单片机课程设计电缆定长控制器设计.docx
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单片机课程设计电缆定长控制器设计
单片机原理、应用及接口技术
课程设计
成绩评定表
设计课题基于89C51的电缆定长控制设计
学院名称:
电气工程学院
专业班级:
测控**01
学生姓名:
孙旭朋
学号:
2009*****119
指导教师:
臧**
设计地点:
31-630
设计时间:
2011-12-12~2011-12-25
指导教师意见:
成绩:
签名:
年月日
单片机原理、应用及接口技术
课程设计
课程设计名称:
基于89C51的电缆定长控制设计
专业班级:
测控**01
学生姓名:
孙旭朋
学号:
2009*****119
指导教师:
臧**
课程设计地点:
31-630
课程设计时间:
2011-12-12~2011-12-25
单片机原理、应用及接口技术课程设计任务书
学生姓名
孙旭朋
专业班级
测控**01
学号
2009*****119
题目
基于89C51的电缆定长控制设计
课题性质
工程设计
课题来源
自拟
指导教师
臧海河
主要内容
(参数)
利用89C51设计电缆定长控制系统,实现以下功能:
1.电缆的设定长度控制,达到设定长度后自动切断;
2.已经通过传感器部分电缆长度的动态显示;
3.手动设定长度,随时手动显示设定值;
4.每次切断后10秒左右程序自动重复执行;
任务要求
(进度)
第1天:
熟悉课程设计任务及要求,查阅技术资料,确定设计方案。
第2-3天:
按照确定的方案设计单元电路。
要求画出单元电路图,元件及元件参数选择要有依据,各单元电路的设计要有详细论述。
第4-6天:
软件设计,编写程序。
第7-8天:
实验室调试。
第9-10天:
撰写课程设计报告。
要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确,篇幅不少于6000字。
主要参考
资料
[1]张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术(第2版)[M].北京:
国防工业出版社,2004
[2]中国电子网http:
//www.21IC.com
审查意见
系(教研室)主任签字:
年月日
1引言
电缆定长控制器是基于89C51单片机进行设计的定长控制器,操作直观简单,可以配套使用并控制相应的电机,广泛应用于各种电缆生产需要定长控制的机械。
电缆定长控制器由信号采集调理部分、数码管显示部分、电机控制部分以及键盘输入部分组成。
控制器在执行过程中由信号采集调理部分将信号即脉冲传输到单片机中,单片机通过预定的程序对电机及切割部分进行控制;键盘输入部分通过键盘的按钮对电缆的长度进行设置,设定值可随时手动在数码管上显示。
电缆定长控制器控制准确、结构简单、使用方便、适用范围广。
本控制系统由测控技术与仪器0901班孙旭朋、王**、胡**设计完成,其中孙旭朋主要负责绘制电路图和程序的编写,王**主要负责硬件电路的设计,胡**主要负责系统的调试工作。
本系统采用C语言编写。
2总体方案设计
2.1硬件组成
按照电缆生产工艺对控制系统的技术要求,控制系统的硬件应包括以下几部分:
(1)控制部分:
控制部分作为电缆定长控制器的核心,本例中采用89C51微型控制器最小系统完成,在定长控制器工作的过程中控制部分通过信号采集调理部分采集信号,并与内部程序存储器中的值进行比较,按照预定的程序控制电机的转停及电缆是否被切断;同时控制部分还控制键盘的输入及数码管的动态显示。
(2)信号采集调理部分:
通过光电传感器将电机主轴的转动圈数转化为脉冲数,经过信号调理(本系统中主要是放大)将信号调整为控制部分可以识别的脉冲信号。
(3)显示部分:
通过两个74hc373来控制4位8段数码管的段选和位选来实现数码管的动态显示。
(4)执行部分:
通过继电器或三极管控制电机的转或停。
(5)输入部分:
通过三个按键的独立键盘对电缆要求长度进行实时控制和随时显示设定值操作。
2.2总体方案
如图2.2所示,系统通过光电传感器采集电机转动情况的信号,当电机转动一圈时会产生一个单脉冲,脉冲经放大被送到单片机外部中断引脚引起中断,单片机每执行一次中断,数码管显示(单片机的P1口输出数据,两个片选端连接两个74HC373来控制4位8段数码管的显示)值会加一,当数码管显示值与设定的数值一致时,单片机会控制电机停转,同时通过控制电磁继电器(或三极管)启动工作剪剪断电缆。
电缆的长度通过独立键盘设定,在键盘上有三个键,分别是s4、s3、s2,其中s4是设置键,s3是加1键,s2是显示设定值键。
程序默认设定初值为1000。
图2.2系统硬件组成图
3硬件电路设计
3.1单片机最小系统
本系统中用单片机最小系统做为控制核心部件,这里采用Atmel公司的At89c51单片机,该单片机以其推出时间早、配套资源丰富、开发手段完善、性价比高等特点而得到了广泛的应用,是单片机的主流品种。
AT89c51的内部资源主要包括:
·与MCS--51系列完全兼容的高性能8位CPU;
·4K字节可重复编程的Flash存储器;
128字节的SRAM;
·4个8位的并行口,共32条I/O口线;
·2个16位的定时器/计数器;
·5个中断源,2个中断优先级的中断系统;
·一个全双工的串行口;
·内部振荡器。
这里采用的最小体统包括单片机,振荡电路,复位电路。
如图3.1所示。
图3.1单片机最小系统
3.2光电传感器及信号调理电路
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。
它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
本系统中将光电传感器转在电机主轴上,电机主轴每转动一圈,光路将会被打断一次,从而产生一个脉冲信号,然后吧脉冲信号通过反向放大器放大后送到单片机的外部中断INT0,向CPU申请中断,如图3.2所示
图3.2信号采集调理电路
3.3数码管显示电路
数码管要正常显示,就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码,从而显示出我们要的数字,因此根据数码管的驱动方式的不同,可以分为静态式和动态式两类。
静态驱动也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动。
静态驱动的优点是编程简单,显示亮度高,缺点是占用I/O端口多,实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动,增加了硬件电路的复杂性。
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一,动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起,另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路,位选通由各自独立的I/O线控制,当单片机输出字形码时,所有数码管都接收到相同的字形码,但究竟是那个数码管会显示出字形,取决于单片机对位选通COM端电路的控制,通过分时轮流控制各个数码管的的COM端,就使各个数码管轮流受控显示,这就是动态驱动。
只要扫描的速度足够快,给人的印象就是一组稳定的显示数据,不会有闪烁感,动态显示的效果和静态显示是一样的,能够节省大量的I/O端口,而且功耗更低
本系统中采用单片机的P1口输出数据,两个片选端连接两个74HC373来控制4位8段共阴极数码管的显示,显示部分电路如图3.3所示,共阴极数码管常用数字表如表3.3所示
图3.3数码管显示电路
表3.3共阴极数码管常用数字表
3.4执行电路
电磁继电器一般由电磁铁,衔铁,弹簧片,触点等组成的,其工作电路由低压控制电路和高压工作电路两部分构成。
电磁继电器还可以实现远距离控制和自动化控制。
只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。
当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点(常闭触点)释放。
这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点,可以这样来区分:
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点,称为“常开触点”;处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
在数字电路中,三极管是作为一个开关来使用的,它不允许工作在放大状态,而只能工作在饱和导通状态(又称饱和状态)或截止状态。
(1)、截止
当输入
时,基射间的电压
小于其门限电压Uth(0.5V),三极管截止,电流
≈0,电流
≈0,输出
=
≈VCC,为了使三极管能可靠截止,应使发射结处于反偏,因此,三极管的可靠截止条件为:
。
三极管截止时,E、B、C三个极互为开路。
(2)、饱和
当输入
时,使三极管工作在临界饱和状态,此时:
因此,三极管饱和条件为:
当三极管饱和时,
达到最大;
达到最小。
C、B、E为连通。
本系统中通过电磁继电器(三极管)来控制电机和工作剪的工作状态,电路如图3.4所示
图3.4执行电路(注:
100处接工作剪,图中为画出)
3.5键盘电路
单片机应用系统中的键盘接口电路一般有两种方式:
行列式键盘和独立式键盘。
前者适用于需要按键数量较多的场合,后者适用于需要按键数量较少的场合。
本系统中采用的独立键盘,是用来对电缆的长度进行设定的,同时键盘也可以调整数码管显示值和设定值之间的相互切换。
如图3.5所示,在键盘上有三个键,分别是s4、s3、s2,其中s4是设置键,s3是加1键,s2是显示设定值键。
当第1次按下s4并松开时,总中断关闭,停止计数,同时屏蔽电机继电器(三极管)和工作剪继电器(三极管),数码管个位显示,此时按s3进行设定,十位、百位、千位设定方法一样。
当第5次按下s4并松开时,总中断打开,同时取消对电机继电器(三极管)和工作剪继电器(三极管)的屏蔽。
当按下s2不松开时,数码管显示设定值,此时仍然保持计数,电机和工作剪都不受影响;当松开s2时,数码管显示计数值,当计数个数与设定值相等时,电机停止,控刀开启,计数清0。
10秒后重新开始工作。
图3.5键盘电路
4系统软件设计
系统软件用C语言编写,分为主程序、中断服务程序和子程序三部分。
4.1主程序设计
主程序是系统上电或复位后首先要执行的程序,主程序主要完成系统的初始化、扫描显示、扫描键盘等工作。
本系统上电或复位时,根据有没有按键按下以及有键按下时按下的是哪个键,分为以下几种状态:
图4.1主程序流程图
1.设置键s4按下时,进入设定长度状态。
该状态下程序禁止中断,屏蔽电机和工作剪,只显示正在设置位的值,此时按s3进行设置。
2.显示设定值键s2按下不松开时,调用显示设定值子函数,松开后停止调用。
3.没有键按下时,进入扫描数码管子程序。
每扫描一次会判断显示值与设定值是否相等,若相等,调用执行子程序,若不等返回。
按照上述分析,主程序流程图如图4.1所示。
4.2中断服务程序设计
本系统中断用外部中断INT0,初始化后主程序就等待中断请求,中断服务程序流程图如图4.2所示
否
是
图4.2中断服务程序流程图
4.3部分主要子程序的设计
系统主要子程序包括初始化子程序、数码管显示子程序、s4键处理子程序、s3键处理子程序、s2键处理子程序、执行子程序。
(1)初始化子程序的设计
(2)数码管显示子程序的设计
(3)s4键处理子程序的设计
(4)s3键处理子程序的设计
(5)s2键处理子程序的设计
(6)执行子程序的设计
5系统调试与总结
系统研制完成后,首先在实验室进行了系统功能测试和技术指标测试,然后在生产现场进行了实际运行测试。
5.1系统功能测试
系统上电后,显示正常,进行了以下测试。
1.配方输入功能测试。
2.自动校零点测试。
3.自动校满度测试。
4.选择配方功能测试。
5.查看配方功能测试。
6.手动配料功能测试。
7.自动配料功能测试。
上述测试结果与预期相符。
5.2技术指标测试
1.硬件电路测试
由于系统硬件电路设计时采用了高精度仪表放大器AD620,并且选用了精度为0.03%的高精度称重传感器,上述两部分电路在“金属制品力学性能测试系统”中得到了成功的应用,因此,硬件电路测试仅对V/F转换电路进行了测试。
采用台湾固纬GPS-1830D直流稳压电源作为输入,普通150MHz数字频率计作为测试工具,测试数据列于表5.1。
表5.1硬件电路测试数据表
输入(V)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
输出(Hz)
0~4
16022~16036
32054~32065
48083~48093
64113~64122
80144~80151
96173~96180
由表5.1可知:
最大绝对误差出现在输入为0.5V时,以96176Hz作为3V输入时的标准值,则最大非线性误差(0.5V输入时)[38]为:
δ=
由于在砼配料控制装置的应用中确定的采样周期为100ms,在不同输入时,最大计数值与最小计数值最大相差4个数字,通过程序进行数字滤波,可有效减小非线性误差。
(2)综合静态误差测试
在进行了自动校零点和自动校满度操作之后,采用技术监督部门对砼配料机的检定规程,进行了系统综合静态误差测试。
测试工具为5个20kg的砝码,测试数据列于表5.2
表5.2综合静态误差测试
砝码重量(kg)
0
20
40
60
80
100
显示数据(kg)
0
20
40
60
80
100
测试结果符合系统技术指标规定。
5.4总结
MCU具有体积小、重量轻、价格低廉的特点,应用于自动控制系统中可以有效降低系统的成本。
针对不同工业现场的情况,采取相应的抗干扰措施,可以在环境恶劣的工业现场可靠地运行。
数据采集通道中采用V/F转换器,具有转换精度高、抗工频干扰能力强、易于实现光电隔离以及价格低廉等特点,合理确定外围元件的参数是保证数据采集精度的关键。
借鉴人工控制的经验,通过大量试验得到物料落差在不同情况下的实际重量,根据物料的重量结合PLD系列砼配料机的具体型号,可以在砼配料生产过程中对物料的落差进行较为准确的预测,从而构建出用于落差修正的查询表。
参考文献
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预拌混凝土(GB/T14902-2003).北京 :
中国标准出版社,2003年
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建筑机械化,2006(6) :
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河南机电高等专科学校学报,2004(5) :
51~52
附录A系统原理图
附录B源程序
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG001BH
AJMPT111
ORG0040H
MAIN:
MOVSP,#5FH
CLRSCL
JBP1.4,MA1
AJMPSETUP;设置键按下转SETUP,否则
MA1:
JBP1.1,MA2
AJMPZERO
MA2:
JNBP1.2,FULL
AJMPSTART
ZERO:
MOV56H,#0
MOV57H,#0
MOV58H,#0
MOV59H,#0
MOV5AH,#0
MOV5BH,#0
MOV5CH,#0
MOV5DH,#0
MOV5EH,#0
MOV5FH,#0
ZE1:
ACALLDIR
JNBP1.1,ZE1
AJMPJIAOYAN
FULL:
MOV56H,#0
MOV57H,#0
MOV58H,#1
MOV59H,#0
MOV5AH,#0
MOV5BH,#0
MOV5CH,#0
MOV5DH,#0
MOV5EH,#0
MOV5FH,#0
FU1:
ACALLDIR
JNBP1.2,FU1
JIAOYAN:
MOVR0,#0F0H
MOVR1,#46H
MOVR2,#0A2H
LCALLDRD
CLR04H
MW:
ACALLDIR
JNBP1.2,MW
MOVTMOD,#15H
MW0:
MOVTL0,#0
MOVTH0,#0
MOVTL1,#0B0H
MOVTH1,#3CH
MOVTCON,#50H
MOVR7,#0
MW1:
JNBTF1,$
CLRTF1
MOVTL1,#0B0H
MOVTH1,#3CH
INCR7
CJNER7,#4,MW1
MOVTCON,#00H
MOVA,57H
ORLA,58H
JNZMWF
MOV52H,TL0
MOV51H,TH0
MOVR7,#2
MW2:
CLRC
MOVA,51H
RRCA
MOV51H,A
MOVA,52H
RRCA
MOV52H,A
DJNZR7,MW2
MOVA,52H
ANLA,#0FH
MOV5FH,A
MOVA,52H
ANLA,#0F0H
SWAPA
MOV5EH,A
MOVA,51H
ANLA,#0FH
MOV5DH,A
MOVA,51H
ANLA,#0F0H
SWAPA
MOV5CH,A
AJMPMWE
MWF:
MOV35H,TL0
MOV34H,TH0
MOVR7,#2
MWF1:
CLRC
MOVA,34H
RRCA
MOV34H,A
MOVA,35H
RRCA
MOV35H,A
DJNZR7,MWF1
MOVA,35H
ANLA,#0FH
MOV5FH,A
MOVA,35H
ANLA,#0F0H
SWAPA
MOV5EH,A
MOVA,34H
ANLA,#0FH
MOV5DH,A
MOVA,34H
ANLA,#0F0H
SWAPA
MOV5CH,A
MOVA,35H
CLRC
SUBBA,52H
MOV35H,A
MOVA,34H
SUBBA,51H
MOV34H,A
MOV33H,#16
MOVR0,#33H;格式化
LCALLNORM
MOV30H,#07H;100
MOV31H,#0C8H
MOV32H,#00H
MOVR0,#30H
MOVR1,#33H
LCALLFDIV
MOV53H,R4
MOV54H,R2
MOV55H,R3
MWE:
CLR04H
MOVR5,#100
MW3:
ACALLDIR
JNBP1.4,CHEC1
DJNZR5,MW3
AJMPMW0
CHEC1:
AJMPCHECK
FUL1:
AJMPFULL
ZER1:
AJMPZERO
START:
MOVR0,#0
MOVR1,#10H
MOVR2,#0A2H;24LCO4控制字10100010
LCALLDRD
MOVR0,#0F0H
MOVR1,#46H
MOVR2,#0A2H
LCALLDRD
MOV56H,#1;料
MOV57H,10H;千位设定值
MOV58H,11H;百位
MOV59H,12H;十位
MOV5AH,13H;个位
MOV5BH,#0;配方
MOV5CH,#0;千位测量值
MOV5DH,#0;百位
MOV5EH,#0;十位
MOV5FH,#0;个位
CLR04H;BIT(04H)=0,闪亮位亮,BIT(04H)=1,闪亮位灭
MW4:
ACALLDIR
JNBP1.4,MW4
CLR05H
CLR06H
MOVTMOD,#15H;T0计数,T1定时,16位定时/计数器
MOVTL0,#0
MOVTH0,#0
MOVTL1,#0B0H;定时100ms
MOVTH1,#3CH
M1:
ACALLDIR
JNBP1.0,NEXT1;下一参数
JNBP1.1,PGDW1;上一配方
JNBP1.2,PGUP1;下一配方
JNBP1.3,RUN1;运行
SJMPM1
NEXT1:
AJMPNEXT
PGUP1:
AJMPPGUP
PGDW1:
AJMPPGDW
RUN1:
AJMPRUN
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