畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于CAN總線斗式計(jì)量控制器的設(shè)計(jì).doc

摘 要摘 要 基于can總線斗式計(jì)量控制器的設(shè)計(jì)。玻璃廠稱重配料自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是根據(jù)原料配料的工藝要求，將顆粒狀或粉狀原料經(jīng)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(cāng)。控制器主要由單片機(jī)、傳感器、上位機(jī)等元件構(gòu)成。主要工作原理為通過(guò)傳送帶向量斗運(yùn)送物料，量斗下方設(shè)有3個(gè)稱重傳感器，稱重傳感器通過(guò)測(cè)量的原料的重量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，單片機(jī)接受通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換的信號(hào)進(jìn)行處理，如果稱重的數(shù)值快要接近給定的數(shù)值，單片機(jī)發(fā)出控制指令對(duì)量斗下方的震蕩裝置進(jìn)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?cái)?shù)值達(dá)到設(shè)定的數(shù)值。并采用can 總線技術(shù)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、，通用性好，抗干擾性能強(qiáng)，造價(jià)降低。非常試用于工業(yè)稱重自動(dòng)控制系統(tǒng)。 關(guān)鍵字： 單片機(jī)、傳感器、can總線 abstractabstractdesign 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 processes 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 material, 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 scm 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, 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(chǎn)流程21.3玻璃配料工業(yè)現(xiàn)狀3第 2 章斗式計(jì)量控制系器總體設(shè)計(jì)52.1計(jì)量控制器的工作原理5圖2-1.1 量斗結(jié)構(gòu)示意圖62.2玻璃控制器總體框圖7第 3 章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)83.1單片機(jī)系統(tǒng)83.1.1單片機(jī)的選擇及介紹83.2傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型173.2.1稱重傳感器技術(shù)173.3稱重測(cè)量模塊設(shè)計(jì)193.3.1稱重傳感器分析與設(shè)計(jì)193.3.2電阻應(yīng)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(jí)213.4.4中斷響應(yīng)時(shí)間213.5電源管理方式223.5.1空閑方式223.5.2停機(jī)方式233.6復(fù)位源233.6.1上電復(fù)位243.6.2外部復(fù)位253.6.3比較器0復(fù)位253.6.4看門狗定時(shí)器復(fù)位253.7端口輸入/輸出263.8系統(tǒng)抗干擾措施“看門狗”技術(shù)273.8.1硬件抗干擾措施28第 4 章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)294.1軟件的主程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)294.2protel簡(jiǎn)介294.2.1常用操作30結(jié) 論31致 謝32參考文獻(xiàn)33附錄a34 - 2 -第 1 章 緒 論1.1 課題背景及意義在玻璃生產(chǎn)過(guò)程中，有些產(chǎn)品是將某幾種原料按照一定的比例混合，通過(guò)配制加工而成，這種按一定的比例混合原料的過(guò)程，就是配料的過(guò)程。其混合比例是否按預(yù)先規(guī)定的配比進(jìn)行，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí)，配料質(zhì)量控制的優(yōu)劣也直接關(guān)系著下游生產(chǎn)能否順利進(jìn)行。如果配料的質(zhì)量達(dá)不到要求，輕則造成原料、能源的浪費(fèi)，重則影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，并且由于配料失誤甚至?xí)o整個(gè)生產(chǎn)釀成事故。因此，要保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)的順利進(jìn)行，就要提高配料過(guò)程的精度和保證配料的速度。 玻璃是一種化學(xué)組成既定而又均質(zhì)化的材料。在玻璃的連續(xù)化生產(chǎn)中，原料配料的準(zhǔn)確、均勻和穩(wěn)定是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)玻璃的先決條件。尤其是配合料的制備，需要同時(shí)對(duì)多種原料進(jìn)行準(zhǔn)確稱量、混合、輸送和投料，一旦出現(xiàn)事故勢(shì)必造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因?yàn)橐粋€(gè)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(chǎn)過(guò)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(shí)期內(nèi)是難以清除的，造成的損失是以百萬(wàn)元來(lái)計(jì)算的。由此可見原料的制備對(duì)玻璃生產(chǎn)的重要性。原料的精確稱量是配料工藝的核心，由于設(shè)備故障或者是人為因素都容易造成配料錯(cuò)料，因而引起玻璃質(zhì)量的下降。另外，如果采用人工配料，由于現(xiàn)場(chǎng)的粉塵較大，很容易對(duì)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(dòng)化水平和可靠性，對(duì)保障玻璃生產(chǎn)線優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定生產(chǎn)、改善工人工作環(huán)境和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。所以，原料配料的自動(dòng)化是現(xiàn)代玻璃工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。當(dāng)今，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)飛速發(fā)展，人們普遍對(duì)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度的要求也越來(lái)越高。同樣，在稱重配料領(lǐng)域，人們對(duì)稱重配料過(guò)程提出了“快速、準(zhǔn)確、連續(xù)、自動(dòng)”的要求。為此，選擇和設(shè)計(jì)合理的稱重配料方式對(duì)實(shí)現(xiàn)原料的自動(dòng)配料至關(guān)重要。當(dāng)今針對(duì)配料控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究也隨著這種要求而廣泛的開展起來(lái)，并且取得了許多成功的應(yīng)用實(shí)例。 此外，食品、化工、飼料、陶瓷等行業(yè)也離不開配料生產(chǎn)過(guò)程，也必須通過(guò)自動(dòng)配料控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化。雖然這些行業(yè)所用的物料和生產(chǎn)工藝不同，但其配料控制系統(tǒng)所要完成的任務(wù)卻基本相同，因此，研究和開發(fā)一種自動(dòng)配料控制系統(tǒng)具有一定的實(shí)際意義。 本文的研究旨在使配料車間設(shè)備及控制系統(tǒng)滿足玻璃生產(chǎn)對(duì)原料配料的工藝要求，并使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到高度自動(dòng)化的同時(shí)具有更強(qiáng)的智能化。1.2 玻璃生產(chǎn)流程玻璃是由石英砂、石灰石、長(zhǎng)石、純堿、澄清劑、著色劑/脫色劑、助熔劑、碎玻璃等原料經(jīng)過(guò)高溫熔融、成型、退火、切割等過(guò)程，形成的無(wú)色（白玻）透明的非晶態(tài)無(wú)機(jī)物。玻璃具有一系列非常可貴的性質(zhì)：透明，堅(jiān)硬，良好的耐蝕、耐熱和電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)；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(guò)調(diào)整化學(xué)組成改變其性質(zhì)，以適應(yīng)不同的使用要求。特別是制造原料豐富，價(jià)格低廉，因此獲得了極其廣泛的應(yīng)用，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著重要的作用1 配料，按照設(shè)計(jì)好的料方單，將各種原料稱量后在一混料機(jī)內(nèi)混合均勻。玻璃的主要原料有：石英砂、石灰石、長(zhǎng)石、純堿、硼酸等。 2 熔制，將配好的原料經(jīng)過(guò)高溫加熱，形成均勻的無(wú)氣泡的玻璃液。這是一個(gè)很復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。玻璃的熔制在熔窯內(nèi)進(jìn)行。熔窯主要有兩種類型：一種是坩堝窯，玻璃料盛在坩堝內(nèi)，在坩堝外面加熱。小的坩堝窯只放一個(gè)坩堝，大的可多到20個(gè)坩堝。坩堝窯是間隙式生產(chǎn)的，現(xiàn)在僅有光學(xué)玻璃和顏色玻璃采用坩堝窯生產(chǎn)。另一種是池窯，玻璃料在窯池內(nèi)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(chǎn)的，小的池窯可以是幾個(gè)米，大的可以大到400多米。3 成形，是將熔制好的玻璃液轉(zhuǎn)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(nèi)才能進(jìn)行，這是一個(gè)冷卻過(guò)程，玻璃首先由粘性液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤軕B(tài)，再轉(zhuǎn)變成脆性固態(tài)。成形方法可分為人工成形和機(jī)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(tuán)玻璃在模具中邊轉(zhuǎn)邊吹。主要用來(lái)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，二人邊吹邊拉主要用來(lái)制造玻璃管或棒。（3）壓制，挑一團(tuán)玻璃，用剪刀剪下使它掉入凹模中，再用凸模一壓。主要用來(lái)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(jī)械成形。因?yàn)槿斯こ尚蝿趧?dòng)強(qiáng)度大，溫度高，條件差，所以，除自由成形外，大部分已被機(jī)械成形所取代。機(jī)械成形除了壓制、吹制、拉制外，還有（1）壓延法，用來(lái)生產(chǎn)厚的平板玻璃、刻花玻璃、夾金屬絲玻璃等。（2）澆鑄法，生產(chǎn)光學(xué)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(yīng)鍋。這是將玻璃熔體注入高速旋轉(zhuǎn)的模子中，由于離心力使玻璃緊貼到模子壁上，旋轉(zhuǎn)繼續(xù)進(jìn)行直到玻璃硬化為止。（4）燒結(jié)法，用于生產(chǎn)泡沫玻璃。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(guò)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(diǎn)是玻璃質(zhì)量高（平整、光潔），拉引速度快，產(chǎn)量大。4 退火，玻璃在成形過(guò)成中經(jīng)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(yīng)力。這種熱應(yīng)力會(huì)降低玻璃制品的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。如果直接冷卻，很可能在冷卻過(guò)程中或以后的存放、運(yùn)輸和使用過(guò)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(jìn)行退火。退火就是在某一溫度范圍內(nèi)保溫或緩慢降溫一段時(shí)間以消除或減少玻璃中熱應(yīng)力到允許值。 此外，某些玻璃制品為了增加其強(qiáng)度，可進(jìn)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(fēng)玻璃等；和化學(xué)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(chǎn)生壓應(yīng)力，以增加其強(qiáng)度。號(hào)1.3 玻璃配料工業(yè)現(xiàn)狀玻璃工業(yè)在我國(guó)產(chǎn)業(yè)中是一個(gè)重要的行業(yè)，并在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著非常重要的作用。改革開放以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，玻璃配料行業(yè)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。特別是20世紀(jì)80年代后期，我國(guó)浮法玻璃出現(xiàn)了第一次發(fā)展高峰，以年增長(zhǎng)35%的速度飛速發(fā)展，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)時(shí)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展10%的增長(zhǎng)速度，玻璃工業(yè)的發(fā)展異常引人注目。近年來(lái)，玻璃生產(chǎn)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。因此，穩(wěn)定并提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力成為玻璃生產(chǎn)發(fā)展的主要目標(biāo)。而基于這個(gè)目標(biāo)開發(fā)的適用于玻璃生產(chǎn)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(diǎn)，以適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求。 目前我國(guó)玻璃工業(yè)存在的主要問(wèn)題及與國(guó)際先進(jìn)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(shù)、裝備及管理水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍有較大差距；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不夠合理，優(yōu)質(zhì)浮法和深加工率偏低；企業(yè)數(shù)量多、規(guī)模小、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)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(qū)動(dòng)力的技術(shù)創(chuàng)新機(jī)制和能力；市場(chǎng)不規(guī)范，無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象比較突出等。 在玻璃配料技術(shù)方面，還存在著工藝落后、產(chǎn)品品種單一、設(shè)備裝配不合理和自動(dòng)化程度低等弊端，難以適應(yīng)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(wèn)題是：配料精度低，機(jī)電控制部分的可靠性差；缺少數(shù)據(jù)庫(kù)管理生產(chǎn)以及對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)視。配料精度低主要原因是電子秤系統(tǒng)的動(dòng)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(jī)控制系統(tǒng)的可靠性低所致?？煽啃允侵匾馁|(zhì)量指標(biāo)，但由于機(jī)械工藝、電子元件等基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展的滯后，國(guó)內(nèi)的微機(jī)配料系統(tǒng)的可靠性與國(guó)外產(chǎn)品相比尚有一定差距。同時(shí)隨著網(wǎng)絡(luò)化、信息化技術(shù)向自動(dòng)化領(lǐng)域的滲透，使得自動(dòng)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)面臨一場(chǎng)深刻的變革，這種變革也必將對(duì)浮法玻璃自動(dòng)化產(chǎn)生重大影響。第 2 章 斗式計(jì)量控制系器總體設(shè)計(jì)2.1 計(jì)量控制器的工作原理玻璃廠稱重配料自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是根據(jù)原料配料的工藝要求，將顆粒狀或粉狀原料經(jīng)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(cāng)。控制器主要由單片機(jī)、傳感器、上位機(jī)等元件構(gòu)成。主要工作原理為通過(guò)傳送帶向量斗運(yùn)送物料，量斗下方設(shè)有3個(gè)稱重傳感器，稱重傳感器通過(guò)測(cè)量的原料的重量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，單片機(jī)接受通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換的信號(hào)進(jìn)行處理，如果稱重的數(shù)值快要接近給定的數(shù)值，單片機(jī)發(fā)出控制指令對(duì)量斗下方的震蕩裝置進(jìn)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?cái)?shù)值達(dá)到設(shè)定的數(shù)值。并采用can 總線技術(shù)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、，通用性好，抗干擾性能強(qiáng)，造價(jià)降低。非常試用于工業(yè)稱重自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)的各種原料通過(guò)科學(xué)配比、稱重、混合，為熔化提供合格的配料的過(guò)程，是玻璃生產(chǎn)的關(guān)鍵工序之一。 佳木斯玻璃廠運(yùn)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(guò)不同稱重的量斗來(lái)稱量不同的配料，主要工作原理為通過(guò)傳送帶向量斗運(yùn)送物料，量斗下方設(shè)有3個(gè)稱重傳感器，稱重傳感器通過(guò)測(cè)量的原料的重量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，單片機(jī)接受通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換的信號(hào)進(jìn)行處理，如果稱重的數(shù)值快要接近給定的數(shù)值，單片機(jī)發(fā)出控制指令對(duì)量斗下方的震蕩裝置進(jìn)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?cái)?shù)值達(dá)到設(shè)定的數(shù)值。在通過(guò)傳送帶將物料運(yùn)送到下一部門進(jìn)行工作。圖2-1.1為量斗結(jié)構(gòu)示意圖 圖2-1.1 量斗結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)系統(tǒng)3.1.1 單片機(jī)的選擇及介紹c8051f04x 系列器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型mcu，具有64 個(gè)數(shù)字i/（c8051f040/2/4/6）或32 個(gè)數(shù)字i/o 引腳（c8051f041/3/5/7），片內(nèi)集成了一個(gè)can2.0b 控制器。下面列出了一些主要特性；有關(guān)某一產(chǎn)品的具體特性參見表1.1。 高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051 兼容的cip-51 內(nèi)核（可達(dá)25mips） 控制器局域網(wǎng)（can2.0b）控制器，具有32 個(gè)消息對(duì)象，每個(gè)消息對(duì)象有其自己的標(biāo)識(shí) 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） 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(guān) 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(guān)（c8051f040/1/2/3） 兩個(gè)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(chǔ)器 4352（4k+256）字節(jié)的片內(nèi)ram 可尋址64kb 地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口 硬件實(shí)現(xiàn)的spi、smbus/ i2c 和兩個(gè)uart 串行接口 5 個(gè)通用的16 位定時(shí)器 具有6 個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列 片內(nèi)看門狗定時(shí)器、vdd 監(jiān)視器和溫度傳感器具有片內(nèi)vdd 監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的c8051f04x 系列器件是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。flash 存儲(chǔ)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(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051 固件。片內(nèi)jtag 調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品mcu 進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用jtag 調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。每個(gè)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(hào)電壓。c8051f040/2/4/6 為100 腳tqfp 封裝。c8051f041/3/5/7 為64 腳tqfp 封裝。 圖3-1.1 c8051f04/2原理圖c8051f04x 系列mcu 對(duì)cip-51 內(nèi)核和外設(shè)有幾項(xiàng)關(guān)鍵性的改進(jìn)，提高了整體性能，更易于在最終應(yīng)用中使用。擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向cip-51 提供20 個(gè)中斷源（標(biāo)準(zhǔn)8051 只有7 個(gè)中斷源），允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)需要較少的mcu 干預(yù)，因而有更高的執(zhí)行效率。在設(shè)計(jì)一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)，這些增加的中斷源是非常有用的。mcu 可有多達(dá)7 個(gè)復(fù)位源：一個(gè)片內(nèi)vdd 監(jiān)視器、一個(gè)看門狗定時(shí)器、一個(gè)時(shí)鐘丟失檢測(cè)器、一個(gè)由比較器0 提供的電壓檢測(cè)器、一個(gè)軟件強(qiáng)制復(fù)位、cnvstr0 輸入引腳及/rst 引腳。/rst 引腳是雙向的，可接受外部復(fù)位或?qū)?nèi)部產(chǎn)生的上電復(fù)位信號(hào)輸出到/rst 引腳。除了vdd 監(jiān)視器和復(fù)位輸入引腳以外，每個(gè)復(fù)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(fù)位之后的mcu 初始化期間，可以用軟件將wdt 永久性使能。mcu 內(nèi)部有一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的時(shí)鐘發(fā)生器，在復(fù)位后被默認(rèn)為系統(tǒng)時(shí)鐘。如果需要，時(shí)鐘源可以在運(yùn)行時(shí)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(shí)鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘。時(shí)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(gè)低頻率（節(jié)電）外部晶體源運(yùn)行，當(dāng)需要時(shí)再周期性地切換到高速內(nèi)部振蕩器（可達(dá)25mhz）。cip-51 有標(biāo)準(zhǔn)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(wèn)通用ram的高128 字節(jié)，用直接尋址訪問(wèn)128 字節(jié)的sfr 地址空間。cip-51的sfr 地址空間可包含多達(dá)256 個(gè)sfr 頁(yè)。通過(guò)sfr 分頁(yè)，cip-51 mcu 可以控制大量用于控制和配置片內(nèi)外設(shè)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(wèn)。前32 個(gè)字節(jié)為4 個(gè)通用寄存器區(qū)，接下來(lái)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 還另有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間的4kb 的ram 塊和一個(gè)可用于訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的外部存儲(chǔ)器接口（emif）。這個(gè)片內(nèi)的4kb ram 塊可以在整個(gè)64k 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間中被尋址（以4k 為邊界重疊）。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間可以只映射到片內(nèi)存儲(chǔ)器、只映射到片外存儲(chǔ)器、或兩者的組合（4kb 以下的地址指向片內(nèi)，4kb 以上的地址指向emif）。emif 可以被配置為地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用方式或非復(fù)用方式。mcu 的程序存儲(chǔ)器包含64kb（c8051f040/1/2/3/4/5）或32kb（c8051f046/7）的分塊flash。該存儲(chǔ)器以512 字節(jié)為一個(gè)扇區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且不需特別的外部編程電壓。從0xfe00 到0xffff 的512 字節(jié)被保留。還有一個(gè)位于地址0x10000 - 0x1007f 的128 字節(jié)扇區(qū)，該扇區(qū)可用于存儲(chǔ)小規(guī)模的軟件常數(shù)表。圖1.7 給出了mcu 系統(tǒng)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。 圖3-1.3片內(nèi)存儲(chǔ)器組織c8051f04x系列器件具有片內(nèi)jtag邊界掃描和調(diào)試電路，通過(guò)4腳jtag接口并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件就可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。該jtag接口完全符合ieee 1149.1規(guī)范，為生產(chǎn)和測(cè)試提供完全的邊界掃描功能。silicon lab的調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、堆棧指示器和單步執(zhí)行。不需要額外的目標(biāo)ram、程序存儲(chǔ)器、定時(shí)器或通信通道。在調(diào)試時(shí)所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都正常工作。當(dāng)mcu單步執(zhí)行或遇到斷點(diǎn)而停止運(yùn)行時(shí)，所有的外設(shè)（adc和smbus除外）都停止運(yùn)行，以保持同步。開發(fā)套件c8051f040dk具有開發(fā)應(yīng)用代碼所需要的全部硬件和軟件，并可對(duì)c8051f04x mcu進(jìn)行在系統(tǒng)調(diào)試。開發(fā)套件包含兩個(gè)目標(biāo)板和一條電纜，以便于評(píng)估簡(jiǎn)單的can通信網(wǎng)絡(luò)。開發(fā)套件中包括開發(fā)者工作室軟件和調(diào)試器、目標(biāo)應(yīng)用板，板上有對(duì)應(yīng)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(yīng)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(duì)于不能從目標(biāo)板上獲取足夠電流的應(yīng)用，可以將套件中提供的電源直接連到串行適配器上。對(duì)于開發(fā)和調(diào)試嵌入式應(yīng)用來(lái)說(shuō)，silicon labs調(diào)試環(huán)境比標(biāo)準(zhǔn)mcu仿真器要優(yōu)越得多。標(biāo)準(zhǔn)的mcu仿真器要使用在板仿真芯片和目標(biāo)電纜，還需要在應(yīng)用板上有mcu的插座。silicon lab的調(diào)試環(huán)境既便于使用又能保證精確模擬外設(shè)的性能。 圖3.1-4調(diào)試環(huán)境示意圖3.1.1.1. 可編程數(shù)字i/o和交叉開關(guān)該系列mcu具有標(biāo)準(zhǔn)8051的端口（0、1、2和3）。在c8051f040/2/4/6中有4個(gè)附加的8位端口（4、5、6和7），因此共有64個(gè)通用i/o端口。這些i/o端口的工作情況與標(biāo)準(zhǔn)8051相似，但有一些改進(jìn)。每個(gè)端口引腳都可以被配置為推挽或漏極開路輸出。在標(biāo)準(zhǔn)8051中固定的“弱上拉”可以被總體禁止，這為低功耗應(yīng)用提供了進(jìn)一步節(jié)電的能力?？赡茏瞠?dú)特的改進(jìn)是引入了數(shù)字交叉開關(guān)。這是一個(gè)大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，允許將內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)復(fù)用數(shù)字i/o的微控制器不同，這種結(jié)構(gòu)可支持所有的功能組合?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、adc轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其它數(shù)字信號(hào)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(yīng)用選擇通用端口i/o和所需數(shù)字資源的組合。 除了5個(gè)16位的通用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器之外，c8051f04x mcu系列還有一個(gè)片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（pca）。pca包括一個(gè)專用的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器時(shí)間基準(zhǔn)和6個(gè)可編程的捕捉/比較模塊。時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)鐘可以是下面的六個(gè)時(shí)鐘源之一：系統(tǒng)時(shí)鐘/12、系統(tǒng)時(shí)鐘/4、定時(shí)器0溢出、外部時(shí)鐘輸入（eci）、系統(tǒng)時(shí)鐘和外部振蕩源/8。每個(gè)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(shí)器、高速輸出、頻率輸出、8位脈沖寬度調(diào)制器和16位脈沖寬度調(diào)制器。pca捕捉/比較模塊的i/o和外部時(shí)鐘輸入可以通過(guò)數(shù)字交叉開關(guān)連到mcu的端口i/o引腳。c8051f04x系列器件內(nèi)部有一個(gè)控制器局域網(wǎng)（can）控制器，使用can協(xié)議實(shí)現(xiàn)串行通信。該can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(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)。can控制器包含一個(gè)can核、消息ram（獨(dú)立于c8051的ram）、一個(gè)消息處理狀態(tài)機(jī)以及控制寄存器。can控制器可以工作在高達(dá)1m位/秒的位速率。silicon labs 的can有32個(gè)消息對(duì)象，每個(gè)消息對(duì)象有其自己的標(biāo)識(shí)掩碼，該標(biāo)識(shí)掩碼用于對(duì)接收到的消息進(jìn)行過(guò)濾。輸入數(shù)據(jù)、消息對(duì)象和標(biāo)識(shí)掩碼存儲(chǔ)在can消息ram中。與數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過(guò)濾有關(guān)的所有協(xié)議處理均由can控制器完成，不需c8051 mcu干預(yù)。這就使得用于can通信的cpu帶寬最小。c8051通過(guò)特殊功能控制器（sfr）配置can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(zhuǎn)換器c8051f040/1有一個(gè)片內(nèi)12位sar adc（adc0），一個(gè)9通道輸入多路選擇開關(guān)和可編程增益放大器。該adc工作在100ksps 的最大采樣速率時(shí)可提供真正的12 位精度， inl為 1lsb。c8051f042/3/4/5/6/7有一個(gè)片內(nèi)10位sar adc，技術(shù)指標(biāo)和配置選項(xiàng)與c8051f040/1的adc類似。adc0的電壓基準(zhǔn)可以在dac0輸出和外部vref引腳之間選擇。對(duì)于c8051f040/2/4/6器件，adc0有其專用的vref0輸入引腳；對(duì)于c8051f041/3/5/7器件，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(nèi)15ppm/c的電壓基準(zhǔn)可通過(guò)vref輸出引腳為片內(nèi)adc或其它系統(tǒng)部件產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。adc完全由cip-51通過(guò)特殊功能寄存器控制。一個(gè)輸入通道被連到內(nèi)部溫度傳感器，其它8個(gè)通道接外部輸入。8個(gè)外部輸入通道的每一對(duì)都可被配置為兩個(gè)單端輸入或一個(gè)差分輸入。系統(tǒng)控制器可以將adc置于關(guān)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(shè)置為0.5、1、2、4、8或16。當(dāng)不同adc輸入通道之間輸入的電壓信號(hào)范圍差距較大或需要放大一個(gè)具有較大直流偏移的信號(hào)時(shí)（在差分方式，dac可用于提供直流偏移），這個(gè)放大環(huán)節(jié)是非常有用的。a/d轉(zhuǎn)換有4種啟動(dòng)方式：軟件命令、定時(shí)器2溢出、定時(shí)器3溢出和外部信號(hào)輸入。這種靈活性允許用軟件事件、外部硬件信號(hào)或周期性的定時(shí)器溢出信號(hào)觸發(fā)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束由一個(gè)狀態(tài)位指示，或者產(chǎn)生中斷（如果中斷被使能）。在轉(zhuǎn)換完成后，10或12位轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)字被鎖存到兩個(gè)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(duì)齊或右對(duì)齊。窗口比較寄存器可被配置為當(dāng)adc數(shù)據(jù)位于一個(gè)規(guī)定的范圍之內(nèi)或之外時(shí)向控制器申請(qǐng)中斷。adc可以用后臺(tái)方式連續(xù)監(jiān)視一個(gè)關(guān)鍵電壓，當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位于規(guī)定的窗口之內(nèi)時(shí)才中斷控制器。圖3.1.1.2 12/10 位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器3.1.1.3. 高壓差分放大器高壓差分放大器（hvda）可以用于測(cè)量高達(dá)60v 峰-峰值的高差分電壓，抑制高達(dá)60v 的共模電壓，并將信號(hào)電壓調(diào)節(jié)到適合于adc0 的輸入范圍。hvda 的輸入信號(hào)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(yīng)用。hvda 可以通過(guò)高壓基準(zhǔn)輸入（hvref）為adc 提供共模信號(hào)，這就允許使用片內(nèi)電路測(cè)量超出adc 額定范圍的信號(hào)。hvda 的增益范圍為0.05v/v 14v/v。當(dāng)輸出放大器作為單位增益緩沖器使用時(shí)，總增益由第一級(jí)20:1 差分放大器的增益決定，為0.05v/v。當(dāng)輸出放大器的增益被設(shè)置為280 時(shí)（用高壓控制寄存器中的hvgain為選擇），可得到總增益為14v/v。hvda 經(jīng)工廠校準(zhǔn)，提供高達(dá)72 db 的高共模抑制比。hvda 使用4 個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(diào)節(jié)hvda 第一級(jí)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3.2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型在玻璃配料過(guò)程中，玻璃原料的稱量普遍由電子秤稱量系統(tǒng)來(lái)完成。稱重傳感器技術(shù)是電子稱重技術(shù)的重要基礎(chǔ)，同時(shí)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(shù)做了詳細(xì)的分析，并針對(duì)本系統(tǒng)對(duì)稱重傳感器及其顯示控制儀進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型。3.2.1 稱重傳感器技術(shù)稱重傳感器是一種力傳感器，通過(guò)把被測(cè)量質(zhì)量轉(zhuǎn)換成另一種被測(cè)量來(lái)測(cè)量質(zhì)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(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后指示出來(lái)。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(lái)，電子稱重技術(shù)和電子衡器產(chǎn)品的一個(gè)重要發(fā)展方向，就是從靜態(tài)稱重向快速稱重、低速動(dòng)態(tài)稱重和動(dòng)態(tài)稱重方向發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。對(duì)稱重傳感器除準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，工作壽命長(zhǎng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定時(shí)間短等。 研究分析當(dāng)今國(guó)內(nèi)外稱重傳感器技術(shù)與工藝的發(fā)展動(dòng)向，結(jié)合電子稱重技術(shù)和電子衡器產(chǎn)品的新需求，總結(jié)出稱重傳感器技術(shù)動(dòng)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(jié)構(gòu)的電子衡器又有不同的需求。便攜式靜動(dòng)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 集成化有兩種含義，其一是結(jié)構(gòu)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(gè)整體結(jié)構(gòu)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?qū)⒎Q重傳感器、秤體和稱重顯示控制器合三為一。例如美國(guó)intercomp(英特康普)公司、德國(guó)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(cè)重量信息功能外，還有能檢測(cè)其它信息的功能，例如電子吊秤用稱重傳感器除檢測(cè)重量信息外還能檢測(cè)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(cè)功能而且還兼有信號(hào)處理等其它功能，或者此種稱重傳感器于其它功能復(fù)合產(chǎn)生出新的功能。 (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(hào)探測(cè)和處理、邏輯判斷、雙向通訊、自檢、自校、自補(bǔ)償、自診斷和計(jì)算等全部或部分功能。當(dāng)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(nèi)部安裝有放大、濾波、a/d 轉(zhuǎn)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(shí)施各項(xiàng)數(shù)字補(bǔ)償工藝進(jìn)行各項(xiàng)性能調(diào)整和測(cè)試，最后采用電子束焊或激光焊進(jìn)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(gè)環(huán)節(jié)：其一彈性體貼片組成惠斯登電橋電路后，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試建立數(shù)字補(bǔ)償工藝要求的各項(xiàng)數(shù)學(xué)模型，形成便于程序化計(jì)算的公式。其二是根據(jù)數(shù)學(xué)模型編制出簡(jiǎn)單實(shí)用的補(bǔ)償計(jì)算軟件，存儲(chǔ)在微處理器芯片中進(jìn)行各項(xiàng)誤差修正和補(bǔ)償。軟件技術(shù)主要有數(shù)字濾波技術(shù)、標(biāo)度變換技術(shù)、數(shù)字調(diào)零技術(shù)、溫度補(bǔ)償技術(shù)和線性補(bǔ)償技術(shù)等。 隨著數(shù)字信息時(shí)代的到來(lái)，在工業(yè)過(guò)程檢測(cè)和稱重計(jì)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(yīng)用越來(lái)越多，這就要求數(shù)字式智能稱重傳感器的相關(guān)技術(shù)與配套儀表要盡快發(fā)展。 3.3 稱重測(cè)量模塊設(shè)計(jì) cip-51 系統(tǒng)控制器的存儲(chǔ)器組織與標(biāo)準(zhǔn)8051 的存儲(chǔ)器組織類似。有兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器空間：程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器共享同一個(gè)地址空間，但用不同的指令類型訪問(wèn)。cip-51 內(nèi)部有256 字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64kb 的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器地址空間。3.3.1 稱重傳感器分析與設(shè)計(jì)稱重傳感器是將料斗及料斗中的原料重量變換成電信號(hào)，傳感器選擇得是否合適，對(duì)配料控制器的控制精度、成本均有非常大的影響，因此結(jié)合料斗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理選用了電阻應(yīng)變式拉力稱重傳感器。電阻應(yīng)變式拉力稱重傳感器主要有以下特點(diǎn)：(1)精度高，測(cè)量范圍廣。 (2)頻率響應(yīng)好。 (3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕，安裝簡(jiǎn)便。 (4)可在高溫、低溫、高壓、強(qiáng)烈振動(dòng)、強(qiáng)磁場(chǎng)及核輻射等惡劣環(huán)境下工作。3.3.2 電阻應(yīng)變式傳感器工作原理 電阻應(yīng)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(wǎng)狀，稱為敏感柵，并粘貼在絕緣的基片上。電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護(hù)用的覆蓋層。用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，將其粘貼在被測(cè)對(duì)象表面上。當(dāng)被測(cè)對(duì)象受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，這是用來(lái)直接測(cè)量應(yīng)變。 常規(guī)的電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù)很()。機(jī)械應(yīng)變 一般在范圍內(nèi)，故電阻應(yīng)變片的電阻變化() 范圍為，因而，測(cè)量電路應(yīng)當(dāng)能精確地測(cè)量出這些小的電阻變化。在電阻應(yīng)變傳感器中最常用的是橋式測(cè)量電路，如圖3-1所示。 圖3.3.2 橋是測(cè)量電路橋式測(cè)量電路由電阻1r 、2r 、3r 和4r 順序連成一個(gè)環(huán)形，每一個(gè)電阻都是電阻應(yīng)變片。在對(duì)角線上安上電源，當(dāng)四個(gè)橋臂電阻達(dá)到某一關(guān)系時(shí)，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出?？衫渺`敏檢流計(jì)來(lái)測(cè)量輸出電壓，因此電橋能夠精確地測(cè)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(cè)量前電橋保持輸出為零(電橋平衡)，應(yīng)使 r1r3=r2r4通過(guò)恰當(dāng)?shù)剡x用各個(gè)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(yīng)變片的電阻變化有關(guān)。根據(jù)分析可知，在滿足(3-2)的條件下，當(dāng)每個(gè)橋臂電阻變化遠(yuǎn)小于本身值時(shí)，即r r，橋路負(fù)載電阻無(wú)限大時(shí)，輸出電壓可近似用下式表示當(dāng)電阻應(yīng)變較小時(shí)，其值接近于零，可以忽略不計(jì)。對(duì)于常規(guī)應(yīng)變片因靈敏系數(shù)較小，故即使應(yīng)變相當(dāng)大時(shí)，非線性也是很小的，通?？梢院雎圆挥?jì)。在使用半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)量較大的應(yīng)變時(shí)，非線性往往大到不能護(hù)理的程度，需要對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正，或在電路上采取線性補(bǔ)償措施。在半橋電路中，如果兩應(yīng)變片的應(yīng)變絕對(duì)值相等符號(hào)相反，則非線性大大降低。 上面討論的是當(dāng)電橋負(fù)載電阻無(wú)限大時(shí)的情況。當(dāng)負(fù)載電阻為有限值r 時(shí)，電橋輸出電流可用下式計(jì)算當(dāng)r 1r2= r3r4時(shí)，電橋平衡， i =0。如要計(jì)算應(yīng)變片電阻變化時(shí)的輸出電流，可將r + r帶入上式的r 即可。 在應(yīng)用電橋電路測(cè)量前應(yīng)先使電橋調(diào)零，對(duì)于直流電橋只考慮電阻即可。對(duì)于交流電橋不僅對(duì)電阻進(jìn)行平衡，還必須對(duì)電抗分量進(jìn)行平衡(主要是對(duì)連結(jié)導(dǎo)線和應(yīng)變片的分布電容進(jìn)行平衡)。 溫度變化會(huì)引起應(yīng)變電阻變化，對(duì)測(cè)量造成誤差。在橋路輸出中，消除這種誤差以求出僅由應(yīng)變引起的電橋輸出的方法叫溫度補(bǔ)償。 利用電橋相鄰相等兩臂同時(shí)產(chǎn)生大小相等、符號(hào)相同的電阻增量不會(huì)破壞電橋平衡(無(wú)輸出)的特性來(lái)達(dá)到補(bǔ)償。將兩個(gè)特性相同的應(yīng)變片用相同的方法粘貼在同樣的兩個(gè)試件上，置于相同的環(huán)境溫度中，一個(gè)承受應(yīng)力，為工作片，另一個(gè)不受應(yīng)力，為補(bǔ)償片。在測(cè)量時(shí)，如溫度變化，兩個(gè)應(yīng)變片引起的電阻增量不但符號(hào)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(yīng)變引起的。此法亦適用于全橋，橋路補(bǔ)償簡(jiǎn)單，在常溫下效果好。如補(bǔ)償片和應(yīng)變片所處溫度不能保證完全一致時(shí)，則影響補(bǔ)償效果。3.3.3 稱重傳感器的連接 在本文介紹的稱重配料系統(tǒng)中，秤體采用柱狀吊裝式結(jié)構(gòu)，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(hào)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(guān)。為了得到相同重量下的相同的毫伏輸出，必要時(shí)需給三只傳感器分別提供可調(diào)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(hào)，并把各稱重傳感器的毫伏輸出進(jìn)行串聯(lián)連接。 稱重傳感器的連接形式如圖 3-2 所示。三個(gè)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(shí)差異可能較大，這種并聯(lián)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(dòng)全橋等效電路這種并聯(lián)連接方式又稱為并聯(lián)差動(dòng)全橋電路，圖中wir ( i =1,2,3)為靈敏度調(diào)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(jiǎn)化成如圖3-3所示的等效電路。其中oiu 和oir 分別是對(duì)應(yīng)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(gè)系統(tǒng)中，重量傳感器是一個(gè)非常關(guān)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(dá)到。傳感器模塊的選擇應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： (1)傳感器的精度 目前，稱重傳感器的普通級(jí)精度為5，中級(jí)精度為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(fù)性、滯后性和蠕變等主要技術(shù)參數(shù)。實(shí)際選用時(shí)首先要考慮測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)測(cè)量精度，按不同的要求而選用不同精度等級(jí)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(zhǎng)時(shí)間地連續(xù)使用，使用場(chǎng)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(cè)量精度和穩(wěn)定性。 (3)傳感器的量程 電子稱重系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合往往是多個(gè)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(tái)或料斗裝置的自重(皮重)、傳感器設(shè)置的數(shù)量、正常操作下可能產(chǎn)生的最大偏載以及稱量狀態(tài)下可能出現(xiàn)的動(dòng)載和下料時(shí)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(jié)構(gòu)有平臺(tái)、料斗球罐等不同形式，傳感器在安裝設(shè)計(jì)時(shí)，其受力狀態(tài)又各不相同，因此要從整體設(shè)計(jì)出發(fā)考慮傳感器的受力形式，最終可選定合適結(jié)構(gòu)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(shí)際上就是包含稱重傳感器，可以感受重量的機(jī)械部件。作為傳統(tǒng)的計(jì)量產(chǎn)品，如液位計(jì)、料為計(jì)、流量計(jì)等，它們普遍的缺陷是計(jì)量精度較低，不能滿足高精度的計(jì)量。而稱重模塊的計(jì)量精度在動(dòng)態(tài)時(shí)(連續(xù)進(jìn)料、放料)時(shí)可到2/1000，在靜態(tài)(進(jìn)料、放料再進(jìn)料)時(shí)可達(dá)到1/2000或更高。 tsc系列稱重模塊為s型外形，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、綜合精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、優(yōu)質(zhì)合金鋼結(jié)構(gòu)，適用于吊鉤秤、配料稱重控制、機(jī)械衡的機(jī)電改造等，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3.3.4.1所示，技術(shù)指標(biāo)見表3.3.4.2圖3.3.4.1 tsc系列傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖3.3.4.2傳感器技術(shù)指標(biāo)在本配料系統(tǒng)中，工藝上要求的精度為1。的傳感器技術(shù)指標(biāo)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(duì)各個(gè)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(wù)。3.4 中斷系統(tǒng)cip-51 包含一個(gè)擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)，支持20 個(gè)中斷源，每個(gè)中斷源有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。中斷源在片內(nèi)外設(shè)與外部輸入引腳之間的分配隨器件的不同而變化。每個(gè)中斷源可以在一個(gè)sfr 中有一個(gè)或多個(gè)中斷標(biāo)志。當(dāng)一個(gè)外設(shè)或外部源滿足有效的中斷條件時(shí)，相應(yīng)的中斷標(biāo)志被置為邏輯1。如果中斷被允許，在中斷標(biāo)志被置位時(shí)將產(chǎn)生中斷。一旦當(dāng)前指令執(zhí)行完，cpu產(chǎn)生一個(gè)lcall到一個(gè)預(yù)定地址，開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序（isr）。每個(gè)isr 必須以reti 指令結(jié)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(biāo)志將被硬件忽略，程序繼續(xù)正常執(zhí)行。中斷標(biāo)志置1 與否不受中斷允許/禁止?fàn)顟B(tài)的影響。每個(gè)中斷源都可以用一個(gè)sfr（ie-eie2）中的相關(guān)中斷允許位允許或禁止，但是必須首先置1ea 位（ie.7）以保證每個(gè)單獨(dú)的中斷允許位有效。不管每個(gè)中斷允許位的設(shè)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(yīng)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(yǔ)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(yǔ)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(chǎn)生了一個(gè)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(yīng)。但是在中斷服務(wù)程序中讀ea 位時(shí)將返回0值。當(dāng)“clr ea”操作碼后面是一條多周期指令時(shí)，則中斷不會(huì)被響應(yīng)。某些中斷標(biāo)志在cpu 進(jìn)入isr 時(shí)被自動(dòng)清除。但大多數(shù)中斷標(biāo)志不是由硬件清除的，必須在isr