畢業(yè)設計（論文）基于CAN總線斗式計量控制器的設計

1、摘 要 基于can總線斗式計量控制器的設計。玻璃廠稱重配料自動控制系統(tǒng)的主要目標是根據(jù)原料配料的工藝要求，將顆粒狀或粉狀原料經稱量、混合等工序 ，配制為成份、水分合格的混合料并送入熔窯料倉?？刂破髦饕蓡纹瑱C、傳感器、上位機等元件構成。主要工作原理為通過傳送帶向量斗運送物料，量斗下方設有3個稱重傳感器，稱重傳感器通過測量的原料的重量信號轉換為電信號，單片機接受通過a/d轉換芯片轉換的信號進行處理，如果稱重的數(shù)值快要接近給定的數(shù)值，單片機發(fā)出控制指令對量斗下方的震蕩裝置進行控制使，置震蕩的速度變慢，減少原料的投放速度直至稱重數(shù)值達到設定的數(shù)值。并采用can 總線技術具有實時性強、傳輸距離較遠、抗

2、電磁干擾能力強、，通用性好，抗干擾性能強，造價降低。非常試用于工業(yè)稱重自動控制系統(tǒng)。 關鍵字： 單片機、傳感器、can總線abstractdesign of bucket measurement controller based on can bus. glass factory weighing batching control system the main goal is according to the process requirements of raw materials, the granular or powdery raw material through the proc

3、esses of weighing, mixing, preparation for composition, water qualified mixture and fed into the furnace hopper. the controller is composed of the components such as single chip microcomputer, sensor, pc and so on. main working principle is through the conveyor belt vector bucket to transport materi

4、al, bucket below with three weighing sensor, weighing sensor through the measurement of raw materials with the weight signal conversion into electrical signals, the microcontroller to accept through the a / d converter of signal processing, if weighing numerical going close to the given value, the s

5、cm sends out a control instruction on bucket below the concussion device control, set of shock speed slows, reduce raw material delivery speed until weighing value reaches the set value. can bus technology has strong real-time, transmission distance, anti-interference ability, and good versatility,

6、anti-interference performance is strong, the cost is reduced. test on the automatic control system of industrial weighing.key words： microcontroller, sensor, can bus目 錄摘 要iabstractii第 1 章緒 論11.1課題背景及意義11.2玻璃生產流程21.3玻璃配料工業(yè)現(xiàn)狀3第 2 章斗式計量控制系器總體設計52.1計量控制器的工作原理5圖2-1.1 量斗結構示意圖62.2玻璃控制器總體框圖7第 3 章系統(tǒng)硬件設計83.1單

7、片機系統(tǒng)83.1.1單片機的選擇及介紹83.2傳感器系統(tǒng)設計與選型173.2.1稱重傳感器技術173.3稱重測量模塊設計193.3.1稱重傳感器分析與設計193.3.2電阻應變式傳感器工作原理193.4中斷系統(tǒng)203.4.1mcuz中斷源和中斷向量213.4.2外部中斷213.4.3中斷優(yōu)先級213.4.4中斷響應時間213.5電源管理方式223.5.1空閑方式223.5.2停機方式233.6復位源233.6.1上電復位243.6.2外部復位253.6.3比較器0復位253.6.4看門狗定時器復位253.7端口輸入/輸出263.8系統(tǒng)抗干擾措施“看門狗”技術273.8.1硬件抗干擾措施28第

8、4 章系統(tǒng)的軟件設計294.1軟件的主程序結構設計294.2protel簡介294.2.1常用操作30結 論31致 謝32參考文獻33附錄a34第 1 章 緒 論1.1 課題背景及意義在玻璃生產過程中，有些產品是將某幾種原料按照一定的比例混合，通過配制加工而成，這種按一定的比例混合原料的過程，就是配料的過程。其混合比例是否按預先規(guī)定的配比進行，直接影響到產品的質量。同時，配料質量控制的優(yōu)劣也直接關系著下游生產能否順利進行。如果配料的質量達不到要求，輕則造成原料、能源的浪費，重則影響產品的質量和產量，并且由于配料失誤甚至會給整個生產釀成事故。因此，要保證產品質量和生產的順利進行，就要提高配料過程

9、的精度和保證配料的速度。 玻璃是一種化學組成既定而又均質化的材料。在玻璃的連續(xù)化生產中，原料配料的準確、均勻和穩(wěn)定是生產優(yōu)質玻璃的先決條件。尤其是配合料的制備，需要同時對多種原料進行準確稱量、混合、輸送和投料，一旦出現(xiàn)事故勢必造成重大經濟損失。因為一個現(xiàn)代化的大、中型玻璃池窯里容納著一兩千噸玻璃液，每晝夜要投入上百噸至數(shù)百噸配合料，而且在生產過程中各工序之間是連續(xù)作業(yè)，環(huán)環(huán)相扣，彼此影響很大，其影響在短時期內是難以清除的，造成的損失是以百萬元來計算的。由此可見原料的制備對玻璃生產的重要性。原料的精確稱量是配料工藝的核心，由于設備故障或者是人為因素都容易造成配料錯料，因而引起玻璃質量的下降。另外

10、，如果采用人工配料，由于現(xiàn)場的粉塵較大，很容易對人的身體造成損害。因此，提高配料系統(tǒng)的稱量精度、提高系統(tǒng)自動化水平和可靠性，對保障玻璃生產線優(yōu)質穩(wěn)定生產、改善工人工作環(huán)境和提高勞動生產率有著重要的現(xiàn)實意義。所以，原料配料的自動化是現(xiàn)代玻璃工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。當今，隨著計算機技術和自動控制技術飛速發(fā)展，人們普遍對生產過程自動化程度的要求也越來越高。同樣，在稱重配料領域，人們對稱重配料過程提出了“快速、準確、連續(xù)、自動”的要求。為此，選擇和設計合理的稱重配料方式對實現(xiàn)原料的自動配料至關重要。當今針對配料控制系統(tǒng)的應用研究也隨著這種要求而廣泛的開展起來，并且取得了許多成功的應用實例。 此外，食品、化

11、工、飼料、陶瓷等行業(yè)也離不開配料生產過程，也必須通過自動配料控制系統(tǒng)來實現(xiàn)生產的自動化。雖然這些行業(yè)所用的物料和生產工藝不同，但其配料控制系統(tǒng)所要完成的任務卻基本相同，因此，研究和開發(fā)一種自動配料控制系統(tǒng)具有一定的實際意義。 本文的研究旨在使配料車間設備及控制系統(tǒng)滿足玻璃生產對原料配料的工藝要求，并使整個系統(tǒng)達到高度自動化的同時具有更強的智能化。1.2 玻璃生產流程玻璃是由石英砂、石灰石、長石、純堿、澄清劑、著色劑/脫色劑、助熔劑、碎玻璃等原料經過高溫熔融、成型、退火、切割等過程，形成的無色（白玻）透明的非晶態(tài)無機物。玻璃具有一系列非?？少F的性質：透明，堅硬，良好的耐蝕、耐熱和電學、光學性質；

12、能夠用多種成型和加工方法制成各種形狀和大小的制品；可以通過調整化學組成改變其性質，以適應不同的使用要求。特別是制造原料豐富，價格低廉，因此獲得了極其廣泛的應用，在國民經濟中起著重要的作用1 配料，按照設計好的料方單，將各種原料稱量后在一混料機內混合均勻。玻璃的主要原料有：石英砂、石灰石、長石、純堿、硼酸等。 2 熔制，將配好的原料經過高溫加熱，形成均勻的無氣泡的玻璃液。這是一個很復雜的物理、化學反應過程。玻璃的熔制在熔窯內進行。熔窯主要有兩種類型：一種是坩堝窯，玻璃料盛在坩堝內，在坩堝外面加熱。小的坩堝窯只放一個坩堝，大的可多到20個坩堝。坩堝窯是間隙式生產的，現(xiàn)在僅有光學玻璃和顏色玻璃采用坩

13、堝窯生產。另一種是池窯，玻璃料在窯池內熔制，明火在玻璃液面上部加熱。玻璃的熔制溫度大多在13001600c。大多數(shù)用火焰加熱，也有少量用電流加熱的，稱為電熔窯?，F(xiàn)在，池窯都是連續(xù)生產的，小的池窯可以是幾個米，大的可以大到400多米。3 成形，是將熔制好的玻璃液轉變成具有固定形狀的固體制品。成形必須在一定溫度范圍內才能進行，這是一個冷卻過程，玻璃首先由粘性液態(tài)轉變?yōu)榭伤軕B(tài)，再轉變成脆性固態(tài)。成形方法可分為人工成形和機械成形兩大類。 a 人工成形。又有（1）吹制，用一根鎳鉻合金吹管，挑一團玻璃在模具中邊轉邊吹。主要用來成形玻璃泡、瓶、球（劃眼鏡片用）等。（2）拉制，在吹成小泡后，另一工人用頂盤粘住

14、，二人邊吹邊拉主要用來制造玻璃管或棒。（3）壓制，挑一團玻璃，用剪刀剪下使它掉入凹模中，再用凸模一壓。主要用來成形杯、盤等。（4）自由成形，挑料后用鉗子、剪刀、鑷子等工具直接制成工藝品。 b 機械成形。因為人工成形勞動強度大，溫度高，條件差，所以，除自由成形外，大部分已被機械成形所取代。機械成形除了壓制、吹制、拉制外，還有（1）壓延法，用來生產厚的平板玻璃、刻花玻璃、夾金屬絲玻璃等。（2）澆鑄法，生產光學玻璃。（3）離心澆鑄法，用于制造大直徑的玻璃管、器皿和大容量的反應鍋。這是將玻璃熔體注入高速旋轉的模子中，由于離心力使玻璃緊貼到模子壁上，旋轉繼續(xù)進行直到玻璃硬化為止。（4）燒結法，用于生產泡

15、沫玻璃。它是在玻璃粉末中加入發(fā)泡劑，在有蓋的金屬模具中加熱，玻璃在加熱過程中形成很多閉口氣泡這是一種很好的絕熱、隔音材料。此外，平板玻璃的成形有垂直引上法、平拉法和浮法。浮法是讓玻璃液流漂浮在熔融金屬（錫）表面上形成平板玻璃的方法，其主要優(yōu)點是玻璃質量高（平整、光潔），拉引速度快，產量大。4 退火，玻璃在成形過成中經受了激烈的溫度變化和形狀變化，這種變化在玻璃中留下了熱應力。這種熱應力會降低玻璃制品的強度和熱穩(wěn)定性。如果直接冷卻，很可能在冷卻過程中或以后的存放、運輸和使用過程中自行破裂（俗稱玻璃的冷爆）。為了消除冷爆現(xiàn)象，玻璃制品在成形后必須進行退火。退火就是在某一溫度范圍內保溫或緩慢降溫一段

16、時間以消除或減少玻璃中熱應力到允許值。 此外，某些玻璃制品為了增加其強度，可進行剛化處理。包括：物理剛化（淬火），用于較厚的玻璃杯、桌面玻璃、汽車擋風玻璃等；和化學剛化（離子交換），用于手表表蒙玻璃、航空玻璃等。剛化的原理是在玻璃表面層產生壓應力，以增加其強度。號1.3 玻璃配料工業(yè)現(xiàn)狀玻璃工業(yè)在我國產業(yè)中是一個重要的行業(yè)，并在我國的經濟建設中起著非常重要的作用。改革開放以來，隨著我國經濟的快速發(fā)展，玻璃配料行業(yè)也得到了長足的發(fā)展。特別是20世紀80年代后期，我國浮法玻璃出現(xiàn)了第一次發(fā)展高峰，以年增長35%的速度飛速發(fā)展，遠遠高于當時我國經濟發(fā)展10%的增長速度，玻璃工業(yè)的發(fā)展異常引人注目。近

17、年來，玻璃生產行業(yè)的競爭日趨激烈。因此，穩(wěn)定并提高產品質量、產量和增強競爭力成為玻璃生產發(fā)展的主要目標。而基于這個目標開發(fā)的適用于玻璃生產的稱重配料系統(tǒng)必須具有高速度、高性能、高精度、高可靠性和穩(wěn)定性等特點，以適應現(xiàn)代化生產的要求。 目前我國玻璃工業(yè)存在的主要問題及與國際先進水平的差距主要表現(xiàn)在：資源、能源消耗高，綜合利用水平低；整體技術、裝備及管理水平與國際先進水平相比仍有較大差距；產品結構不夠合理，優(yōu)質浮法和深加工率偏低；企業(yè)數(shù)量多、規(guī)模小、國際競爭力差；企業(yè)科技創(chuàng)新和自主開發(fā)能力較差，缺乏具有驅動力的技術創(chuàng)新機制和能力；市場不規(guī)范，無序競爭現(xiàn)象比較突出等。 在玻璃配料技術方面，還存在著工

18、藝落后、產品品種單一、設備裝配不合理和自動化程度低等弊端，難以適應現(xiàn)代化玻璃工業(yè)發(fā)展的需要。在配料控制系統(tǒng)方面普遍存在的問題是：配料精度低，機電控制部分的可靠性差；缺少數(shù)據(jù)庫管理生產以及對生產過程的實時動態(tài)監(jiān)視。配料精度低主要原因是電子秤系統(tǒng)的動態(tài)性范圍小或用于配料的算法不合理造成的；而可靠性差主要是中間繼電器和微機控制系統(tǒng)的可靠性低所致?？煽啃允侵匾馁|量指標，但由于機械工藝、電子元件等基礎工業(yè)發(fā)展的滯后，國內的微機配料系統(tǒng)的可靠性與國外產品相比尚有一定差距。同時隨著網絡化、信息化技術向自動化領域的滲透，使得自動化系統(tǒng)的體系結構面臨一場深刻的變革，這種變革也必將對浮法玻璃自動化產生重大影響。

19、第 2 章 斗式計量控制系器總體設計2.1 計量控制器的工作原理玻璃廠稱重配料自動控制系統(tǒng)的主要目標是根據(jù)原料配料的工藝要求，將顆粒狀或粉狀原料經稱量、混合等工序 ，配制為成份、水分合格的混合料并送入熔窯料倉。控制器主要由單片機、傳感器、上位機等元件構成。主要工作原理為通過傳送帶向量斗運送物料，量斗下方設有3個稱重傳感器，稱重傳感器通過測量的原料的重量信號轉換為電信號，單片機接受通過a/d轉換芯片轉換的信號進行處理，如果稱重的數(shù)值快要接近給定的數(shù)值，單片機發(fā)出控制指令對量斗下方的震蕩裝置進行控制使，置震蕩的速度變慢，減少原料的投放速度直至稱重數(shù)值達到設定的數(shù)值。并采用can 總線技術具有實時性

20、強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、，通用性好，抗干擾性能強，造價降低。非常試用于工業(yè)稱重自動控制系統(tǒng)。圖2-1為玻璃配料工藝流程圖。 圖2-1玻璃配料工藝流程圖 玻璃配料工序是按照玻璃成份及融化要求，將粒度及成份符合標準的各種原料通過科學配比、稱重、混合，為熔化提供合格的配料的過程，是玻璃生產的關鍵工序之一。 佳木斯玻璃廠運用玻璃原料主要有精砂、硅砂、重堿、白云石、石灰石、芒硝、煤粉、玻璃粉。通過不同稱重的量斗來稱量不同的配料，主要工作原理為通過傳送帶向量斗運送物料，量斗下方設有3個稱重傳感器，稱重傳感器通過測量的原料的重量信號轉換為電信號，單片機接受通過a/d轉換芯片轉換的信號進行處理，如

21、果稱重的數(shù)值快要接近給定的數(shù)值，單片機發(fā)出控制指令對量斗下方的震蕩裝置進行控制使，置震蕩的速度變慢，減少原料的投放速度直至稱重數(shù)值達到設定的數(shù)值。在通過傳送帶將物料運送到下一部門進行工作。圖2-1.1為量斗結構示意圖 圖2-1.1 量斗結構示意圖2.2 玻璃控制器總體框圖 系統(tǒng)總體框圖如下： 圖2-2配料控制總體框圖第 3 章 系統(tǒng)硬件設計3.1 單片機系統(tǒng)3.1.1 單片機的選擇及介紹c8051f04x 系列器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型mcu，具有64 個數(shù)字i/（c8051f040/2/4/6）或32 個數(shù)字i/o 引腳（c8051f041/3/5/7），片內集成了一個can2.0b

22、 控制器。下面列出了一些主要特性；有關某一產品的具體特性參見表1.1。 高速、流水線結構的8051 兼容的cip-51 內核（可達25mips） 控制器局域網（can2.0b）控制器，具有32 個消息對象，每個消息對象有其自己的標識 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調試接口（片內） 真正12 位（c8051f040/1）或10 位（c8051f042/3/4/5/6/7）、100 ksps 的adc，帶pga 和8 通道模擬多路開關 允許高電壓差分放大器輸入到12/10 位adc（60v 峰-峰值），增益可編程 真正8 位500 ksps 的adc，帶pga 和8 通道模擬多路開關（c8051f040/

23、1/2/3） 兩個12 位dac，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式（c8051f040/1/2/3） 64kb（c8051f040/1/2/3/4/5）或32kb（c8051f046/7）可在系統(tǒng)編程的flash 存儲器 4352（4k+256）字節(jié)的片內ram 可尋址64kb 地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口 硬件實現(xiàn)的spi、smbus/ i2c 和兩個uart 串行接口 5 個通用的16 位定時器 具有6 個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列 片內看門狗定時器、vdd 監(jiān)視器和溫度傳感器具有片內vdd 監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的c8051f04x 系列器件是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有

24、模擬和數(shù)字外設均可由用戶固件使能/禁止和配置。flash 存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051 固件。片內jtag 調試電路允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產品mcu 進行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統(tǒng)調試。該調試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用jtag 調試時，所有的模擬和數(shù)字外設都可全功能運行。每個mcu 都可在工業(yè)溫度范圍（-45到+85）工作，工作電壓為2.7 3.6v。端口i/o、/rst和jtag 引腳都容許5v 的輸入信號電壓。c8051f040/2/4/6 為100 腳tqfp 封

25、裝。c8051f041/3/5/7 為64 腳tqfp 封裝。 圖3-1.1 c8051f04/2原理圖c8051f04x 系列mcu 對cip-51 內核和外設有幾項關鍵性的改進，提高了整體性能，更易于在最終應用中使用。擴展的中斷系統(tǒng)向cip-51 提供20 個中斷源（標準8051 只有7 個中斷源），允許大量的模擬和數(shù)字外設中斷微控制器。一個中斷驅動的系統(tǒng)需要較少的mcu 干預，因而有更高的執(zhí)行效率。在設計一個多任務實時系統(tǒng)時，這些增加的中斷源是非常有用的。mcu 可有多達7 個復位源：一個片內vdd 監(jiān)視器、一個看門狗定時器、一個時鐘丟失檢測器、一個由比較器0 提供的電壓檢測器、一個軟件

26、強制復位、cnvstr0 輸入引腳及/rst 引腳。/rst 引腳是雙向的，可接受外部復位或將內部產生的上電復位信號輸出到/rst 引腳。除了vdd 監(jiān)視器和復位輸入引腳以外，每個復位源都可以由用戶用軟件禁止；使用monen 引腳使能/禁止vdd 監(jiān)視器。在一次上電復位之后的mcu 初始化期間，可以用軟件將wdt 永久性使能。mcu 內部有一個獨立運行的時鐘發(fā)生器，在復位后被默認為系統(tǒng)時鐘。如果需要，時鐘源可以在運行時切換到外部振蕩器，外部振蕩器可以使用晶體、陶瓷諧振器、電容、rc 或外部時鐘源產生系統(tǒng)時鐘。時鐘切換功能在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許mcu 從一個低頻率（節(jié)電）外部晶體源運

27、行，當需要時再周期性地切換到高速內部振蕩器（可達25mhz）。cip-51 有標準的8051 程序和數(shù)據(jù)地址配置。它包括256 字節(jié)的數(shù)據(jù)ram，其中高128 字節(jié)為雙映射。用間接尋址訪問通用ram的高128 字節(jié)，用直接尋址訪問128 字節(jié)的sfr 地址空間。cip-51的sfr 地址空間可包含多達256 個sfr 頁。通過sfr 分頁，cip-51 mcu 可以控制大量用于控制和配置片內外設所需要的sfr。數(shù)據(jù)ram 的低128 字節(jié)可用直接或間接尋址方式訪問。前32 個字節(jié)為4 個通用寄存器區(qū)，接下來的16 字節(jié)既可以按字節(jié)尋址也可以按位尋址。c8051f04x 中的cip-51 還另有

28、位于外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間的4kb 的ram 塊和一個可用于訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的外部存儲器接口（emif）。這個片內的4kb ram 塊可以在整個64k 外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間中被尋址（以4k 為邊界重疊）。外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間可以只映射到片內存儲器、只映射到片外存儲器、或兩者的組合（4kb 以下的地址指向片內，4kb 以上的地址指向emif）。emif 可以被配置為地址/數(shù)據(jù)線復用方式或非復用方式。mcu 的程序存儲器包含64kb（c8051f040/1/2/3/4/5）或32kb（c8051f046/7）的分塊flash。該存儲器以512 字節(jié)為一個扇區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且不需特別的外部

29、編程電壓。從0xfe00 到0xffff 的512 字節(jié)被保留。還有一個位于地址0x10000 - 0x1007f 的128 字節(jié)扇區(qū)，該扇區(qū)可用于存儲小規(guī)模的軟件常數(shù)表。圖1.7 給出了mcu 系統(tǒng)的存儲器結構。 圖3-1.3片內存儲器組織c8051f04x系列器件具有片內jtag邊界掃描和調試電路，通過4腳jtag接口并使用安裝在最終應用系統(tǒng)中的產品器件就可以進行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調試。該jtag接口完全符合ieee 1149.1規(guī)范，為生產和測試提供完全的邊界掃描功能。silicon lab的調試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、堆棧指示器和單步執(zhí)行。不需要額外的目

30、標ram、程序存儲器、定時器或通信通道。在調試時所有的模擬和數(shù)字外設都正常工作。當mcu單步執(zhí)行或遇到斷點而停止運行時，所有的外設（adc和smbus除外）都停止運行，以保持同步。開發(fā)套件c8051f040dk具有開發(fā)應用代碼所需要的全部硬件和軟件，并可對c8051f04x mcu進行在系統(tǒng)調試。開發(fā)套件包含兩個目標板和一條電纜，以便于評估簡單的can通信網絡。開發(fā)套件中包括開發(fā)者工作室軟件和調試器、目標應用板，板上有對應的mcu。套件中還包括所需要的電纜及墻裝電源。串行適配器從應用板獲取其電源，工作電壓為2.7 3.6v，需要的電流大約為20 ma。對于不能從目標板上獲取足夠電流的應用，可以

31、將套件中提供的電源直接連到串行適配器上。對于開發(fā)和調試嵌入式應用來說，silicon labs調試環(huán)境比標準mcu仿真器要優(yōu)越得多。標準的mcu仿真器要使用在板仿真芯片和目標電纜，還需要在應用板上有mcu的插座。silicon lab的調試環(huán)境既便于使用又能保證精確模擬外設的性能。 圖3.1-4調試環(huán)境示意圖3.1.1.1. 可編程數(shù)字i/o和交叉開關該系列mcu具有標準8051的端口（0、1、2和3）。在c8051f040/2/4/6中有4個附加的8位端口（4、5、6和7），因此共有64個通用i/o端口。這些i/o端口的工作情況與標準8051相似，但有一些改進。每個端口引腳都可以被配置為推挽

32、或漏極開路輸出。在標準8051中固定的“弱上拉”可以被總體禁止，這為低功耗應用提供了進一步節(jié)電的能力?？赡茏瞠毺氐母倪M是引入了數(shù)字交叉開關。這是一個大的數(shù)字開關網絡，允許將內部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到p0、p1、p2和p3的端口i/o引腳（見圖1.9）。與具有標準復用數(shù)字i/o的微控制器不同，這種結構可支持所有的功能組合?？赏ㄟ^設置交叉開關控制寄存器將片內的計數(shù)器/定時器、串行總線、硬件中斷、adc轉換啟動輸入、比較器輸出以及微控制器內部的其它數(shù)字信號配置為出現(xiàn)在端口i/o引腳。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應用選擇通用端口i/o和所需數(shù)字資源的組合。 除了5個16位的通用計數(shù)器/定時器之外，c80

33、51f04x mcu系列還有一個片內可編程計數(shù)器/定時器陣列（pca）。pca包括一個專用的16位計數(shù)器/定時器時間基準和6個可編程的捕捉/比較模塊。時間基準的時鐘可以是下面的六個時鐘源之一：系統(tǒng)時鐘/12、系統(tǒng)時鐘/4、定時器0溢出、外部時鐘輸入（eci）、系統(tǒng)時鐘和外部振蕩源/8。每個捕捉/比較模塊都有六種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、頻率輸出、8位脈沖寬度調制器和16位脈沖寬度調制器。pca捕捉/比較模塊的i/o和外部時鐘輸入可以通過數(shù)字交叉開關連到mcu的端口i/o引腳。c8051f04x系列器件內部有一個控制器局域網（can）控制器，使用can協(xié)議實現(xiàn)串行通信。該ca

34、n控制器符合bosch規(guī)范2.0a（基本can）和2.0b（全功能can），方便了can網絡通信設計。can控制器包含一個can核、消息ram（獨立于c8051的ram）、一個消息處理狀態(tài)機以及控制寄存器。can控制器可以工作在高達1m位/秒的位速率。silicon labs 的can有32個消息對象，每個消息對象有其自己的標識掩碼，該標識掩碼用于對接收到的消息進行過濾。輸入數(shù)據(jù)、消息對象和標識掩碼存儲在can消息ram中。與數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過濾有關的所有協(xié)議處理均由can控制器完成，不需c8051 mcu干預。這就使得用于can通信的cpu帶寬最小。c8051通過特殊功能控制器（sfr）配置c

35、an控制器，讀取接收的數(shù)據(jù)，寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)。3.1.1.2. 12/10 位模/數(shù)轉換器c8051f040/1有一個片內12位sar adc（adc0），一個9通道輸入多路選擇開關和可編程增益放大器。該adc工作在100ksps 的最大采樣速率時可提供真正的12 位精度， inl為 1lsb。c8051f042/3/4/5/6/7有一個片內10位sar adc，技術指標和配置選項與c8051f040/1的adc類似。adc0的電壓基準可以在dac0輸出和外部vref引腳之間選擇。對于c8051f040/2/4/6器件，adc0有其專用的vref0輸入引腳；對于c8051f041/3/5/7器

36、件，adc0使用vrefa輸入引腳，并且在c8051f041/3中adc0與8位的adc2共享vrefa輸入引腳。片內15ppm/c的電壓基準可通過vref輸出引腳為片內adc或其它系統(tǒng)部件產生基準電壓。adc完全由cip-51通過特殊功能寄存器控制。一個輸入通道被連到內部溫度傳感器，其它8個通道接外部輸入。8個外部輸入通道的每一對都可被配置為兩個單端輸入或一個差分輸入。系統(tǒng)控制器可以將adc置于關斷狀態(tài)以節(jié)省功耗?？删幊淘鲆娣糯笃鹘釉谀M多路選擇器之后，增益可以用軟件設置為0.5、1、2、4、8或16。當不同adc輸入通道之間輸入的電壓信號范圍差距較大或需要放大一個具有較大直流偏移的信號時（

37、在差分方式，dac可用于提供直流偏移），這個放大環(huán)節(jié)是非常有用的。a/d轉換有4種啟動方式：軟件命令、定時器2溢出、定時器3溢出和外部信號輸入。這種靈活性允許用軟件事件、外部硬件信號或周期性的定時器溢出信號觸發(fā)轉換。轉換結束由一個狀態(tài)位指示，或者產生中斷（如果中斷被使能）。在轉換完成后，10或12位轉換結果數(shù)據(jù)字被鎖存到兩個特殊功能寄存器中。這些數(shù)據(jù)字可以用軟件控制為左對齊或右對齊。窗口比較寄存器可被配置為當adc數(shù)據(jù)位于一個規(guī)定的范圍之內或之外時向控制器申請中斷。adc可以用后臺方式連續(xù)監(jiān)視一個關鍵電壓，當轉換數(shù)據(jù)位于規(guī)定的窗口之內時才中斷控制器。圖3.1.1.2 12/10 位模/數(shù)轉換器

38、3.1.1.3. 高壓差分放大器高壓差分放大器（hvda）可以用于測量高達60v 峰-峰值的高差分電壓，抑制高達60v 的共模電壓，并將信號電壓調節(jié)到適合于adc0 的輸入范圍。hvda 的輸入信號可以低于agnd 到-60v，高于agnd 到+60v，使其適合于單電源和雙電源應用。hvda 可以通過高壓基準輸入（hvref）為adc 提供共模信號，這就允許使用片內電路測量超出adc 額定范圍的信號。hvda 的增益范圍為0.05v/v 14v/v。當輸出放大器作為單位增益緩沖器使用時，總增益由第一級20:1 差分放大器的增益決定，為0.05v/v。當輸出放大器的增益被設置為280 時（用高壓

39、控制寄存器中的hvgain為選擇），可得到總增益為14v/v。hvda 經工廠校準，提供高達72 db 的高共模抑制比。hvda 使用4 個外部輸入引腳： hvain+、hvain-、hvcap 和前面提及的hvref。hvain+和hvain-為hvda 的差分輸入。hvref 可被用于為adc0 的輸入提供共模參考。hvcap 用于連接濾波電容，該電容與r7 一起實現(xiàn)對噪聲濾波（r7 及放大器中的其它電阻值見圖5.3）。hvcap還可以被用于調節(jié)hvda 第一級的放大倍數(shù)。vout = (hvain+) - (hvain-)增益 + hvref 圖3.1.1.3 高壓差分放大器功能框圖3.

40、2 傳感器系統(tǒng)設計與選型在玻璃配料過程中，玻璃原料的稱量普遍由電子秤稱量系統(tǒng)來完成。稱重傳感器技術是電子稱重技術的重要基礎，同時稱重傳感器是電子衡器和電子稱重系統(tǒng)的核心部件。本章就稱重傳感器技術做了詳細的分析，并針對本系統(tǒng)對稱重傳感器及其顯示控制儀進行了設計選型。3.2.1 稱重傳感器技術稱重傳感器是一種力傳感器，通過把被測量質量轉換成另一種被測量來測量質量的傳感器。稱重傳感器是電子秤的重要部件，它把被稱物體的重量轉換成電信號，經過處理后指示出來。因此它的優(yōu)劣在很大程度上決定了電子秤的精確度。 近年來，電子稱重技術和電子衡器產品的一個重要發(fā)展方向，就是從靜態(tài)稱重向快速稱重、低速動態(tài)稱重和動態(tài)稱

41、重方向發(fā)展，應用領域不斷擴大。對稱重傳感器除準確度高，穩(wěn)定性好，工作壽命長等要求外，還提出許多新要求，主要是耐壓、防爆、防腐蝕、耐高溫、動態(tài)響應快、穩(wěn)定時間短等。 研究分析當今國內外稱重傳感器技術與工藝的發(fā)展動向，結合電子稱重技術和電子衡器產品的新需求，總結出稱重傳感器技術動向如下： (1)小型化 小型化是指稱重傳感器的體積小、高度低、重量輕，即小薄輕。不同結構的電子衡器又有不同的需求。便攜式靜動態(tài)輪重秤要求高度為20 mm左右的低外形蝶式稱重傳感器；天車秤、抓斗秤要求薄形、超薄形板式稱重傳感器。就是一些大型電子衡器為使其重心低穩(wěn)定性好也要求稱重傳感器體積小高度低，變形小容量大。 (2)集成化

42、 集成化有兩種含義，其一是結構集成化，將稱重傳感器彈性體與秤體、承力傳力支承等一體化，形成一個整體結構的稱重傳感器。其二是功能集成化，將重量信息攝取、放大、變換、傳輸、信息處理和顯示都集于一體或將稱重傳感器、秤體和稱重顯示控制器合三為一。例如美國intercomp(英特康普)公司、德國gtm公司數(shù)顯稱重板。 (3)多功能化 多功能化也有兩種含義：一種是稱重傳感器本身除具有檢測重量信息功能外，還有能檢測其它信息的功能，例如電子吊秤用稱重傳感器除檢測重量信息外還能檢測加速度信息；一種是稱重傳感器本身不僅具有重量信息檢測功能而且還兼有信號處理等其它功能，或者此種稱重傳感器于其它功能復合產生出新的功能

43、。 (4)智能化 智能化傳感器具有一種或多種敏感功能，能夠完成信號探測和處理、邏輯判斷、雙向通訊、自檢、自校、自補償、自診斷和計算等全部或部分功能。當今智能傳感器主要為數(shù)字式傳感器，整體型數(shù)字傳感器是在稱重傳感器內部安裝有放大、濾波、a/d 轉換、微處理芯片和溫度敏感元件等組成數(shù)字處理電路，利用微處理器已存入的軟件，實施各項數(shù)字補償工藝進行各項性能調整和測試，最后采用電子束焊或激光焊進行密封。數(shù)字式稱重傳感器的制造工藝完全不同于模擬式稱重傳感器，主要是兩個環(huán)節(jié)：其一彈性體貼片組成惠斯登電橋電路后，通過試驗測試建立數(shù)字補償工藝要求的各項數(shù)學模型，形成便于程序化計算的公式。其二是根據(jù)數(shù)學模型編制出

44、簡單實用的補償計算軟件，存儲在微處理器芯片中進行各項誤差修正和補償。軟件技術主要有數(shù)字濾波技術、標度變換技術、數(shù)字調零技術、溫度補償技術和線性補償技術等。 隨著數(shù)字信息時代的到來，在工業(yè)過程檢測和稱重計量與控制系統(tǒng)中，數(shù)字化電子衡器和數(shù)字稱重系統(tǒng)的應用越來越多，這就要求數(shù)字式智能稱重傳感器的相關技術與配套儀表要盡快發(fā)展。 3.3 稱重測量模塊設計 cip-51 系統(tǒng)控制器的存儲器組織與標準8051 的存儲器組織類似。有兩個獨立的存儲器空間：程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。程序和數(shù)據(jù)存儲器共享同一個地址空間，但用不同的指令類型訪問。cip-51 內部有256 字節(jié)的內部數(shù)據(jù)存儲器和64kb 的內部程序存

45、儲器地址空間。3.3.1 稱重傳感器分析與設計稱重傳感器是將料斗及料斗中的原料重量變換成電信號，傳感器選擇得是否合適，對配料控制器的控制精度、成本均有非常大的影響，因此結合料斗的結構特點和工作原理選用了電阻應變式拉力稱重傳感器。電阻應變式拉力稱重傳感器主要有以下特點：(1)精度高，測量范圍廣。 (2)頻率響應好。 (3)結構簡單，尺寸小，重量輕，安裝簡便。 (4)可在高溫、低溫、高壓、強烈振動、強磁場及核輻射等惡劣環(huán)境下工作。3.3.2 電阻應變式傳感器工作原理 電阻應變片是用直徑為0.025 mm具有高電阻串的電阻絲制成的，為了獲得高的阻值，將電阻絲排列成柵網狀，稱為敏感柵，并粘貼在絕緣的基

46、片上。電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護用的覆蓋層。用應變片測量時，將其粘貼在被測對象表面上。當被測對象受力變形時，應變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化，通過轉換電路轉換為電壓或電流的變化，這是用來直接測量應變。 常規(guī)的電阻應變片靈敏度系數(shù)很()。機械應變 一般在范圍內，故電阻應變片的電阻變化() 范圍為，因而，測量電路應當能精確地測量出這些小的電阻變化。在電阻應變傳感器中最常用的是橋式測量電路，如圖3-1所示。 圖3.3.2 橋是測量電路橋式測量電路由電阻1r 、2r 、3r 和4r 順序連成一個環(huán)形，每一個電阻都是電阻應變片。在對角線上安上電源，當四個橋臂電阻達到某一關系

47、時，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出。可利用靈敏檢流計來測量輸出電壓，因此電橋能夠精確地測量微小的電阻變化。 在一般情況下，輸出電壓ou 可以用bcu 和acu 之差表示為了使測量前電橋保持輸出為零(電橋平衡)，應使 r1r3=r2r4通過恰當?shù)剡x用各個橋臂的電阻，便可消除電橋的恒定偏移輸出，使輸出電壓只與應變片的電阻變化有關。根據(jù)分析可知，在滿足(3-2)的條件下，當每個橋臂電阻變化遠小于本身值時，即r r，橋路負載電阻無限大時，輸出電壓可近似用下式表示當電阻應變較小時，其值接近于零，可以忽略不計。對于常規(guī)應變片因靈敏系數(shù)較小，故即使應變相當大時，非線性也是很小的，通?？梢院雎圆挥?。在使用半導

48、體應變片測量較大的應變時，非線性往往大到不能護理的程度，需要對測量值進行修正，或在電路上采取線性補償措施。在半橋電路中，如果兩應變片的應變絕對值相等符號相反，則非線性大大降低。 上面討論的是當電橋負載電阻無限大時的情況。當負載電阻為有限值r 時，電橋輸出電流可用下式計算當r 1r2= r3r4時，電橋平衡， i =0。如要計算應變片電阻變化時的輸出電流，可將r + r帶入上式的r 即可。 在應用電橋電路測量前應先使電橋調零，對于直流電橋只考慮電阻即可。對于交流電橋不僅對電阻進行平衡，還必須對電抗分量進行平衡(主要是對連結導線和應變片的分布電容進行平衡)。 溫度變化會引起應變電阻變化，對測量造成

49、誤差。在橋路輸出中，消除這種誤差以求出僅由應變引起的電橋輸出的方法叫溫度補償。 利用電橋相鄰相等兩臂同時產生大小相等、符號相同的電阻增量不會破壞電橋平衡(無輸出)的特性來達到補償。將兩個特性相同的應變片用相同的方法粘貼在同樣的兩個試件上，置于相同的環(huán)境溫度中，一個承受應力，為工作片，另一個不受應力，為補償片。在測量時，如溫度變化，兩個應變片引起的電阻增量不但符號相同而且數(shù)量相等。由于它們接在電橋的相鄰兩臂上，橋路仍然平衡。電橋如有輸出，則完全由應變引起的。此法亦適用于全橋，橋路補償簡單，在常溫下效果好。如補償片和應變片所處溫度不能保證完全一致時，則影響補償效果。3.3.3 稱重傳感器的連接 在

50、本文介紹的稱重配料系統(tǒng)中，秤體采用柱狀吊裝式結構，為了使秤體平衡一般配置三只拉式稱重傳感器吊裝。而同一型號的稱重傳感器在相同的重量下的毫伏電壓輸出值與供橋電壓有關。為了得到相同重量下的相同的毫伏輸出，必要時需給三只傳感器分別提供可調整的高精度供橋電壓，克服物料從喂料絞龍下落到秤體的不均衡性，使物料處于秤體的任何位置，均得到相同的毫伏電壓信號，并把各稱重傳感器的毫伏輸出進行串聯(lián)連接。 稱重傳感器的連接形式如圖 3-2 所示。三個傳感器在稱量料斗上表面上相隔 120 均勻布，但它們的so / r( s 為傳感器靈敏度系數(shù)，or 為傳感器的輸出阻抗)參數(shù)很難選配的完全一致，有時差異可能較大，這種并聯(lián)

51、組秤電路可以有效的消除偏載誤差。 圖3.3.3稱重傳感器的連接形式圖3.3.3.1并聯(lián)差動全橋等效電路這種并聯(lián)連接方式又稱為并聯(lián)差動全橋電路，圖中wir ( i =1,2,3)為靈敏度調整電阻，su 為供橋電壓，ou 為傳感器并聯(lián)輸出電壓。并聯(lián)電路可簡化成如圖3-3所示的等效電路。其中oiu 和oir 分別是對應于第 i 只傳感器的等效輸出電壓和輸出阻抗。由圖3-3可得輸出電壓為3.3.4 稱重傳感器的選型在整個系統(tǒng)中，重量傳感器是一個非常關鍵的部件，它的精度如何，直接影響著系統(tǒng)配料的精度能否達到。傳感器模塊的選擇應注意以下幾點： (1)傳感器的精度 目前，稱重傳感器的普通級精度為5，中級精度

52、為5至0.5，高精度為0.3至0.1。傳感器的精度包括額定載荷、靈敏度、非線性、重復性、滯后性和蠕變等主要技術參數(shù)。實際選用時首先要考慮測量現(xiàn)場的系統(tǒng)測量精度，按不同的要求而選用不同精度等級的傳感器。 (2)密封狀態(tài)選擇 工業(yè)使用的傳感器，考慮其長時間地連續(xù)使用，使用場合環(huán)境又比較惡劣，常常要求選用密封型傳感器，以使傳感器免受外界環(huán)境，如潮濕、粉塵、腐蝕氣體等影響，使其能保證測量精度和穩(wěn)定性。 (3)傳感器的量程 電子稱重系統(tǒng)的實際應用場合往往是多個傳感器聯(lián)用的，因此傳感器的量程選擇必須考慮如被稱量物料的最大重量或物料的總重量、秤臺或料斗裝置的自重(皮重)、傳感器設置的數(shù)量、正常操作下可能產生

53、的最大偏載以及稱量狀態(tài)下可能出現(xiàn)的動載和下料時的沖擊載荷等因素。(4)傳感器受力形式 傳感器的受力形式基本上可分成拉式和壓式兩大類。由于承重結構有平臺、料斗球罐等不同形式，傳感器在安裝設計時，其受力狀態(tài)又各不相同，因此要從整體設計出發(fā)考慮傳感器的受力形式，最終可選定合適結構的傳感器。 本系統(tǒng)選擇的是mettler-toledo公司的tsc系列稱重模塊。稱重模塊實際上就是包含稱重傳感器，可以感受重量的機械部件。作為傳統(tǒng)的計量產品，如液位計、料為計、流量計等，它們普遍的缺陷是計量精度較低，不能滿足高精度的計量。而稱重模塊的計量精度在動態(tài)時(連續(xù)進料、放料)時可到2/1000，在靜態(tài)(進料、放料再進

54、料)時可達到1/2000或更高。 tsc系列稱重模塊為s型外形，其特點是結構緊湊、綜合精度高、長期穩(wěn)定性好、優(yōu)質合金鋼結構，適用于吊鉤秤、配料稱重控制、機械衡的機電改造等，其機械結構如圖3.3.4.1所示，技術指標見表3.3.4.2圖3.3.4.1 tsc系列傳感器機械結構圖3.3.4.2傳感器技術指標在本配料系統(tǒng)中，工藝上要求的精度為1。的傳感器技術指標可以看出，tsc 系列傳感器完全可以滿足系統(tǒng)精度。只要針對各個配料秤的配方值和秤體重量合理的選擇量程就能夠很好的完成配料系統(tǒng)的稱量任務。3.4 中斷系統(tǒng)cip-51 包含一個擴展的中斷系統(tǒng)，支持20 個中斷源，每個中斷源有兩個優(yōu)先級。中斷源在

55、片內外設與外部輸入引腳之間的分配隨器件的不同而變化。每個中斷源可以在一個sfr 中有一個或多個中斷標志。當一個外設或外部源滿足有效的中斷條件時，相應的中斷標志被置為邏輯1。如果中斷被允許，在中斷標志被置位時將產生中斷。一旦當前指令執(zhí)行完，cpu產生一個lcall到一個預定地址，開始執(zhí)行中斷服務程序（isr）。每個isr 必須以reti 指令結束，使程序回到中斷前執(zhí)行完的那條指令的下一條指令。如果中斷未被允許，中斷標志將被硬件忽略，程序繼續(xù)正常執(zhí)行。中斷標志置1 與否不受中斷允許/禁止狀態(tài)的影響。每個中斷源都可以用一個sfr（ie-eie2）中的相關中斷允許位允許或禁止，但是必須首先置1ea 位

56、（ie.7）以保證每個單獨的中斷允許位有效。不管每個中斷允許位的設置如何，清0ea 位將禁止所有中斷。注：任何清除ea 位的指令后面應立即跟隨一條具有2 或多字節(jié)操作碼的指令。例如：/ 在c語言程序中：ea = 0 ; / 清除ea 位ea = 0 ; / 跟隨一條2 字接操作碼的指令/ 在匯編語言程序中：clr ea ; 清除ea 位clr ea ; 跟隨一條2 字接操作碼的指令如果在“clr ea”操作碼（或任何清除ea 位的指令）的執(zhí)行期間產生了一個中斷，并且該指令的后面是一條單周期指令，則中斷可能被響應。但是在中斷服務程序中讀ea 位時將返回0值。當“clr ea”操作碼后面是一條多周期指令時，則中斷不會被響應。某些中斷標志在cpu 進入isr 時被自動清除。但大多數(shù)中斷標志不是由硬件清除的，必須在isr 返回前用軟件清除。如果一個中斷標志在cpu 執(zhí)行完中斷返回（reti）指令后仍然保持置位狀態(tài)，則會立即產生一個新的中斷請求，cp