控制機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

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1、 摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各項(xiàng)事業(yè)也在飛速的前進(jìn)。工業(yè)的發(fā)展尤為突出，因此對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制也提出了更高的要求。而配料工序是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié)，其配料精度直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。 針對(duì)實(shí)際問(wèn)題，本設(shè)計(jì)在進(jìn)行了一系列的考察后，根據(jù)現(xiàn)實(shí)的需求，加上對(duì)ARM控制器的理解和分析，采用ARM7控制器（LPC2131）來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料系統(tǒng)的控制。詳細(xì)講述了自動(dòng)配料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟，著重對(duì)軟件開(kāi)發(fā)與硬件調(diào)試做了介紹，完成了配料的硬件配置和軟件設(shè)計(jì)，并利用鍵盤(pán)顯示模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)主要分為四部分，其中第一部分對(duì)前人的配料系統(tǒng)做了簡(jiǎn)要的介紹，并結(jié)合

2、現(xiàn)實(shí)條件，對(duì)本次設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)要的分析和設(shè)想。第二部分根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了合理的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)設(shè)計(jì)步驟作了進(jìn)一步的介紹。另外對(duì)資源的配置以及在現(xiàn)實(shí)中上料裝置的原理做了介紹。第三部分對(duì)配料系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了細(xì)致的講解。第四部分對(duì)編程軟件和編程中所用到的一些指令作了介紹，對(duì)部分程序作了詳細(xì)的解讀。 本設(shè)計(jì)通過(guò)軟硬件之間的配合與調(diào)試，從而達(dá)到工業(yè)設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)配料的自動(dòng)化控制。 關(guān)鍵詞：ARM控制器；LPC2131；自動(dòng)配料系統(tǒng) ABSTRACT With the continuous development of scienc

3、e and technology, each enterprise also in rapid advance. Industry development is outstandingly, therefore it also set a higher request to the industrial production's produce process control. But the ingredient working procedure is an important link in the industrial production process, and its ingr

4、edient precision immediate influence the quality of the product. In the design of a series of field visits, according to the reality of demand, coupled with the understanding of the programmable controller and analysis, a ARM7 to achieve automatic dosage system control. Described in detail the auto

5、matic dosage system design steps, focusing on software development and debugging done, completed the dosage hardware configuration and software design and of using Key-board module monitoring real-time system. The design consists of four parts, the first part is a brief introduction of the prev

6、ious dosage system, in conjunction with field inspection experience with the design done this brief analysis and ideas. The second part is according to of graduation design, in conjunction with own practical experience, to bring forward a reasonable design, and design steps further introduction. In

7、addition to the allocation of resources as well as in reality, the principle of device was introduced. The third part is a detailed introduction of the hardware system.The fourth part of the dosage system software design for the detailed presentation, and programming software and dictates were intro

8、duced, some of the procedures were interpreted detailly. ??? Through the debugging and co-ordination among the hardware and software to meet the requirements of industrial design to achieve automatic control dosage. Key words: ARM7 controller;LPC2131; automatic dosage system

9、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　  指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全

10、了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。 作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　  學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的

11、研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名：

12、 日期： 年 月 日 目 錄 第一章 緒 論 1 1.1引言 1 1.2開(kāi)題背景 1 1.3電子皮帶秤的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 1 1.4系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用 2 1.5 本章小結(jié) 2 第二章 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 2.1引言 3 2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo) 3 2.3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)思想 3 2.4系統(tǒng)各模塊方案論證 4 2.4.1 控制模塊—PID控制 4 2.4.2 采樣模塊—A/D 轉(zhuǎn)換器 6 2.4.3 檢測(cè)模塊—稱重傳感器 9 2.4.4 調(diào)節(jié)模塊—可控硅（SCR） 13 2.4.5 主控模塊—LPC213X 15 2.5本章小結(jié) 16

13、 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 18 3.1 系統(tǒng)電路總體設(shè)計(jì) 18 3.2 主控芯片的選擇及簡(jiǎn)介 18 3.2.1 ARM處理器概述 19 3.2.2 LPC2131簡(jiǎn)介 20 3.2.3 LPC2131開(kāi)發(fā)板組成 22 3.3 系統(tǒng)模塊電路設(shè)計(jì) 23 3.4 主要器件選擇 26 3.5 本章小結(jié) 28 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 29 4.1 LPC2131編程體系簡(jiǎn)介 29 4.1.1片內(nèi)存儲(chǔ)器 29 4.1.2存儲(chǔ)器映射和操作模式 30 4.1.3預(yù)取指中止和數(shù)據(jù)中止異常 31 4.2 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境 31 4.2.1 ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 31 4.

14、2.2 ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)流程 34 4.3 軟件總體設(shè)計(jì) 35 4.3.1主程序模塊 35 4.3.2 按鍵顯示模塊 36 4.3.3 系統(tǒng)各模塊初始化 37 4.4 本章小結(jié) 39 第五章 系統(tǒng)制作與調(diào)試 40 5.1硬件部分的制作與調(diào)試 40 5.1.1 PCB板制作 40 5.1.2 電路調(diào)試 40 5.2 軟件部分的編寫(xiě)與調(diào)試 41 5.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備 41 5.2.2調(diào)試步驟 41 5.3 軟硬件整體的調(diào)試 42 第六章 結(jié)束語(yǔ) 44 參考文獻(xiàn) 45 附 錄 46 附錄A LPC2131引腳連接圖和功能框圖 46 附錄B 元件

15、清單 47 附錄C 程序清單 48 致謝 62 V 江西理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章 緒 論 1.1引言 在生產(chǎn)領(lǐng)域中，各種原材料之間的配比精度對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定和產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量有重要影響。定量配料系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于水泥建材、冶金化工、電力煤炭等行業(yè)粉體連續(xù)輸料的流量測(cè)量與定量給料的工業(yè)環(huán)節(jié)，如水泥廠入窯煤粉的定量給料及輸送就是一個(gè)典型的例子，其供料過(guò)程中的穩(wěn)定性、均勻性等問(wèn)題是影響計(jì)量精度的主要因素。由于它用途廣泛，對(duì)提高給料系統(tǒng)的自動(dòng)化程度就有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文的自動(dòng)定量配料系統(tǒng)是根據(jù)國(guó)內(nèi)外智能配料系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)，結(jié)合企業(yè)實(shí)際需求的基礎(chǔ)上

16、設(shè)計(jì)的配料系統(tǒng)計(jì)量裝置；它采用 ARM控制器作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，具有原理先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、給料均勻可靠、測(cè)量準(zhǔn)確等特點(diǎn)。 1.2開(kāi)題背景 在工業(yè)高速發(fā)展的今天，作為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)的配料工序，由于其配料精度直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，所以傳統(tǒng)的手工配料計(jì)量的方法，已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)精度以及人們對(duì)物質(zhì)的大量、更高的需求，那么如何搭建供需之間的橋梁呢？國(guó)內(nèi)配料廠前期投入使用的微機(jī)配料系統(tǒng)大部分是國(guó)外引進(jìn)的。隨著我國(guó)電腦工業(yè)的發(fā)展，微機(jī)配料系統(tǒng)已逐步國(guó)產(chǎn)化，我國(guó)許多科研、生產(chǎn)單位都投入到開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的行列。配料系統(tǒng)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

17、對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)視。配料精度低的主要原因是電子秤系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性范圍小，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。 隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，人們以往的想法現(xiàn)在大多已變成現(xiàn)實(shí)，這是集人們的智慧、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等綜合應(yīng)用的結(jié)果。由于各行業(yè)對(duì)配料的效率和精度要求越來(lái)越高，所以研制高效率、高精度自動(dòng)配料生產(chǎn)線勢(shì)在必行?；谝陨锨闆r，設(shè)計(jì)了新的基于ARM7的自動(dòng)定量配料控制系統(tǒng)：采用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)一體化的電子稱量裝置，滿足并解決了現(xiàn)實(shí)生活中提出的"快速、準(zhǔn)確、連續(xù)、自動(dòng)"稱量要求，同時(shí)有效地消除人為誤差，使之更符合法制計(jì)量管理和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制

18、的應(yīng)用要求。 1.3電子皮帶秤的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 電子皮帶秤是皮帶輸送機(jī)輸送固體散狀物料過(guò)程中對(duì)物料進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)稱重的一種計(jì)量設(shè)備，它可以在不中斷物料流的情況下測(cè)量出皮帶輸送機(jī)上通過(guò)物料的瞬時(shí)流量和累積流量。 1908年，美國(guó)一個(gè)年輕人赫爾伯特·梅里克（Herbert·Merrick）發(fā)明了一種皮帶輸送機(jī)使用的稱重設(shè)備，據(jù)稱那是世界上第一臺(tái)根據(jù)皮帶速度和重量用機(jī)械方法進(jìn)行計(jì)算的動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備，這一發(fā)明完全改變了原有測(cè)量固體物料流量的方法。這種根據(jù)重力測(cè)量固體物料流量的設(shè)備后來(lái)被稱為梅里克型機(jī)械式皮帶秤。赫爾伯特·梅里克用這項(xiàng)發(fā)明成立了梅里克（Merrick）公司，開(kāi)始生產(chǎn)皮帶秤。在德國(guó)申

19、克（SCHENCK）公司的歷史回顧資料中，可看到“1902年，皮帶秤”這一段產(chǎn)品編年史，表明該公司1902年就有皮帶秤產(chǎn)品。 國(guó)外從上世紀(jì)五十年代開(kāi)始使用電子皮帶秤，國(guó)內(nèi)則從1965年開(kāi)始研制生產(chǎn)電子皮帶秤。時(shí)至今日，雖然核子皮帶秤、固體質(zhì)量流量計(jì)、沖量式流量計(jì)、失重式秤、轉(zhuǎn)子秤等多種固體物料連續(xù)計(jì)量設(shè)備也有一定規(guī)模的應(yīng)用，但他們?nèi)詿o(wú)法與電子皮帶秤抗衡，也無(wú)法撼動(dòng)電子皮帶秤作為固體物料連續(xù)自動(dòng)稱重主流計(jì)量設(shè)備的地位。 1.4系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用 在企業(yè)生產(chǎn)工藝過(guò)程中，需要將各種原料按照一定的比例配成混合物料，配比的準(zhǔn)確性以及配料系統(tǒng)的可靠性都將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。在工業(yè)生產(chǎn)中，

20、很多情況下是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作人員按照配比，人工調(diào)節(jié)給料機(jī)的給料量。其缺點(diǎn)是給料量的大小完全靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)或"人工跑盤(pán)"的結(jié)果來(lái)決定，配比精度較差，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，自動(dòng)化水平極低。因此實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)配料對(duì)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。 在冶金、水泥、化工等企業(yè)里高精度的自動(dòng)配料系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)所，并貫穿于大部分生產(chǎn)工序。例如采礦中選礦廠入磨礦量計(jì)量與控制、輸出鐵精礦的計(jì)量、煉鐵的部分原料的計(jì)量和控制、燒結(jié)原料與原燃料的計(jì)量與控制、部分煉鋼廠輔料的計(jì)量與控制；冶金企業(yè)自備焦化廠的配煤計(jì)量與控制、輸出焦炭計(jì)量控制；自備發(fā)電廠煤耗計(jì)量與控制；自備水泥廠、耐火材料廠相應(yīng)物料的計(jì)量和控制等。

21、綜上所述，基于電子皮帶秤的定量配料控制系統(tǒng)在冶金企業(yè)內(nèi)部應(yīng)用十分廣泛，它直接影響著生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和產(chǎn)品質(zhì)量。 1.5 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)單介紹了國(guó)內(nèi)外有關(guān)計(jì)量配料行業(yè)技術(shù)的歷史和發(fā)展?fàn)顩r，根據(jù)目前工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)定量配料控制系統(tǒng)的要求明確了具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)方案，并總結(jié)了定量配料控制系統(tǒng)在各種工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一些實(shí)際應(yīng)用。 第二章 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1引言 配料是冶金、建材、化工等行業(yè)的典型生產(chǎn)工藝，近年來(lái)，采用電子皮帶秤配料方式的配料系統(tǒng)依然盛行，主要是該配料方式具有計(jì)量準(zhǔn)確、維護(hù)簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。而LPC2131是一個(gè)基于支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32／16位ARM

22、TTDMI-STM CPU的微控制器，并帶有32KB的嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器，它不但處理速度快，而且損耗也很低。本文所設(shè)計(jì)的配料系統(tǒng)是一種基于常用的皮帶秤式稱重裝置，它的上料與下料過(guò)程均由ARM進(jìn)行控制，成本低、精度高。 2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo) 研究目標(biāo)：盡量減小配料誤差，保證配料精度，把時(shí)下流行的ARM控制技術(shù)和先進(jìn)的配料工藝完美結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化和管理科學(xué)化。 具備以下幾個(gè)功能： 　 1.具有實(shí)時(shí)監(jiān)控自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)的功能，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、查詢等功能。 2.每種物料在配料過(guò)程中一般有給料、稱量、卸料、報(bào)警等動(dòng)作。針對(duì)以上工藝要求和系統(tǒng)功能要求開(kāi)發(fā)了能滿足要求的配料控制器。

23、2.3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)思想 此系統(tǒng)可分為設(shè)備系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分。 設(shè)備系統(tǒng)：主要包括一個(gè)裝料倉(cāng)、一臺(tái)下料電磁振動(dòng)給料機(jī)、皮帶傳動(dòng)裝置等3個(gè)部分。根據(jù)不同物料的要求，可以配置不同的給料裝置。粉料如水泥等可以選擇螺旋給料裝置，砂和石子可以采用料門(mén)給料裝置，而水等液料則采用電磁閥給料裝置，物料送到稱重顯示控制器。開(kāi)始稱量時(shí)，啟動(dòng)給料裝置，打開(kāi)給振斗，物料即從料倉(cāng)下落到皮帶上。當(dāng)傳感器檢測(cè)到的物料實(shí)際重量滿足實(shí)際要求時(shí)，就可保持原樣下料，反之則多減少補(bǔ)。 控制系統(tǒng)：如圖2. 1所示，主要包括稱重傳感器、信號(hào)放大器、輸入輸出接口、ARM控制器、可控硅、鍵盤(pán)和LED顯示部分

24、。 圖2. 1 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 2.4系統(tǒng)各模塊方案論證 2.4.1 控制模塊—PID控制 目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能 控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接 口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、 變送器

25、、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器 （儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制 器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破?PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制，而可

26、編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實(shí)現(xiàn) PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。 1、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器(controller)的輸出沒(méi)有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。 2、閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象

27、的輸出(被控制量)會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系 統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱為負(fù)反饋( Negative Feedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋 的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過(guò)不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。如果沒(méi)有眼睛，就沒(méi)有了反饋回路，也就成了一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系 統(tǒng)。另例，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3、階躍響應(yīng)

28、 階躍響應(yīng)是指將一個(gè)階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)字 來(lái)描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability)，一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控 制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)(Steady-state error)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時(shí)間來(lái)定量描述。 4、PID控制的原理和特點(diǎn) 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制

29、，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的 其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或 不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例（P）控制：一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與

30、輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 積分（I）控制：控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)

31、入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn) 態(tài)誤差。微分（D）控制：控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量

32、的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在 調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 5、PID控制器的參數(shù)整定 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被 控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是 依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主 要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID

33、控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng) 曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需 要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩， 記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。 因配料系統(tǒng)需要增減少補(bǔ)，故本設(shè)計(jì)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行差值比較、反饋、補(bǔ)償

34、。 2.4.2 采樣模塊—A/D 轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字信號(hào)，即將模擬量轉(zhuǎn)換成與其成比例的數(shù)字量。一個(gè)完整的 AD 轉(zhuǎn)換過(guò)程，必須包括采樣、保持、量化、編碼四部分電路。在具體實(shí)施時(shí)，常把這四個(gè)步驟合并進(jìn)行。例如，采樣和保持是利用同一電路連續(xù)完成的。量化和編碼是在轉(zhuǎn)換過(guò)程中同步實(shí)現(xiàn)的，而且所用的時(shí)間又是保持的一部分。 1、采樣定理 如圖2. 2是某一輸入模擬信號(hào)經(jīng)采樣后得出的波形。為了保證能從采樣信號(hào)中將原信號(hào)恢復(fù)，必須滿足條件

35、(2-1) 其中f s為采樣頻率，f i(max) 為信號(hào) u i 中最高次諧波分量的頻率。這一關(guān)系稱為采樣定理 。 AD 轉(zhuǎn)換器工作時(shí)的采樣頻率必須大于等于式（2-1）所規(guī)定的頻率。采樣頻率越高，留給每次進(jìn)行轉(zhuǎn)換的時(shí)間就越短，這就要求 AD 轉(zhuǎn)換電路必須具有更高的工作速度。因此，采樣頻率通常取fs=(3-5)fi(max) 已能滿足要求。 圖2. 2 采樣波形 2、采樣保持電路 圖2. 3所示的是一個(gè)實(shí)際的采樣保持電路 ，圖中 A 1 、 A 2 是兩個(gè)運(yùn)算放大器， S 是模擬開(kāi)關(guān)， L 是控制 S 狀態(tài)的邏輯單元電路。采樣時(shí)令 u L =

36、1 ， S 隨之閉合。 A 1 、 A 2 接成單位增益的電壓跟隨器，故uo=uo'=u i。同時(shí)uo'通過(guò) R 2 對(duì)外接電容 C h 充電，使 u ch =u i 。因電壓跟隨器的輸出電阻十分小，故對(duì) C h 充電很快結(jié)束。當(dāng) u L =0 時(shí)，S斷開(kāi)，采樣結(jié)束，由于u ch 無(wú)放電通路，其上電壓值 基本不變，故使 u o 得以將采樣所得結(jié)果保持下來(lái)。 圖中還有一個(gè)由二極管 D 1 、 D 2 組成的保護(hù)電路。在沒(méi)有 D 1 和 D 2 的情況下，如果在 S 再次接通以前 u i 變化了，則uo'的變化可能很大，以致于使 A 1 的輸出進(jìn)入非線性區(qū)，uo'與u i不再保持線性關(guān)

37、系，并使開(kāi)關(guān)電路有可能承受過(guò)高的電壓。接入 D 1 和 D 2 以后，當(dāng)uo'比uo所保持的電壓高出一個(gè)二極管的正向壓降時(shí)， D 1 將導(dǎo)通，uo'被鉗位于u i+ U D1 。這里的 U D1 表示二極管 D 1 的正向?qū)▔航怠．?dāng)uo'比uo低一個(gè)二極管的壓降時(shí)，將uo'鉗位于u i- U D2 。在 S 接通的情況下，因?yàn)閡o'uo，所以 D 1 和 D 2 都不導(dǎo)通，保護(hù)電路不起作用。 圖2. 3 采樣保持電路 3、量化與編碼 為了使采樣得到的離散的模擬量與 n 位二進(jìn)制碼的2n 個(gè)數(shù)字量一一對(duì)應(yīng)，還必須將采樣后離散的模擬量歸并到2n個(gè)離散電平中的某一個(gè)電

38、平上，這樣的一個(gè)過(guò)程稱之為 量化 。 量化后的值再按數(shù)制要求進(jìn)行 編碼 ，以作為轉(zhuǎn)換完成后輸出的數(shù)字代碼。量化和編碼是所有 AD 轉(zhuǎn)換器不可缺少的核心部分之一。 數(shù)字信號(hào)具有在時(shí)間上離散和幅度上斷續(xù)變化的特點(diǎn)。這就是說(shuō)，在進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換時(shí)，任何一個(gè)被采樣的模擬量只能表示成某個(gè)規(guī)定最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，所取的最小數(shù)量單位叫做 量化單位 ，用△表示。若數(shù)字信號(hào)最低有效位用 LSB 表示， 1LSB 所代表的數(shù)量大小就等于△，即模擬量量化后的一個(gè)最小分度值。把量化的結(jié)果用二進(jìn)制碼，或是其他數(shù)制的代碼表示出來(lái)，稱為編碼 。這些代碼就是 AD 轉(zhuǎn)換的結(jié)果。 既然模擬電壓是連續(xù)的

39、，那么它就不一定是△的整數(shù)倍，在數(shù)值上只能取接近的整數(shù)倍，因而量化過(guò)程不可避免地會(huì)引入誤差。這種誤差稱為 量化誤差 。 4、A/D 轉(zhuǎn)換器的分類 按轉(zhuǎn)換過(guò)程，AD 轉(zhuǎn)換器可大致分為直接型 AD 轉(zhuǎn)換器和間接 AD 轉(zhuǎn)換器。直接型 AD 轉(zhuǎn)換器能把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字代碼，而不需要經(jīng)過(guò)中間變量。常用的電路有并行比較型和反饋比較型兩種。 間接 AD 轉(zhuǎn)換器是把待轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓先轉(zhuǎn)換為一個(gè)中間變量，例如時(shí)間 T 或頻率 F ，然后再對(duì)中間變量量化編碼，得出轉(zhuǎn)換結(jié)果。 AD 轉(zhuǎn)換器的大致分類如圖2. 4所示。 圖2. 4 轉(zhuǎn)換器 5、 AD 轉(zhuǎn)換器

40、的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換時(shí)間 l AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度 在單片 AD 轉(zhuǎn)換器中，也用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述轉(zhuǎn)換精度。分辨率是指引起輸出二進(jìn)制數(shù)字量最低有效位變動(dòng)一個(gè)數(shù)碼時(shí)，輸入模擬量的最小變化量。小于此最小變化量的輸入模擬電壓，將不會(huì)引起輸出數(shù)字量的變化。也就是說(shuō)， AD 轉(zhuǎn)換器的分辨率，實(shí)際上反映了它對(duì)輸入模擬量微小變化的分辨能力。顯然，它與輸出的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)有關(guān)，輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)越多，分辨率越小，分辨能力越高。但超出了 AD 轉(zhuǎn)換器分辨率的極限值，再增加位數(shù)，也不會(huì)提高分辨率。 轉(zhuǎn)換誤差通常以相對(duì)誤差的形式給出，它表示 AD 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量與理想輸出的數(shù)字

41、量之間的差別，并用最低有效位 LSB 的倍數(shù)來(lái)表示。 l 轉(zhuǎn)換時(shí)間 表示完成一次從模擬量到數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，它反映了 AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。例如，逐次比較型的 AD0801 ～ 0803 、 0808 ～ 0809 的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μs ； AD571 為 25μs ； AD574 為 35μs ； AD578 為 μs 。雙積分 AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在幾十至一、二百毫秒。 6、本系統(tǒng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇 根據(jù)以上各項(xiàng)指標(biāo)和本系統(tǒng)實(shí)際需求，可選擇主芯片ARM7上自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器，直接把輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際所需的數(shù)字信號(hào)。 2.4.3 檢測(cè)模塊—

42、稱重傳感器 準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性是稱重傳感器的重要質(zhì)量指標(biāo)，是廣大用戶最關(guān)心的三大問(wèn)題，同時(shí)也是我國(guó)稱重傳感器與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家同類產(chǎn)品相比較的主要差距。其中穩(wěn)定性是基礎(chǔ)，沒(méi)有穩(wěn)定性談何稱量準(zhǔn)確度和工作可靠性。在稱重傳感器主要技術(shù)指標(biāo)的基本概念和評(píng)價(jià)方法上，新舊國(guó)標(biāo)有質(zhì)的差異。傳統(tǒng)概念上，負(fù)荷傳感器是稱重傳感器、測(cè)力傳感器的統(tǒng)稱，用單項(xiàng)參數(shù)評(píng)價(jià)它的計(jì)量特性。舊國(guó)標(biāo)將應(yīng)用對(duì)象和使用環(huán)境條件完全不同的“稱重”和“測(cè)力”兩種傳感器合二為一來(lái)考慮，對(duì)試驗(yàn)和評(píng)價(jià)方法未給予區(qū)分。舊國(guó)標(biāo)共有21項(xiàng)指標(biāo)，均在常溫下進(jìn)行試驗(yàn)；并用非線性、滯后誤差、重復(fù)性誤差、蠕變、零點(diǎn)溫度附加誤差以及額定輸出溫度附加誤

43、差6項(xiàng)指標(biāo)中的最大誤差，來(lái)確定稱重傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)，分別用0.02、0.03、0.05......1.0表示。 衡器上使用的一種力傳感器。它能將作用在被測(cè)物體上的重力按一定比例轉(zhuǎn)換成可計(jì)量的輸出信號(hào)?？紤]到不同使用地點(diǎn)的重力加速度和空氣浮力對(duì)轉(zhuǎn)換的影響，稱重傳感器的性能指標(biāo)主要有線性誤差、滯后誤差、重復(fù)性誤差、蠕變、零點(diǎn)溫度特性和靈敏度溫度特性等。在各種衡器和質(zhì)量計(jì)量系統(tǒng)中，通常用綜合誤差帶來(lái)綜合控制傳感器準(zhǔn)確度，并將綜合誤差帶與衡器誤差帶聯(lián)系起來(lái)，以便選用對(duì)應(yīng)于某一準(zhǔn)確度衡器的稱重傳感器。國(guó)際法制計(jì)量組織(OIML)規(guī)定，傳感器的誤差帶δ占衡器誤差帶Δ的70％，稱重傳感器的線性誤

44、差、滯后誤差以及在規(guī)定溫度范圍內(nèi)由于溫度對(duì)靈敏度的影響所引起的誤差等的總和不能超過(guò)誤差帶δ。這就允許制造廠對(duì)構(gòu)成計(jì)量總誤差的各個(gè)分量進(jìn)行調(diào)整，從而獲得期望的準(zhǔn)確度。 稱重傳感器按轉(zhuǎn)換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動(dòng)式、陀螺儀式、電阻應(yīng)變式等8類，以電阻應(yīng)變式使用最廣。 電阻應(yīng)變式稱重傳感器原理：電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個(gè)原理，彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。俳?jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），

45、從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。 由此可見(jiàn)，電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測(cè)電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分。下面就這三方面簡(jiǎn)要論述。 1、電阻應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。他的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來(lái)介紹一下它的意義。 設(shè)有一個(gè)金屬電阻絲，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作ρ，這種材料的泊松系數(shù)是μ。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí)，它的電阻值為R： R=ρL/S（Ω）（2-4） 當(dāng)他的兩端受F力作用時(shí)，將會(huì)伸長(zhǎng)，也就是說(shuō)

46、產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長(zhǎng)ΔL，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少Δr。此外，還可用實(shí)驗(yàn)證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會(huì)有所改變，記作Δρ。 對(duì)式（2-4）求全微分，即求出電阻絲伸長(zhǎng)后，他的電阻值改變了多少。我們有： ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2 （2-5） 用式（2-4）去除式（2-5）得到 ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S

47、 （2-6） 另外，我們知道導(dǎo)線的橫截面積S=πr2，則Δs=2πr*Δr，所以 ΔS/S=2Δr/r （2-7） 從材料力學(xué)我們知道: Δr/r=-μΔL/L （2-8） 其中，負(fù)號(hào)表示伸長(zhǎng)時(shí)，半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。把式（2-7）（2-8）代入（2-6），有

48、 ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L =（1+2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L =K*ΔL/L （2-9） 其中 K=1+2μ+（Δρ/ρ）/（ΔL/L） （2-10） 式（2-9）說(shuō)明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對(duì)變化）和電阻絲伸長(zhǎng)率（長(zhǎng)度相對(duì)變化）之間的關(guān)系。 需要說(shuō)明的是：靈敏度系數(shù)K值的大小

49、是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個(gè)常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無(wú)關(guān)，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之間；其次K值是一個(gè)無(wú)因次量，即它沒(méi)有量綱。 在材料力學(xué)中ΔL/L稱作為應(yīng)變，記作ε，用它來(lái)表示彈性往往顯得太大，很不方便 常常把它的百萬(wàn)分之一作為單位，記作με。這樣，式（2-9）常寫(xiě)作： ΔR/R=Kε (2-11) 2、彈性體 彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè)，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對(duì)外力產(chǎn)生反作用力，

50、達(dá)到相對(duì)靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場(chǎng)（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。 以托利多公司的SB系列稱重傳感器的彈性體為例，來(lái)介紹一下其中的應(yīng)力分布。 設(shè)有一帶有肓孔的長(zhǎng)方體懸臂梁。 肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力，但其上、下部分將會(huì)出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉神，一為壓縮，若把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應(yīng)變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點(diǎn)的應(yīng)變表達(dá)式，而不再推導(dǎo)。 ε=（3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/（B（H3-h3）+bh3）

51、 （2-12） 其中：Q--截面上的剪力；E--揚(yáng)氏模量：μ—泊松系數(shù)；B、b、H、h—為梁的幾何尺寸。 需要說(shuō)明的是，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況，而應(yīng)變片實(shí)際感受的是“平均”狀態(tài)。 3、檢測(cè)電路 檢測(cè)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觥Ｒ驗(yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補(bǔ)償問(wèn)題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。 其具體原理如下： 惠斯登電橋原理圖1中，接通電源，調(diào)節(jié)電橋平衡，即調(diào)節(jié)電橋四個(gè)“臂”R1、R2、R3、Rx，當(dāng)檢流計(jì)G的指針指零，B、

52、D兩點(diǎn)電位相等，則有 式稱為比率k。箱式惠斯登電橋的比率K有0.001，0.01，0.1，1, 10，100， 1000七檔。根據(jù)待測(cè)電阻Rx大小選擇K，調(diào)節(jié)R3使檢流計(jì)G為零， 由Rx = KR3 求出待測(cè)電阻Rx值。 電流計(jì)G 的 B、D兩點(diǎn)電位 由上式看出，當(dāng)R1R3 = R2Rx時(shí)，電流計(jì)G 的 B、D兩點(diǎn)電位差Uo=0，電橋處于平衡，這就是惠斯登電橋。 因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷(xiāo)，所以稱重傳感器均采用

53、全橋式等臂電橋。 綜上所述，由于全橋式等臂電橋靈敏度很高，而且抗干擾能力很強(qiáng)，結(jié)合本系統(tǒng)的實(shí)際情況和運(yùn)行所需，本系統(tǒng)采用電阻應(yīng)變式全橋電路來(lái)檢測(cè)皮帶上的重量信號(hào)。 2.4.4 調(diào)節(jié)模塊—可控硅（SCR） 符號(hào)簡(jiǎn)化與實(shí)物如圖2. 5所示： 圖2. 5 符號(hào)簡(jiǎn)化與實(shí)物圖 圖2. 6 可控硅等效模型、電路 可控硅是可控硅整流元件的簡(jiǎn)稱,如圖2. 6所示，是一種具有三個(gè)PN 結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件

54、,一般由兩晶體管反向連接而成.它的功用不僅是整流，還可以用作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)以快速接通或切斷電路，實(shí)現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變，將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電等等?？煽毓韬推渌雽?dǎo)體器件一樣，其有體積小、效率高、穩(wěn)定性好、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。它的出現(xiàn)，使半導(dǎo)體技術(shù)從弱電領(lǐng)域進(jìn)入了強(qiáng)電領(lǐng)域，成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、軍事科研以至商業(yè)、民用電器等方面爭(zhēng)相采用的元件。 晶閘管T在工作過(guò)程中，它的陽(yáng)極A和陰極K與電源和負(fù)載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門(mén)極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。 從晶閘管的內(nèi)部分析工作過(guò)程： 晶閘管是四層三端器件

55、，它有J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)，可以把它中間的NP分成兩部分，構(gòu)成一個(gè)PNP型三極管和一個(gè)NPN型三極管的復(fù)合管。 當(dāng)晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，為使晶閘管導(dǎo)銅，必須使承受反向電壓的PN結(jié)J2失去阻擋作用。每個(gè)晶體管的集電極電流同時(shí)就是另一個(gè)晶體管的基極電流。因此，兩個(gè)互相復(fù)合的晶體管電路，當(dāng)有足夠的門(mén)極電流流入時(shí)，就會(huì)形成強(qiáng)烈的正反饋，造成兩晶體管飽和導(dǎo)通，晶體管飽和導(dǎo)通。 當(dāng)晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓，而門(mén)極未受電壓的情況下，晶閘管的陽(yáng)極電流Ia≈Ic0 晶閘關(guān)處于正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)晶閘管在正向陽(yáng)極電壓下，從門(mén)極G流入電流Ig,由于足夠大的Ig流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)，從而提

56、高起點(diǎn)流放大系數(shù)a2,產(chǎn)生足夠大的極電極電流Ic2流過(guò)PNP管的發(fā)射結(jié)，并提高了PNP管的電流放大系數(shù)a1,產(chǎn)生更大的極電極電流Ic1流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)。這樣強(qiáng)烈的正反饋過(guò)程迅速進(jìn)行。這時(shí)，流過(guò)晶閘管的電流完全由主回路的電壓和回路電阻決定。晶閘管已處于正向?qū)顟B(tài)。 在晶閘管導(dǎo)通后，即使此時(shí)門(mén)極電流Ig=0,晶閘管仍能保持原來(lái)的陽(yáng)極電流Ia而繼續(xù)導(dǎo)通。晶閘管在導(dǎo)通后，門(mén)極已失去作用。 在晶閘管導(dǎo)通后，如果不斷的減小電源電壓或增大回路電阻，使陽(yáng)極電流Ia減小到維持電流IH以下時(shí)，晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)。 綜上所述，本系統(tǒng)所用可控硅選擇常用的S1612NH。 2.4.5 主控模塊—L

57、PC213X LPC2131/2132/2134/2136/2138微控制器是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU，并帶有32kB、64kB、128kB、256kB和512kB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)30%，而性能的損失卻很小。 較小的封裝和很低的功耗使LPC2131/2132/2134/2136/2138特別適用于訪問(wèn)控制和POS機(jī)等小型應(yīng)用中；由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口和8/1

58、6/32kB的片內(nèi)SRAM，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟件modem、語(yǔ)音識(shí)別、低端成像，為這些應(yīng)用提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強(qiáng)大的處理功能。多個(gè)32位定時(shí)器、1個(gè)或2個(gè)10位8路的ADC、10位DAC、PWM通道、47個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)。其特性如下： l 16/32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封裝。 l 8/16/32kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和32/64/128/256/512kB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器， 128位寬度接口/加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz工作頻率。 l 通過(guò)片

59、內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程/在應(yīng)用編程(ISP/IAP)。單個(gè)Flash扇區(qū)或整片擦除時(shí)間為400ms。256字節(jié)行編程時(shí)間為1ms。 l EmbeddedICE RT和嵌入式跟蹤接口通過(guò)片內(nèi)RealMonitor軟件對(duì)代碼進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試和高速跟蹤。 l 1個(gè)(LPC2131/32)或2個(gè)(LPC2134/36/38)8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，共提供16路模擬輸入，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44us。 l 1個(gè)10位的D/A轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生不同的模擬輸出。 l 2個(gè)32位定時(shí)器/外部事件計(jì)數(shù)器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)和看門(mén)狗。 l 低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有獨(dú)立

60、的電源和特定的32kHz時(shí)鐘輸入。 l 向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級(jí)和向量地址。 l 小型的LQFP64封裝上包含多達(dá)47個(gè)通用I/O口(可承受5V電壓)。 l 多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳。 l 通過(guò)片內(nèi)PLL(100us的設(shè)置時(shí)間)可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的 CPU操作頻率。 l 片內(nèi)集成振蕩器與外部晶體的操作頻率范圍為1～30 MHz，與外部振蕩器的操作頻率范圍高達(dá)50MHz。 l 多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、2個(gè)高速I(mǎi)2C總線（400kbit/s）、 SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變功能的SSP。 l 低功耗模式：空閑和掉電。

61、l 可通過(guò)個(gè)別使能/禁止外部功能和外圍時(shí)鐘分頻來(lái)優(yōu)化功耗。 l 通過(guò)外部中斷或BOD將處理器從掉電模式中喚醒。 l 單電源，具有上電復(fù)位(POR)和掉電檢測(cè)(BOD)電路，CPU操作電壓范圍：3.0~3.6V (3.3V±10%)，I/O口可承受5V的電壓。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用廣州周立功單片機(jī)有限公司的LPC2131微處理器，它不但性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)獲取、存儲(chǔ)、傳輸精確，而且功能強(qiáng)大，有強(qiáng)大的拓展空間，便于系統(tǒng)的拓展與功能升級(jí)，而沒(méi)有選擇單片機(jī)。 2.5本章小結(jié) 本章首先介紹了配料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)：精確、高效、實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)化程度高。而實(shí)際稱量配料系統(tǒng)中，高效和精確往往是相互

62、矛盾的。一般配料系統(tǒng)對(duì)稱量配料過(guò)程的生產(chǎn)率都有規(guī)定，在給定的生產(chǎn)率前提下，使配料精度達(dá)到要求即可。在隨后的章節(jié)中，不但全面闡述了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路和方案，而且詳細(xì)論證了本系統(tǒng)各個(gè)模塊的參數(shù)要求，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際需求和現(xiàn)有條件，最終通過(guò)比較得出最佳實(shí)施方案。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)電路總體設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)以LPC2131微控制器為核心，對(duì)皮帶料重，過(guò)零點(diǎn)等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)運(yùn)算比較，控制可控硅觸發(fā)等相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。 整個(gè)電路系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分： 過(guò)零檢測(cè)電路：檢查交流電的過(guò)零點(diǎn)，以觸發(fā)主控芯片的外中斷，從而根據(jù)具體

63、情況調(diào)節(jié)每次下料量。 可控硅觸發(fā)控制電路：根據(jù)上次下料量的大小調(diào)整其導(dǎo)通角，以改變電路中的電流，從而調(diào)整振動(dòng)以調(diào)整本次下料量，最終達(dá)到控制作用。 前置放大電路：對(duì)A/D采樣信號(hào)進(jìn)行濾波、放大處理后以便于A/D采樣。 鍵盤(pán)顯示電路：實(shí)時(shí)監(jiān)控電路運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)具體情況進(jìn)行電路參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整。 主要硬件配置如圖3. 1所示。 圖3. 1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 3.2 主控芯片的選擇及簡(jiǎn)介 作為配料系統(tǒng)核心部件的主控芯片，不但要求其損耗低、抗干擾能力強(qiáng)、易于操作、價(jià)格適中，而且必須具有執(zhí)行速度快、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。 目前應(yīng)用在底層控制系統(tǒng)的微控制器主要有數(shù)字信號(hào)處理器DSP和8位，1

64、6位單片機(jī)兩種類型，單片機(jī)主要使用8位，16位處理器，硬件技術(shù)比較成熟，軟件編程相對(duì)簡(jiǎn)單。但數(shù)據(jù)處理能力不強(qiáng)，需要借助外加器件例如計(jì)數(shù)器，PID調(diào)節(jié)器或PiVM產(chǎn)生器等，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不強(qiáng)，系統(tǒng)控制板的結(jié)構(gòu)尺寸也會(huì)很大。DSP具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、速度快等優(yōu)點(diǎn)，且其體積較小，有利于電路板布局，但是DSP在中斷處理、位處理或邏輯操作方面不如單片機(jī)，且其資料相對(duì)不多，芯片價(jià)格和相應(yīng)的開(kāi)發(fā)套件昂貴，專用性比較強(qiáng)，通用性比較弱。 與DSP具有同等性能的ARM微處理資源豐富，具有很好的通用性，以其高速度，高性能、低價(jià)格、低功耗，可以廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。ARM本身是32位處理器，但是集成了16位的Thum

65、b指令集，這使得ARM可以代替16位的處理器例如80C51系列單片機(jī)使用，同時(shí)具有32位處理器的速度。ARM嵌入式系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能，良好的移植性，廣泛應(yīng)用與各個(gè)行業(yè)?？梢哉f(shuō)，用單片機(jī)和DSP實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，ARM都可以實(shí)現(xiàn)。ARM集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，利用自身資源不必增加外圍器件就可實(shí)現(xiàn)控制要求的功能，同時(shí)使得控制板的結(jié)構(gòu)尺寸可以做得更小。另外，利用ARM處理器設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)還具有非常好的移植性，能夠使得技術(shù)真正用于生產(chǎn)生活，這是其他型處理器所不具備的特點(diǎn)。 ARM (Advanced RISC Machines )，既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名稱，也可以認(rèn)為是對(duì)一類處理器的通稱。1991年

66、ARM公司成立于英國(guó)劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)核的微處理器，即我們通常所說(shuō)的ARM微處理器，已經(jīng)遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)。 ARM公司自1990年正式成立以來(lái)，在32位RISC( ReducedIn structionS etC omputer)CPU開(kāi)發(fā)領(lǐng)域不斷取得突破，其結(jié)構(gòu)己經(jīng)從V3發(fā)展到V6。由于ARM公司自成立以來(lái)，一直以IP(Intelligence Property)核提供者的身份向各大半導(dǎo)體制造商出售知識(shí)產(chǎn)權(quán)，而自己并不介入芯片的生產(chǎn)銷(xiāo)售，加上其設(shè)計(jì)的芯核具有功耗低、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此獲得眾多的半導(dǎo)體廠家和整機(jī)廠商的大力支持，在32位嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域獲得了巨大的成功，目前已經(jīng)占有75%以上的32位RISC嵌入式產(chǎn)品市場(chǎng)，在低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)ARM芯片的國(guó)際大公司已經(jīng)超過(guò)50多家，國(guó)內(nèi)多家大公司也己經(jīng)購(gòu)買(mǎi)ARM公司的芯核用于通信專用芯片的設(shè)計(jì)。在所有ARM微處理器系列中，ARM7TDMI微處理器系列所應(yīng)用的范圍最廣，采用ARM7TDMI