ 8所示。反應(yīng)快、不易受干擾。 本章小結(jié) 本章主要對(duì)本課題的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論證，在眾多方案中從性能、結(jié)構(gòu)、可行性方面進(jìn)行比較，最終選出最合理的方案。 9 2 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)硬件設(shè)計(jì) 首先一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)要選擇合 適的單片機(jī)，其次就是單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)。 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)的弱點(diǎn)是運(yùn)算速度較慢 。 MCS— 51 系列單片機(jī)是 8 位機(jī)的代表 , 在我國有廣泛的應(yīng)用市場 。 8051 單片機(jī)邏輯符號(hào)如圖 2— 1所示。通常有兩種方式：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。在 XTAL1 和 XTAL2兩端跨接一個(gè)片外石英晶體就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器。振蕩頻率由石英晶體的諧振頻率確定，此處振蕩頻率是 12MHz。 圖 2— 2 8051 的內(nèi)部時(shí)鐘電路 在具體連接安 裝時(shí)，石英晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安裝，以減少寄生電容，更好地保護(hù)振蕩器穩(wěn)定可靠地工作。因此系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)于單片機(jī)來說是至關(guān)重要的。 11 因此在安全性能要求很高的測控系統(tǒng)中就要避免程序跑飛導(dǎo)致系統(tǒng)失控的情況，這樣就要用到復(fù)位電路。斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，其輸出在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2由復(fù)位電路采樣一次。在RST端出現(xiàn)高電平后的第 2個(gè)周期，執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位，以后每個(gè)周期重復(fù)一次，直至 RST端變低。其看門狗定時(shí)器和電源電壓監(jiān)控功能可對(duì)系統(tǒng)起到保護(hù)作用； 512 8位的 E2PROM可 用來存儲(chǔ)單片機(jī)系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)。 SI、 SO、SCK和 CS 均可以和單片機(jī)任何一個(gè) I/O引腳相連。 圖 2— 3 X5045與單片機(jī)的連接 看門狗定時(shí)器的作用是通過監(jiān)視 WDI輸入來監(jiān)視單片機(jī)的工作狀態(tài)來決定是否激活。而當(dāng)單片機(jī)程序出現(xiàn)跑飛等 不正常的工作狀態(tài)時(shí)， X5045就會(huì)及時(shí)檢測到這一情況并且通過 RESET輸出復(fù)位信號(hào)，控制單片機(jī)復(fù)位。 通常防護(hù)措施如下： ⑴ 供電系統(tǒng) 在 單片機(jī) 系統(tǒng)中，最嚴(yán)重的干擾來源為電源的 污染 ，且 現(xiàn)在的單片機(jī)系統(tǒng)，大都使用市電（ 220V， 50Hz），在工業(yè)現(xiàn)場中，由于生產(chǎn)負(fù)荷的變化，如大的電機(jī)的啟、停，強(qiáng)電繼電器的通、斷等，往往造成電源電壓的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)直接影響單片機(jī)的正常工作 。 一是要將 單片機(jī) 的供電與大功率的用電設(shè)備的電源分開，最好單獨(dú)供電；二是 添加一個(gè) 低通濾波器 。濾波器要加屏蔽外殼，并使其接地良好；進(jìn)線端與出 線端要嚴(yán)格分開，以防止感應(yīng)和輻射耦合。 電路如圖 2— 4 所示。在系統(tǒng)中，傳輸線上的信息多為脈沖波和較弱的測量信號(hào)電壓，在長線傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰減、延時(shí)、畸變。 本課題采用 6N137 光電隔離 器 ，其結(jié)構(gòu)原理圖 如圖 2— 5 所示。 ⑶ 屏蔽和接地 在工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場難免有 電磁干擾 會(huì)竄入單片機(jī)，影響系統(tǒng)工作。 數(shù)據(jù)采集部分硬件設(shè)計(jì) 針對(duì)一個(gè)車間內(nèi)三條生產(chǎn)線上生產(chǎn)出的不同類型的產(chǎn)品，采用不同的器件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：用電感式接近開關(guān)對(duì)金屬產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)數(shù)，用電容式接近開關(guān)對(duì)非金屬產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)數(shù)，用光電傳感器對(duì)各種類型產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)數(shù)。 14 圖 2— 6 電感式接近開關(guān)檢測金屬物品原理圖 工作流程如下： 當(dāng) 金屬物體在接近 電感式接近開關(guān) 能產(chǎn)生電磁場 的振蕩感應(yīng)頭時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。 電感式接近開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是 無接觸，無壓力、無火花、迅速發(fā)出 電氣 指令，準(zhǔn)確反應(yīng)出運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置和行程，即使用于一般的控制，其定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調(diào)整的方便性和對(duì)惡劣環(huán)境的適用能力 都是其他普通開關(guān)無法比擬的。 圖 2— 7 電容式接近開關(guān)檢測非金屬物品原理圖 工作流程如下： 當(dāng)非金屬物體 移向 電容式 接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化 ，輸出的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理后加到單片機(jī)的輸入端，從而進(jìn)行一次計(jì)數(shù)。 ⑴ 光電傳感器的選擇 可選用由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光敏晶體管組成 的直射式光電傳感器。 圖 2— 8 內(nèi)部電路示意圖 采用 這種 紅外光電傳感器，進(jìn)行非接觸式檢測。 ⑵ 信號(hào)放大、波形變換和波形整形 電路設(shè)計(jì) 對(duì)待測信號(hào)進(jìn)行放大的目的是降低對(duì)待測信號(hào)的幅度要求；波形變換和波形整形電路則用來將放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī)相連的信號(hào) 。 圖 2— 9 電路設(shè)計(jì)原理圖 16 ① 信號(hào)預(yù)處理電路 信號(hào)預(yù)處理電路如圖 2— 10 所示。當(dāng)輸入信號(hào)為零或負(fù)電壓時(shí)，三極管截止，電路輸出高電平；而當(dāng)輸入信號(hào)為正電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓隨著輸入電壓的上升而下降 。預(yù)處理電路的第二級(jí)采用帶施密特觸發(fā)器的反相器 DM74LS14來把放大器生成的單相脈沖轉(zhuǎn)換成與 COMS 電 平相兼容的方波信號(hào)，同時(shí)將輸出信號(hào)加到 單片機(jī) 的 口上 。輸入的信號(hào)只要幅度大于 VT+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號(hào)。當(dāng)傳輸線上的電容較大時(shí)，波形的上升沿將明顯變壞；當(dāng)傳輸線較長，而且接受端的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配時(shí)，在波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象；當(dāng)其他脈沖信號(hào)通過導(dǎo)線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信 號(hào)時(shí)，信號(hào)上將出現(xiàn)附加的噪聲。 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) ，包括單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)：時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和抗干擾電路 ；數(shù)據(jù)采集部分硬件設(shè)計(jì)：電感式接近開關(guān)采集數(shù)據(jù)電路、電容式接近開關(guān)采集數(shù)據(jù)電路、光電傳感器采集數(shù)據(jù)電路。 18 3 軟件設(shè)計(jì) 語言簡介 本課題 采用集散控制系統(tǒng)， 是由一臺(tái) PC機(jī)和三臺(tái)單片機(jī)組成的二層結(jié)構(gòu)模式。第二級(jí)為上位 機(jī)，用于集中管理，選用 IBMPC，安裝在控制室。 PC機(jī)程序采用 VISUAL BASIC 語言，單片機(jī) 程序 采用匯編語言。 “Visual”指的是采用可視化的開發(fā)圖形用戶界 面（ GUI）的方法，一般不需要編寫大量代碼去