毕业设计（论文）马铃薯分级机电控制系统设计

1、马铃薯分级机电控制系统设计 陈文杰本科毕业论文题 目 马铃薯分级机电控制系统设计 学 院 工 学 院 专 业 农业电气化及自动化 毕业届别 二 一 一届 姓 名 指导老师 职 称 教 授 甘肃农业大学教务处制 二 o 一 一 年 五 月马铃薯分级单片机控制系统设计摘要：甘肃地处西北内陆，气候干旱少雨，农业生产受气候环境因素的影响较大，制约着农业生产的持续稳定发展和农民收入的快速增加。但是，甘肃干旱半干旱农业区的马铃薯生产条件相对较好，是我国马铃薯的优良生产基地，尤其是马铃薯品质和加工产量在全国已有相当的知名度。依据国家马铃薯分级标准，本设计以at89c51单片机为核心，设计了信号调理电路、a/

2、d转换电路、信号输出电路和键盘/显示单元等单片机分级控制系统。工作时，系统通过选择fj21型压敏式压力传感器采集马铃薯种薯重量产生的电压信号，将该模拟信号经型号为lm324的放大器放大、一阶低通滤波电路滤波后，送入ad1674作为a/d转换单元的a/d转换器，转换后的数字信号进入at89c51单片机；设计了分级系统的运算处理软件，分选得出马铃薯种薯等级，向分选开关发出控制信号，实现了对马铃薯的动态称重和实时分选控制。关键字：马铃薯分级，单片机 ，电子称重 abstract:：little rain designing that gansu province keeping a foothold

3、 is located in northwest inland , the climate is arid originally, that the agriculture produces the effect accepting the climate environmental factor is more speedy than big , being restricting continuing for that the agriculture produces to stabilize development and the peasants income increase by.

4、 arid partly arid gansu province agricultural region potato turn out condition is relatively fairly good but, is that good character of our country potato produces a base, especially potato quality and treating output already have notability suitable in the whole nation. be the monolithic machine sy

5、stems turn to take at89c51 monolithic machine as core , match it with signal several parts such as output circuit and keyboard/ display element nursing circuit , a/d change-over circuit , signal health. and voltage analog signal that system produces by the fact that pressure-sensitive dyadic pressur

6、e sensor collects fruit weight when working,the digital signal changing the queen enters the at89c51 monolithic machine , handle the queen by that system software carries out an arithmetic , reach the subordinate fruit size classification grade with owing signal amplification , the wave filtering qu

7、een , sending in the a/d converter, development weighing and real time size classification sending out amounts switch signals , coming true to fruit to size classification switch control.keyword: microcomputer，potato sorting，electronic weighing 目 录题 目 马铃薯分级机电控制系统设计0第一章 绪 论41.1马铃薯种薯分级的目的及意义41.2本课题主要研

8、究内容51.3 马铃薯的分级标准5第二章 系统方案设计62.1 选择分级方案62.2马玲薯分级机的工作过程和与原理7第三章 单片机测试系统的硬件设计83.1马铃薯分级机的组成部分83.1.1机电控制系统：83.1.2称重单元93.1.3.测试系统的选择1132测控系统的外围电路143.3信号调节电路设计143.3.1 放大电路的设计143.3.2 滤波电路的设计153.4模数转换163.4.1a/d转换器的选择163.4.2 模数转换的实现173.4.3 ad1674接口电路的设计193.5继电器驱动电路的选择203.6信号输出电路223.6.1信号输出通道结构223.6.2信号输出电路设计2

9、33.7人机对话单元243.8提高测控系统测量精度的硬件设计措施25第四章 单片机测试系统的软件设计274.1 软件总体结构设计274.2 各个子程序的设计284.2.1数据处理子程序284.2.2 定时中断服务子程序294.2.3控制执行子程序304.3 马铃薯分级机电控制系统的主程序324.4马铃薯具体实现分级的程序32第五章 结论与展望385.1马铃薯分级机电控制系统的结论与展望38参考文献39致 谢41 第一章 绪 论1.1马铃薯种薯分级的目的及意义马铃薯又名土豆、山药蛋、地蛋、洋芋、荷兰薯、爪哇薯等，茄科茄属，块茎可供食用，块茎呈圆、卵圆或长圆形。薯皮的颜色为白、黄、粉红、红或紫色；

10、薯肉为白、淡黄或黄色，是一种营养丰富、粮菜兼具的大宗农产品，具有产量高、用途广和经济价值高的优点。联合国宣布2008年为“国际土豆年”，并把马铃薯称为“隐藏的珍宝”。马铃薯块茎中含有丰富的淀粉和对人体极为重要的营养物质，如蛋白质、糖类、矿物质、盐和多种维生素等。除脂肪含量较少外，其他物质的含量均高于小麦、水稻和玉米，是一种全营养型植物，素有“能源植物”、“地下苹果”、“第二面包”等多种美喻，营养学家甚至称其为“十全十美的食物”。美国农业部研究中心的研究报告指出：“作为食品，牛奶和马铃薯两样便可提供人体所需要的营养价值”。马铃薯不仅营养价值高，而且还有较为广泛的药用价值，有和中养胃、健脾利湿、降

11、糖降脂、美容养颜、宽肠通便等作用。 分级是提高商品质量和实现产品商品化的重要手段，并便于产品的包装和运输。产品收获后将大小不一、感染病毒或受到机械损伤的产品按照不同销售市场所要求的分级标准进行大小或品质分级。产品经过分级后，商品质量大大提高，减少了贮运过程中的损失，并便于包装、运输及市场的规范化管理。目前，在我国马铃薯分级中仍然采用的是旧式纯机械分级方式，甚至在有些地方马铃薯分级基本上仍由人工完成。人工分级的缺点主要有：劳动量大，生产率低，分级标准难以实现，分级精度不稳定。因为在马铃薯种薯分级标准中，着色面积和缺陷面积的度量，仅凭人的视觉难以精确区分，而且使人长时间用眼，会造成疲劳及情绪的不稳

12、定，从而造成分级误差的波动。纯机械方式不但效率不高，而且在分级过程中对马铃薯造成擦伤与损坏，不利于马铃薯的储存、销售与深加工。鉴于人工分级和纯机械分级的种种不利，我们借鉴果品生产中的称重式分级。机械式称量分选对马铃薯的损伤较小，而且具有较广的通用性，但是，存在较多影响分选精度的因素，包括有:(1)秤组件之间的重量误差:(2)秤组件之间的尺寸误差;(3)转轴摩擦对称量误差的影响等。为提高分选精度，国内外开始研制电子称重式分选机。对马铃薯的分选有很好的作用。1.2本课题主要研究内容电子称重式分选机一般采用压力传感器称量马铃薯，单片机系统对传感器输出信号进行采样、放大、滤波、模数转换、运算和处理，并

13、控制机械执行机构进行分选。具有更高精度和更高的控制灵活度，在实际中有更广的应用前景。1.3 马铃薯的分级标准通过对定西马铃薯生产加工厂家以及当地农民的调查，国家马铃薯分级标准如下：表1-1 马铃薯的分级标准等级标准用途一级质量大于300g，大小均匀，表面损伤不严重适合切片，切条等深加工二级质量介于150g300g，表面无 损伤重适合直接出售三级质量小于150g,表面有损伤，适合最淀粉第二章 系统方案设计2.1 选择分级方案在指导教师的指导下,首先广泛查阅资料进行调研,了解和掌握马铃薯分级设备的研究现状,并去进行实地和现场调查,听取用户和操作人员的反馈意见和使用状况,提出马铃薯分级加工机电控制系

14、统的改进完善方案,制定具体研究措施和技术路线。对马铃薯电控制系统分级机制定了整体设计方案，并与马铃薯常规机械化分级机进行了方案对比，具体如下：方案一：常规机械化分级传输装置机械分级装置输出装置图2-1 常规机械化分级机方案方案二：机电控制系统分级机方案a/d测试、放大传输装置输出装箱力传感器单片机分级装置图2-2 机电控制系统分级机方案方案分析：通过对方案一和方案二的比较分析，对于方案一来说，属于纯粹的机械分级，整个设计较简单易于实现，需要的经费较低，但效率不高，对马铃薯的擦伤较大，分级精度不高，易出现串级；对于方案二来说，效率高，对马铃薯的擦伤较小，分级精确度较高，但对于整个系统来说需要从软

15、件和硬件两个方面进行设计和调试，难度较大，需要经费高。综上所述我选择第二种方案进行设计。2.2马玲薯分级机的工作过程和与原理首先广泛查阅资料进行调研,了解和掌握马铃薯分级设备的研究现状,并去进行实地和现场调查,听取用户和操作人员的反馈意见和使用状况,提出马铃薯分级加工机电控制系统的改进完善方案,制定具体研究措施和技术路线。 马铃薯种薯分选时由电机驱动输送链轮将托盘中的马铃薯种薯送入输送道通过安装在输送道下的压敏式压力传感器检测马铃薯种薯重量，将马铃薯种薯的重量信号转换为模拟电压信号，送入单片机为主机的测控系统。在该测控系统中，模拟电压信号先经过信号调理电路放大、滤波，经a/d转换器模数转换后，

16、送入ac89c51为核心的主机电路进行数据处理。当主机采集到马铃薯种薯压力的数字信号时，系统软件对信号进行运算和判断，得出马铃薯种薯的分选等级，向相应的电磁阀送出开关量。这里，开关量必须进行软件延时，确保马铃薯种薯到达所属分选等级的分选口时，电磁阀才将分选开关打开，使得马铃薯种薯准确地落入相应的分选盒中，实现分选.。第三章 单片机测试系统的硬件设计3.1马铃薯分级机的组成部分分选系统主要包括以下几个组成单元:1.机电控制系统;2称重单元;3.单片机为主机的测控系统3.1.1机电控制系统： 马铃薯分选机的机电控制系统由以下几个部分组成:(1)驱动电机。驱动电机采用的是1马力(0.75千瓦)交流电

17、动机，它位于马铃薯分选机的一端，用来驱动链轮输送马铃薯，为设备能够同时进行马铃薯输送和分选提供动力。(2)马铃薯输送机构。输送分选机构采用的是单输送道，即采用单排马铃薯托盘输送马铃薯，进行马铃薯分选。该机构包括驱动链轮、从动链轮、传动链、输送道、马铃薯托盘。其中，马铃薯托盘的一端通过轴连接固定在传动链上，另一端通过支撑杆置于输送道上。当驱动电机运转时，驱动链轮带动传动链上的马铃薯托盘在马铃薯输送道上运动。(3)分选机构。由电磁阀控制的分选开关、分选口和分选盒组成。由于该测控系统设定四个分选等级，相应地，分选机构中有四个分选开关、分选口和分选盒。关键部件分选开关采用电磁阀控制，执行动作快，能够以

18、毫秒级的速度打开分选开关。(4)位移传感器。该位移传感器位于驱动链轮的轴部，实际上它是一个光电编码器，可测量驱动链轮的旋转角度，并利用光电转换原理，将旋转角度转换成相应的电脉冲，送入测控系统中。原pc机为主机的测控系统通过它测定马铃薯的位移距离，而在本毕业设计中，采用的是软件定时来测定马铃薯的位移距离。图3-1 马铃薯机电分级控制系统结构简图3.1.2称重单元1.传感器的选用称重式马铃薯分选机是根据马铃薯的不同重量来进行马铃薯分选的。在马铃薯分选过程中，压力传感器是信号输入通道的第一道环节。马铃薯重量信号先由压力传感器测量，然后送入单片机测控电路进行数据处理，最终实现分选控制。所以，压力传感器

19、是决定整个测试系统性能的关键环节之一由于传感器技术的发展非常迅速，各种各样传感器应运而生，因而在选用传感器时应注意：(l)具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换范围与被测量实际变化范围(变化幅度范围、变化频率范围)相一致。(2)转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标(一般应优于系统精度的十倍左右)，转换速度应符合整机要求。(3)能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或少耗电等。(4)能满足可靠性和可维护性的要求。就本课题所研究的马铃薯分选机而言，在选择压力传感器时，要考虑到马铃薯是在输送中完成称

20、重和分选的，称重单元必须能够对马铃薯进行动态测量，即在马铃薯运动状态下进行称重。动态测量是指为确定量的瞬时值及(或)其随时间变化所进行的测量，即被测量是随时间而变化的。显然，在动态测量中必须考虑信号的响应时间，即考虑激励受到规定突变的瞬间，及响应达到并保持其最终稳定值在规定极限内的瞬间，这两者之间的时间间隔。因此，在针对该分选机选择传感器时，首先考虑传感器的灵敏度，再考虑满足系统测量范围、精度以及使用条件，最后考虑成本低、相配电路是否简单等因素。2.传感器的线性化处理在工业生产和自动控制系统中，有时要求系统的输出和输入之间有严格的线性关系。但在工程实践中，检测系统必然存在一定的线性误差。这些误

21、差一方面来自传感器本身，除此之外，还有信号放大器、ad转换器等的非线性。在诸多的因素中，传感器的非线性误差所占的比重为最大。这种误差与电气干扰有所不同，与元器件本身制造工艺特性有关。为了提高系统的精度，确保系统线性输出，必须对传感器的非线性进行线性化处理。对于传感器的非线性补偿，分为硬件方法和软件方法。在实时控制系统中，处理的问题有很强的实时性，采用硬件处理较为合适。如果时间足够，应尽量采用软件方法，从而简化硬件电路。有时也采用硬件和软件兼用的方法。在设计中，选用的是高灵敏度、高精度、高速的压敏式压力传感器，该传感器的称量范围:0-1.5kg，工作电压:12v，输出为线性电压模拟信号:0-70

22、mv。该传感器不仅精度高、测量速快，而且其自身能够进行非线性补偿，使得输出信号为范围较小的线性电压信号。因此在信号理电路中，不用在硬件上和软件上进行非线性补偿。2、传感器 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应

23、变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是a/d 转换和cpu ）显示或执行机构。这里我们选择型号为fj21型的传感器，其各项参数如下：fj21型传感器技术参数: 定输出: 1.0 - 4.0 mv/v 非线性: 0.02% fs 重复性: 0.02%fs 零点平衡: 0.02% f

24、s 输出温度影响: 0.02% fs 零点输出: +_ 0.2mv 输入阻抗: 404 +_ 3 ohms 输出阻抗: 350 +_ 3 ohms 绝缘阻抗: = 5,000,000,000 ohms 激发电压: 25v (dc/ac) 工作电压: (5 - 20 vdc/ac)3.1.3.测试系统的选择马铃薯分选机的测控系统是设备当中重要的组成部分，该系统以微机为核心，实现对马铃薯分选的测控。在马铃薯分选过程中，测控系统通过系统中的压力传感器，测量马铃薯在输送托盘上产生的压力信号，将其转换成模拟信号，再由模拟输入通道进行信号调理和数据采集，然后转换成微机要求的数字形式送入微机进行处理，最后微

25、机根据计算结果，对将要分选的马铃薯进行相应的分选控制。在此我们选单片机作为测试的核心！单片机是指在一块芯片上集成了计算机的基本部件，包括中央处理器(cpu)、存储器(ram rom)、输入/输出接口(1/0)、计数器/定时器以及其他有关部件。一块芯片就构成一台计算机。基于单片机的主机具有以下特点:(l)可靠性高。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其工业抗干扰能力优于一般的通用cpu，且程序指令、系统常数均固化在rom中，不易破坏;硬件集成度高，使系统整体可靠性大大提高。(2)易扩展。单片机内具有计算机正常运行所必需的部件，芯片外部有许多供扩展用的总线以及并行、串行1/0引脚，很容易构成各种规

26、模的计算机应用系统。(3)控制功能强。为满足工业控制要求，单片机的指令系统均有极为丰富的条件分支转移指令、1/0端口的逻辑操作以及位处理功能。(4)存储器容量小。受集成度限制，一般rom为几千字节，ram仅有几百字节，经扩展后也只能达到几十千字节。(5)体积小。由于单片机的高集成度，使得整个电路系统的体积有可能大幅度缩小，并可以形成便携式仪器，便于使用。(6)开发周期短、成本低。用单片机开发各类微机化产品，周期短，成本低，在计算机和仪器仪表一体化设计中有着一般微机无法比拟的优势。因此，目前常见的微机化测控系统、特别是小型测控系统和便携式测控仪器大多采用单片机。单片机的品种繁多、性能各异。目前8

27、位机是单片机的主流机型，主要产品是intel公司生产的mcs一51系列单片机。通过比较，我们可以看到，单片机作为本测控系统的主机完全可以实现所要求的分选功能。从控制灵活度上、开发周期上以及成本上，单片机都优于pc机。在本测控系统中，选用的是高性能8位单片机at89c51，它是一种低损耗、高性能、cmos八位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程快擦快写程度存储器，能重复写入/擦除1000代替mcs一51系列单片机，而且能使系统具有许多mcs一51系列产品没有的功能。at89c51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4k，四个1/0口

28、全部提供给用户。可用sv电压编程，而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87c51的擦除时间的百分之一，与8751/87c51的12v电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽2.7v6v，全静态工作，工作频率宽，在ohz一24mhz内，t匕8751/87c51等51系列的6mhz一12mhz更具有灵活性，系统能快能慢。at89c51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。另外，at89c51还具有mcs一51系列单片机的所有优点。at89c51的特点如下所示:(1)at89c5

29、1与mcs一51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容;(2)片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器;(3)全静态工作，工作范围:ohz一24mhz;三级程序存储器加密;(4)128x8位内部ram;(5)32位双向输入输出线;(6)两个十六位定时器/计数器;(7)五个中断源，两级中断优先级;(8)一个全双工的异步串行口;(9)间歇和掉电工作方式。 图3-2 at89c51管脚封装图32测控系统的外围电路单片机为核心的测控系统除了配置以单片机为核心的主机单元之外，还要配置实现信号采集、调理、测量、控制以及人机对话功能的外围电路，主要有:(l)信号调理电路。在本测控系统中，马铃薯重量产生的

30、非电物理量压力经压力传感器转换为电压信号，但由于转换成的电压信号比较微弱的，需放大器放大、滤波器滤波之后，才能进行a/d转换，系统中的信号调理电路就是完成这一任务的组成单元。(2)a/d转换单元。在马铃薯称重钡(量中，电压信号经放大、滤波后，必须以一定精度转换成数字量，才能被微机所接收，将模拟量转换为数字量的器件为a/d转换器。3)信号输出电路以及被控对象。在控制马铃薯分选时，被控对象是马铃薯分选口处控制分选开关的电磁阀，微机发出数字信号开关量，通过信号输出电路完成电磁阀的闭合与断开，实现马铃薯分选的自动控制。(4)人机对话单元。主要是指键盘输入和数码显示单元。通过键盘可以进行人工控制和输入必

31、要的分选参数，并通过数码显示反映系统的分选参数。3.3信号调节电路设计3.3.1 放大电路的设计在对传感器输出信号进行预处理的过程中，往往要把微弱的信号进行放大。本系统中使用的压敏式压力传感器的输出信号仅为几十毫伏的电压，必须在系统中加放大器对电压信号放大。考虑到fj21型传感器其输出只有1.04.0 mv,显然这样的输出电压太小单片机系统无法进行处理，因此需要在传感器之后加一个放大环节，对传感器的输出信号进行1000倍的放大，达到单片机所允许的电压（05v）后，才能使单片机进行判断和处理。放大电路图如下： 图3-3 比例放大电路其中：输入信号为压力传感器送出的电压信号，输出信号送往a/d转换

32、器后输入单片机进行处理。其放大的电压增益是电阻r1和r2的比值。即：av=vo/vi=-r1/r2.=100k/100=1000.其中r1,r2 为小型绕线电位器,型号为wx1,放大器型号为lm324.3.3.2 滤波电路的设计最简单的低通滤波器由电阻和电容元件构成，如图3-4（a），实际上这是一个最简单的rc低通滤波电路，一般称为无源低通滤波器。该滤波器的缺点是电压放大倍数低，同时带负载能力差，若在输出端并联一个负载电阻，除了使电压放大倍数降低以外，还将影响通带截止频率的值。利用集成运放与rc低通电路一起，可以组成有源滤波器，以提高通带电压放大倍数和带负载能力。根据系统的需要，采用一阶低通滤

33、波电路，如图3-4(b)所示。3-4（a） 3-4(b) 图 3-4 滤波放大电路3.4模数转换3.4.1a/d转换器的选择(1)根据前向通道的总误差，选择a/d转换精度以及分辨率。数据采集精度要求是综合精度要求，它包括传感器精度、信号调节电路精度和a/d转换精度。应将综合精度在各个环节上进行分配，以确定对a心转换器的精度要求，据此确定a/d转换器的位数。选用8位、10位或12位以上分辨率芯片或相应的3(1/2)，4(1/2)的双积分bcd码输出a/d转换器。(2)根据信号对象的变化率以及转换精度要求，确定a/d转换精度，以确保系统的实时性要求。对于快速信号要估计孔径误差以确定是否需要加采样/

34、保持电路。因为对快速信号采集时，为了保证有小的孔径误差常常要求有很高的转换速度，这就需要有高速的a/d转换器，可以考虑在a/d转换器前加采样/保持电路。(3)根据环境条件选择a/d转换器的一些环境参数要求，如工作温度、功耗、司一靠性等级性能。(4)根据计算机接口特征，考虑如何选择a/d转换器的输出状态，例如，a/d转换器是并行输出还是串行输出;是二进制码还是bcd码输出;是用外部时钟、内部时钟还是不用时钟:有无转换结束状态信号;与ttl、cmos及ecl电路的兼容性;与微机接口是否易联等输出功能。综合以上分析，系统选择ad1674作为a/d转换单元的核心器件。ad1674是一种性能优越适用于工

35、业应用的12位模数转换芯片，它采用逐次比较方式工作，具有许多突出的优点，如片内自带对用户透明的采样/保持器，转换速度为10us，具有三态输出缓冲器等，所以本测控系统选用该a/d转换器。ad1674的管脚如下图所示： 图3-5 ad1674的管脚3.4.2 模数转换的实现我们需要把压力经过传感器转换成连续变化的模拟电信号，这些模拟电信号必须转换数字量后才能在单片机中用软件进行处理，单片机处理完毕的数字量需要转换成模拟信号才能输出。传感器的输出电压信号，单片机处理的16 进制数，以及对应的马铃薯的质量关系如下：表3-1单片机处理的16 进制数以及对应的马铃薯的质量关系电压16进制数质量0v00h0

36、g0.75v06h150g1.5v4bh300g5v0ffh1000g其具体电路如下图: 图3-5 a/d转换电路3.4.3 ad1674接口电路的设计ad1674接口电路ad1674有两种工作方式:独立工作方式(stand-alone mode)和完全受控方式(full-control mode)。独立工作方式适用于有专用a/d输入端口的系统，此时不需使用全部接口信号;而完全受控方式适用于多个需寻址电路挂在同一总线上的情况，使用ad1674的全部控制信号，这是在一般数据采集系统中常用的方式，本测控系统即采用了该工作方式。ao1674的逻辑控制信号有ce、cs、r/c、12/8和a0，它们在完

37、全受控方式下的真值表如一下所示。当信号ce和cs都有效时，r/c决定了ad1674是在转换(r/c=0)还是在进行数据读出操作(r/c=1)。因此r/c应在ce和cs最后一个信号有效前确定其状态，以保证ad1674不会产生误操作，出现总线竞争。表3-2 ad1674的真值表cecsr/c12/8a0操作0xxxx无操作x0xxx无操作100x0启动12位转换100x1启动8位转换1011x允许12位并行输出10100允许高8位输出10101允许低四位输出因为adi674与微处理器兼容，其使用方式十分灵活方便。ad1674输出带三态控制，其输出直接可挂在数据总线上。此外，ad1674是混合集成的

38、ad转换器，有8位和12位两种转换方式。通过单片机控制r/c、12/8、ao三个管脚，就可实现8位/12位模数转换或8位/12位转换结果的输出。在本测控系统中，由单片机p0口通过锁存器74ls373连接ad1674的ao、r/c和cs管脚，并采用软件查询sts管脚，进行ad转换控制。ad1674接口电路如一下图所示:图3-6 ad1674接口电路系统所需转换的电压模拟信号为o-10v，所以ad1674采用的是单极性输入方式。在芯片10脚接入电压模拟信号vx进行模数转换。图中rl用于零点调整，rz用于满刻度调整。 3.5继电器驱动电路的选择单片机是一个弱电器件,一般情况下它们大都工作在5v甚至更

39、低.驱动电流在ma级以下.而要把它用于一些大功率场合,比如控制电动机,显然是不行的.所以,就要有一个环节来衔接,这个环节就是所谓的功率驱动.继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节.在这里,继电器驱动含有两个意思:一是对继电器进行驱动,因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件;还有就是继电器去驱动其他负载,比如继电器可以驱动中间继电器,可以直接驱动接触器,所以,继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口.这里我选用型号为s2y-s-dc5v的继电器,主要技术参数如下:类 型 ： 信号继电器系 列 ： ds2y系列型 号 ： ds2y-s-dc5v外形尺寸（mm）： 20.09.99.3m

40、m（lwh）重 量 ： 2g触点参数： 触点形式： 2c（dpdt） 触点负载： 2a30vdc, 阻 抗： 50m 额定电流： 2a 电气寿命：10万回 机械寿命：1亿回线圈参数： 阻值(士10%)：45 线圈功耗：200mw 额定电压：dc 5v 吸合电压：dc 3.5v 释放电压：dc 0.5v工作温度：-40+85绝缘电阻：1000m为了实现分级我们用单片机来控制两个继电器的通断来控制拨动装置。单片机输出相应的控制信号（高低电平）来实现继电器的导通，每导通一个继电器，通过其后的驱动电路来驱动拨动装置，从而实现马铃薯的分级。这里继电器由相应的s8050三极管来驱动，开机时，单片机初始化后

41、的p2.2/p2.3端口为低电平“0”，三极管不导通，所以开机后继电器常开触点始终处于断开状态，如果p2.3或者 p2.3端口为高电平“1”，就会使相应的三极管导通，相应继电器的常开触点就会闭合，以及相应拨动机构的电路导通。表3-3 端口输出三极管继电器1继电器2p2.20不导通不动作1导通动作p2.30不导通不动作1导通动作继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管。图 3-7继电器驱动电路原理图 图中选用型号为2sa1009大功率三极管,型号为in4001的二极管.型号为wx1的电阻.3.6信号输出电路3.6.1信号输出通道结构测控系统除了完成被测对象的

42、测量，还要完成对被测对象的控制。测控系统的输出通道一般输出两种形式的信号，分别是电压模拟信号和开关量数字信号。其中模拟量输出是指其输出信号(电压、电流)可变，根据控制算法，使设备在零到满负荷之间运行，在一定的时间t内输出所需的能量p;开关量输出则是通过控制设备处于开关状态的时间来达到运行控制目的。以前的控制方法常采用模拟量输出的方法，由于其输出受模拟器件的漂移等影响，很难达到较高的控制精度。当计算机引入测控领域后，数字量输出控制已经越来越广泛地被应用;由于采用数字电路和计算机技术，对时间控制可以达到很高的精度。因此，在许多场合开关量输出控制精度比一般的模拟量控制高，而且利用开关量输出控制往往无

43、须改动硬件，而只需改变程序就可用于不同的控制条件下。信号输出通道一般由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成，如下图所示： 图3-8 信号输出通道结构图3.6.2信号输出电路设计在系统对分选执行机构进行控制时，需送出开关量，使电磁阀通电20ms以上，才能使电磁阀打开。因此，开关控制状态需进行保持，直到下次给出新的值为止。通常采用锁存器对开关量输出信号进行锁存。但在本测控系统中，采用了软件控制开关量锁存的方法，利用cpu未使用的1/0，开关量从at89c51的p3.o、p3.1、p3.2和p3.5四个1/0口送出，系统将开关量信号用软件延时20ms后，使得开关量信号通过信号输出电路，

44、对四个电磁阀进行断开和闭合控制。该方法控制灵活，大大简化了硬件电路的设计。 在本测控系统中，开关量都是通过单片机的1/0口输出的，由于驱动被控制得执行装置不但需要一定的电压，而且需要一定的电流，而单片机的1/o口或锁存器驱动能力很有限，因此，开关量输出通道末端必须配接能够提供足够驱动功率的驱动电路。在设计中，选用7407总线驱动器来提供足够的驱动功率。由于开关量输出通道是干扰窜入的渠道，要切断这条渠道，就要去掉干扰源与输入输出通道之间的公共地线，实现彼此电隔离以抑制干扰脉冲。因此，在输出通道中选择光电祸合器tlp521来进行干扰抑制。 根据负载要求的不同，信号输出电路有以下几种形式:(l)直流

45、负载驱动电路(2)晶闸管交流负载驱动电路(3)继电器驱动电路(4)固态继电器驱动电路 本测控系统的控制对象为额定电压为+24v的电磁阀，系统的信号输出电路形式为直流负载驱动电路。考虑到系统需控制四个电磁阀动作，选用了七路达林顿晶体管阵列芯片uln2003，它具有以下特点:(1)电流增益高(大于1000);(2)带负载能力强(输出电流大于500ma);(3)温度范围宽(-4085c);(4)工一作电压高(大于5ov);(5)具有同时驱动七路负载的能力。 信号输出电路图如下所示:图3-9 信号输出电路图3.7人机对话单元 微机测控系统通常都要有人机对话功能，这个功能有两方面的含义:一是操作人员能向

46、微机发布命令和输入数据;二是微机能向操作人员报告运行状态和运行结果。前一功能是通过测控系统操作面板上的键盘来实现，后一功能主要是通过显示、记录和报警等装置实现的。根据按键开关与cpu的连接方式不同，键盘可分为独立式和行列式两类。在本系统中，采用的是行列式键盘:行线、列线分别接输入线、输出线，按键设置在行、列线的交叉点上，每一行线(水平线)和列线(垂直线)的交义处不相通，而是通过按键来联通。接口电路图如下所示。 键盘扫描步骤如下:(l)查询是否有键按下;(2)查询按下键所在的行列位置;(3)对得到的行号和列号泽码，得到键值;(4)对按键进行抖动处理;(5)根据键值，调用分选等级参数，并通过led

47、数码管显示键值。 图3-10人机对话单元3.8提高测控系统测量精度的硬件设计措施在对该测控系统进行硬件设计时，应重点考虑以下几个影响测试精度的因素:(l)传感器本身的转换精度。传感器的功能是将非电物理量如温度、压力等)转换成电信号。但由于制造工艺等因素的限制，不可避免地会呈现出非线性、温度漂移等。程实践表明，过高追求传感器本身精度往往得不偿失，可以通过合理的软硬件设计来补偿其非线性误差，采取自动校正抵消温漂的影响等。（2）测量放大器的稳定性。传感器输出的微弱信号往往必须由测量放大器放大。与其他半导体器件一样，测量放大器也是温度敏感部件，实际设计时应选用高精度、低漂移、高集成度的测量放大器。(3

48、)公共阻抗干扰。当模拟信号电流在公共电源内阻和公共地线上产生压降时，则引入公共阻抗噪声干扰。因此，要注意测量单元各个部件的接地方式，以抑制这些噪声的产生。(4)传感器供电电源的稳定性。传感器的供电电源对转换精度影响极大，可以采用高精度集成稳压芯片，或采取合适的扰动补偿措施等。第四章 单片机测试系统的软件设计4.1 软件总体结构设计系统控制软件系统的软件功能主要有数据采集、数据滤波、数据处理及控制电磁阀开关等。系统的软件结构按功能分为两部分，即预处理程序和测控程序。预处理程序完成测控程序之前的准备工作，包括初始化、分选参数设置、分选参数显示等。测控程序直接完成系统的主要测量、处理和控制，包括数据

49、采样、数字滤波、数据处理和控制电磁阀开关等功能。系统软件由采样滤波子程序、数据处理子程序、定时中断服务子程序、控制执行子程序和键盘/显示子程序组成。主程序流程图如下所示: 图4-1 主程序流程图在主程序中，先调用键盘/显示子程序，完成分选参数的预先设定;然后调用数据处理子程序，完成每个采样信号动作编号的设定。主程序还需要根据每个采样信号的动作编号，设定该动作编号的软件定时值。数据处理子程序中共设定了四个动作编号，分别为1、2、3、4，它们依次对应着四个分选开关，以及在软件定时值表中的四个软件定时值。只有设定相应的软件定时值，才能确定每个分选开关在多长时间之后打开。这里，软件定时值由试验获得，即

50、从采集到某个马铃薯的重量信号开始算起，到该马铃薯输送到所属分选口为止，马铃薯运行完这段距离所用去的时间。4.2 各个子程序的设计4.2.1数据处理子程序在数据处理子程序中，主要完成的是采样信号的运算处理。在主程序中，通过调用键盘/显示子程序，完成分选参数基值和分选参数增量设置后，相应得出四个分选等级。当采样信号经数字滤波后，与这四个分选等级进行比较，运算比较后，判断其所属的分选等级，标记该信号的动作编号。数据处理子程序流程图如下:开始取采样信号动作编号标记为4大于第4级动作编号标记为3大于第3级动作编号标记为2大于第2级动作编号标记为1大于第1级动作编号标记为0结束图4-2 数据处理子程序流程

51、图可以看到，在程序中设定了四个分选等级，这是根据马铃薯常规分选标准而定的，如马铃薯的分选等级按大小可分为:特大(xl)、大(l)、中(m)和小(s)这四个大小等级。相应地，这四个大小等级可转换为四个重量范围。例如，马铃薯的大小等级、重量范围、分选等级和分选开关的对应关系如下:表4-1 马铃薯分级对应关系大小等级重量范围分选等级分选开关小（s）0150g11中（m）150300g22大（l）3001000g33特大（ml）大于1000g44当程序运行时，将采样信号与四个分选等级依次进行比较。当该信号属于分选等级4范围内时，则标记为动作编号4，相应地打开分选开关4;若小于分选等级4，则向下与分选等级3进行比较，以此类推，直到等出该采样信号的分选等级为止。通过该数据处理子程序进行运算、比较，可实现所有采样信号的动作标号设定，使得所有马铃薯能在相应的分选口下落，完成分选目的。4.2.2 定时中断服务子程序在定时中断服务子程序中，系统对采样信号数组中的每个信号进行检验，查询采样信号的软件定时值，如果为零，则调用控制执行子程序，根据所属的分选等级，向相应的电磁阀送出开关量，打开分选开关，将该分选。相反地，如果采样信号的定时值不为零，则将定时值减一，然后再查询下一个采样信号的定时值，以此类推循环检验所有采样信号。当所有采样信号检验完毕后，中断返回。定时中断服务子程序流程图