传输带动态称重系统设计毕业设计样本.doc

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摘要
随着传感器技术、 电子技术和微机技术的崛起, 动态称重技术得到了迅速发展。动态称重系统在数字化, 智能化等方面有长足的进步, 称重系统的研究与开发也进入了一个崭新的阶段。传输带动态称重系统是对传输带上的散状固体物料或粉料进行连续称量的系统, 在电力、 化工、 煤炭、 粮食等行业都有较广泛的应用, 市场需求巨大。可是, 中国自行研制的相关产品普遍功能单一, 精度不高。因此改进现有称重装置、 开发研究功能齐全的动态称重系统是势在必行的。
设计了一套基于单片机的传输带动态称重系统, 很好的解决了上述问题。首先对硬件电路所需的器件进行介绍。说明系统所应用的微处理器, 模数转换器类型, 具体提出了系统硬件和软件的设计方法, 给出了数据处理算法和其编程的设计。系统使用24位精度模/数转换芯片AD7730转换称重传感器信号, 保证了数据转换的高精度。因此该系统能够有效提高动态称重系统的计量精度, 而且系统功能较完善, 系统扩展了现场总线接口, 很好的满足了工业自动化和管理现代化的需求。

关键词: 动态称重 传输带 AD7730 现场总线

Abstract
With the development of technology of sensor,electronic and computer,the dynamic weighing technology is developing rapidly.Weighing system made significant progress in the digital and intelligent,the research of Weighing system has entered a new phase.Belted dynamic weight equipment is designed for continuous weighing the bulk solids or powders on conveyor belt.And it is widely used in the fields of electricity,chemical,coal and food.However,our related products generally with single function and low precision.Therefore,the improvement of existing weighing devices,research and development functional dynamic weighing system is imperative.
This paper presents a belted dyamic weighing system based on SCM,which is a good solution to this problem.In this paper,the overall structure of the weighing system is present first,and detailed analysis of the system model and working principle.It analyzes the cause of dynamic measurement errors,and builds a mathmematical model for dynamic measurement errors of single-idler electronic belt conveyor scale.According to the model,the proposed approach use algorithm to correct errors.Solved the problem of low dynamic measurement accuracy.Then the design of system hardware and software is present.And data processing algorithms and their programming design.System uses 24-bit precision A/D converter AD7730 convert the weighing signal to ensure high-precision measurement results. The system presented in this paper is characterized by high precision and good stability.And with the Profibus interface,this system was well positioned to meet the requirements of industrial automation and management modernization.

Key words: Dynamic weighing Transmission belt AD7730 Profibus

目录
摘要 I
Abstract II

1 绪论 1
1.1背景及意义 1
1.1.1背景 1
1.1.2意义 1
1.2国内外发展现状 2
1.2.1国内外称重技术发展现状 2
1.2.2国内外称重技术发展趋势 3
1.3主要工作及论文结构 5
2 系统整体设计 6
2.1系统结构概述 6
2.2动态称重计量原理 6
2.3小结 8
3 系统硬件电路设计 9
3.1系统硬件概述 9
3.2系统微处理器 9
3.3系统模数转换器 9
3.4 数据采集电路通信接口设计 11
3.4.1 RS-232C标准 11
3.4.2 MAX232芯片简介 11
3.4.3串口通信接口电路设计 11
3.5 程序下载线连接 12
3.6 传感器接口设计 13
3.7 Profibus-DP接口扩展 14
3.8 小结 15
4 单片机系统软件设计 16
4.1软件系统概述 16
4.2软件编程语言 16
4.3主程序模块设计 16
4.4 AD7730转换模块设计 17
4.4.1 AD7730转换模块的流程框图 17
4.4.2 AD7730初始化 18
4.5串口通信模块设计 21
4.6脉冲计数模块设计 21
4.6.1测速信号的处理方法 21
4.6.2 脉冲计数的程序实现 22
4.7小结 24
结论 25
致谢 26
参考文献 27
附录 28

1 绪论
1.1背景及意义
1.1.1背景
对物料重量的动态称重在工业生产和流通贸易中占据重要地位, 其中动态称重计量工具是不可缺少的计量工具。在各种大宗散装物料的传输带上, 都广泛应用动态称重计量工具, 起到了提高计量精度、 缩短作业时间、 提高管理效率、 节约资源和改进经营等多方面作用。当前动态称重计量工具已经遍及各个领域, 带来了显著的经济效益。随着国民经济迅速发展, 贸易商品流通量不断扩大, 传统的动态称重计量工具已经不能适应时代的发展, 需要新产品在自动化生产和现代化管理两方面不断提高。随着近几十年计算机技术、 微电子技术和传感器技术的崛起, 动态称重技术在智能化、 数字化和计量迅速化方面都有了长足进步。新型的动态称重计量工具不但仅是提供重量信息的独立仪表, 而是现代工业一体化和管理自动化的重要组成部分。因此新型动态称重系统不但要能快速、 准确提供计量数据, 还需要消除人为和环境造成的误差, 提高计量精度, 而且应具备计量数据实时监控、 数据保存和数据管理等功能。
1.1.2意义
传输带动态称重设备是对传输带传送的散状固体物料或粉料进行连续称量的设备, 有着应用行业面广、 使用目的广泛等特点, 实现了物料储存、 运输和称量的一体化。广泛应用于大宗散状固体物料或粉料的运输、 加工、 储存行业, 如港口、 仓库、 冶金、 煤炭、 电力、 建筑和烟草等行业。从使用目的方面而言, 能够精确监管生产环节, 提高结算精度, 还可用于组成各种自动化配料系统和工业控制系统。随着当前企业工业生产自动化和管理自动化程度的不断提高, 迫切需要提高自身的生产效率, 这就需要性能更好更完善的传输带动态称重设备。可是, 当前国内的相关产品品种少, 且功能单一, 不能满足企业的迫切需要, 因此改进传统设备, 研究开发性能好功能完善的传输带动态称重系统是势在必行的。
本设计正是针对这一问题, 开发的动态称重系统具有计量精度高, 稳定性好, 而且系统还实现了上位机实时计量数据可视化和数保存打印功能, 其界面直观, 便于使用, 从而杜绝不真实计量现象, 维护了企业和客户的利益, 方便了计量工作。另外系统扩展了现场总线接口很好的满足了工业自动化和管理现代化的要求。
1.2国内外发展现状
1.2.1国内外称重技术发展现状
动态称重技术的发展可分为以下四个阶段:
(1)动态称重技术起源 世界上最早的动态称重装置出现在19世纪末期的西方国家, 用于输送机对散状固体物料动态自动称重。1880年第一台动态称重装置获得计量许可。19 第一个动态称重专利在英国公布。自此, 形成了较完整的动态称重技术定义和动态称重装置, 拉开了动态称重技术发展的序幕。
(2)纯机械式动态称重装置 第一代成熟的动态称重装置以纯机械式皮带秤为主导, 只有带配重物的秤架结构和增量式码盘结构的编码装置, 实现了简单的速度和重量数据的采集, 但由于受到机械装置制造水平的限制, 精度很差, 而且计量过程复杂繁琐。1970年英国制定了第一个系统的动态称重检验模式, 标志着动态称重行业走上规范化道路。
(3)传感器和仪表结合式动态称重装置 二战后, 随着传感器技术和电子技术的飞速发展, 出现了传感器和电子仪表结合的第二代动态称重装置。使用光电脉冲式或磁电脉冲式传感器测量速度, 电子仪表经过模拟积分放大电路或数字积分放大电路实现配重平衡、 启动识别和流量累加功能。第二代动态称重装置在计量精度和计量过程简化上都有了很大程度的提高, 可是依然存在计量精度较低和缺乏误差纠正等缺陷。
(4)传感器和微机结合式动态称重装置 随着近十年来传感器制造工艺和微机智能技术的崛起, 为动态称重装置的性能大幅度提高创造了有力条件。第四代动态称重装置不但在计量精度上有了长足进步, 而且在机构集成化和功能完善化方面取得了进步, 能够根据企业现场环境的需求研制不同类型的传感器微机智能化动态称重系统。
当前正在使用的传输带动态称重装置种类繁多, 结构形式不同, 分类依据多种多样。从秤架结构类型分有: 单托辊秤架、 多托辊双杠杆秤架、 悬臂式秤架、 悬浮式秤架等结构, 其中单托辊秤架由于结构简单、 安装便捷等特点, 市场占有率较高。从使用的称重传感器类型分有: 电阻应变片式传感器、 磁压式传感器、 差动变压式传感器和核子式传感器等, 其中电阻应变片式传感器应用最为广泛。
当前使用的动态称重装置较为成熟的有: 电子传输带称重装置、 核子传输带称重装置和激光-核子传输带称重装置。
(1)电子传输带称重装置 电子传输带称重装置依靠称重传感器测量传输带上的物料重量数据, 一般使用接触式测速传感器测量传输带运行速度, 这导致计量精度受制于机械结构, 计量结果误差来自传输带张力、 自重、 抖动等多种因素。因此这种动态称重装置计量精度不稳定, 维护工作繁琐, 需要每隔一段时间对装置各项参数进行调节, 以达到所需精度。而且这种动态称重装置适用于大量散状物料较长时间累积流量的连续计量, 测量瞬时重量的精度不高, 难以满足某些对物料瞬时重量要求较高的使用场合。
(2)核子传输带称重装置 核子传输带称重装置是利用伽马射线对传输带上的物料进行计量。当伽马射线强度一定时, 射线穿过物料的衰减强度与物料的成分、 密度、 厚度等参数呈指数关系。计量时将载物时的射线强度的连续测量数据与传输带空载时的测量数据进行比较, 再与测量的传输带速度进行计算, 能够直接得到物料的瞬时载荷重量、 累积物料流量等计量数据。由于核子传输带称重装置的工作原理是基于伽马射线穿透物料时的衰减规律, 是非接触式测量, 有安装独立简便、 后期维护容易、 计量精度不受机械装置影响等显著优点。可是, 伽马射线的衰减强度与射线方向上的物料厚度有直接关系, 这使得核子传输带称重装置的计量结果受物料形状影响很大。实验证明, 相同载荷的同种物料不同的摆放形式下, 计量的结果相差很大, 甚至高达17%, 存在物料形状影响导致核子传输带称重装置计量精度较差的问题。
(3)激光—核子传输带称重装置 激光-核子传输带称重装置工作原理是利用伽马射线辐射测量传输带上物料的密度, 利用激光图像分析来测量物料的堆积体积, 进而计算出传输带上物料的重量。由于这两种测量技术都是非接触式测量, 因此激光-核子传输带称重装置具有: 装置结构简单、 安装便捷、 不受机械性能影响、 后期维护简便、 能准确测量瞬时重量等显著优点。而且激光图像分析技术弥补了核子测量技术的缺陷, 测量结果不受传输带上物料摆放形状的影响, 使得这种装置计量精度较好。可是, 这种装置的成本较高, 而且伽马射线的辐射对物料内部结构的稳定性和工作人员的身体健康都是不利的, 因此激光-核子传输带称重装置应用并不普遍。
传输带称重技术最早传入中国是在本世纪60年代, 经过几十年来不断的发展与完善, 品种不断增多, 在中国工业生产自动化中发挥了巨大作用。传输带称重方式由静态发展到动态, 计量方式由模拟量转变为数字量, 测量参数由单个参数转变为多个参数测量。随着传感器工艺的提高和微电子技术的崛起, 中国传输带动态称重技术的研究得到了进一步发展。可是, 由于核心技术与工艺落后、 机械设备与电子仪表老化、 新产品研发能力欠缺等因素困扰, 中国相关产品的质量和品种都与发达国家相差甚远, 而且功能单一, 可靠性差。因此当前相关产品的性能和品种, 不能满足中国现在和未来的巨大市场需求, 这就为传输带动态称重设备的研究开辟的广阔前景。
1.2.2国内外称重技术发展趋势
随着传感器制作工艺和微机技术的不断发展, 加之引入模糊控制理论、 神经网络、 建立数学模型、 人工智能、 阻尼振动理论等技术, 称重计量系统向着功能自适应、 智能化信息处理方向发展。国际上已经取得了动态称重技术的突破, 称重技术已经跨入了高科技领域。
当前, 称重技术的主要发展趋势为以下几个方面:
(1)小型化 体积小、 重量轻、 便于安装调试。近几年称重装置的研究特点上, 充分体现了秤架结构向小、 轻、 薄方向发展。为了适应低容量的计量场合, 可将传感器制成薄或超薄型称重传感器直接嵌入秤架受力的铝板或钢板底上与传感器外径一致的盲孔内, 从而组成低外形的秤架结构, 经过秤架的力学要求和额定载荷能够计算出称重传感器的安装位置和使用数量。秤架的铝板或钢板就是称重平台, 称重传感器既作为计量装置, 又作为秤架支点存在, 这种设计极大地精简了装置结构, 减少了机械连接环节, 不但缩减了制作成本, 而且提高了装置的可靠性和稳定性。对于较大容量的平台称重装置和电子地上称重装置, 采用长方形或正方形闭合截面的薄壁钢排列成一个竹排式秤体结构, 在最外边两根薄壁钢两端的切口内分别安装4个称重传感器, 称重传感器的固定支撑结构就是秤架的受力支点, 这种设计既能简化称体结构, 又能缩减称体高度, 是一种很有发展前景的设计方式。
(2)集成化 对于一些特定结构的称重装置, 如专用称重装置、 小型电子秤、 静态电子轨道秤以及便携式静动态轮轴秤等产品, 能够实现称重传感器与钢轨, 称重传感器与秤架, 称重传感器与轨道秤台的集成化。例如称重传感器与秤架集成化的静动态便携式电子轮轴秤, 其集成化结构由厚质硬铝合金板制成, 主要原理是经过固溶热处理来强化硬铝合金板, 在合金板4个角经过铣槽或钻孔的方式安装4个悬梁式称重传感器, 或者在合金板的地面经过铣槽或钻孔的方式安装多个剪切梁式称重传感器。从而使秤架与称重传感器高度集成化。
(3)智能化 称重装置的计量显示与控制部分与微型计算机相连, 经过微型计算机的智能化处理增加称重装置的显示和控制功能。使得称重装置在保留原有功能基础上增加了自适应、 自诊断、 自组织、 推理和判断等智能功能。这方面提高就是智能化称重装置的显示与控制器与当前普遍使用的微机控制显示与控制器的主要区别所在。
(4)综合化 称重技术未来的发展方向是在加强基础研究的基础上扩大应用范围, 扩展应用领域, 向相关行业和学科渗透, 应用各个学科的技术综合化的解决计量称重、 信息处理、 自动控制等问题。对于某些应用场合, 只具备计量、 显示、 量化等功能的称重装置远远不能满足用户需求。随着生产自动化和管理一体化的进程的不断推进, 称重装置应具备: 称重、 计价、 提供各项相关信息、 出入库管理、 网络服务等各项功能。需要电子称重设备与计算机和互联网相连, 共同组成一个综合化生产控制系统。
(5)组合化 在某些重量计量场合或过程中, 为满足实际需求, 还需要电子称重装置具备一定的组合能力。如机械部分根据实际场合的调整, 与外围设备的组合, 系统硬件与外围设备的连接, 调节计量范围和精度, 经过软件设置调整输入输出方式、 通信方式等功能。
1.3主要工作及论文结构
(1)进行系统整体设计规划 将软、 硬件按实现的功能划分成析系统所用各传感器的性能, 全面了解被采集信号的各项指标。
(2)设计系统硬件及制作PCB板 实现对系统称重传感器和采集、 上位机通信、 在线编程等功能, 制作原理图及PCB板图。
(3)单片机软件程序设计 硬件设计完成后, 根据系统器信号指标, 使用Keil C51集成开发工具开发单片机软件程序, 传感器信号的A/D转换, 对测速传感器信号的脉冲计数和将采样数串口发送至上位机等功能。
本论文结构如下:
1绪论 阐述了背景及意义, 介绍内外研究发展现状, 最后总结了自己所做的工作, 而且给出了论文结构。
2系统整体设计 提出了传输带动态称重系统的总体系统的基本结构和计量原理。详细说明了系统实现的功能。
3硬件电路分析 介绍系统的硬件设计, 数据采集电路和通信接口的设计, 传感器接口设计, 现场总线接口的扩展, 重点介绍基于AD7730芯片的称重传感器数据采集电路的设计与实现。
4单片机软件设计 详细介绍了主程序模块、 AD7730转换、 脉冲计数及串行通信4个主要模块的设计与实现。重点阐述了称重传感器数据转换功能的实现, 经过功能寄存器介绍和流程图详细说明了AD7730的各功能模式和初始化设置。

2 系统整体设计
2.1系统结构概述
传输带动态称重系统由五部分构成: 秤架、 称重传感器、 测速传感器、 数据采集电路和工控计算机。采用单托辊秤架、 梁式称重传感器和接触式测速传感器的传输带动态称重系统结构示意图如图2-1所示。
数据采集电路
工控计算机
称重传感器
测速传感器

图2-1 传输带动态称重系统结构示意图
物料在传输状态下, 称重传感器和测速传感器将传输带上物料的瞬时重量和瞬时速度转换成电信号, 数据采集电路采集该电信号并进行适当处理, 然后送入工控计算机进行量化和计算, 最后显示流量累计结果。扩展功能一般是靠开发软件完成的, 如监控功能、 报警功能以及数据库相关功能。
2.2动态称重计量原理
一般情况下, 计算传输带上物料的流量需要采集物料的瞬时重量数据和传输带的瞬时速度数据。物料的瞬时重量需要连续采样或者周期采样计量区段传输带托辊所受到的压力。传输带的瞬时速度能够经过接触式和非接触式两种方式获得, 再经过一定的算法来减小误差。
物料的瞬时重量和传输带的瞬时速度进行运算, 可得传输带上物料的瞬时重量和累计流量。瞬时重量为某一瞬间传输带上的物料重量, 累计流量为某一段时间内传输带上所经过的物料总重量。当前主要经过积分法和累加法计算物料的瞬时重量和累计流量。
当前计算物料流量和累计重量主要采用的方法有积分法和累加法。
(1)积分法 积分法计量流量时, 首先测量传输带上输送的物料的瞬时重量q(kg/m)和相同时刻传输带的瞬时速度u(m/s), 相乘能够得到传输带上物料的瞬时流量W(t)(kg/m):
(2-1)
式( 2-1) 算出的是传输带某一时刻的瞬时流量, 但传输带上的物料瞬时重量和传输带的瞬时速度都是随时间不断变化的, 因此瞬时流量W(t)对时间的积分能够得出T段时间内传输带的累积物料流量W:
( 2-2)
式中q(t)—瞬时荷重值
u(t)—瞬时皮带速度
传输带的速度可由采样间隔距离δL和走过δL段程度所消耗的时间T来计算:
( 2-3)
式中T—走过占δL长度所需的时间
δL—采样间隔行程
(2)累加法 用累加法计量传输带上物料流量时, 传输带每移动距离S时, 就对传输带的瞬时重量采集一次, 这是传输带整体的加权重量, 会与实际重量有一定的差距。然后经过近几次的瞬时总量采样计算出S段的瞬时重量值qi。把n段测量的瞬时重量累加就读出传输带走过nS段长度的累积流量W:
( 2-4)
t时刻传输带上物料的瞬时重量能够由W对时间微分求的:
(2-5)
累加法计量原理如图2-2所示
nS
S

图2-2 累加法计算物料流量
使用累加法计算物料流量能够很好的减少皮带跳变和传感器转换误差对计量结果的影响, 而且经过大量实验证明使用累加法要比采用积分法的准确度高, 因此对计量精度要求严格的系统均采用累加法方式计量。本系统设计正是基于累加法计量物料流量和累计重量。
2.3小结
本部分提出了系统的设计方案, 阐述了传输带动态称重系统的基本结构和计量原理。详细说明了本系统的组成结构和实现的功能, 介绍两种基本计量算法, 对优缺点进行了对比, 选择累加法作为系统的基本计量算法。

3 系统硬件电路设计
3.1系统硬件概述
数据采集电路是系统的主要硬件部分, 将称重传感器0～20mV的输出信号由数模转换器转换为24位精度的数字信号, 即000000H～FFFFFFH中的一个值, 然后送入单片机。速度数据采集部分, 首先将测速传感器输出的脉冲信号进行光电隔离, 然后由单片机对脉冲计数。数据采集工作完成后, 由通信接口将24位转换数据和脉冲计数值送入上位机, 在上位机中完成数据的量化和最终计算, 实时显示计算结果, 而且存入数据库。
3.2系统微处理器
由于数据采集系统要求的芯片数据存储空间( RAM) 和程序存储空间( ROM) 都较小, 固微处理器选择AT89S52芯片。
AT89S52是Atmel公司推出的与MCS-51兼容系列单片机。它是一种低功耗、 高性能的微处理芯片。8KB片内Flash, 可擦/写1000次以上; 256字节片内RAM; 全静态逻辑, 工作频率范围0～24MHz; 32个可编程I/O口; 三级程序存储器加密; 一个全双工串行口; 三个16位定时/计数器; 支持在线编程ISP( In System Programmable) 功能。
3.3系统模数转换器
本系统称重传感器输出的信号为模拟量, 需要转换为数字信号进行记录和处理, 因此模数转换部件为本系统的重要部分, 对整个系统的计量精度都会产生影响。由于悬梁式电阻应变称重传感器输出为频率较低的模拟量, 因此需要模数转换部件具有精确的计量精度, 但对响应速度没有过高要求。固本系统采用精度为24位的AD7730芯片作为模数转换器件。
AD7730是由美国ADI公司生产的24位无失码、 双通道差分模式高分辨率模数转换装置, 有效分辨率为21位, 线性误差±0.0018%。AD7730是∑-△类型数模转换装置。∑-△类型数模转换装置同时具备反馈比较和双积分式两种数模转换器的优点, 以电荷平衡式数模转换器改良而成, ∑-△类型数模转换装置去掉了在电荷平衡式模数转换器中使用的复杂的稳定式电路, 取而代之为结构简单的D触发器, 这种设计使∑-△类型模数转换器件自身的电路组成对元件的精度要求降到了一个很低的层面。∑-△类型数模转换装置还同时具有双积分式模数转换器抑制串模干扰的功能。∑-△类型是一个闭环的连续转换系统, 因此对自身电路元器件的精度要求低于双积分式模数转换器, 漂移与失调不会影响转换的精度。∑-△类型模数转换装置由于使用了数字式反馈比较方式, 从而使用量化噪音大大降低、 提高了转换精度、 增强了系统的抗干扰能力、 加快了相应速度、 优化了线性度。
∑-△技术将量化噪声移到了系统数模转换频带之外, 因此AD7730抗干扰能力强, 适用于低频信号的动态模数转换。本系统采用AD7730转换悬梁式称重传感器输出的模拟量, 并将转换结构送入单片机进一步处理。AD7730的工作原理如下:
设fs为采样频率, 该芯片采集称重传感器的模拟信号时采用k倍过采样频率kfs, 内部经过信噪整形电路将fs/2信带宽度内的大量量化信噪移除模数转换器的转换频带, 即移至fs/2至kfs/2之间的频带, 从而使得系统量化信噪降低到之前的1 k。由于模拟低通滤波器只能滤除大于kfs/2频带宽度的信噪, 因此需要利用采样抽取电路和数字滤波器来滤除频带无用信号和量化信噪, 提取期望信号, 提高转换分辨率和信噪比。使用的采用率应高于两倍输入信号频率, 即fs>2fa, 而且应符合香农采样定律的原则。用户能够经过软件设置AD7730的工作方式寄存器, 设置∑-△模数转换器的数字滤波器、 信噪比、 采样分辨率、 采样频率, 从而做出最优选择。
数据采集电路中, AD7730与AT89S52单片机的接口电路原理图如图3-1所示:

图3-1 AD7730与AT89S52的接口原理图
单片机使用查询方式来控制AD7730芯片, 单片机的P1.0、 P1.1、 P1.3、 P1.4引脚分别连接AD7730的SCLK、 CS、 DOUT、 DIN引脚。当加在RDY引脚上的电压为低电平时, 单片机可读取AD7730数据寄存器中的模数转换数据或校准数据。当加在RDY引脚上的电压为高电平时, AD7730进行数据寄存器数据更新, 禁止传输数据。也可采用将RDY引脚连接单片机的INT0或INT1引脚, 使用中断方式控制AD7730, 还能够经过直接访问内部寄存器的RDY位数据, 从而节省一个引脚。
3.4 数据采集电路通信接口设计
本系统要求实现采集和计算数据实时显示、 数据保存等功能。而AT89S52只有256字节RAM和8K的FLASH, 不能满足系统的要求, 因此必须借助PC机来实现数据显示和储存等功能。本系统对传输的速度要求不高, 而且在实际环境中可能需要传输较远距离, 综合功能和成本考虑使用串行通信方式。
串行通信又分为同步通信和异步通信两种方式。同步通信传输速率高, 硬件设计复杂, 异步通信方式使用普遍, 传输速率在50到19200波特之间。在异步通信时, 发送和接收方要确定具体的发送波特率和数据格式, 数据是以帧为单位传送的, 每一帧数据由四部分组成: 起始位、 数据位、 奇偶校验位( 可选) 和停止位。比较两种串行通信方式, 由于本系统对通信速度要求不高, 因此选择异步通信方式。
系统采用RS-232C串口标准, 实现单片机的全双工串行端口与PC机COM串行接口的链接, 并编程实现上下位机的数据通信。
3.4.1 RS-232C标准
RS-232C是在串行异步通信方式中使用最为广泛的总线标准, 是由美国电子工业协会( EIA) 公布的通信协议标准。RS-232C主要用于数据终端设备( DTE) 和数据通信设备( DCE) 之间的二进制串行通信, 最高传输速度19.2kbps, 最长传输距离可达15米.虽然RS-232C设计了25个引脚, 但对于一般的串行双向通信, 只用到串行口输入引脚TXD、 串行口输出引脚RXD和接地引脚GND。RS-232C规定的逻辑电平电压范围与CMOS和TTL电平不同, 规定在+3～+l5V之间为逻辑电平”0”, -3V～-15V之间为逻辑电平”1”。由于计算机接口芯片和接口电路大部分采用CMOS和TTL电平, 因此在串行通信之前, 必须先转换电平, 使之与CMOS和TTL电平相匹配。本系统电平转换工作交由MAX232芯片完成。
3.4.2 MAX232芯片简介
MAX232是美国MAXIM公司专为RS-232C总线标准设计的低功耗、 单电源发送接收器。对于各种EIA232E和V.28/V.24标准总线, 转变为RS-232C数据电平需要±10V电源, 因此MAX232芯片完成RS-232C与CMOS和TTL的电平转换只需要+5V电源即可, 从而打破了±12V电源的限制, 使用场合更为广泛。
3.4.3串口通信接口电路设计
本系统的串口通信接口电路原理图如图3-2所示。

图3-2通信接口电路原理图
图中J1为标准RS-232C总线9针插头。图中C6、 C7、 C8、 C9为MAX232芯片内部电源转换所需要的4个电解电容, 最好选用钽电容, 尽量靠近芯片焊接, 取值大小均为1uF/25V。MAX232的R1IN、 T1OUT、 R2IN、 T2OUT引脚需要接RS-232C标准电平, 而T1IN、 R1OUT、 T2IN、 R2OUT引脚则需要接TTL/CMOS标准电平。因此单片机的串行口接收引脚RXD应接MAX232的R1OUT、 R2OUT引脚, 单片机的串行口发送引脚TXD应接MAX232芯片的T1IN、 T2IN引脚。与之对应T1OUT、 T2OUT和R1IN、 R2IN经过9针标准插头分别于PC机的接收端RXD和发送端TXD相连。
3.5 程序下载线连接

图3-3 AT89S52ISP接口设计
ATMEL公司的单片机AT89S系列单片机提供了一个串行接口对内部程序存储器编程( ISP) , 以及后来推出的AT90S系列中多数芯片都支持在线编程功能。ISP是最先由Lattiee公司提出的一种技术, 是经过同步串行方式实现对其可编程逻辑器件的重配置, 它的实现一般只需要少量的外部电路辅助。
经过ISP技术, 电路板上空白器件能够编程写入最终用户代码, 即使将芯片焊接在电路板上, 只要留出和上位机接口的这个串口, 就能够实现芯片内部储存器的改写, 而无需再取下芯片。已经编程的器件也能够用ISP方式擦除或再编程。ISP经过单片机上引出的编程线、 串行数据、 时钟线对单片机内部的Flash存储器进行编程, 编程线与I/O线共用, 不额外增加单片机的引脚。
AT89S52的ISP接口设计如图3-3所示。
3.6 传感器接口设计
悬梁式称重传感器有四条接线, 红色为激励正( EXC+) , 接10V电源, 黑色为激励负( EXC-) 接地, 绿色为信号正( SIG+) 接入AD7730的ANI( +) 引脚, 白色为信号负( SIG-) 接入ANI( －) 引脚, 之间串联10K限流电阻。图4-4为悬梁式称重传感器和E6B2-CWZ6C编码器接口设计电路原理图。

图3-4 编码器与称重传感器的接口电路
E6B2-CWZ6C编码器正常工作的激励电压为5～24V DC, 激励电压的选择直接关系到数据脉冲的电压值。因此本系统选用5V DC作为激励电源, 输出的脉冲信号能够直接送单片机计数。E6B2-CWZ6C编码器有6条接线, 褐色为VCC, 黑色为A相输出, 白色为B相输出, 橙色为Z相输出, 蓝色为0V, 最后一条为屏蔽线GND。A、 B两相信号的脉冲表示码盘轴所转的角度, Z相为零脉冲信号, 码盘每转一周变化一次。本系统中, 因为传输皮带正常工作时方向不会改变, 因此不存在鉴相问题。使用单片机的外部中断INT0, 以边沿触发方式对A相输出的脉冲计数。
3.7 Profibus-DP接口扩展
PROFIBUS是由西门子等公司组织开发的一种面向工厂自动化、 过程自动化的国际性现场总线标准。PROFIBUS的开发始于1987年, 1989年立项为德国标准DIN19245( Deutsche lndustrie Normen) , 1996年3月被批准为欧洲标准EN50170( European Standard) , 并于 成为IEC61158( International Electro technical Commission) 。中国于 正式批准PROFIBUS现场总线成为中国机械行业工业控制系统用现场总线的国家标准。
PROFIBUS的用户组织PI( PROFIBUS INTERNATIONAL) 成立于1995年, 在30多个国家和地区都有地区性的PROFIBUS用户组织, 会员众多。中国的相应组织PROFIBUS专业委员会CPO( Chinese Profibus User Organization) 成立于1997年, 下设的”PROFIBUS产品演示及认证实验室”和”PROFIBUS技术中心”负责产品认证和技术支持。总之, PROFIBUS是一种具有广泛应用范围的、 开放的数字通信系统, 适合于快速、 时间要求严格和可靠性要求高的各种通信任务。当前已广泛应用于制造业自动化、 过程工业自动化、 楼宇和交通电力等领域。PROFIBUS由三种兼容的通信协议类型组成, 即PROFIBUS-DP、 PROFIBUS-PA和PROFIBUS-FMS( Fieldbus Message Specification, 现场总线报文规范) 。
RS-485传输是PROFIBUS最常见的一种传输技术其应用既适用于需高速传输的系统, 也适合于简单、 廉价、 需快速铺设的场合。RS-485采用平衡差分传输方式, 在一个两芯卷绕且有屏蔽层的双绞电缆上传输大小相同而方向相反的电流, 以削弱工业现场噪声, 且避免多个节点间接地电平差异的影响。其传输数据的速率为9.6Kbps～12Mbps, 且一个系统中总线上的传输速率对连接在总线上的各个设备是统一设定的。各个设备均连在具有线型拓扑结构的总线上。每一个线段能够连入的最大设备数目为32, 每个线段的最大长度为1200米。当设备数目多于32时, 或扩大网络范围时, 能够使用中继器连接各个不同的网段。
本系统采用创捷PQ20系列外置式Profibus-DP从站桥接模块实现现场总线接口扩展, 该模块提供用户利用RS232/RS485串行通讯端口和Profibus总线系统通讯功能的现场总线网关设备。它能够采用标准的DIN轨道安装方式, 采用直流24V电源供电, 符合工业应用的标准要求。它完全兼容Profibus-DP总线协议, 能够自由设定3～126的Profibus-DP从站地址。是为满足国内传统工控产品制造商在PROFIBUS现场总线领域的推广需求而专门设计开发的。广泛应用于仪器仪表、 人机界面、 智能高低压电器、 变送器、 智能现场测量设备、