【正文】 操作人員勞動強度低，而且配料精度高，產(chǎn)品質量容易控制，還能實現(xiàn)動態(tài)物料的配比，自動和手動相結合，實現(xiàn)自動跟蹤誤差調整、自動稱重、自動混合、自動顯示。 隨著工業(yè)自動化和管理現(xiàn)代化的進展，自動在線稱重、快速在線稱重和配料系統(tǒng)有了很大發(fā)展。本課 題正是從這一方面出發(fā)進行設計的，使得本課題設計的自動稱重系統(tǒng)既能獲取稱重信息，又能實現(xiàn)對稱重信息的管理實行配料系統(tǒng)，而且其穩(wěn)定性好，稱量速度快、精度高，可連續(xù)自動稱重，顯示稱量結果，自動配料，實現(xiàn)了稱重數(shù)據(jù)的存儲，配料的自動化，并且該自動稱重系統(tǒng)還實現(xiàn)了可視化，從而杜絕不真實計量現(xiàn)象，維護企業(yè)和客戶的利益。而且本設計電路簡單，成本低，抗工頻干擾強，具有很好的推廣價值。 配料稱重系統(tǒng)的構成及原理 配料控制器是 一種廣泛應用于建材、化工、治金、醫(yī)藥、飼料等行業(yè)中的配料稱重儀器。 配料控制器大都以標準 51單片機為核心 ,通過擴展較多的外圍功能部件 ,來滿足生產(chǎn)需要 。系統(tǒng)結構分為電氣和機械 2部分 :其中電氣部分包含 3個模塊 : 單片機控制模塊、稱重傳感器和 A/D 轉換模塊 。 工作原理是 :由操作人 員或上位機根據(jù)實際配料 需要，向 配料控制器發(fā)流量控制命令 ,配料控制器就會將檢測到的流量與給定流量進行比較。具體來說：系統(tǒng)開始控制操作之前，通過按鍵和顯示模塊組成的人機作界面將相應的參數(shù)值輸入到單片機控制部分，使系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。 由于配料控制器具有檢測功能 ,所以它還能輸出物料的瞬時流量和總累計量等。 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 4 167。 配料系統(tǒng)硬件系統(tǒng)整體設計 硬件設計部分的設計 分為以下幾部分： 單片機系統(tǒng)的設計， 4*4 矩陣鍵盤的設計，數(shù)碼管顯示接口的擴展， A\D 轉換 PCF8591 轉換芯片電路的設計，報警電路的設計。 本章小結 本章首先給出了本系統(tǒng)的總體組成。 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 6 第 2 章 系統(tǒng)硬件設計 如前所述，系統(tǒng) 的硬件部分設計主要包括 ： (1) 單片機系統(tǒng)的設計。 (3) 顯示接口的擴展。 (5) 報警電路的設計。 單片機系統(tǒng)的設計 167。該系列單片機的始祖是 Intel 的 8031 單片機，后來隨著 Flash rom 技術的發(fā)展， 8031單片機取得了長足的進展，成為應用最廣泛的 8 位單片機之一，其代表型號是 ATMEL 公司 的 AT89 系列，它廣泛應用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。 51 單片機是基礎入門的一個單片機，還是應用最廣泛的一種。 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，是具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。在單芯片上，擁有 靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 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。另外 STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護方式下， RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 STC89C52 引腳圖 如下 圖所示 ： 圖 167。 167。 矩陣鍵盤的結構及其工作原理 在 鍵盤 中按鍵數(shù)量較多時，為了減少 I/O 口的占用，通常將按鍵排列成矩陣 形式，如圖 1所示。這樣，一個端口（如 P1口）就可以構成 4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于 鍵盤 多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構成 20鍵的 鍵盤 ，而直接用端口線則只 能多出一鍵（ 9鍵）。 矩陣 式結構的 鍵盤 顯然比直接法要復雜一些，識別也要復雜一些，上圖中，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的 單片機 的 I/O 口作為輸出端，而列線所接的 I/O 口則作為輸入。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。 矩陣式鍵盤的按鍵識別方法 確定矩陣式 鍵盤 上 何鍵 被按下介紹一種 “行掃描法 ”。 （ 1）判斷 鍵盤 中有無鍵按下 將全部行線 Y0Y3置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。若所有列線均為高電平，則 鍵盤 中無鍵按下。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。 8031單片機 的 P1口用作 鍵盤 I/O 口，鍵盤的列線接到P1口的低 4位，鍵盤的行線接到 P1口的高 4位。 4根行線和 4根列線形成 16個相交點。檢測的方法是 “0”，讀取，若 “1”，則無鍵閉合，否則有鍵閉合。當檢測到有鍵按下后，延時一段時間再做下一步的檢測判斷。方法是對 鍵盤 的行線進行掃描。由此得到閉合鍵的行值和列值，然后可采用計算法或查表法將閉合鍵的行值和列值轉換成所定義的鍵值 (5)為了保證鍵每閉合一次 CPU 僅作一次處理，必須卻除鍵釋放時的抖動。 顯示模塊的設計 167。 數(shù)碼管 按段數(shù)可分為 七段數(shù)碼管 和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個 發(fā)光二極管 單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個 “8”可分為 1 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 11 位、 2位、 3位、 4位、 5位、 6位、 7位等數(shù)碼管； 按發(fā)光二極管單元連接方式可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 (COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應用時應將公共極 COM 接到地線 GND 上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陽極為低 電平時，相應字段就不亮。 led 數(shù)碼管常用段數(shù)一般為 7 段有的另加一個小數(shù)點，還有一種是類似于 3 位 “+1”型。圖 2 是共陰和共陽極數(shù)碼管的內部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。led 數(shù)碼管廣泛用于儀表，時鐘，車站，家電等場合。在本次設計中，我們選擇 8 位共陰數(shù)碼管。 數(shù)碼管的接口電路的設計 一、鍵盤輸入電路 鍵盤是由若干個按鍵組成的開關組 ,當沒有一個鍵按下時，所有行線輸出為 1；當某個鍵按下時，該鍵所在的行線和列線短接，行 線的輸出由列線的輸入電平?jīng)Q定， 74LS164 可提供鍵盤的列掃描信號。其過程如下： (1) 進行整體掃描 ； (2) 當有鍵按下時 。為保證 CPU 對按鍵的一次閉合僅做一次處理，對抖動信號必須進行消抖處理。 四、顯示器電路 (1)LED顯示器工作原理。共陰極 LED顯示器的陰極共地，當某二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮。 表 七段 LED顯示器段碼表 (共陰極 ) 顯示字符 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 . 段碼 3FH 06H 5BH 4FH 66H 6DH 07H 7DH 7EH 6FH 80H (2) 顯示掃描電路。在本系統(tǒng)中由移位寄存器74LS164 提供需要顯示的段碼。本系統(tǒng)通過 ～ ，用于控制各個顯示器的接地端。這樣巡回掃描速度較快，每秒可重復多次。 這種顯示為動態(tài)顯示，此時，段選碼和位選碼均由軟件控制。 A\D 轉換電路的設計 167。 在自動化控制設備的數(shù)據(jù)采集和轉換輸出過程中， A/D轉換往往是必不可少的，因此在很多場合要使用到 A/D轉換芯片。傳統(tǒng)的并行 A/D轉換需占用較多的 I/O 口，串行的 A/D轉換周期長，讀寫復雜，可擴展性較差。 PCF8591是一種具有 I2C總線接口的 8 位 A/D轉換芯片，在與 CPU的信息傳輸過程中僅靠時鐘線 SCL 和數(shù)據(jù)線 SDA 就可以實現(xiàn)。 167。對 PCF8591 進行寫讀操作后便立即啟動 A/D 轉換，并讀出 A/D 轉換結果。 A/D 轉換中，一旦 A/D 采樣周期被觸發(fā)，所選擇通道的采樣電壓便保存在采樣、保持電路中，并轉換成 8 位二進制碼（單端輸入） 或二進制補碼（差分輸入） 存放在 ADC 數(shù)據(jù)寄存器中等待器件讀出。讀周期中讀出的第一個字節(jié)為前一個周期的轉換結果。 PCF8591 的 A/D 轉換亦使用的是 I2C 總線的讀方式操作完成的。 A/D 轉換結束后，先發(fā)送一個非應答信號位 A 再發(fā)送結束信號位 P。上電復位后控制字節(jié)狀態(tài)為 00H，在 A/D 轉換時須設置控制字，即須在讀操作之前進行控制字節(jié)的寫入操作。PCF8591 有 4 路 8 位 A/D 輸入，屬逐次比較型，內含采樣保持電路； 1 路 8 位D/A 輸出，內含有 DAC的數(shù)據(jù)寄存器。 圖 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 15 167。 步進電機的原理 步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專業(yè)設備 步進電機控制驅動器 ，控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列，環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進電機驅動電源的各項輸入端，以驅動步進電機的轉動，環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅動步進電機的目的，步進電機的基本控制包括轉向控制和速度控制兩個方面。 步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。 步進電機分三種：永磁式（ PM），反應式（ VR）和混合式 (HB)，步進電機又稱為脈沖電機，是工業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動，反轉和制動的執(zhí)行元件，其功用是將電脈沖轉換為相應的角位移或直線位移，由于開環(huán)下就能實現(xiàn)精確定位的特點，使其在工業(yè)控制領域獲得了 廣泛應用。 （ 1）四相步進電機的工作原理 該設計采用了 20BY0 型步進電機，該電機為四相步進電機，采用單極性直流電源供電。當某一相繞組通電時，對應的磁極產(chǎn)生磁場，并與轉子形成磁路，這時，如果定子和轉子的小齒沒有對齊，在磁場的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，則轉子將轉動一定的角度，使轉子與定子的 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 16 齒相互對齊，由此可見，錯齒是促使電機旋轉的原因。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖用 n 表示，以四相電機為例，有 四 相 四 拍 運 行 方 式 即 AB→BC→CD→DA→AB, 四 相 八 拍 運 行 方 式A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A 。 Θ=360度（轉子齒角運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉子齒角為 50 齒角電機為例。 定位轉矩： 電機在不通電的狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）。本設計利用單片機進行控制，主要是利用軟件進行環(huán)形脈沖分配。各種工作方式在電源通電時的時序 與波形分別如圖 1 a、 b、 c 所示。 步進電機的電路原理圖如下圖所示： 圖 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 17 167。2. 6 報警電路的設計 本設計當液體原料的實際值與設定值相等或者大 于 實際值大于實際值的時候，報警電路工作。光報警用 LED 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 18 燈工作，聲報警用蜂鳴器。 167。接到 +5V 或者懸空，整個電路中沒有電流流過， LED 的狀態(tài)是熄滅。在數(shù)字電路中，接 +5V 為電平 “1”，接地為 “0”。 O3 \, f 圖 燈的電路原理圖 167。如圖所示，蜂鳴器的正極接到電源上面，蜂鳴器的負極接到三極管的發(fā)射機 E,三極管的基極 B 經(jīng)過限流電阻 R 后由單 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 19 片機的某個引腳控制，當引腳輸入高電平時候，三極管 T1 截止，沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲；當引腳輸出低電平時候，三極管導通 ，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。 圖 167。使讀者對本設計的各個功能模塊有一個清晰的認識。 protel 簡介 早期的 PROTEL 主要作為印制板自動布線 工具使用 ，運行在 DOS 環(huán)境，對硬件的要求很低，在無硬盤 286 機的 1M 內存下就能運行，但它的功能也較少，只有電路原理圖繪制與印制板設計功能，其印制板自動布線的布通率也低，而現(xiàn)今的 PROTEL 已發(fā)展到 DXP 2020，是個龐大的 EDA 軟件 ，完全安裝有 200 多 M，它工作在 WINDOWS95 環(huán)境下，是個完整的板級全方位電子設計系統(tǒng)，它包含了電路原理圖繪制、 模擬電路與數(shù)字電路 混合信號仿真、多層 印制電路板 設計（包含印制電路板自動布線）、 可編程邏輯器件 設計、圖表生成、 電子表格 生成、支持宏操作等功能，并具有 Client/Server（客戶 /服務器）體系結構，同時還兼容一些其它設計軟件的 文件格式 ，如 ORCAD，PSPICE， EXCEL 等，其多層印制線路板的自動布線可實現(xiàn)高密度 PCB 的100%布通率。 2020年年底， Protel 軟件的原廠商 Altium 公司推出了 Protel 系列的最新