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中南大学硕士学位论文配料仪的研究与开发 摘要 本文针对建筑行业提出了一种新型的配料仪的设计方法，配料仪的作用是将四种 原料混合在一起，它是一种单片机应用于工业生产过程自动控制的典型产品。这些年 来，随着建筑行业的发展，配料仪需要不断改进性能。早期的配料仪采用集成度不高 的微控制器作为c p u 如8 0 5 l ，再扩展好几块外围芯片才能完成配料仪的基本功能。 现在建筑行业对配料仪的性能提出了新的要求，而随着单片机及其外围芯片出现了不 少新产品，为满足这些新要求提供了现实的可能性。为了适应建筑行业的新发展，我 们研究和开发了一种新型的配料仪。配料仪是一种软硬件紧密结合的产品，因此在新 型配料仪的研发过程中，我们充分考虑软、硬件的有机结合。在硬件方面，我们设计 的配料仪利用集成度很高且性能稳定的美国a d 公司生产的最新芯片a d c 8 1 2 为 c p u ，以m a x i l 公司生产的m a ) 【7 2 1 9 作为显示驱动芯片。a d l i c 8 1 2 以8 0 5 2 为核心， 集成了a d 、d a 、w a t c h d o g 等功能和6 4 0 字节f l a s h 数据存贮器，兼容s p i 和1 2 c 两种串行总线通信协议。m a ) 【7 2 1 9 是遵循s p i 协议的串行通信的发光二极管专用驱动 芯片，它最多可驱动8 个数码管，工作频率可达l o m h z ，且编程简单。以上硬件选择 有利于节约成本和缩短配料仪的软件开发周期。在软件方面，我们采用了模块化的程 序设计方法，各个模块在逻辑上具有相对的独立性，这有利于程序的调试。我们设计 出来的配料仪具备抗干扰能力强、性价比高和体积小巧等显著特点。本文从硬件和软 件两个角度，分配料、显示、键盘和电源等四个模块来详细阐述这种新型配料仪的设 计过程、原理和方法。 关键词：a d u c 8 1 2 配料仪d 采样键盘扫描m a x 7 2 1 9 中南大学硕士学位论文 配料仪的研究与开发 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rw ep u tf b n a r d 坨d e s i 扣i n gm e t l l o do f an e wk i n do f b a t c b j i 唱一c o n 们l l e r 印p l i e dt ot l l ec o r l 咖l c t i o ni n d u s 仃y t h e 劬c t i o no f b a t c g c o n t r 0 1 1 e ri st om i xu pf o u r k i n d so f m a t e d a l sa c c o r d i n gt oac e r t a i t lr a t i oa n di ti sat y p i c a lp i _ 0 d u c to fm i c r o c o n n d l l e r a p p l i e dt oc o n t r o lt l i ep r o d u c t i o nc o u r s eo fm ec o n s m l c t i o ni i l d u s t r ya u t o m a t i c a l l y t h e c o m 仰c t i o n i f l d l l s 町 h a s即t l y d e v e l o p e d f o r也e s c y c a r 墨 s oi t r e q u i r c s b a t c h i n g c o n 订o l l e r st oi 1 p r o v et l l e i r 劬c t i o n s t h ee a r i yb a t c h i n 哥c o n t r o l l e r su s et h el o w i m e g r a t e di n j c r o c o l 血o l l e ra sn l e i rc p u ，f o re x a n l p l e8 0 5 1 ，a i l da d dq l l i t eaf e wp e r i p h e r a l c 王l i p st oc 砌p l e t et h eb a s i c 劬c t i o n so f b a t c h 血g t o d a y ，t h e r ea r es o m en e wr e q u i r e m e n t s f o rb a t c l l i i l g c o n 廿o l l e r si i im ec o n s t r u c t i o ni n d i l s t d ，a n di ti s p o s s i b l et om e e tm e s e r e q u i r e m e n t sb yu s i n g 出en c w e s tp r o d u c t so fb a t c h i l l g c o n t m l l e r sa r 】dp e r i p h e r a l s s ow e h a v er e s e a r c h e da 1 1 dd e v e l o p e dan e wk i n do fb a t c h i n g - c o n t r o l l e rt oa d a p tt o 出en e w d e v e l o p m c d 船b a 士c h i n g c o n 扛o n e r sa r ep f o d u c t sw l l i c hb i l l ds o f t w 盯et oh a r d w a r ec l o s e l y ， s ow ea d e q u a t e l yc o n s i d e rc l o s er e i 撕o no fs o f 咖a 1 1 dh a r d 、a r ed u r i n gt h ec o u r s eo f r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i r 蟮o nh a r d w a r e ，t 1 1 eb a t c h i n g c o n t r o l l e rd e s i g n e db yu su s e st h e c i l i pa d “c 81 2 ，w h i c hh a st l l eq u a l i t yo f h i 曲i n t e g m t e dr a t ea 1 1 dh i 曲s t a b i l i t y ，m a d eb y a m e r i c a na n “o g u ed e v i c e si n c o r p o r a t i o na sc p ua i l dt h ec h j pm a ) ( 7 2 1 9m a d eb y a m e r i c a t lm a x i mi n c a sd i s p l a y 蹦v e r t h ec h i pa 脚c 8 1 2t a l ( e s8 0 5 2a si t sc o r ea n d i n t e 孕a t e ss u c h 缸l c t i o i l sa sa da n dd ，aa 1 1 dw a t c h d o ga 1 1 d6 4 0b ”e s n a s hd a l _ am e m o r y 衄出pa i l di ti sc o m p a t i b l ew i n lt 1 1 et w os e 打“l y 硫e 血c e dp m t o c o l so fs p ia i l dr c 1 1 1 e c h i pm a x 7 2 1 9 i ss e r i a l l yi n t e i f 如e ds p e c i a l i z e dl e dd r i v e rf o l l o w i n gt h es p ip r o t o c 0 1a n di t c a l ld r i v e8d i g i tn 眦e r a lt u b e sa tm o s ta 1 1 di t sm a ) ( i m a l 如q u e n c yr e a c h e s1 0m h za 工1 di ti s s i i 印l ei np r o f 眦m i n g t kc h o i c eo f a b o v eb a r d w a r em a k e sb a t c h i n g c o n n o l l e r h a v et h e a d v a i l t a g eo fl o wc o s ta n ds h o r td e v e l o pc n l e o ns o f t 、a r ew ea d o p tt h em e t h o do f p r o 鲜l f 眦i 1 1 9i nm o d u l e sa 芏l dc v e d rm o d u l ei si n d e p e 玎d e n t 抽l o g i ca n di th e l p sd e b u g g i n g o fp r o 铲a m t h eb a t c h i n g c o n t r o l i e rh a st i l ec l l a r a c t e r i s t i c so fs 仃o n ga n t i - i n t e r l e r e n c ea n d h i g hr a t i oo f 劬c t i o na g a i n s tp r i c ea n ds m a l lv o i 啪e i nt l l i sp a p e rw ee l a b o m t et h ec o u r s e a 1 1 dp r i l l c i p i e sa n dm e t l l o d so fd e s i g n j r 培t l l en e wb a t c h i g - c o n t r o l l e r 矗d mt w oa s p e c t s i n c l u d i n gs o 胁a r ea n dh a r d 呲a n df o u rm o d u l e si n c l u d i n gb a t c h i n ga 1 1 dd i s p l a y i n ga n d k e y b o a r da n dp o w e r k e y w o r d s ：a d c 8 1 2 ，b a t 出n g - c o n 仃o l l e r ，a ds 踟p i i n g ，k e y - s c 锄i n g ，m “7 2 1 9 j j 中南大学硕士学位论文配料仪的研究与开发 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 在建筑行业中，经常要将若干种原料按一定比例混合起来，这就是配料。以前， 采用的是人工配料，即操作人员将各种原料依次在磅秤上称量，然后依次加入到搅拌 器中，最后才进行搅拌，搅拌就是充分混合的过程。因此，各种原料的重量是否符合 预先设定的比例在很大程度上取决于计量人员的技能和工作责任心。这种早期的人工 配料的做法明显存在效率低和精度不高的缺点。这些年来随着建筑行业的迅猛发展， 迫切需要在专用仪器的控制下来进行自动配料，这种专用仪器就是配料仪。配料仪可 用于各种行业，但本文是研究用于建筑行业的配料仪。 自动配料以配料仪为控制核心，每一种原料设有单独的贮料仓，每一贮料仓的下 面都有一个适当大小的阀门，这样的阀门可以打开或闭合。所有原料的贮料仓的阀门 都对着计量斗，所有原料通过其所在的贮料仓的阀门按一定速率依次流入计量斗。计 量斗上有相应传感器电路将重量转换成电压信号，再经过一系列处理传送至配料仪的 a d 输入端。配料仪可根据输入的电压信号来控制各种原料贮料仓的阀门的打开和闭 合来精确地控制各原料的比例。自动配料的过程如下：先设定每种原料的重量和落差 ( 一般单位为千克) 。然后调零，即配料前要使显示重量为零，排除计量斗自重和上一 轮配料残留原料的重量影响。第一种原料逐渐加到计量斗上，计量斗上的传感器将重 量转换成电信号，然后这种电信号经过一系列处理后，送到a d “c 81 2 的a d 输入端 口，得到的采样数据经过运算后得到需要显示的重量值。当这个重量值= 原料l 设定 重量值原料1 设定落差时，则关闭原料l 的贮料仓阀门，让落差部分全部落下。延 时一段时间，判断落差部分是否落完，判断条件是从a ，d 输入端口检测到的值几乎没 有变化。此时检测到的重量值减去关闭原料1 阀门时的重量所得到原料1 的实际落差 并自动实时修正原料1 的落差。此时计量斗里已经装载了原料l ，接着按照配第1 种 原料的方法配第2 种原料，直至配完所有原料。将计量斗中已配好的所有原料送至搅 拌机进行搅拌。在新的一次配料前，再次调零。整个过程都是在配料仪的控制下自动 完成的。而操作员仅需要在配料前设置好配方的各种原料的重量，然后启动配料，坐 在旁边监视配料是否正常。如果出现故障则可暂停配料，排除故障后再继续配料。因 此，可以看出在自动配料过程中，需要人直接参与的只有初始参数设置和初次调零， 而且配料仪可以自动调零和获得真实落差。 而配料仪本身是随着建筑行业的发展而不断发展的。早期的配料仪采用集成度不 高的c p u 为核心芯片，如8 0 5 1 ，再扩展好几块外围芯片才能完成配料仪的基本功能。 现在建筑行业对配料仪提出了新的要求，那就是抗干扰能力更强、性价比能更高和体 积更小。而随着8 0 5 1 系列出现了不少新产品，为满足这些新要求提供了现实的可能 中南大学硕士学位论文 配料仪的研究与开发 性。为了适应建筑行业的新发展，我们研究和开发了一种新型的配料仪。这种新型配 料仪利用集成度很高且性能稳定的美国a d 公司生产的最新芯片a d “c 8 1 2 为c p u ， 以m a x i i n 公司生产的m a ) 【7 2 1 9 作为显示驱动芯片。a d c 8 1 2 以8 0 5 2 为核心，集成 了a ，d 、d ，a 、w 诎d o g 等功能和6 4 0 字节f l 鹊h 数据存贮器，兼容s p i 和1 2 c 两种 串行总线通信协议。m a ) ( 7 2 1 9 是遵循s p i 协议的串行通信的发光二极管专用驱动芯片， 它最多可驱动8 个数码管，工作频率可达1 0 z ，且编程简单。以上硬件选择有利于 节约成本和缩短配料仪的软件开发周期。在软件方面，我们采用了模块化的程序设计 方法，各个模块在逻辑上具有相对的独立性，这有利于程序的调试。我们设计出来的 配料仪具备抗干扰能力强、性价比高和体积小巧等显著特点。本文从硬件和软件两个 角度，分配料、显示、键盘和电源等四个模块来详细阐述这种新型配料仪的设计过程、 原理和方法。 1 2 课题的研究内容与方法 我们研究开发的配料仪是一种单片机技术应用于建筑行业的生产自动控制的典 型产品。现在单片机有关理论己十分完善，单片机应用于自动控制的技术也十分成熟， 而应工业控制的实际需要，不断出现新的单片机产品以及相关的外围器件，因此单片 机方面的研究主要是选择性能更符合现实迫切需求的新产品。 这一课题的主要研究内容有：( 1 ) 单片机应用产品研究与开发的般方法。( 2 ) 以 兼容8 0 5 1 系列单片机为核心，通过山d 转换器采集模拟信号的方法。( 3 ) 根据用户按 键信息和事先设置好的配置信息，对转换后的数字信号进行一系列处理的方法。( 4 ) 提 示信息送l e d 显示，控制信号经d a 转换后对具体配料进行过程控制的方法。( 5 ) 设 计配料仪的电源。( 6 ) 提高配料仪的抗干扰的能力和增加其工作可靠性的措施。 本课题研究采用理论和实验相结合的方法。先从理论上研究研制超小型的配料仪 现实可能性，即先了解市场上已有的配料仪产品现状，它们的缺陷和不足。再了解市 场上的单片机及其外围扩展芯片的新产品。在充分考虑体积、性能、性价比和工作稳 定性之后，我们选定了美国模拟器件公司的最新的完全兼容m c s 8 0 5 l 的产品 a d u c 8 1 2 。在选定核心芯片以后，着手了解和熟悉该芯片的硬件及配套开发板及其开 发软件。同时熟悉电路设计的相关知识和电路设计的相关软件如p r o t e i 。下面则进入 实验阶段，设计出配料仪的电路图，当然电路图总在不断的改进中。然后一个模块一 个模块地开发相应软件，软件也需要不断反复调试。在所有模块开发以后还要统一起 来联调。最后还要设计出印制板电路图，去制造初步成型产品。而初步成型产品还要 不断改进和调试，才能投入生产。即使在产品卖出以后，还要根据客户的反馈信息， 不断地完善和改进。 预期效果是能满足用户需求，稳定、可靠地完成配料过程的自动控制。 中南大学硕士学位论文 配科仪的研究与开发 第2 章配料仪的整体设计思想 单片机产品的研究与开发离不开相关理论的指导，以前的工程技术人员在他们丰 富的实际产品开发过程中已经摸索出了一整套研究与开发单片机应用系统的行之有效 的方法，了解并应用这些方法可以达到事半功倍的效果。因此，开发配料仪也必需首 先了解这方面的理论。学习这些前人的经验方法。 2 1 单片机在工业控制中的重要地位 自从计算机问世以来，单片机应用于工业生产自动控制的客观需要就逐渐转化成 一种现实。单片机自出现以来就和工业控制紧密联系起来，现在单片机已广泛地应用 于工业生产的自动控制中。单片机之所以在工业控制中具有重要地位，是因为它具备 以下特点： ( 1 ) 单片机把微型机的最基本的功能部件制作在一个硅片内，这样具有功能强、 结构紧凑、系统可靠等特点。 ( 2 ) 单片机在设计时就面向控制性应用 领域，把工业控制中很可能用到的外围电路 也尽可能集成到芯片内。 ( 3 ) 逐渐建立了全世界i t 行业都认可的 总线通信协议，而且有相应的接口电路，以 便单片机应用在某些特殊控制领域时，从软 件和硬件上保证其进行必要的功能扩展。 ( 4 ) 用于单片机开发的语言已经日趋成 熟，越来越方便，而且不断完善。现在主要 有汇编语言、p l m 5 1 、单片机c 语言等。这 些软件的运行平台也从过去的d o s 过渡到 w i n d o w s 操作系统。 ( 5 ) 出现了各种各样的仿真器及依赖其 本身的仿真软件，可以仿真各种各样的8 0 5 1 系列单片机，其方便实用性可以大大缩短开 发周期。因此，单片机在工业控制中有着很 难取代的重要地位。 c 开始 ) i 确定任务、系统功能 和任务指标 i 选择机墅，划分l 软硬件功能 l 设计硬件 设计软件梗块结构 逻辑框图 土上 选择是件， 画出程序流程固 设计电路国 上、l i 一样机l 躺 程序 、 上 通过仿真器 调l 试软硬件 丽渺 犷 ( 结束 ) 匡臣一l 单片机应用系统的一般研制过程 中南大学硕士学位论文配料仪的研究与开发 2 2 单片机应用系统的一般研制方法 由于单片机应用系统多种多样，技术要求各不相同，因此设计方法和研制步骤不 完全相同。本节针对类似于配料仪的产品，讨论单片机应用系统的结构和一般研制方 法。单片机应用系统研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、在线调试、产品 化等几个阶段，这几个阶段不是绝对分开的，往往是交叉进行的。单片机应用系统的 一般研制过程如图2 1 所示1 2 j 。 2 2 1 总体设计 l 确定功能技术指标 如同任何新产品的设计一样，单片机应用系统的研制是从确定目标任务开始的。 不管是老产品的改造还是新产品的设计，应对产品的可靠性、通用性、可维护性、先 进性以及成本等进行综合的考虑，参考国内外同类产品的有关资料，使确定的技术指 标合理而且符合有关标准。并且，在研制的过程中还需要作适当的调整【4 】。 2 机型选择【2 ，5 】 选择机型的出发点有以下几个方面： ( 1 ) 系统设计者只能在市场上提供的单片机中选择，应该选择有稳定、充足货源的机 型。 ( 2 ) 单片机性能 选择最容易实现产品技术指标的机型，而且能达到较高的性价比。单片机性能包 括片内的资源、扩展能力、速度、可靠性等几个方面。 ( 3 1 研制周期 加快研制周期的方法是选择熟悉的机型和选用性能优良的开发工具。 3 器件选择 除了单片机以外，系统可能还需要扩展其它元件和芯片，如传感器、模拟电路、 电源器件、输入输出电路、存贮器、键盘以及显示器等。这些器件的选择应符合系统 的精度、速度和可靠性等方面的要求。在总体设计阶段，应对市场的供货情况有各大 致的了解，对器件的选择提出具体规定1 2 ，6 ，”。 4 硬件和软件的功能划分 系统的硬件和软件的设计是紧密联系在一起的，而且，硬件和软件具有一定的互 换性。有些硬件电路的功能可用软件来实现，反之亦然。多用硬件完成一些功能，可 以提高工作速度，减少软件开发的工作量，但会增加成本。若用软件代替某些硬件的 功能，可以节省硬件的开支，但增加了软件的复杂性和研制周期。因此，在总体设计 时，应权衡利弊，仔细划分硬件和软件的功斛8 1 。 中南大学硕士学位论文配料仪的研究与开发 2 2 2 硬件设计 硬件设计的任务是根据总体设计要求，在所选择的机型的基础上，具体选取系统 中所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图，必要时做一些元器件实验，以验证 电路图的正确性，以及工艺结构的设计加工、印制版的制作、样机的组装。 2 2 3 软件设计 单片机应用系统软件( 监控程序) 的设计，是系统设计最基本的工作量较大的任务。 1 软件研制过程 单片机应用系统的软件设计和一般在微机上设计一个应用软件有所不同，后者是 在操作系统和开发软件支持下的纯软件设计，而且有许多现成的函数、控件可供调用。 而单片机的软件设计与硬件密切相关，对每个芯片的编程一般都需自己设计8 1 。 2 问题定义 问题定义阶段是要明确软件所要完成的任务，确定输输出的形式，对输入的数 据进行哪些处理，以及如何处理可能发生的错误。软件所要完成的任务已在总体设计 时规定好，现在要结合硬件结构，进一步弄清软件所承担的每一个任务细节，确定具 体实施的方法o ，1 1 】。 图2 2 单片机软件研制过程 5 中南大学硕士学位论文配科仪的研究与开发 3 数据结构和软件结构设计 应用系统总是要完成一定的任务，上步的问题定义要落实到具体的数据结构， 然后设计出针对数据结构提供相应的算法，编制实现这些算法的函数和过程。 对于一般的单片机应用系统，通常采用顺序设计方法，系统软件由主程序和若干 个子程序及中断服务程序组成。单片机软件研制过程见图2 2 。 4 程序设计技术1 2 l l 】 单片机应用系统软件开发，常常要用到一些程序设计技巧。 ( 1 ) 模块化程序设计方法 模块化程序设计方法是单片机应用中常用的一种程序设计技术，把一个功能完整 的较长的程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块，各个程序模块分别进行 设计、编制程序和调试，最后把调试好的程序模块联成一个大的程序。 ( 2 ) 自顶向下的程序设计方法 自顶向下的程序设计，先从主程序开始设计，从属的中断程序和子程序用符号来 代替。主程序编好后再编制各从属的中断程序和子程序，最后完成整个系统软件的设 计。调试也是按这个次序进行的。 ( 3 ) 自下向上的程序设计方法 先了解和熟悉系统中用到的各个芯片的编程方法，并编好设置和使用各个芯片的 子程序模块，然后再编写主程序，而主程序往往是由调用各个子模块的子程序米完成 整个系统的功能。 2 2 4 可靠性设计 随着单片机的应用深入到各个领域，对单片机应用系统的可靠性提出了越来越高 的要求。特别是对于工业控制、交通管理和通信等领域中的实时控制系统，最重要最 基本的技术指标是系统的可靠性。 单片机应用系统的可靠性是指在规定的条件下，在规定的时间内完成规定功能的 能力。规定的条件包括环境条件，如温度、湿度、振动、电磁干扰和供电条件等。规 定的时间是可靠性最重要的特征，以数学形式表示的基本参数，如可靠度、失效率、 平均无故障时间等均与时间有关。所规定的功能随单片机应用系统的不同而不同。 提高可靠性的常用措旌有： ( 1 ) 选用质量好、可靠性高的元器件。 ( 2 ) 在软件上采用容错技术。 ( 3 ) 科学的设计印制板电路，提高抗干扰能力。 ( 4 ) 利用看门狗定时器中断避免程序死循环【3 8 3 9 ，4 们。 中南人学删j | ：学位论文 自d 料仪的研究t j 开发 2 3 核心c p u 的选择 根据单片机应用系统的般研制方法，首先必须选择机型，即选择核心c p u 。 2 3 1 建筑行业的现状和对配料仪的新要求 在建筑工地上，人们经常见到将水泥、沙子、卵石和水等原料按一定比例混合起 来，这就是配料。以前，通常采用的是人工配利，即计量人员利用磅秤依次称帚各种 原料，然后再加到搅拌器中去搅拌，生产出来的混泥土可构筑高楼大厦。冈此箨种原 料的重量是否符合预先设定的比例在很大程度上取决于计量人员的技能和工作责任 心。而且人总是有惰性的，如果总是周而复始地重复一件同样的工作，即使是很有责 任心的工作人员也会变得不那么负责。如果水泥、沙子和卵石的比例不符合要求，那 么生产出来的混泥土的各项性能指标很难达到国家有关标准。在这种背景下，酉己料仪 诞生了。配料仪的作用就是用于控制整个配料过程。配料仪可用于各种行业，但本文 是研究用于建筑行业的配制仪。 1 至4 种科的贮料仓 日曰曰 闭 围2 3 目a 制使应用时的结构图 这些年，人们在城市中到处都可见到高楼大夏的兴建，建筑行业在迅猛发展，凶 而势必对配料也有更高的要求，迫切需要通过专用仪器来进行自动配料。自动配料以 配料仪为控制核心，每一种原料设有单独的贮料仓，每贮料仓的下血都有一个适当 人小的阀门，这样的阀门可以通过继电器来控制其打丌或闭合。所有原料的贮料仓的 阀门都对着计量斗。也就是所有原料可以通过其所在的贮料仓的阀门按一定速率依次 流入计量斗。汁量斗上有相应传感器电路将重量转换成电平信号，再经过系列处理 中南大学硕士学位论文配料仪的研究与开发 传送至配料仪的a d 输入端。配料仪可根据输入的电信号来控制各种原料的贮料仓的 阀门的打开和闭合来精确地控制各原料的比例。当所有的原料都已流入计量斗后，配 料仪会打开计量斗上的开关将所有原料送至计量斗下面的搅拌器，开始进行搅拌。搅 拌完毕后，将成品再传送至成品斗。整个过程都是在配料仪的控制下自动完成的。而 工作人员仅需要在配料前设置好配方的各种原料的重量。然后启动配料，坐在旁边监 视配料是否正常。如果出现故障则可暂停配料，排除故障后再继续配料。 而配料仪本身随着建筑行业的发展而不断发展的。早期的配料仪采用集成度不高 的c p u 为核心芯片，再扩展好几块外围芯片才能完成配料仪的基本功能。现在建筑行 业对配料仪提出了新的要求，那就是功能要求更加完善、性能更稳定和体积更小。而 随着8 0 5 l 系列也出现了不少新产品，为满足这些新要求提供了现实的可能性。我们利 用集成度很高且性能稳定的美国模拟器件公司的与8 0 5 l 完全兼容的最新芯片 a d p c 8 1 2 为核心c p u 。配料仪应用时的结构图见图2 3 ，配料仪的硬件逻辑结构见图 2 - 4 。其中，l e d 0 和l e d l 用于显示配方号，l e d 2 一l e d 5 用于显示设置的重量或落差， l e d 6 蚴用于显示配料时的实时重量，并且用于显示重量千位的l 壬2 和l e d 6 仅 需显示1 ，因而可将u d 2 和l e d 6 的段选b 和c 接十5 v ，其余段选接地。 中南大学硕士学位论文配料仪的研究与开发 2 3 2 选择a d p c 8 1 2 的依据 选择美国模拟器件公司生产的单片机a d u c 8 1 2 ，是因为它具备以下特点1 4 ，4 3 l ： 1 模拟i o ( 1 ) 8 路1 2 位5 s 高精确度的a d c 采集系统。 ( 2 ) 片内4 0 p p i 0 c 电压基准。 ( 3 ) 高达2 0 0 k s p s 的转换速度。 ( 4 ) 通过d m a 控制器实现将a d c 数据高速传送至r a m 。 ( 5 ) 两路1 2 位的d a 电压输出。 ( 6 ) 片内具备温度传感器。 2 存贮器 ( 1 ) 片内8 k f l a s h 程序存贮器。 ( 2 ) 片内6 4 0 字节f l a s h 数据存贮器。 ( 3 ) 片内泵电源。 ( 4 ) 2 5 6 字节片内r a m 。 ( 5 ) 外部数据地址空间可扩展至1 6 m 。p 0 口作为低8 位地址，p 2 口复用作为高 1 6 位地址。 ( 6 ) 外部程序地址空问可扩展至6 4 k 。p o 和p 2 口作为1 6 位地址。 3 与8 0 5 1 完全兼容的核心 ( 1 ) 1 2 z 的正常工作频率( 最大为1 6 m h z ) 。 ( 2 ) 3 个1 6 位的定时器，计数器。 ( 3 ) 3 2 根可编程的i 0 线。 ( 4 ) p o n 3 具备大电流驱动能力。 ( 5 ) 9 个中断源，2 个优先级。 4 电源 ( 1 ) 可工作在- 4 0 。c 至+ 8 5 。c 的工业级范围，有3 v 和5 v 两种工作电源方式，以 便降低功耗。 ( 2 ) 正常、空闲和掉电模式。 5 片内外设 ( 1 ) 兼容1 2 c 、s p i 和u a r t 串行i o 模块。 ( 2 ) 看门狗定时器。 ( 3 ) 电源监测器。 中南大学硕士学位论文配料仪的研究与开发 雕酬埘 * 一尹1 丑 v r 群 f 时口- p 蚪h 血h p l jp 拍p 哪- 霸j 图2 5 d 峨1 2 的功能桓块图 船 引恬b 斟 矬护t 斟 t 越i n m 嘶柙埘 蕊百船j i 辊茫k 瓦 a d “c 8 1 2 的功能模块图见2 5 【1 2 ，”部】。因为a d “c 8 1 2 具备片内看门狗定时器、片 内6 4 0 字节f l a s h 数据存贮器，因而可以省去相应的外围扩展芯片。a d “c 8 1 2 是以8 0 5 1 为核心，因此性能稳定可靠，并且程序开发也为大多数开发者所熟悉，可以缩短软件 开发周期。a d n c 8 1 2 支持s p i 和1 2 c 总线协议，这将降低软件开发的复杂性。s p i 是 同步串行通信接口，它采用三根线( c l k 、d 0 和d i ) 来传输同步时钟和数据。而1 2 c 采用两线制( s c l 和s d a ) ，当s c l 为高时，s d a 有个由高电平到低电平的跳变时， 表示次数据传输的开始，s d a 有一个由低电平到高电平的跳变时，表示一次数据传 输的结束。a dl l c 8 1 2 是由著名的美国模拟器件公司生产，其售后服务和技术支持有充 分保障。a d u c 8 1 2 片内除集成了各具特色的硬件模块外，还固化了方便实用的监控调 试软件，使其只需少量的外围器件即可实现联机调试，从而大大方便了用户的使用， 缩短了产品的研制周期。在上电复位的瞬间，使e a 高电平，p s e n 引脚可以接一下 拉电阻，即可使a d “c 8 1 2 监控调试支援方式。在此方式下，通过基于p c 的q u i c ks t a n 开发工具包，即可下载用户程序。该调试软件支持单步、断点和连续运行等工作方式， 可方便地观察m c u 的运行结果，包括内部融w 、s f r 、程序f l a s h 和数据f l a s h 等单 元的内容。o u i c ks t a r t 可实时联机调试用户程序或下载程序。该软件可直接将用户程 序编程到a d u c 8 1 2 芯片中的程序f l a s h 存贮器中，免除了需用编程器和封装适配器的 麻烦，真正实现了在系统可编程。q u i c ks t a n 开发工具包可从w w w a i l a l o g c o 州 m i c r o c o n v e r t e r q u i c k s t a n h 衄l 下载得到l 蚋j 。 所以，我们选择了a d u c 8 1 2 作为配料仪的核心c p u 。 中南大学硕士学位论文配料仪的研究与开发 2 4 采样及模数转换模块 2 4 1 采样及模数转换的基本原理 在单片机的应用中，经常要处理一些连续变化的物理量，例如电压、电流、温度、 压力等，这些连续变化的物理量通常称为模拟量。计算机只能对数字量( 如二进制数) 进行各种运算，对于模拟量必须先转换成数字量以后才能送给c p u 处理，这种将模拟 量转换成数字量的器件称之为模数转换器，也称为a d 转换器，简称a d 。早期单片 机内部都没有a d 转换器，应用中如需要刖d 则必须外接，这类应用系统成本高，软 硬件研制的工作量大【l5 ”】。 目前，很多新型的单片机内部有a d 模块。采集原始模拟信号并经过调零、仿真 输入、斜率调整和限幅等电路后再送至d 转换电路变成数字信号才送至c p u 处理。 1 传感器和采样 信号分为模拟信号和数字信号。模拟信号是连续变化的信号。这是指在任意时问 该信号的幅值都有定义。在实际系统中，有大量的系统参数都是连续变化的量，最常 见的有温度、压力、流量、浓度、速度、亮度等。而这些参数要用电子技术来测量处 理，那就要先用相应的传感器把这个非电量参数转换成电量参数( 通常为电压信号) 。 数字信号是指时间上不连续的信号，这种信号只在某些时间点上其幅值才有定义。常 见的有等时间间隔的频率量、一般的计数脉冲序列等。 与信号的分类相适应，传感器也有相应的模拟传感器和数字传感器。模拟传感器 是指以模拟量的形式输出的传感器，目前所见到的传感器大部分都属于模拟传感器。 输出量一般为模拟电压或模拟电流。配料仪需要用拉压传感器采样压力信号，这个信 号往往是电压信号。 2 模数转换 因为计算机只能直接对数字信号进行处理，因此，前面采样的重量模拟信号必须 经过模数转换。模数转换的过程实际上是对模拟量不断量化的过程。在模拟量变为数 字量的过程中，首先要对模拟量进行采样。采样是将一个连续时间函数坟t ) 变成f ( t ) 。 理想采样是抽取模拟信号的瞬间函数值。采样信号还不能直接送入计算机，必须经量 化而成数字量，即转化成由o 和1 组成的序列。实际上，模数转换的过程需要一定的 时间t ，t 称为转换时间。为了转换精确，在转换时间t 内，应保持在采样时刻采到 的函数值不变，因此，采样后还要用保持器使采样信号不变。这需要用采样保持电路 来实现。也就是说，模数转换的过程就是对模拟信号进行采样、保持和量化的过程【l “。 2 4 2 采样、模数转换及配料模块的设计思想 1 采样模块 中南大学硕士学位论文配料仪的研究与开发 采样模块基本上是硬件电路的设计，采样电路是获得待处理的原始数据的唯一途 径，其它模块的所有功能的实现都依赖于原始数据，因此采样电路是配料仪的关键部 分，采样电路的设计原则就是要准确、实时地取得原始信号的细微变化，同时又要排 除外界的干扰信号。配料时，往往是各种原料依次加入到一个计量斗，由于我们需要 检测重量，因此计量斗下面要放置一个拉压传感器，拉压传感器可以将重量信号转化 成初次电信号。采样电路就是对拉压传感器传来的初次电信号进行零点校正、小信号 放大、滤波和限幅等处理后能满足a d 斗c 8 1 2 所要求的a 仍输入的标准电平信号。在 排除干扰方面，采取一般电容滤波外，还可采用有源滤波，还可利用电压跟随器实现 前、后级的隔离。为了反映原始信号的细微变化，我们应选用失调电压漂移很小的运 算放大器作为采样电路的核心器件。此外，我们还要充分利用a d u c 8 1 2 的两路d a 转换功能d a c o 和d a c l ，不妨利用d a c o 来实现调零功能，利用d a c l 来实现仿真功 能，即在没有进行配料时，也就是拉压传感器没有变化信号传来时，来模拟实际配料 过程，用d a c l 来模仿拉压传感器传来的信号，这样在没配料的情况下也能调试配料 仪的大部分软硬件功能，给开发带来极大的方便。而在配料现场，也可先启动配料仪 的仿真程序来测试配料仪的大部分功能是否正常。 2 模数转换 模数转换模块基本上是软件的设计，其关键在设置a d u c 8 1 2 的基准电压v r e f ， 因为a d u c 8 1 2 的a 仍有效输入范围和d a 有效输出范围在0 v v r e f 之间。v r e f 一般 可设置在2 3 v 至5 v 之间，为了计算方便，可设置成4 0 9 5 v 。我们采用精密可调稳压 电源元件t l 4 3 1 作为v r e f 的输入电压，t l 4 3 1 电路见图2 6 。在图中，t l 4 3 1 是核心， 通过调节w 1 可改变v r e f 的电压值。其中c 1 、c 2 和c 3 起平滑滤波作用。a d “c 8 1 2 的a d 比较精密，是1 2 位的，因此要用两各字节保存转换结果，最大值为4 0 9 5 ，如 果基准电压设为4 0 9 5 v ，则输入的模拟电压每变化了0 0 0 1 v ，转换结果就会增减1 个单位，基准电压的设置主要考虑计算方便，因为a 仍的精度一般是完全能满足要求 的。 3 配料 圉2 6t m 3 1 电路 中南大学硕士学位论文配科仪的研究与开发 配料和模数转换的关系是十分密切，配料控制就是依据模数转换的结果来控制正 在配置的原料的贮料斗的出料阀门的开启和关闭。其关键是处理落差，即提前关闭出 料阀门和获得实际落差并按一定算法修正落差，细节见后面的具体设计。 2 5 显示模块 单片机的显示分为两种：发光二极管显示器和液晶显示器。 2 5 1l e d 显示器的原理及其特点 l e d 显示器主要是指由发光二极管组成的数码管显示器或l e d 点阵显示模块。 l e d 数码管是由8 个发光二极管组成，可用来显示o 一9 的数字，a 、b 、c 、d 、e 、f 、 g 、p 等字符以及小数点“”。根据公共端的接法不同，l e d 数码管分为共阴极和共 阳极二种类型。在使用时，可通过选通不同段上的二极管，来显示出对应的数字或字 符 3 】。 根据显示方式不同，l e d 显示分为静态显示和动态显示两种方式。 1l e d 静态显示方式 静态显示方式是指在工作过程中，加在每一个l e d 显示器上的信号始终同时存 在，各显示模块相互独立，而且各位的显示字符一旦确定，加在每一块显示器上的信 号维持不变，直到显示另一个字符为止，如图2 7 所示。图2 7 是一个四位静态l e d 显示器电路，从图中可知，对每一位l e d 显示器。都必须有与之对应的锁存器以保证 一次显示过程中加在l e d 数码管上的信号保持不变。因此，采用静态显示方式，需占 用较多的硬件资源，但它显示亮度高，编程简单口j 。 国2 7 四盥静态u d 显示器电路 2l e d 动态显示方式 由于采用静态显示方式时，显示系统需占用较多的硬件资源，因此，在显示位数 较多的情况下，往往采用动态显示方式，如图2 - 8 。在动态显示方式中每个l e d 数码 管对应一根位选线，但都共用一个段码锁存器。当c p u 要将字符送显示时，是将段码 中南大学硕士学位论文配料仪的研究与开发 送到锁存器上，选通对应位的位选线，则将该显示块点亮，显示出待选字符：当要在 另一位显示另一字符时，c p u 将新的段码送到锁存器，选统对应的位选线，又可显示 另一字符。这样，c p u 分时选通和显示各位l e d 数码管，利用人眼的视觉暂留现象， 在总体的视觉效果上，各位l e d 数码管同时点亮，当然，其亮度比静态显示低。l e d 显示器的位数越多，在动态显示时亮度越低，同时需要c p u 用于刷新的频率越高。因 此，动态显示的实质是以牺牲c p u 时间换取系统的低功耗和节省了系统资源，但使显 示亮度降低【6 】。 围2 - 8 四位动巷l z 喔示器电路 2 s 2l c d 显示器 现在，计算器、快译通、b p 机和移动电话等许多电子产品上都用液晶显示器( l i q u i d c r y s t a ld i s p l a y ) 。液晶是一种有机化合物，又称为液态晶体，它具有液体的流动性和 晶体的某些光学特性。液晶显示器本身不发光，而只是调制环境光，越是亮的地方显 示越清晰，黑暗中不能显示，它具有体积小、功耗低等特点。液晶显示器驱动电路比 较复杂，在具有液晶显示器的单片机应用系统中一般外接专用集成电路。随着单片机 集成度的提高，目前已有不少单片机产品内部有液晶显示驱动器模块【l 。 2 5 3 显示模块的设计思想 显示模块是人机对话很重要的一部分，我们的设计原则是既要用户觉得看起来清 晰明了，又要硬件相对简单，不要过于复杂，这样有利于减小配料仪的体积，提高可 靠性。因此，我们选择m a ) ( i m 公司的新产品m a x 7 2 1 9 作为显示模块的核心。m a x 7 2 1 9 是动态扫描方式，动态扫描方式的缺点是其驱动的数码管亮度不及静态扫描方式，但 我们可以选择高亮度数码管l e d 来作为显示输出设备来弥补这个缺陷。由于一片 m a x 7 2 1 9 仅能驱动8 位7 段数码管，而配料仪的显示数码管共有1 0 个，剩下的两位 数码管仅需显示l ，无显示时认为是o ，因而我们完全可以利用a d l l c 8 1 2 的i ，o 口线 来驱动这两位数码管，并且把这两位数码管的b 、c 段接高电平，其余段接地。这样 中南大学硕士学位论文酣料仪的研究jf 发 可节省一片m a x 7 2 1 9 ，既可节约成本，又可提高可靠性。在选择高亮度7 段数码管 时，我们选择1 个2 位一体的数码管l e d 和2 个4 位一体的数码管l e d ，这样可大 大减少l e d 的引脚数，降低了印制版线路的复杂度，又可提高可靠性。由于仅设置了 1 0 个数码管，而键盘操作又相对比较复杂，对于不太熟悉单片机产品的操作人员来说 可能不易掌握操作要领，所以我们又设置了几个由a d “c 8 1 2 的i 0 口线来驱动的发 光二极管来指示相