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1、无无 锡锡 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计说明书（论毕业设计说明书（论 文）文）0第一章 前言1.11.1 课题的研究意义及目的课题的研究意义及目的在七八十年代随着我国经济的发展与改革开放的需要从冶金、电力、建材等系统，在成套系统进口的同时配套进口了相当数量的各类皮带秤产品。此阶段比较突出的是上海宝钢集团在一期、二期项目引进的设备中配套进口了相当数量的日本大和衡器株式会社（Yamato）生产的非定量/定量皮带秤产品，由于该产品的质量稳定可靠赢得了我国市场的认可。到了上世纪末本世纪初一批原国有企业与大专院校、科研院所由于体制问题从而分离出众多的民营企业，自行开发了各种皮带秤产品。在
2、此阶段的合资企业如北京大和引进了日本大和CFC-100 皮带秤仪表技术；上海大和在日方增资控股后全面引进了日本大和非定量/定量皮带秤包括耐压式计量给煤机用传感器、仪表与整机开发技术。总体上说我国目前的非定量皮带秤、定量皮带秤的承重装置的结构形式还没有完全突破上述的几种类型，目前针对不同现场恶劣环境的基础性测试与理论研究还缺乏实用性的突破。由于皮带秤的动态准确度受环境变化影响因素太多，应该客观地说，目前我国皮带秤产品的可靠性应用与研究与国外先进水平相比较还是相当落后的，所以市场发展潜力非常之大。随着半导体技术的发展，单片机的应用越来越广泛。目前利用单片机和微机组成的皮带配料秤单片机控制器已广泛地
3、应用在冶金、化工、建材、饲料加工等诸多行业，皮带配料秤控制系统不仅具有自动化程度高，配料连续性好，操作人员劳动强度低，而且配料精度高，产品质量容易控制，还能实现动态物料的配比，自动和手动相结合，实现自动跟踪误差调整、自动称重、自动混合、自动显示。因此使用皮带配料秤单片机控制器能明显地提高工作效率，增加经济效益，提高管理的现代化水平。1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状连续累计自动衡器主要指皮带类的连续累计自动衡器，简称皮带秤。我国最早出现机械式非定量非定量皮带秤是在上世纪五十年代，而真正意义上的电子非定量皮带秤是在六十年代，当时由机械部北京起重运输机械研究所研制生产了第一代电子非定量皮带
4、秤，随后机械部上海工业自动化仪表研究所、太原工学院等单位也相继开发出全电子非定量皮带秤产品。在七八十年代开始，机械部先后组织了从日本大和（Yamato）引进非定量/定量皮带秤整机产品技术；从美国梅里克(Melick)引进非定量/定量皮带秤整机产品技术；从德国申克(Schenck)引进定量皮带秤整机产品技术；从美国拉姆齐(Ramsey)引进非定量/定量皮带秤整机产品技术；电力部组织了从日本大和（Yamato）引进给煤机（定量皮带秤）整机产品技术；从美国史道克(Stock)引进给煤机（定量皮带秤）整机产品技术。作为我国火力发电行业最关键的称重设备之一的耐压式计量给煤机的发展，代表了我国电子皮带秤产
5、品技术已经发无无 锡锡 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计说明书（论毕业设计说明书（论 文）文）1展到了一个更高的台阶。为了促进国有企业技术的发展，引进国外先进的称重技术是无可非议的，但必须熟悉掌握专业技术的全面信息，且具有全新的概念和超前的意识，盲目性、重复性的引进是技术上的大忌。在称重测力技术中，我国以国外若干技术起步，甚至在某一阶段以局部市场换取一些技术，一度取得了一些成果，由于外国公司的主观愿望十分明确，为进入中国市场，他们并役有转让真正前沿的新技术，而是将他们即将换代的局部技术实施转让，为其原有产品延长其生命周期，取得意想不到的效益。1.3 本论文的本论文的主要主要工作及安
6、排工作及安排本文在介绍一种物料皮带配料秤单片机控制器的结构及工作原理的基础上，着重对该仪器的控制系统的功能实现作了详尽描述，及一种采用 8051 等芯片设计的智能变送器和系统误差自适应调节的方法。论文的第一部分主要就皮带配料秤的特点、工作原理及结构作了简要描述，突出地介绍了皮带配料秤的用途及功能。论文的第二部分说明了皮带配料秤的结构和原理。包括物料自动称量的原理和实现，芯片介绍。论文的第三部分重点描述了皮带配料秤单片机控制系统的结构工作原理和实现。突出地介绍了一种 PC 机与单片机的一种远距离串行通信方法。论文的第四部分介绍系统常见的皮带跑偏等问题的处理方法。如果能注意这些问题，那会使皮带配料
7、秤运行更加安全方便。无无 锡锡 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计说明书（论毕业设计说明书（论 文）文）2第二章 总体设计方案皮带配料秤控制系统的总体设计思想为：皮带输送机投入运行前，输送皮带上物料流量的设定值由操作人员在键盘上设定。系统投入正常运行后，单片机采样皮带荷重信号(通过ADC0809)和走速信号(T 法测速)，将皮带走速信号 V(t)与皮带单位长度上的瞬时重量 P(t)相乘即可计算出皮带上物料的瞬间流量 F(t)。瞬间流量可通过 6 个七段数码管显示出来，为操作人员提供工艺数据参考。8051 系统再将流量实际值与其设定值进行比较，经增量 PID调节运算后计算出控制量 Vi
8、，通过 DAC0832 转换为电流输出信号(420 mA)，而后经放大去控制可控硅的导通角，实现调节滑差电机电磁离合器励磁电流的功能，从而调节执行机构滑差电机的转速，使输送皮带上的物料流量尽可能稳定在设定值附近，并具有良好的静态指标和动态性能。2.12.1 硬件系统方案选择硬件系统方案选择(1) 单片机 8051 最小系统的设计。8051 芯片是整个皮带秤系统的核心，选择 8051 芯片是因为它本身自带片内程序存储器，使用起来比较方便，性能也比较稳定。(2) A/D 转换接口的扩展。A/D 转换部分为称重传感器和放大电路提供激励电压和稳定的电压电源，并提供放大器称重传感器输出的称重模拟信号，同
9、时还要把模拟信号转换成数字信号输出。(3) 显示接口的扩展。系统中主要配有 6 个七段数码显示管来显示测出的瞬时流量 F(t)，为操作人员提供工艺数据参考。(4) D/A 转换接口的扩展。D/A 转换主要是将单片机处理后的数据，经模糊 PID 算法得出控制输出，再经 D/A 转换后控制可控硅进行处理。(5) 检测元件的选择。检测元件采用软件方法对流量等参数进行实时监控检测。(6) 键盘接口的扩展。 键盘是由若干个按钮组成的开关组，其作用非常之大，在调试过程中用来输入设定值及各种参数。根据本皮带秤的系统需要，采用的是 2X8 键盘，包括 09 这 10 个数字键，6 个功能键，因此，键盘在此次系
10、统中发挥着极其重要的作用。无无 锡锡 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计说明书（论毕业设计说明书（论 文）文）32.22.2 软件系统方案选择软件系统方案选择软件部分的设计主要是针对键的扫描，对数据进行采集并处理，计算出瞬时流量，再进行 PID 调节，控制可控硅的导通角，从而控制滑差电机的转速。可分为以下几个模块：(1) 主程序的设计。(2) 键扫描及显示程序。(3) A/D 转换程序。(4) D/A 转换程序。无无 锡锡 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计说明书（论毕业设计说明书（论 文）文）4第三章 控制和测量原理3.13.1 控制原理控制原理输送皮带上物料流量的设定值
11、由操作员在键盘上设定，系统投入运行后，单片机采样皮带荷重信号和走速信号，并计算瞬时流量和输出控制电流(420mA)，实现对流量的控制。系统闭环控制回路原理图如图 3.1 所示。 流量设定值荷重瞬时流量+-F(t)图图3.13.1 系统闭环控制回路原理图系统闭环控制回路原理图在流量测试的基础上，把流量设定值和实际测试得到的瞬时流量进行比较，计算出误差。采用增量 PID 调节算法，计算输出到 DAC0832 的 Vi(数字量)，经 DAC0832 变换为 420 mA的电流信号，经过放大后去控制滑差电机的转速。增量式 PID 控制算法只需计算增量，当存在计算误差或精度不足时，对控制量计算的影响较小
12、；增量式积分项运算仅与本次偏差有关，不易产生积分饱和，可取得较好的调节效果；在实际系统中，易于实现手动和自动的无扰动切换，故在控制策略的选用中得到了广泛的推广。 其计算公式如下： Vi = P( ei + Iei + D2ei )式中：输出控制量的增量；iV设定值 S 与本次实际测得的流量值 Fi 之差，；ieiieSF1iiieee上一时刻设定值与实测值之差；1ie21121()()iiiiiiieeeeeee 2ei两次误差值的增量；P比例系数；I积分系数；D微分系数。 输出控制变量 Vi的表达式为 Vi = Vi-1 + Vi式中：Vi-1上一时刻输出的控制变量PID 调 节D/A 输出
13、滑差电机计算无无 锡锡 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计说明书（论毕业设计说明书（论 文）文）53.23.2 测量原理测量原理测量时主要是针对瞬时流量进行测量。当输送皮带以 V(t)走带时，皮带上的物料一般为不均匀分布，瞬时流量为 F(t) = P(t) xV(t)式中：P(t) -单位长度上物料的瞬时重量；V(t) -皮带的瞬时线速度。 本系统中 P(t)为荷重传感器电压输出信号的函数，因为存在着非线性，故可近似由三次多项式表示为P(t) = ax3(t) + bx2(t) + cx(t) + d 式中：P(t) -单位长度上物料的瞬时重量；x(t) -荷重传感器在时刻 t 输出
14、的电压信号经 A/D 转换后的数字量；a、b、c、d-线性转换系数。由调试过程中现场测定，可通过键盘输入。 从上述公式可推导出瞬时流量 F(t)为 F(t) = ax3(t) + bx2(t) + cx(t) + d x V(t)瞬时流量由 5 位十进制显示，显示形式为精确到小数点后 3 位。 无无 锡锡 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计说明书（论毕业设计说明书（论 文）文）6第四章 硬件结构及组成原理4.14.1 80518051最小系统的设计最小系统的设计8051片内程序存储器ROM为掩膜型的，在制造芯片时已将应用程序固化进去，使它具有了某种专用功能，其地址空间为64kB。当E
15、A接高电平时，单片机从片内ROM的4kB字节存储器区取指令，当指令地址超过0FFFH后，自动地转向片外ROM取指令。当EA接低电平时，所有的取指操作均对片外程序存储器进行。8051最小系统主要包括时钟电路的复位电路两部分。1） 时钟电路（1） 内部振荡方式：8051单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端，把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。（2） 外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。2） 复位电路单片机复位电路包括片内、片外两部分。外部复位电
16、路就是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。8051单片机通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行。8051芯片外部接线图如图4.1所示。无无 锡锡 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕业设计说明书（论毕业设计说明书（论 文）文）7图图4.14.1 80518051芯片外部接线图芯片外部接线图4.24.2 A/DA/D转换接口扩展转换接口扩展在本系统的数据采集过程中，主要有两种需检测的数据，一种是皮带走速信号 V(t)，另一种是运行中皮带单位长度上的瞬时重量 P(t)，两者的乘积为此时的瞬时流量 F(t)，即F(t)P(t)V(t) 单位长度皮带上的瞬时重量(皮带荷重信号)采集方法如下：(1) 由荷重传感器测出瞬时变化的应变情况，并转化为电压信号以 010 mv
