毕业设计（论文）基于CAN总线斗式计量控制器的设计.doc

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1、摘 要 基于CAN总线斗式计量控制器的设计。玻璃厂称重配料自动控制系统的主要目标是根据原料配料的工艺要求，将颗粒状或粉状原料经称量、混合等工序 ，配制为成份、水分合格的混合料并送入熔窑料仓。控制器主要由单片机、传感器、上位机等元件构成。主要工作原理为通过传送带向量斗运送物料，量斗下方设有3个称重传感器，称重传感器通过测量的原料的重量信号转换为电信号，单片机接受通过A/D转换芯片转换的信号进行处理，如果称重的数值快要接近给定的数值，单片机发出控制指令对量斗下方的震荡装置进行控制使，置震荡的速度变慢，减少原料的投放速度直至称重数值达到设定的数值。并采用CAN 总线技术具有实时性强、传输距离较远、抗

2、电磁干扰能力强、，通用性好，抗干扰性能强，造价降低。非常试用于工业称重自动控制系统。 关键字： 单片机、传感器、CAN总线AbstractDesign 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 proc

3、esses 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 materi

4、al, 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 S

5、CM 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,

6、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 录摘 要iAbstractii第 1 章绪 论11.1课题背景及意义11.2玻璃生产流程21.3玻璃配料工业现状3第 2 章斗式计量控制系器总体设计52.1计量控制器的工作原理5图2-1.1 量斗结构示意图62.2玻璃控制器总体框图7第 3 章系统硬件设计83.1单

7、片机系统83.1.1单片机的选择及介绍83.2传感器系统设计与选型173.2.1称重传感器技术173.3称重测量模块设计193.3.1称重传感器分析与设计193.3.2电阻应变式传感器工作原理193.4中断系统203.4.1MCUz中断源和中断向量213.4.2外部中断213.4.3中断优先级213.4.4中断响应时间213.5电源管理方式223.5.1空闲方式223.5.2停机方式233.6复位源233.6.1上电复位243.6.2外部复位253.6.3比较器0复位253.6.4看门狗定时器复位253.7端口输入/输出263.8系统抗干扰措施“看门狗”技术273.8.1硬件抗干扰措施28第

8、4 章系统的软件设计294.1软件的主程序结构设计294.2Protel简介294.2.1常用操作30结 论31致 谢32参考文献33附录A34第 1 章 绪 论1.1 课题背景及意义在玻璃生产过程中，有些产品是将某几种原料按照一定的比例混合，通过配制加工而成，这种按一定的比例混合原料的过程，就是配料的过程。其混合比例是否按预先规定的配比进行，直接影响到产品的质量。同时，配料质量控制的优劣也直接关系着下游生产能否顺利进行。如果配料的质量达不到要求，轻则造成原料、能源的浪费，重则影响产品的质量和产量，并且由于配料失误甚至会给整个生产酿成事故。因此，要保证产品质量和生产的顺利进行，就要提高配料过程

9、的精度和保证配料的速度。 玻璃是一种化学组成既定而又均质化的材料。在玻璃的连续化生产中，原料配料的准确、均匀和稳定是生产优质玻璃的先决条件。尤其是配合料的制备，需要同时对多种原料进行准确称量、混合、输送和投料，一旦出现事故势必造成重大经济损失。因为一个现代化的大、中型玻璃池窑里容纳着一两千吨玻璃液，每昼夜要投入上百吨至数百吨配合料，而且在生产过程中各工序之间是连续作业，环环相扣，彼此影响很大，其影响在短时期内是难以清除的，造成的损失是以百万元来计算的。由此可见原料的制备对玻璃生产的重要性。原料的精确称量是配料工艺的核心，由于设备故障或者是人为因素都容易造成配料错料，因而引起玻璃质量的下降。另外

10、，如果采用人工配料，由于现场的粉尘较大，很容易对人的身体造成损害。因此，提高配料系统的称量精度、提高系统自动化水平和可靠性，对保障玻璃生产线优质稳定生产、改善工人工作环境和提高劳动生产率有着重要的现实意义。所以，原料配料的自动化是现代玻璃工业发展的必然趋势。当今，随着计算机技术和自动控制技术飞速发展，人们普遍对生产过程自动化程度的要求也越来越高。同样，在称重配料领域，人们对称重配料过程提出了“快速、准确、连续、自动”的要求。为此，选择和设计合理的称重配料方式对实现原料的自动配料至关重要。当今针对配料控制系统的应用研究也随着这种要求而广泛的开展起来，并且取得了许多成功的应用实例。 此外，食品、化

11、工、饲料、陶瓷等行业也离不开配料生产过程，也必须通过自动配料控制系统来实现生产的自动化。虽然这些行业所用的物料和生产工艺不同，但其配料控制系统所要完成的任务却基本相同，因此，研究和开发一种自动配料控制系统具有一定的实际意义。 本文的研究旨在使配料车间设备及控制系统满足玻璃生产对原料配料的工艺要求，并使整个系统达到高度自动化的同时具有更强的智能化。1.2 玻璃生产流程玻璃是由石英砂、石灰石、长石、纯碱、澄清剂、着色剂/脱色剂、助熔剂、碎玻璃等原料经过高温熔融、成型、退火、切割等过程，形成的无色（白玻）透明的非晶态无机物。玻璃具有一系列非常可贵的性质：透明，坚硬，良好的耐蚀、耐热和电学、光学性质；

12、能够用多种成型和加工方法制成各种形状和大小的制品；可以通过调整化学组成改变其性质，以适应不同的使用要求。特别是制造原料丰富，价格低廉，因此获得了极其广泛的应用，在国民经济中起着重要的作用1 配料，按照设计好的料方单，将各种原料称量后在一混料机内混合均匀。玻璃的主要原料有：石英砂、石灰石、长石、纯碱、硼酸等。 2 熔制，将配好的原料经过高温加热，形成均匀的无气泡的玻璃液。这是一个很复杂的物理、化学反应过程。玻璃的熔制在熔窑内进行。熔窑主要有两种类型：一种是坩埚窑，玻璃料盛在坩埚内，在坩埚外面加热。小的坩埚窑只放一个坩埚，大的可多到20个坩埚。坩埚窑是间隙式生产的，现在仅有光学玻璃和颜色玻璃采用坩

13、埚窑生产。另一种是池窑，玻璃料在窑池内熔制，明火在玻璃液面上部加热。玻璃的熔制温度大多在13001600C。大多数用火焰加热，也有少量用电流加热的，称为电熔窑。现在，池窑都是连续生产的，小的池窑可以是几个米，大的可以大到400多米。3 成形，是将熔制好的玻璃液转变成具有固定形状的固体制品。成形必须在一定温度范围内才能进行，这是一个冷却过程，玻璃首先由粘性液态转变为可塑态，再转变成脆性固态。成形方法可分为人工成形和机械成形两大类。 A 人工成形。又有（1）吹制，用一根镍铬合金吹管，挑一团玻璃在模具中边转边吹。主要用来成形玻璃泡、瓶、球（划眼镜片用）等。（2）拉制，在吹成小泡后，另一工人用顶盘粘住

14、，二人边吹边拉主要用来制造玻璃管或棒。（3）压制，挑一团玻璃，用剪刀剪下使它掉入凹模中，再用凸模一压。主要用来成形杯、盘等。（4）自由成形，挑料后用钳子、剪刀、镊子等工具直接制成工艺品。 B 机械成形。因为人工成形劳动强度大，温度高，条件差，所以，除自由成形外，大部分已被机械成形所取代。机械成形除了压制、吹制、拉制外，还有（1）压延法，用来生产厚的平板玻璃、刻花玻璃、夹金属丝玻璃等。（2）浇铸法，生产光学玻璃。（3）离心浇铸法，用于制造大直径的玻璃管、器皿和大容量的反应锅。这是将玻璃熔体注入高速旋转的模子中，由于离心力使玻璃紧贴到模子壁上，旋转继续进行直到玻璃硬化为止。（4）烧结法，用于生产泡

15、沫玻璃。它是在玻璃粉末中加入发泡剂，在有盖的金属模具中加热，玻璃在加热过程中形成很多闭口气泡这是一种很好的绝热、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。浮法是让玻璃液流漂浮在熔融金属（锡）表面上形成平板玻璃的方法，其主要优点是玻璃质量高（平整、光洁），拉引速度快，产量大。4 退火，玻璃在成形过成中经受了激烈的温度变化和形状变化，这种变化在玻璃中留下了热应力。这种热应力会降低玻璃制品的强度和热稳定性。如果直接冷却，很可能在冷却过程中或以后的存放、运输和使用过程中自行破裂（俗称玻璃的冷爆）。为了消除冷爆现象，玻璃制品在成形后必须进行退火。退火就是在某一温度范围内保温或缓慢降温一段

16、时间以消除或减少玻璃中热应力到允许值。 此外，某些玻璃制品为了增加其强度，可进行刚化处理。包括：物理刚化（淬火），用于较厚的玻璃杯、桌面玻璃、汽车挡风玻璃等；和化学刚化（离子交换），用于手表表蒙玻璃、航空玻璃等。刚化的原理是在玻璃表面层产生压应力，以增加其强度。号1.3 玻璃配料工业现状玻璃工业在我国产业中是一个重要的行业，并在我国的经济建设中起着非常重要的作用。改革开放以来，随着我国经济的快速发展，玻璃配料行业也得到了长足的发展。特别是20世纪80年代后期，我国浮法玻璃出现了第一次发展高峰，以年增长35%的速度飞速发展，远远高于当时我国经济发展10%的增长速度，玻璃工业的发展异常引人注目。近

17、年来，玻璃生产行业的竞争日趋激烈。因此，稳定并提高产品质量、产量和增强竞争力成为玻璃生产发展的主要目标。而基于这个目标开发的适用于玻璃生产的称重配料系统必须具有高速度、高性能、高精度、高可靠性和稳定性等特点，以适应现代化生产的要求。 目前我国玻璃工业存在的主要问题及与国际先进水平的差距主要表现在：资源、能源消耗高，综合利用水平低；整体技术、装备及管理水平与国际先进水平相比仍有较大差距；产品结构不够合理，优质浮法和深加工率偏低；企业数量多、规模小、国际竞争力差；企业科技创新和自主开发能力较差，缺乏具有驱动力的技术创新机制和能力；市场不规范，无序竞争现象比较突出等。 在玻璃配料技术方面，还存在着工

18、艺落后、产品品种单一、设备装配不合理和自动化程度低等弊端，难以适应现代化玻璃工业发展的需要。在配料控制系统方面普遍存在的问题是：配料精度低，机电控制部分的可靠性差；缺少数据库管理生产以及对生产过程的实时动态监视。配料精度低主要原因是电子秤系统的动态性范围小或用于配料的算法不合理造成的；而可靠性差主要是中间继电器和微机控制系统的可靠性低所致。可靠性是重要的质量指标，但由于机械工艺、电子元件等基础工业发展的滞后，国内的微机配料系统的可靠性与国外产品相比尚有一定差距。同时随着网络化、信息化技术向自动化领域的渗透，使得自动化系统的体系结构面临一场深刻的变革，这种变革也必将对浮法玻璃自动化产生重大影响。

19、第 2 章 斗式计量控制系器总体设计2.1 计量控制器的工作原理玻璃厂称重配料自动控制系统的主要目标是根据原料配料的工艺要求，将颗粒状或粉状原料经称量、混合等工序 ，配制为成份、水分合格的混合料并送入熔窑料仓。控制器主要由单片机、传感器、上位机等元件构成。主要工作原理为通过传送带向量斗运送物料，量斗下方设有3个称重传感器，称重传感器通过测量的原料的重量信号转换为电信号，单片机接受通过A/D转换芯片转换的信号进行处理，如果称重的数值快要接近给定的数值，单片机发出控制指令对量斗下方的震荡装置进行控制使，置震荡的速度变慢，减少原料的投放速度直至称重数值达到设定的数值。并采用CAN 总线技术具有实时性

20、强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、，通用性好，抗干扰性能强，造价降低。非常试用于工业称重自动控制系统。图2-1为玻璃配料工艺流程图。 图2-1玻璃配料工艺流程图 玻璃配料工序是按照玻璃成份及融化要求，将粒度及成份符合标准的各种原料通过科学配比、称重、混合，为熔化提供合格的配料的过程，是玻璃生产的关键工序之一。 佳木斯玻璃厂运用玻璃原料主要有精砂、硅砂、重碱、白云石、石灰石、芒硝、煤粉、玻璃粉。通过不同称重的量斗来称量不同的配料，主要工作原理为通过传送带向量斗运送物料，量斗下方设有3个称重传感器，称重传感器通过测量的原料的重量信号转换为电信号，单片机接受通过A/D转换芯片转换的信号进行处理，如

21、果称重的数值快要接近给定的数值，单片机发出控制指令对量斗下方的震荡装置进行控制使，置震荡的速度变慢，减少原料的投放速度直至称重数值达到设定的数值。在通过传送带将物料运送到下一部门进行工作。图2-1.1为量斗结构示意图 图2-1.1 量斗结构示意图2.2 玻璃控制器总体框图 系统总体框图如下： 图2-2配料控制总体框图第 3 章 系统硬件设计3.1 单片机系统3.1.1 单片机的选择及介绍C8051F04X 系列器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有64 个数字I/（C8051F040/2/4/6）或32 个数字I/O 引脚（C8051F041/3/5/7），片内集成了一个CAN2.0B

22、 控制器。下面列出了一些主要特性；有关某一产品的具体特性参见表1.1。􀁹 高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核（可达25MIPS）􀁹 控制器局域网（CAN2.0B）控制器，具有32 个消息对象，每个消息对象有其自己的标识􀁹 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）􀁹 真正12 位（C8051F040/1）或10 位（C8051F042/3/4/5/6/7）、100 ksps 的ADC，带PGA 和8 通道模拟多路开关􀁹 允许高电压差分放大器输入到12/10 位ADC（60V 峰-峰值），增益

23、可编程􀁹 真正8 位500 ksps 的ADC，带PGA 和8 通道模拟多路开关（C8051F040/1/2/3）􀁹 两个12 位DAC，具有可编程数据更新方式（C8051F040/1/2/3）􀁹 64KB（C8051F040/1/2/3/4/5）或32KB（C8051F046/7）可在系统编程的FLASH 存储器􀁹 4352（4K+256）字节的片内RAM􀁹 可寻址64KB 地址空间的外部数据存储器接口􀁹 硬件实现的SPI、SMBus/ I2C 和两个UART 串行接口𙦥

24、7; 5 个通用的16 位定时器􀁹 具有6 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列􀁹 片内看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器具有片内VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F04x 系列器件是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051 固件。片内JTAG 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU 进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步

25、及运行和停机命令。在使用JTAG 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。每个MCU 都可在工业温度范围（-45到+85）工作，工作电压为2.7 3.6V。端口I/O、/RST和JTAG 引脚都容许5V 的输入信号电压。C8051F040/2/4/6 为100 脚TQFP 封装。C8051F041/3/5/7 为64 脚TQFP 封装。 图3-1.1 C8051F04/2原理图C8051F04x 系列MCU 对CIP-51 内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。扩展的中断系统向CIP-51 提供20 个中断源（标准8051 只有7 个中断源），允许大量的模拟

26、和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的MCU 干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。MCU 可有多达7 个复位源：一个片内VDD 监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0 提供的电压检测器、一个软件强制复位、CNVSTR0 输入引脚及/RST 引脚。/RST 引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST 引脚。除了VDD 监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户用软件禁止；使用MONEN 引脚使能/禁止VDD 监视器。在一次上电复位之后的MCU 初始化期间，可以用软件将WDT 永久

27、性使能。MCU 内部有一个独立运行的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器，外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC 或外部时钟源产生系统时钟。时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU 从一个低频率（节电）外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速内部振荡器（可达25MHz）。CIP-51 有标准的8051 程序和数据地址配置。它包括256 字节的数据RAM，其中高128 字节为双映射。用间接寻址访问通用RAM的高128 字节，用直接寻址访问128 字节的SFR 地址空间。CIP-51的SFR 地址空间可包含多达256 个SFR

28、页。通过SFR 分页，CIP-51 MCU 可以控制大量用于控制和配置片内外设所需要的SFR。数据RAM 的低128 字节可用直接或间接寻址方式访问。前32 个字节为4 个通用寄存器区，接下来的16 字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。C8051F04x 中的CIP-51 还另有位于外部数据存储器地址空间的4KB 的RAM 块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口（EMIF）。这个片内的4KB RAM 块可以在整个64K 外部数据存储器地址空间中被寻址（以4K 为边界重叠）。外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到片外存储器、或两者的组合（4KB 以下的地址指向片内，4K

29、B 以上的地址指向EMIF）。EMIF 可以被配置为地址/数据线复用方式或非复用方式。MCU 的程序存储器包含64KB（C8051F040/1/2/3/4/5）或32KB（C8051F046/7）的分块FLASH。该存储器以512 字节为一个扇区，可以在系统编程，且不需特别的外部编程电压。从0xFE00 到0xFFFF 的512 字节被保留。还有一个位于地址0x10000 - 0x1007F 的128 字节扇区，该扇区可用于存储小规模的软件常数表。图1.7 给出了MCU 系统的存储器结构。 图3-1.3片内存储器组织C8051F04x系列器件具有片内JTAG边界扫描和调试电路，通过4脚JTAG

30、接口并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。该JTAG接口完全符合IEEE 1149.1规范，为生产和测试提供完全的边界扫描功能。Silicon Lab的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、堆栈指示器和单步执行。不需要额外的目标RAM、程序存储器、定时器或通信通道。在调试时所有的模拟和数字外设都正常工作。当MCU单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的外设（ADC和SMBus除外）都停止运行，以保持同步。开发套件C8051F040DK具有开发应用代码所需要的全部硬件和软件，并可对C8051F04x MCU进行在系统调试。开发套件包含两个目标板

31、和一条电缆，以便于评估简单的CAN通信网络。开发套件中包括开发者工作室软件和调试器、目标应用板，板上有对应的MCU。套件中还包括所需要的电缆及墙装电源。串行适配器从应用板获取其电源，工作电压为2.7 3.6V，需要的电流大约为20 mA。对于不能从目标板上获取足够电流的应用，可以将套件中提供的电源直接连到串行适配器上。对于开发和调试嵌入式应用来说，Silicon Labs调试环境比标准MCU仿真器要优越得多。标准的MCU仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆，还需要在应用板上有MCU的插座。Silicon Lab的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外设的性能。 图3.1-4调试环境示意图3.1.1

32、.1. 可编程数字I/O和交叉开关该系列MCU具有标准8051的端口（0、1、2和3）。在C8051F040/2/4/6中有4个附加的8位端口（4、5、6和7），因此共有64个通用I/O端口。这些I/O端口的工作情况与标准8051相似，但有一些改进。每个端口引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8051中固定的“弱上拉”可以被总体禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。可能最独特的改进是引入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统资源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引脚（见图1.9）。与具有标准复用数字I/O的微控制器不同，这种结构可支持所有的功能组合。可

33、通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置为出现在端口I/O引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。 除了5个16位的通用计数器/定时器之外，C8051F04x MCU系列还有一个片内可编程计数器/定时器阵列（PCA）。PCA包括一个专用的16位计数器/定时器时间基准和6个可编程的捕捉/比较模块。时间基准的时钟可以是下面的六个时钟源之一：系统时钟/12、系统时钟/4、定时器0溢出、外部时钟输入（ECI）、系统时钟和外部振荡源/8。每个捕捉/比较模块都有六种工作方式

34、：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8位脉冲宽度调制器和16位脉冲宽度调制器。PCA捕捉/比较模块的I/O和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连到MCU的端口I/O引脚。C8051F04x系列器件内部有一个控制器局域网（CAN）控制器，使用CAN协议实现串行通信。该CAN控制器符合Bosch规范2.0A（基本CAN）和2.0B（全功能CAN），方便了CAN网络通信设计。CAN控制器包含一个CAN核、消息RAM（独立于C8051的RAM）、一个消息处理状态机以及控制寄存器。CAN控制器可以工作在高达1M位/秒的位速率。Silicon Labs 的CAN有32个消息对象，每个消息对象有其

35、自己的标识掩码，该标识掩码用于对接收到的消息进行过滤。输入数据、消息对象和标识掩码存储在CAN消息RAM中。与数据发送和接收过滤有关的所有协议处理均由CAN控制器完成，不需C8051 MCU干预。这就使得用于CAN通信的CPU带宽最小。C8051通过特殊功能控制器（SFR）配置CAN控制器，读取接收的数据，写入要发送的数据。3.1.1.2. 12/10 位模/数转换器C8051F040/1有一个片内12位SAR ADC（ADC0），一个9通道输入多路选择开关和可编程增益放大器。该ADC工作在100ksps 的最大采样速率时可提供真正的12 位精度， INL为 1LSB。C8051F042/3/

36、4/5/6/7有一个片内10位SAR ADC，技术指标和配置选项与C8051F040/1的ADC类似。ADC0的电压基准可以在DAC0输出和外部VREF引脚之间选择。对于C8051F040/2/4/6器件，ADC0有其专用的VREF0输入引脚；对于C8051F041/3/5/7器件，ADC0使用VREFA输入引脚，并且在C8051F041/3中ADC0与8位的ADC2共享VREFA输入引脚。片内15ppm/C的电压基准可通过VREF输出引脚为片内ADC或其它系统部件产生基准电压。ADC完全由CIP-51通过特殊功能寄存器控制。一个输入通道被连到内部温度传感器，其它8个通道接外部输入。8个外部输

37、入通道的每一对都可被配置为两个单端输入或一个差分输入。系统控制器可以将ADC置于关断状态以节省功耗。可编程增益放大器接在模拟多路选择器之后，增益可以用软件设置为0.5、1、2、4、8或16。当不同ADC输入通道之间输入的电压信号范围差距较大或需要放大一个具有较大直流偏移的信号时（在差分方式，DAC可用于提供直流偏移），这个放大环节是非常有用的。A/D转换有4种启动方式：软件命令、定时器2溢出、定时器3溢出和外部信号输入。这种灵活性允许用软件事件、外部硬件信号或周期性的定时器溢出信号触发转换。转换结束由一个状态位指示，或者产生中断（如果中断被使能）。在转换完成后，10或12位转换结果数据字被锁存

38、到两个特殊功能寄存器中。这些数据字可以用软件控制为左对齐或右对齐。窗口比较寄存器可被配置为当ADC数据位于一个规定的范围之内或之外时向控制器申请中断。ADC可以用后台方式连续监视一个关键电压，当转换数据位于规定的窗口之内时才中断控制器。图3.1.1.2 12/10 位模/数转换器3.1.1.3. 高压差分放大器高压差分放大器（HVDA）可以用于测量高达60V 峰-峰值的高差分电压，抑制高达60V 的共模电压，并将信号电压调节到适合于ADC0 的输入范围。HVDA 的输入信号可以低于AGND 到-60V，高于AGND 到+60V，使其适合于单电源和双电源应用。HVDA 可以通过高压基准输入（HV

39、REF）为ADC 提供共模信号，这就允许使用片内电路测量超出ADC 额定范围的信号。HVDA 的增益范围为0.05V/V 14V/V。当输出放大器作为单位增益缓冲器使用时，总增益由第一级20:1 差分放大器的增益决定，为0.05V/V。当输出放大器的增益被设置为280 时（用高压控制寄存器中的HVGAIN为选择），可得到总增益为14V/V。HVDA 经工厂校准，提供高达72 dB 的高共模抑制比。HVDA 使用4 个外部输入引脚： HVAIN+、HVAIN-、HVCAP 和前面提及的HVREF。HVAIN+和HVAIN-为HVDA 的差分输入。HVREF 可被用于为ADC0 的输入提供共模参考

40、。HVCAP 用于连接滤波电容，该电容与R7 一起实现对噪声滤波（R7 及放大器中的其它电阻值见图5.3）。HVCAP还可以被用于调节HVDA 第一级的放大倍数。VOUT = (HVAIN+) - (HVAIN-)增益 + HVREF 图3.1.1.3 高压差分放大器功能框图3.2 传感器系统设计与选型在玻璃配料过程中，玻璃原料的称量普遍由电子秤称量系统来完成。称重传感器技术是电子称重技术的重要基础，同时称重传感器是电子衡器和电子称重系统的核心部件。本章就称重传感器技术做了详细的分析，并针对本系统对称重传感器及其显示控制仪进行了设计选型。3.2.1 称重传感器技术称重传感器是一种力传感器，通过

41、把被测量质量转换成另一种被测量来测量质量的传感器。称重传感器是电子秤的重要部件，它把被称物体的重量转换成电信号，经过处理后指示出来。因此它的优劣在很大程度上决定了电子秤的精确度。 近年来，电子称重技术和电子衡器产品的一个重要发展方向，就是从静态称重向快速称重、低速动态称重和动态称重方向发展，应用领域不断扩大。对称重传感器除准确度高，稳定性好，工作寿命长等要求外，还提出许多新要求，主要是耐压、防爆、防腐蚀、耐高温、动态响应快、稳定时间短等。 研究分析当今国内外称重传感器技术与工艺的发展动向，结合电子称重技术和电子衡器产品的新需求，总结出称重传感器技术动向如下： (1)小型化 小型化是指称重传感器

42、的体积小、高度低、重量轻，即小薄轻。不同结构的电子衡器又有不同的需求。便携式静动态轮重秤要求高度为20 mm左右的低外形蝶式称重传感器；天车秤、抓斗秤要求薄形、超薄形板式称重传感器。就是一些大型电子衡器为使其重心低稳定性好也要求称重传感器体积小高度低，变形小容量大。 (2)集成化 集成化有两种含义，其一是结构集成化，将称重传感器弹性体与秤体、承力传力支承等一体化，形成一个整体结构的称重传感器。其二是功能集成化，将重量信息摄取、放大、变换、传输、信息处理和显示都集于一体或将称重传感器、秤体和称重显示控制器合三为一。例如美国Intercomp(英特康普)公司、德国GTM公司数显称重板。 (3)多功

43、能化 多功能化也有两种含义：一种是称重传感器本身除具有检测重量信息功能外，还有能检测其它信息的功能，例如电子吊秤用称重传感器除检测重量信息外还能检测加速度信息；一种是称重传感器本身不仅具有重量信息检测功能而且还兼有信号处理等其它功能，或者此种称重传感器于其它功能复合产生出新的功能。 (4)智能化 智能化传感器具有一种或多种敏感功能，能够完成信号探测和处理、逻辑判断、双向通讯、自检、自校、自补偿、自诊断和计算等全部或部分功能。当今智能传感器主要为数字式传感器，整体型数字传感器是在称重传感器内部安装有放大、滤波、A/D 转换、微处理芯片和温度敏感元件等组成数字处理电路，利用微处理器已存入的软件，实

44、施各项数字补偿工艺进行各项性能调整和测试，最后采用电子束焊或激光焊进行密封。数字式称重传感器的制造工艺完全不同于模拟式称重传感器，主要是两个环节：其一弹性体贴片组成惠斯登电桥电路后，通过试验测试建立数字补偿工艺要求的各项数学模型，形成便于程序化计算的公式。其二是根据数学模型编制出简单实用的补偿计算软件，存储在微处理器芯片中进行各项误差修正和补偿。软件技术主要有数字滤波技术、标度变换技术、数字调零技术、温度补偿技术和线性补偿技术等。 随着数字信息时代的到来，在工业过程检测和称重计量与控制系统中，数字化电子衡器和数字称重系统的应用越来越多，这就要求数字式智能称重传感器的相关技术与配套仪表要尽快发展

45、。 3.3 称重测量模块设计 CIP-51 系统控制器的存储器组织与标准8051 的存储器组织类似。有两个独立的存储器空间：程序存储器和数据存储器。程序和数据存储器共享同一个地址空间，但用不同的指令类型访问。CIP-51 内部有256 字节的内部数据存储器和64KB 的内部程序存储器地址空间。3.3.1 称重传感器分析与设计称重传感器是将料斗及料斗中的原料重量变换成电信号，传感器选择得是否合适，对配料控制器的控制精度、成本均有非常大的影响，因此结合料斗的结构特点和工作原理选用了电阻应变式拉力称重传感器。电阻应变式拉力称重传感器主要有以下特点：(1)精度高，测量范围广。 (2)频率响应好。 (3

46、)结构简单，尺寸小，重量轻，安装简便。 (4)可在高温、低温、高压、强烈振动、强磁场及核辐射等恶劣环境下工作。3.3.2 电阻应变式传感器工作原理 电阻应变片是用直径为0.025 mm具有高电阻串的电阻丝制成的，为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅网状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的基片上。电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。用应变片测量时，将其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变。 常规的电阻应变片灵敏度系数很()。机械应变 一般在范围内，故电阻应变片的电阻变化() 范

47、围为，因而，测量电路应当能精确地测量出这些小的电阻变化。在电阻应变传感器中最常用的是桥式测量电路，如图3-1所示。 图3.3.2 桥是测量电路桥式测量电路由电阻1R 、2R 、3R 和4R 顺序连成一个环形，每一个电阻都是电阻应变片。在对角线上安上电源，当四个桥臂电阻达到某一关系时，电桥输出为零，否则就有电压输出。可利用灵敏检流计来测量输出电压，因此电桥能够精确地测量微小的电阻变化。 在一般情况下，输出电压oU 可以用BCU 和ACU 之差表示为了使测量前电桥保持输出为零(电桥平衡)，应使 R1R3=R2R4通过恰当地选用各个桥臂的电阻，便可消除电桥的恒定偏移输出，使输出电压只与应变片的电阻变化有关。根据分析可知，在满足(3-2)的条件下，当每个桥臂电阻变化远小于本身值时，即R R，桥路负载电阻无限大时，输出电压可近似用下式表示