基于单片机的自动送料小车的毕业设计

第二章 系统总体设计

2.1 单片机的选择

20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有50多个系列，数百个品种。目前世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型如下：

美国Intel公司：MCS—51系列及其增强型系列 美国Motorola公司：6801系列和6805系列 美国Atmel公司：89C51等单片机

美国Fairchild公司：F8系列和3870系列 美国Rockwell公司：6500/1系列

NS（美国国家半导体）公司：NS8070系列等等。

尽管单片机的品种很多，但是在我国使用最多的还是Intel公司的MCS—51系列单片机和美国Atmel公司的89C51单片机。CS—51系列单片机包括三个基本型8031、8051、8751。8031内部包括一个8位CPU、128个字节RAM，21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口、2个16位定时器/计数器，但片内无程序存储器，需外扩EPROM芯片。比较麻烦，不予采用；

8051是在8031的基础上，片内集成有4K ROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。所以8051适合与应用在程序已定，且批量大的单片机产品中。也不予采用；

8751是在8031基础上，增加了4K字节的EPROM，它构成了一个程序小于4KB的小系统。用户可以将程序固化在EPROM中，可以反复修改程序。但其价格相对8031较贵。8031外扩一片4KB EPROM的就相当与8751，它的最大优点是价格低。随着大规模集成电路技术的不断发展，能装入片内的外围接口电路也可以是大规模的。也不予采用；

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。此设计就采用AT89C51。

2.2 物位传感器的选择

物位是指贮存容器或工业生产设备里的液体、粉粒状固体、气体之间的分界面位置，也可以是互不相溶的两种液体间由于密度不等而形成的界面位置。根据具体用途分为液位、料位、界位传感器或变送器。物位不仅是物料耗量或产量、

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计量的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数。特别是在现代工业中，生产规模大，速度高，且常有高温、高压、强腐蚀性或易燃易爆物料，对于物位的监视和自动控制更是至关重要。

物位测量可用于计算物料储量。对于粉粒体，必须考虑到颗粒间有空隙，应区分密度和容重。密度是指不含空隙的物料每单位体积的质量，即通常的质量密 度 ，如果乘以重力加速度g，就成为重力密度r，简称为重度。容重是包含空隙在内的每单位体积的重量?v，也就是视在重度或宏观重度，它总要比颗粒物质本身的重度小，其差额决定于空隙率。而空隙率又取决与许多因素。例如颗粒形状、尺寸的一致程度、是否受外力压实、是否经受过振动、有无黏结性等，所以粉粒体物料的体积储量和质量储量之间不易精确换算，这是需要注意的 [1]。 2.2.1 电容式物位传感器

利用物料介电常数恒定时极间电容正比与物位的原理，可构成电容式物位传感器。

根据电机的结构可将容式物位传感器分为三种：（1）适用于导电容器中的绝缘性物料，且容器为立式圆筒形，器壁为一极，沿轴线插入金属棒为另一极，其间构成的电容C与物位成比例。也可悬挂带重锤的软导线作为电机。（2）适用于非金属容器，或虽为金属容器但非立式圆筒形，物料为绝缘性的。这时在棒状电极周围用绝缘支架套装金属筒，筒上下开口，或整体上均匀分布多个孔，使内外物位相同。中央圆棒和与之同轴的套筒构成两个电极，其间电容和容器形状无关，只取决于物位。所以这种电极只用于液位，粉粒体容易滞留在极间。（3）用于导电性物料，起外形和（1）一样，但中央圆棒电极上包有绝缘材料，电容是由绝缘材料的介电常数和物位决定的，与物料的介电常数无关，导电物料使筒壁与中央电极间的距离缩短为绝缘层的厚度，物位升降相当于电极面积改变。

电容式物位传感器无可动部件，与物料密度无关，但应注意物料中含水分时将对测量结果影响很大，并且要求物料的介电常数与空气介电常数差别大，需用高频电路。所以不予采用。 2.2.2 阻力式料位传感器

阻力式料位传感器是指物料对机械运动所呈现的阻挡力。粉末颗粒状物料比液态物质流动性差，对运动物体有明显的阻力，利用这一特点可构成各种料位传感器：

（1）重锤探索法：在容器顶部安装由脉冲分配器控制的步进电机，此电机正转时缓缓释放悬有重锤的钢索。重锤下降到与料面接触后，钢索受到的合力突然减小，促使力传感器发出脉冲。此脉冲改变门电路的状态，使步进电机改变转向重锤提升，同时开始脉冲计数。待重锤升至顶部触及行程开关，步进电机停止转动，同时计数器也停止计数并显示料位（料位值即容器全高减去重锤行程之差）。显示值一直保持到下次探索后刷新为另一值。开始探索的触发信号可由定时电路周期性地供给，也可以人为地启动。不进行探索时，重锤保持在容器顶部，以免物料将重锤淹埋。万一重锤被物位埋没，排放物料时产生的强大拉力就可能

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拉断钢索报警措施及出料过滤栅。

但这种方法运用了逻辑电路和数字技术，可连续测量料位值并输出数字量，是数字传感器，但其采样是周期性的，对时间而言不连续，此设计不予采用；

（2）旋桨或推板法：这是一种位式传感器，或称料位开关。在容器壁的某一高度处装小功率电动机，其轴伸入容器内，末端带有桨状叶片。叶片不接触物料时，自由旋转的空载状态下电动机的电流很小，一旦料位上升到与叶片接触，转动阻力增加，甚至成堵转状态，电流显著加大。根据电流的大小使继电器的接点动作，发出料位报警或位式控制信号。如电机轴经过曲柄连杆机构变为往复运动，则可带动活塞或平板在容器中做推拉动作，即成推板法。旋桨法或推板法不一定都是靠电机电流的大小时继电器接点动作，也可以利用离合器或连杆上的传动机构，在叶片或推板负载增大时改变电接点的通断状态。所用电动机应能在长时间堵转状态下，或离合器打滑状态下，不致过热而损坏。

这类原理构成的料位开关，只能安装在容器壁上，安装高度取决于动作所对应的料位值。应用不那么广泛，所以此设计也不予采用。

（3）音叉法：根据物料对振动中的音叉有无阻力探知料位是否到达或超过某高度，并发出通断信号，这种原理不需要大幅度的机械运动，驱动功率小，机械结构简单、灵敏而可靠。音叉由弹性良好的金属制成，本身具有确定的固有频率，如外加交变力的频率与其固有频率一致，则叉体处于共振状态。由于周围空气对振动的阻尼微弱，金属内部的能量损耗又很少，所以只需微小的驱动功率就能维持较强的振动。当粉粒体物料触及叉体之后，能量消耗在物料颗粒间的摩擦上，迫使振幅急剧衰减，音叉停振。

为了给音叉提供交变的驱动力，利用放大电路对压电元件施加交变电场，靠逆压电效应产生机械力作用在叉体上。用另外一组压电元件的正压电效应检测振动，它把振动力变为微弱的交变电信号。再由电子放大器和移相电路，把检振元件的信号放大。经过移相，施加到驱动元件上去，构成闭环振荡器。在这个闭环中，既有机械能也有电能，叉体是其中的一个环节，倘若受到物料阻尼难以振动，正反馈的幅值和相位都将明显的改变，破坏了振荡条件，就会停振。只要在放大电路的输出端接以适当的器件，不难得到开关信号。

为了保护压电元件免受物料损坏和粉尘污染，将驱动和检振元件装在叉体内部，经过金属膜片传递振动。如果在容器的上下方都装叉体，可以实现自动进料或自动出料的逻辑控制，或者把料位越限信号远传到控制室。在控制室里的控制电路判断料位是否越限，并按要求使被控的进出料设备启停。并且叉体的制造和装配良好时，音叉也可用于液体测量和控制。在测量时不需要大幅度的机械运动，驱动功率小，机械结构简单、灵敏而可靠。综上所述，此设计选择音叉法阻力式料位传感器。

2.3 存储器扩展电路的选择

2.3.1 24C01扩展：

串行总线上的各单片机或集成电路模块，通过一条数据线(SDA)和一条时钟线(SCL)，按照通信规则进行寻址和信息传输。每个集成电路模块都有唯—伪地址，既可以是主控机(能控制总线，并能完成一次传输过程的初始化和产生时

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钟信号及传输终止信号的器件)或被控机(被主控器寻址的器件)，可以是发送器(在总线1：发送信息的器件)或接收器(从总线上接收信息的器件) I2C总线上的器件，根据它的不同工作状态，可分为主控发送器、主控接收器、被控发送器、被控接收器。当多个主控器同时企图控制总线而不丢失信息，这叫多主竞争。这时就要进行仲裁，仲裁就是针对这种情况进行裁决的过程。只允许其中一个主控器继续占用总线，其它退出封藏器状态。仲裁过程中还要保证总线的信息不丢失。多主竞争时必须对所有参与竞争的主控器的时钟信号进行同步处理。信息传输时，SCL为高电平期间，SDA上的信息必须保持稳定不变，只有SCL为低电平期间，SDA上的信息才允许变化。同时SDA上信息每一位部和SCL的时钟脉冲相对应。SCL没有时钟信号，SDA信息将停止传输处于等待状态。这因为线“与”逻辑，使SCL在低电平时钳住总线。实现线“与”逻辑功能各I2C总线接口的输出端必须是漏极开路或集电极开路结构。SCL保持高电平期间，SDA由高电平向低电平变化这种状态定义为起始信号。SCL保持高电平期间，SDA由低电平向高电平变化，这种状态定义为终止信号。SDA传输的每个字节必须8位(最高有效位首先传送)，每个传送字节必须跟随一位应答位。与应答信号相应的时钟信号由主控器产生，发送器在这个时钟信号释放SDA，使它处于高电平状态，以便接收由接收器在这位发出的应答信号。这时接收器还必须SCL在这位高电平期间，在SDA上输出一个恒定低电平信气以完成应答信号的输出。整个传输过程中，传输的字节数目是没有限制的。数据传输一段时间后，接收器无法继续接收更多的数据，主控器同样可以终止数据的传送[2]。

24C01是一种128字节串行CMOS EEPROM,它具有如下特点：1、存储容量为128字节。2、串行接口可使用普通两根I/O接口。3、具有页写模式：每页4字节。4、同步周期小于10ms 。它只使用一条数据线和一条时钟线，采用ATMEL公司的24C01串口存储器，应用简单方便，但是其编程较为复杂。 2.3.2 2864A芯片扩展：

2864A是一种并行EEPROM，它的特点同上，但每页有16字节，2864A与8051单片机的接口电路如下图所示,2864A的片选端CE与高地址线P2.7连接，P2．7=0才能选中2864A，这种线选法决定了2864A对应多组地址空间，即0000H~1FFFH,2000H~3FFFH,4000H~5FFFH,6000H~7FFFH,这8K字节存储器可作为数据存储器使用,且掉电后数据不丢失 。

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