自动加料机控制系统设计.docx
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毕业设计
题目:
自动加料机控制系统设计
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摘要
本文设计的自动加料机控制系统是由STC89C52RC单片机和LCD1602显示器、压力传感器等组成的,其工作原理是:
当加物料时压力传感器感测物料压力,24位AD转换芯片HX711对传感器采集到的模拟量进行AD转换,转换后的数据送到单片机进行处理从而液晶显示屏显示当前压力值,单片机显示当前压力与单片机设定的物料压力大小范围进行比较,从而实现自动控制物料在设定范围,实现智能控制物料大大节约成本提高了效率。
本设计的自动加料机控制系统,是采用自动控制技术来实现功能的,这样就大大提高了工作的效率,整个过程又快又稳。
自动加料机的设计可以大大节省人力资源控制,加料过程完成了自动控制,提高了生产效率以及生产的质量。
同时,家庭使用自动加料机进行生产养殖,也可以节省人力资源创造更大的利益,给人民的生产生活带来方便,给工业化大生产带来巨大的利益效益及工作效率。
关键词:
STC89C52RC单片机;自动加料机;控制系统
ABSTRACT
AutomaticfeedingmachinecontrolsystemdesignedinthispaperismadeupofSTC89C52RCsinglechipandLCD1602display,pressuresensorsandothercomponents,itsworkingprincipleis:
whenthematerialpressuresensorsensingmaterialpressure,analog24bitADconverterchipHX711tocollecttheADconversion,thetransformeddataprocessedbythesingle-chipmicrocomputertotheLCDdisplayshowsthecurrentvalueofpressure,single-chipdisplaycomparativematerialpressurerangeofthecurrentpressureandchipset,soastorealizetheautomaticcontrolofmaterialinthesetrange,torealizeintelligentcontrolmaterialgreatlyimprovestheefficiencyofcostsaving.
Thedesignoftheautomaticfeedingmachinecontrolsystemisadoptedtorealizethefunctionofautomaticcontroltechnology,itcangreatlyimprovetheworkingefficiency,thewholeprocessisfastandstable,thedesignofautomaticfeedingmachinecangreatlysavemanpowerresourcescontrolfeedingprocessandtheproductionefficiencyisincreasedandtheproductionofautomaticqualitycontrol,andhouseholduseautomaticfeedingmachineforproductionfarmingcansavehumanresourcestocreategreaterinterest,bringconveniencetopeople'sproductionandlife,bringgreatbenefitandefficiencyforindustrialproduction.
Keywords:
STC89C52RCsinglechipmicrocomputer;Automaticfeedingmachine;Controlsystem
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章绪论 1
1.1课题选择背景 1
1.2研究的目的 1.
1.3课题研究的意义 2
1.4设计主要完成的任务 2
第2章系统总体设计方案 3
2.1系统方案 3
2.2.1人工加料和自动加料的比较 4
2.2.2程序设计语言的选择 4
第3章系统的硬件电路设计 6
3.1LCD1602显示模块 7
3.2系统传感器模块 8
3.3A/D转换模块 10
3.4系统电源模块 11
3.5系统单片机最小系统 13
3.4.1系统主控电路 13
3.4.2STC89C52功能特性概述 13
3.4.3STC89C52RC单片机的引脚 14
3.6复位电路 17
第4章软件设计 20
4.1系统主程序 1
4.2系统子程序 2
4.3系统的调试 3
结束语 2.5
致谢 26
参考文献 27
附录A:
程序清单 28
附录B:
元器件清单 3
附录C:
系统硬件框图 34
附录D:
外文资料 35
附录E:
外文资料翻译 38
第1章绪论
随着人们生活水平的日益提高,对生产生活的要求也趋增高,日益增长的物质文化迫切要求提高技术,但由于生产生活中人工控制生产,加料,需要花费巨大的人力且误差较大响应比较差,因此,为了满足生产生活的需要,开发自动加料机控系统就变得尤为重要。
自动加料机控制系统可以实现对物料重量的测量、分析、控制,使物料在合理的范围之中。
从而大大节约了成本、生产效率得到了巨大的提高。
在自动加料机系统中,首当其冲,选择合适的压力传感器是决定性因素,本文以STC89C52RC单片机为核心,设计了一个能达到测量准确、调试方便,通过单片机模块、传感器模块及显示模块、使用发光二极管来模拟自动加料机控制的系统。
1.1课题选择背景
工厂及日常生产生活中设备所有者,希望他们的设备能以最低的成本,生产最多的产品,而在生产及石油、天然气和石化等多个行业,能源成本占总生产成本的30-50%。
因此,通过过程自动化技术增效节能是降低生产成本的有效途径。
对于过程自动化技术而言,自动控制程序不仅能够监测和显示生产过程中的运行状况,还能模拟不同的运行模式,找到最佳策略以提高能效。
这些程序的独特优势是能够“学习”和预测趋势,提高了对外界条件变化的响应速度。
在目前,通过提高自动控制过程、数量,从而大大降低能耗,以及节省人力资源可以减少因工人疏忽产生的后果,给工业化生产带来了巨大的经济效益同时大大提高了人民的生活水平。
1.2研究的目的
随着生产技术以及人民生活水平的提高,自动化控制也渐渐成为了当代社会的主流,自动控制水平的提高也代表着工业化水平提高,是工业化发展的标志之
一,自动加料机的设计可以大大节省人力资源控制加料过程,完成了自动控制,提高了生产效率以及生产的质量,同时家庭使用自动加料机进行生产养殖也可以节省人力资源可以创造更大的利益,给人民的生产生活带来方便,给工业化大生产带来巨大的利益效益及工作效率等。
1.3课题研究的意义
在现代科学技术的许多领域中,自动控制技术起着愈来愈重要的作用,并且,随着生产和科学技术的发展,自动化水平也越来越高。
自动控制利用控制装置使被控对象的某个参数自动的按照预定的规律运行。
本设计的自动加料机控制系统就是采用自动控制技术来实现自动加料功能的,这样就大大提高了工作的效率,整个过程又快又稳。
1.4设计主要完成的任务
本论文设计由单片机做为控制模块和LCD1602液晶显示屏做为显示模块、压力传感器是测量模块。
原理是高低电平来控制红灯和绿灯从而实现自动加料机的模拟。
首先选择制定元器件清单,元器件跟传感器的选择,及模块设定。
例如单片机选择,存储器扩展电路的选择模块、显示模块、控制模块等。
根据设定的单片机程序进行选择单片机的引脚连接以及单片机最小系统的焊接,进行各个模块组合后,烧录单片机程序、检测硬件电路板的焊接以及连线等进行加电测试、调试、分析、最终将设计好的硬件电路及实物组合好后基本完成自动加料机的模拟操作等,最终实现的效果是物料压力范围小于设定值时绿灯亮表示正在加料,物料充足达到设定值上限时绿灯灭红灯亮表示物流充值停止加料。
第2章系统总体设计方案
本系统在大规模生产物料的监测、控制方面有着非常大的作用。
如果用在控制其他场合,可以通过改变一些参数来达到此目的。
在日常生活中,人们主要是通过自动加料机的压力传感器检测当前物料范围由LCD1602显示,然后通过单片机控制加料或者停止加料,使得它保持在一个稳定的值内。
这样不仅节省了巨大的成本,而且还可以准确的控制物料多少,效果是非常理想的。
本系统主要以单片机为核心,通过24位AD转换芯片HX711对传感器采集到的模拟量进行AD转换,转换后的数据送到单片机进行处理显示,数据显示由LCD1602液晶实现,液晶显示效果稳定无闪烁。
2.1系统方案
电机
预定值
LCD显示器
单
电磁阀
继电器
片
D/A转换
机
红灯
传感器
A/D转换
按键
绿灯
主电路采用STC89C52RC,由于STC89C52RC内含4KB容量,因此在设计中不需要外扩ROM。
硬件电路主要有传感器模块、LCD显示电路、继电器控制电路,图2.1是自动加料机控制系统硬件框图。
图2.1自动加料机控制系统硬件框图
2.2.1人工加料和自动加料的比较
人工加料主要是以往生产条件比较落后的前提使用的,这个方式是节省了机器购买的成本但是大大提高了人力的使用,当进行工业化大生产的时候需要进行雇佣专门的人员进行观察和及时填补物料已达到工业正常的生产,生活中进行养殖等操作进行人工加料这样的操作使得效率降低,生产周期变长、生产企业效益低下、工人薪资降低、严重会导致工厂无法运行以致倒闭等。
随着生产和科学技术的发展,自动化水平也越来越高。
自动控制利用控制装置使被控对象的某个参数自动的按照预定的规律运行。
本设计的自动加料机控制系统就是采用自动控制技术来实现功能的,这样就大大提高了工作的效率,整个过程又快又稳。
自动加料机的设计可以大大节省人力资源控制,加料过程完成了自动控制,提高了生产效率以及生产的质量,同时家庭使用自动加料机进行生产养殖也是可以节省人力资源可以创造更大的利益,给人民的生产生活带来方便,给工业化大生产带来巨大的利益效益及工作效率等。
2.2.2程序设计语言的选择
方案一:
采用汇编语言进行程序设计。
我们在学习单片机的时候虽然都是从汇编语言入手。
但是掌握的比较差。
所以不会优先选择汇编语言。
虽说汇编语言是低级语言,但其也是有自身优势的。
就是在延时方面,它略高于C语言。
当然作为低级语言的它,在设计比较大型的系统时很容易暴露出其不足,其程序描述能力远远比不上C语言。
方案二:
采用C语言进行程序设计。
C语言,是目前最为流行的一种语言之一。
它有着非常多的优点,在编写程序时,它总能用简短的语言就可以编写出稍微复杂的系统,描述能力也非常的强。
所以,在编写程序时,人们往往优先采用它。
当然,C语言也存在一些不足,但与汇编语言向比较,C语言唯一的不足就是在精确时间延时上没有汇编语言精确。
综合两种方案,自动加料机控制系统优势巨大的,汇编语言占据了一些优势。
但是,综合全局及自己自身考虑,本课题的自动加料机控制系统也是一个较为复
杂的电子系统,如果想通过汇编语言来实现,其工作量也是极其巨大的。
经过慎重的考虑后,最后决定采用C语言进行整个电子系统的程序设计语言。
第3章系统的硬件电路设计
本文设计的自动加料机控制系统是由STC89C52RC单片机和LCD1602显示器、二极管、压力传感器等组成的,其工作原理是压力传感器感测物料压力传递给单片机、液晶显示屏显示当前压力值,同时单片机显示当前压力与单片机设定的物料压力大小范围进行比较。
单片机的程序中可以设定两个限定值,一个下限值一个上限值,传感器通过A/D转换器送入单片机从而控制两个指示灯,当物料低于设定值时,单片机控制绿灯亮,红灯灭,表示正在进行加料,当物料达到设定的上限值时,这时红灯亮,绿灯灭表示物料已满,从而进行模拟自动加料机进行简单的工作。
图3.1为自动加料机模拟硬件原理图。
C14104
C15 1
1042
3
4
5
U2
C1+V+C1-C2+
C2-
6
T27OUTV-
C16R28INT2OUT
104C17R2IN
VCCGNDR1OUTR1IN
R1OUTT1INT2INR2OUT
16
15
14
13
12
11
10P31
9P30
104
MAX232
VCC
Q2
U7
C23
0.1uf
1
16
2
15
9012
3
14
J4
R1220K
4
13
1
2
3
4
5
6
CON6
5
12P20
C19
1uf
6
11P21
R138.2K
7
10
8
9
C20
1uf
HX711
C21
R141k0.1uf
VCC
C22
R15
0.1uf
1k
R4
1k
HX711AD模块电路图
RP110K
S0
51单片机最小系统
2.2KR6VCC
C6
U4
VCC
10u/16v
R510K
J6
RSET
8
7
6
5
4
3
2
1
CON8
P101
P112
P123
P134
P145
P156
P167
P178
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
P10P11P12P13
P14P15P16P17
ResetRXD/P30TXD/P31INT0/P32INT1/P33T0/P34
T1/P35WR/P36RD/P37X2
X1GND
C7
VCCP00P01P02
P03P04P05P06
P07EA/VPALE/PPSENP27P26
P25P24P23P22
P21P20
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25P24
24P23
23P22
22P21
21P20
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
VCC
LCD1
GNDVCCVORSWREDB0DB1DB2DB3
DB4DB5DB6DB7
BGVCCBGGND
LCD1602
液晶接口
X1
30P
Y1
C8
X2
VCC
J0
5
9
4
8
3R2IN
7
2T2OUT
6
1
C18104
DB9
232串口通信电路
U1
电源系统
D0
78L05
SW1
VCC
321
1N4007
R0
J1
C4
C1
1
U
C2
104
V
V
6
6
1K1U
0
7
2
4
2
0
D
EL
EEPROM
LED1
P11
红灯
LED2
GND
P10
1
2
3
4
U3
A0VDD
A1WP
A2SCLVSSSDA
AT24C02
VCCC58
7
6P36
5P37
104
R1R2
10k10k
绿灯
VCC
图3.1系统硬件原理图
30P
3.1LCD1602显示模块
本系统采用了LCD1602液晶显示屏,LCD1602液晶显示屏是显示电路最常用到的一款显示屏。
尤其在显示字符上,更为普遍。
它的屏幕大小可以显示 2
行字符,每行可以显示16个字符。
它的屏幕颜色清晰可调,背光以黄绿色为底,在显示字符或者数字的同时,可以通过调节来改变它的对比度。
使得符号和数字容易被观察。
与单片机的连接电路如图3.2所示。
图3.2LCD1602显示器模块原理图
1602液晶显示器是一种点阵型液晶模块,在显示形式上面是有一定的要求的,一些不规范的图形它都不能显示出来,只能显示一些字母、数字和符号。
这是因为它的点阵字符排位决定。
我们常见的点阵字符主要有由若干个5×7结构
形式,或者也有5×11的结构形式。
这些点阵字符位只能显示出一个字符,并且每个字符之间还有一个点阵字符的距离,行与行之间也有一个点阵字符的距离。
使得屏幕能够达到字符之间和行距之间都有空位。
所以不能构成一个连体的图像。
LCD1602是一种最常用到的显示器。
16表示它的显示屏幕每行能显示16
位字符或者数字,02表示它可以表示两行。
LCD1602有16个管脚,每一个管脚都有其固定的作用,管脚如图3.3所示。
显示屏
幕
图3.3LCD1602管脚图
1脚VSS为电源地;
2脚VDD为+5V逻辑电源;
3脚V0为对比控制端,可以通过1K阻值的电阻接地;
4脚RS为寄存器选择端,当引脚为高电平1时,表示其为数据寄存器;当
引脚为低电平0时,表示其为指令寄存器。
5脚R/W为读写信号线,当引脚为高电平1时,表示其为读操作,当引脚
为低电平0时,表示其为写操作;
6脚E(或EN)端为使能信号端,当其为高电平或者是下降沿的时候有效;
7~14脚D0~D7为8位数据总线;
15脚LEDA为背光+5V;
16脚LEDK为背光地线。
3.2系统传感器模块
本系统有两种传感器可供选择,压电传感器跟电阻应变式传感器。
压电传感器是一种比较常见的传感器。
该传感器的工作原理是根据某些材料受到外力作用后在它相应的特定表面将会产生电荷的压电效应。
它的特点是体积相对教小、结构比较简单、重量轻、且工作比较可靠,适用于物体重力的测量。
目前其主要用到物体加速度及动态力以及压力大小测量。
压电器件传感器的弱点:
小功率和高内阻。
因为比较功率小,因此输出的能量很弱。
电阻应变式传感器工作原理就是利用电阻应变效应,最终把各种力学量转换成电信号的作用的传感器。
它是变片式传感器的核心元件,工作原理是基于材料的电阻应变效应,作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器也可以单独作为传感器使用。
电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后,由于应变量及相应电阻变化一般都很微小,难以直接精确测量,且不便处理。
因此,要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。
其转换电路常用测量电桥。
直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响,抗干扰能力强,但因机械应变的输出信号小,要求用高增益和高稳定性的放大器放大。
图
3.4为一直流供电的平衡电阻电桥。
图3.4传感器内部连接图
当电桥输出端接无穷大负载电阻时,可视输出端为开路,此时直流电桥称为电压桥,即只有电压输出。
应变片式传感器有如下特点:
(1)应变片可制成各种机械量传感器,和测量范围广。
(2)精度较高、灵敏度高。
(3)对试件影响小,强磁场等特殊环境中使用、复杂环境适应性强,频率
响应比较好。
(4)使用方便,可以实现远距离、自动化测量的效果。
通过对压力传感器以及电阻应变式传感器的分析比较,最终选择了电阻应变式传感器。
传感器的量程范围是0~5Kg,满量程量误差不大于 0.005Kg(传感器量程必须小于额定称重5Kg)。
电阻式应变传感器量程为5Kg,精度为0.01%,满足本系统的精度要求,这样可以满足自动加料机控制系统的测量环节。
3.3A/D转换模块
本系统A/D转换模块采用HX711芯片,HX711芯片是一个主要为高精度压力传感器而设计的24位A/D转换器。
和同类型其它的转换芯片相比,这个芯片集成了片内时钟振荡器、稳压电源等其它同类型转换芯片所需要的外围电路,HX711的集成度比较高、抗干扰性强、响应速度较快等可观的优点。
它的特征将会降低了压力传感器的整机成本,从而提高了整机的可靠性及性能。
HX711芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单,主要的特点是所有控制信号都是由管脚驱动,不需要对芯片内部的寄存器编程。
输入选择开关可任意选取通道A、B,它是和其内部的低噪声可编程放大器相连组成的。
通道A的可编程增益为64或者128,与其相对应的满额度差分输入信号幅值分别为±40mV或±20mV。
通道B就是固定的64,它是用来系统参数检测。
HX711的内部提供的稳压电源具有直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源的作用,板上不再需要另外的模拟电源。
同时芯片内部的时钟振荡器也不需任何外接元器件。
芯片管脚图如图3.5所示。
图3.5HX711管脚定义
HX711典型应用电路图,如图3.6所示。
VCC
Q2
U7
C23
0.1uf
1 16
2
15
9012
3
14
J4
R1220K
4
13
1
2
3
4
5
6
CON6
5
12
P20
C19
1uf
P21
R138.2K
6
11
7
10
C20
1uf
8
9
HX711
C21
R141k0.1uf
C22
R15
0.1uf
1k
图3.6HX711AD模块电路图
3.4系统电源模块
自动加料机控制系统中,51单片机及AD转换芯片及液晶显示器,所需供电电压均为5V电压,所以要保证系统稳定可靠的工作,需要设计一个可以稳定提供+5V电压的供电系统。
本设计采用双电源接口供电方式,也可采用外置电源作为系统的供电电源,但是需另加三端稳压器件LM7805作为系统电源的稳压器件以保证系统电压为稳定的直流5V电压,同时外置电源的输出电压要高于+5V输出,系统电源输入接口要加滤波电容以确保工作电压稳定。
电源输出接口加上LED电源指示灯,用来判定电源是否正常工作该系统。
电源电路设计如图3
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