毕业设计(论文)纸机控制系统的设计

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1、目 录第一章 绪论- 1 -11 课题研究的目的和意义- 4 -12 纸机的工艺过程- 4 -13 造纸过程国内外研究现状- 5 -131 国外造纸概况- 6 -132 国内造纸发展概况- 6 -14 本课题的研究内容- 7 -第二章 系统总体方案论证- 8 -21 控制系统方案的确定- 8 -211 控制系统类型的确定- 8 -212 微控制器方案的确定- 9 -22 输入输出通道方案的确定- 10 -221 模拟量输入通道方案的确定- 10 -222 模拟量输出通道的确定- 12 -23 系统外部设备的确定- 13 -231 键盘的选择- 13 -232显示器的选择- 14 -233 报警

2、系统- 14 -24 系统总体框图- 14 -第三章 系统的硬件设计- 16 -31 8031单片机的最小系统- 16 -311 8031单片机的引脚结构- 16 -312 地址锁存器74LS373- 18 -313 程序存储器27128- 19 -314 时钟电路的设计- 21 -315 复位系统的设计- 22 -32 输入输出通道的设计- 23 -321 输入通道的设计- 24 -322输出通道系统的设计- 27 -33 外围设备电路的设计- 29 -331键盘电路的设计- 29 -332显示电路的设计- 30 -34 报警系统及电源设计- 31 -第四章 系统的软件设计- 33 -41

3、程序设计方法和程序语言的选择- 33 -42 主程序的设计- 34 -421 中断服务子程序的设计- 34 -422 采样子程序的设计- 36 -423 数字滤波程序设计- 37 -424 报警系统的设计- 38 -425 按键子程序设计- 39 -43 系统PID的设计- 39 -结束语- 42 -致 谢- 43 -参考文献- 44 -附录1 程序清单- 46 -附录2 系统硬件图- 56 - 第一章 绪论11 课题研究的目的和意义纸张是人们生活和工作所不可缺少的，在人们的生活中占着重要地位。随着国民经济，科学文化教育事业的发展，对纸张的需要无论是数量还是质量都大大提高了。造纸机是生产纸张的

4、主要工具,造纸机生产过程运行的好坏对纸张的产量，质量以及原料的消耗关系很大。造纸工业是许多国民经济配套的、必要的重要原材料工业。随着人们生活水平的提高，纸和纸板所需的品种和数量日益增长，在国民经济中占有越来越重要的地位。我国造纸工业的发展前景十分乐观，但与国外造纸工业相比，还有一定差距。我国造纸工业技术落后，自动化程度很低，绝大部分生产流程还是人工操作，限制了我国造纸工业的发展。另一方面，人们对纸的质量和产量要求越来越高，但是日益严重的世界性能源紧张和工业污染问题，迫使能量消耗多、污染影响大的纸浆造纸业采用各种措施来减少污染，降低能耗。整个制浆造纸生产过程变得越来越复杂，人工操作难以保证达到产

5、品质量，对造纸过程进行自动控制迫在眉睫。所以研究纸机生产过程的控制是有意义的。在纸张生产中，表示纸张的质量有一系列指标，如定量，水份，灰份，平滑度，光洁度等，其中最重要的是定量和水份。定量就是单位面积纸的重量，它反映了纸张的厚度和均匀度。水份就是纸中的含水率，起值过高，将导致纸页容易撕裂，过低有会导致纸张发脆，撕裂度差。在质量检验时，要求这两项指标都落在一定的公差范围之内。定量控制的效益来自定量偏差的减小。假如生产 100 克/米 的纸张，允许定量偏差为5 克/米 ，若实现下偏差卡边控制后，使定量稳定在 96 克/米 ，生产同样长度的纸，可节约纸浆 4。相反，实现上偏差卡边控制后，使定量稳定在

6、 104 克/米 ，生产同样长度的纸，就多用纸浆 4。水分控制与定量控制类似。从生产者来说，总是希望产品的定量靠近公差的下限，这样可以节省原料；同时希望水分靠近公差的上限，这样既可以减少烘干所需能源，又可以增加成品纸的重量，在不增加原料能耗的情况下增加产量。但是在生产过程中，由于种种干扰因素的影响，定量和水份的波动总是存在的，它们都是围绕各自平均值上下波动的随机变量。因此，为了保证产品合格率，必须使定量的平均值高于公差下限。12 纸机的工艺过程纸机按结构（主要是网部结构）不同，有长网纸机，圆网纸机，夹网纸机和复合纸机几种类型。它们的基本组成相同，都是由网部、压榨部、干燥部和卷纸机等组成。长网造

7、纸机与其他三种的不同之处，主要是网部由网笼和网槽组成。长网造纸机是造纸工业中使用最广泛的一种造纸机。如图1-1所示：典型长网造纸机可以看作由多台设备组成的联动机，通常分为湿部和干部两部分。湿部包括浆料流送设备、网部和压榨部；干部包括干燥部、压光机和卷纸机（切纸机）。图11纸张生产过程系统示意图经过打浆处理的浓纸浆（浓度约为3%），用回水池中的水稀释到0.3%左右，通过除砂与过滤处理后送入稀浆池中。在这里把滑石粉等填料假如稀浆池中，再把稀浆池中的稀浆用泵打入流浆箱内。流浆箱里的液位和压力都要求保持恒定，以保证稀纸浆以恒定的速度由流浆箱均匀地喷到铜网上。铜网上纸浆中的纸纤维量就决定了成品纸张中所含

8、的纸纤维量。它的多少直接影响纸张的厚度，即纸张的定量。纸纤维量由浓纸浆的流量来控制。纸浆在网上被脱水，然后在烘干缸段被挤压，烘干和压光。纸浆脱水和纸页烘干由电机拖动匀速前进，最后成为成品纸卷在卷筒上。烘缸内充有蒸汽，蒸汽流量控制着烘干的程度，即纸张水份的含量。纸张的定量和水份分别由卷筒前面的射线测厚仪和红外线湿度计来测定，又分别通过调节浆料阀门和蒸汽阀门来得到控制。13 造纸过程国内外研究现状造纸起源于我国，是我国古代的四大发明之一。我国东汉时期的蔡伦制成了人类历史上的第一张纸，开创了人类社会文明进步的新纪元,对世界文明的发展与进步，做出了无与伦比的贡献。约 200 年前，机制纸技术首先在欧洲

9、出现，后逐渐传播到世界各地。至今只有少数几个国家不能造纸，绝大多数国家都拥有自己的造纸工业。随着文化和信息产业的飞速发展，造纸业在全世界产业中的地位已经变得越来越重要，被列为国民经济十大支柱制造产业之一。纸与纸板的消费水平已经成为衡量一个国家现代化水平的重要标志之一。1995 年，全球造纸工业的总销售额为 2600 亿美元，总资产为 4000 亿美元。根据联合国粮农组织（FAO）的统计，全球纸和纸板产量已由 1950 年的 4300 多万吨发展到 1998 年的 3.01 亿吨。建国以来，特别是改革开放以来，我国造纸工业得到了快速发展。纸和纸板的产量从 1950 年的 38 万吨猛增到 200

10、1 年的 3200 万吨，已跃居世界第三位。按产量排序，我国目前可以称为纸业大国，但我国决不是纸业强国11-13。131 国外造纸概况随着控制理论和计算机技术的发展，制浆造纸工业的自动化也得到了较快发展。国外对制浆过程计算机控制的研究始于上世纪六十年代末，在此期间，研究者建立了各种能适用于计算机控制的数学模型。七十年代初出现了以电子计算机为中心的对整个制浆过程进行控制的自动化系统。1974 年瑞典 Modocell AB 和 ASEALME AutomationAB 公司,研制出具有蒸锅内碱液浓度在线分析的间歇蒸煮计算机控制系统1。目前国外先进的间歇计算机控制系统一般都是由过程级、优化级和管理

11、级三级组成，能对整个制浆过程的能源、原料、药液和产量进行优化、管理和控制。国外对回收过程的动态建模和控制方面的研究始于五六十年代，但至今建立的各种模型大多是过阻尼类的线性模型，很难解释多效蒸发系统的欠阻尼振荡现象，而控制策略大多是 PID 反馈加前馈的传统控制方法，现代控制理论的应用还不成熟。国外对抄纸过程计算机控制的研究始于五十年代末。美国于 1960 年最早实现了造纸过程计算机控制2-3。美国的 Measurex 公司和 AccuRay 公司，以及德国的 Lippika 公司，是当今世界造纸机定量、水分计算机控制系统最先进的三家公司，这三家公司已有商品化的计算机控制系统，它们的定量仪、水分

12、仪、灰份仪、浓度仪、流量计、控制阀、扫描架和工业控制机都代表了当今世界的最高水平。它们的成套技术和实施技术也是最高水平的，模型和控制算法比较简单。132国内造纸发展概况我国造纸行业现有造纸厂 4330 个，造纸机近 10000 台，其中长网机 700 台，大型圆网纸机 800 台，大型圆长网结合纸机 1200 台11。1998 年全国造纸企业年产量在10 万吨以上的只有 32 家,急需用规模化和现代化技术取代旧模式。未来发展计划的重点在新闻纸、印刷、书写纸和包装纸，更多的低定量、高性能的产品将得到发展，低质量的非木纤维产品将被淘汰。纵观国内外自控技术的发展情况，我国自动控制技术的研究和应用水平

13、还很欠缺，造纸过程控制更是如此。在国外被广泛重视和应用的单片机控制技术，模糊控制技术，神经元网络自动化技术在我国还处于刚起步阶段。我国造纸企业中，1978 年之前还没有一套造纸机定量、水分计算机控制系统12。当时全国造纸工业中只有一些常规仪表控制系统，用于锅炉、蒸煮、打浆等工段的单回路控制，而且多在一些新建的大型纸厂，许多老厂和小厂的生产还是人工操作。1978 年，我国开始引进了几套定量水分计算机控制系统，用于大型纸机的控制，取得了经验。后又陆续引进了多套计算机控制系统，全国各大纸厂基本都有了计算机控制设备。引进的控制系统多用于生产牛皮纸、新闻纸的大型高速纸机上，产量高，效益显著。我国造纸企业

14、多为年产 0.5 万吨以下小厂，采用的造纸原料多为草浆，对于这样的小厂，引进设备的投资往往超过其固定资产投资，而经济效益却并不显著。使用进口设备的弊端是国外公司的技术保密，引进后只能使用，而对其内部硬、软件原理都不能了解。设备维修和零配件更换仍需花费大量外汇。对于大规模提高我国造纸工业自动化水平极为不利。1983 年浙江大学造纸自动化研究推广中心进行了纸机定量、水分控制系统的研制工作13。虽然当时国内已有厂家引进了几套国外成套的纸机定量、水分计算机控制系统，但国外厂商的技术保密使得国内的研究工作几乎是白手起家。该中心也从事纸机数学模型开发、控制方案设计、控制算法推导、工艺流程改造、仪表研制和计

15、算机硬件安装调试、计算机软件开发等大量研究开发工作。1984 年 7 月，国内第一套纸机定量、水分计算机控制系统在浙江嘉兴民丰造纸厂的 1 号纸机上运行成功，取得了重大得经济效益，打破了外国垄断造纸机计算机控制系统的局面。这套系统自 1984 年 7月开始运行，至今仍保持良好的性能，证明了国产系统的可靠性。目前该公司开发成功了SYQCS3000增强型定量水分控制系统、SYGCS3000热泵供汽控制系统、SYNCS3000纸浆浓度控制系统、SYHCS3000 上网流送过程控制系统、SYDCS3000 制浆造纸过程集散控制系统、SYWIS3000 在线纸病检测系统、SYNET3000 制浆造纸企业

16、网络监控系统等面向制浆造纸行业自动化系列产品。14 本课题的研究内容纸张质量主要取决于两个指标：定量和水份。定量反映了纸张的厚度。水份与纸纤维和填料一起决定了纸张的定量。因此，控制的首要任务是使定量和水份保持在设定值上。本系统主要研究纸张定量的自动控制，控制要求为：纸张定量设定值为100克/平方米；控制误差为5克/平方米。第二章 系统总体方案论证单位面积纸张中所含纸纤维及填料的重量称为绝干定量，它可以从纸的定量和水份中算出（单位是g/m2）：绝干定量=定量-水份（g/m2）因此，在只研究对定量的控制时，为了消除水份对定量的耦合影响，可以采用绝干定量作为系统的输出。从绝干定量的定义可知，它与纸的

17、含水量无关，也不受烘缸中蒸汽压力的影响，因此实现了解耦，它只是由浓浆流量来决定。这样绝干定量的控制就变成了一个单输入单输出的系统。一般的纸张绝干定量占定量的95%左右，含水约为5%，因此如果把绝干定量控制的很稳定，波动很小，那么定量的波动也就可以大大减小了，因此可以直接利用单变量的控制方法来对绝干定量加以控制，从而实现对系统定量的控制要求。21 控制系统方案的确定自动控制系统包括开环控制和闭环控制14。闭环控制能对输入量和输出量进行比较，并且将他们的偏差作为控制手段，以保持两者之间的预定关系。因此闭环控制具有抑制内、外扰动，精度高等优点，有利于实现高精度控制。闭环控制系统的结构如图2-1所示：

18、控制器检测装置执行机构 被控对象-图2-1 控制系统的典型结构211 控制系统类型的确定随着计算机在工业控制领域中的应用越来越广泛，控制系统中的控制器也越来越多的采用计算机来实现。计算机控制系统可分为操作指导控制系统、直接数字控制（DDC）系统、监督控制系统（SCC）和分布控制系统。在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。该系统常用在计算机控制系统设计与调试阶段，进行数据检测、处理及实验新的数学模型，调试新的控制程序等。直接数字控制系统的（DDC）是闭环系统，是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用。该系统优点是灵活性大。在常规模拟调节器控制系统中，控制器一经选

19、定，其控制方法也就确定了，要改变控制方法就必须改变硬件，这就往往难度较大。而在DDC系统中，由于微机代替了常规模拟调节器，因此要改变控制方法，只要改变程序就可以实现了，无须对硬件线路作任何改动。另外，计算机计算能力强，可以有效地实现较复杂的控制，用来改善控制质量，提高经济效益21。根据纸张定量控制系统的控制要求，本系统采用DDC系统。212 微控制器方案的确定微型计算机的发展，促进了工业控制的进步。目前，已有各种各样的微型控制系统在工业中得到应用。根据被控对象的规模主要在工业控制中使用的计算机可以有：STD工控机、PLC和单片机系统等。STD总线工业控制机是20世纪80年代发展起来的一种广泛应

20、用于工业过程控制的计算机系统。它具有：（1）小板结构模块化设计；（2）标准化及兼容性；（3）面向I/O口设计；（4）高可靠性等特点。这种控制机采用STD（Standard）总线，该总线曾在20世纪80年代末20世纪90年代初风靡了整个工业控制领域，但近年来随着工业PC的发展，开始逐渐退出历史的舞台。可编程控制逻辑器（Programmable Logical Controller），简称PLC，是早期的继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合。它吸收了微电子技术和微型计算机技术的最新成果，发展十分迅速。如今的PLC几乎无一例外地采用微处理器作为主控制器，又采用大规模集成电路作为存储器及I/O接口

21、，因而使其可靠性、功能、价格、体积都达到了比较成熟和完美的境地，并以其卓越的技术指标和优异的抗干扰能力得到了广泛的应用，受到工业界的瞩目。它具有：（1）可靠性高、抗干扰能力强；（2）功能完善、扩展方便、组合灵活、实用性强；（3）编程简单、使用方便、控制过程可变、具有很好的柔性；（4）体积小、重量轻、功耗低等特点。由于PLC是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固，体积小巧，易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备，但价格相对比较贵。单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），简称单片机。它是工业控制和智能化系统中应用最多的一种模式。这种模式的最大特点是设计

22、者可根据自己的实际需求开发、设计一个单片机系统，因而更加方便，更加灵活，并且成本低。单片机控制系统与传统的仪表控制系统相比具有很多优点15：（1）单片机控制系统的算法灵活，控制功能强：不改变硬件即可改变控制算法及控制方式，从而提高系统的性能。容易实现较高级的控制。（2）单片机控制系统精度高，量程大：模拟调节器的精度通常为0.5%左右，而数字计算机的精度可通过扩展字节不断提高。对于15位有效字长的单片机，其精度可达0.01%以上。单片机不存在模拟调节器零点漂移问题，比较容易解决非线性特性以及各种噪声干扰，通过重复测量可以有效的提高测量精度。（3）单片机控制系统的控制效率高：一个主机可以多路复用，

23、分时对通道进行采集和实时控制。（4）单片机控制系统的可重复性强：单片机由数字集成电路组成，受温度、振动等环境条件的变化影响不大，因此通常不须要进行现场调整，同类产品互换性强。（5）单片机控制系统可集中操作显示：利用各种外部设备，可方便进行打印、显示、记录、读出数据及表格，容易实现各种逻辑判断，越线警报等功能，可以随时进行参数在线修改，便于集中操作显示16。（6）容易实现整体优化：通过与上位计算机的通信，实现信息处理、生产管理、整体优化，实现实时控制和控制管理一体化，提高自动化程度。根据上诉单片机系统的特点，以及本系统的控制要求，采用单片机扩展系统实现纸张定量的自动控制。MCS是Intel公司生

24、产的单片机系列，它包括Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。由于MCS-51系列单片机具有性能稳定，价格低的特点，所以在现代工业生产中，主要采用MCS-51系列单片机。它主要包括三个基本型8031、8051、8751。本系统采用MCS-51系列单片机中的8031为中央处理单元。22 输入输出通道方案的确定被控过程的各种信息由传感器检测后，通过过程控制通道送到微型计算机中，经过计算处理后发出相应的控制信号，这些控制信号又通过过程通道输出到执行机构，从而控制生产过程按要求的目标有条不紊的运行。因此，输入输出通道的设计是计算机控制系统设计中的一个非常重要的环节。221

25、模拟量输入通道方案的确定输入通道主要包括传感器和A/D转换器。一、传感器的确定传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输和测量的电信号部分。传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定17。本系统中纸张定量是主要的检测量，主要是检测纸张的厚度。在厚度检测中通常使用核辐射传感器。本系统采用射线测厚仪测量纸张定量。从源发射出来的粒子穿过气隙中的纸吸收掉一部分，未被吸收的穿过纸张在电离室中产生一个小电流

26、，该电流是源和探测器间物质质量的函数，放大器测得该电流并变成电压送到高精度电压频率转换器，所产生的脉冲串在一个精确的时间间隔之内，由一个计数器，并由计算机读取，原理图如2-2所示32。 图 2-2 定量测量原理图二、模拟量通道数及通道形式的确定本系统中需要对三点的纸张厚度进行检测，因此有三路模拟信号输入。在计算机控制系统中对于多路模拟量输入的实现方法有两种。（1）每个通道设置一个独立的A/D转换器。这种方法的优点是转换速度快，精度高，工作可靠，即使某一通道出现故障也不会影响其它通道的工作，相应的软件也比较简单。但是，如果模拟量输入通道较多，就会使系统造价增加很多，尤其是采用高精度的A/D转换器

27、。（2）多通道复用一个A/D转换器，并辅以多路模拟开关和采样保持器来实现。这种电路工作时，是由计算机通过多路模拟开关，分时地把一个A/D转换器的输出送至各个采样保持器，对模拟电压进行保持。其优点是成本较低，但电路结构复杂、精度低、可靠性差18。为了降低成本，本系统采用第二种方案，即三路通道公用一个A/D转换器。三、A/D转换器的确定模拟量输入通道的主要任务是将模拟量转换成数字量。能够完成这一任务的器件叫做A/D转换器。A/D转换器的种类很多，就位数来分，有8位、10位、12位、16位等。位数越高，其分辨率也越高，但价格也越贵。A/D转换器就其结构而言，有单一的A/D转换器（如ADC0831、A

28、D673等），有内含多路开关的A/D转换器（如ADC0809，ADC0816均带多路开关）。随着大规模集成电路的发展，又生产出多功能A/D转换芯片，AD363就是它的一种典型芯片。其内部结构有16路多路开关、数据放大器、采样-保持器及12位A/D转换器，其本身就已构成了一个完整的数据采集系统。近年来，随着微型计算机的大量使用，出现了许多物美价廉的串行A/D转换器，如MAX195等。根据输入信号的最大值和最小值之差，按照下式可以计算出A/D转换器的字长。本系统采用8位A/D 转换器。 综上所述，本系统采用ADC0809作为A/D转换器。222 模拟量输出通道的确定模拟输出通道主要包括D/A转换器

29、和执行器。一、执行器的确定执行器是构成自动调节系统不可缺少的重要部分。执行器在系统中的作用是根据调节器的命令，直接控制能量或物料等被调介质的输送量，达到调节温度、压力、流量等工艺参数的目的。从结构上来说，执行器一般都由执行机构和调节机构两部分组成。执行机构是执行器的推动部分，它按照调节器所给信号的大小，产生推力或位移；调节机构是执行器的调节部分，最常见的是调节阀，它受执行机构的操作，改变阀心与阀座间的流通面积，调节工艺介质的流量19。根据执行机构的构成使用的能源种类，执行器可分为气动、电动、和液动三种。其中，气动执行器具有结构简单，工作可靠、价格便宜、维护方便、防火防爆等优点，在自动控制中获得

30、最普遍的应用。电动执行器的优点是能源取用方便，信号传输速度快和传输距离远；缺点是结构复杂、推力小、价格贵，适用于防爆要求不高及缺乏气源的场所。液动执行器的特点是推力最大，但目前使用不多。本系统选用电动执行器作为执行机构31。二、 D/A转换器的确定D/A转换器的种类很多，按输入数字量位数来分，D/A转换器有8位、10位、12位和16位等。按输出形式来分，有电流输出形式和电压输出型，其中电压输出型又有单极性输出和双极性输出两种形式。在选择D/A转换器时，通常从下面几个方面考虑。（1）输出形式D/A转换器有两种输出形式，一种是电压输出形式，即给D/A转换器输入的是数字量，而输出为电压。另一种是电流

31、输出形式，即输出电流。在实际应用中，对于电流输出的D/A转换器，如果要模拟电压输出，可在其输出端加一个由运算放大器构成的电路，将电流输出转换为电压输出。（2）D/A转换器内部是否有锁存器由于D/A转换是需要一定时间的，在这段时间内D/A转换器输入端的数字量应保持稳定，为此应当在D/A转换器数字量输入端的前面设置锁存器。对于内部无锁存器的D/A转换器，需要在转换器芯片的前面增加锁存器。对于内部带有锁存器的D/A转换器，可与单片机直接相接。（3）字长的选择D/A转换器输出一般都通过功率放大器推动执行机构。设执行机构的最大输入值为Umax ,最小输入值为Umin，灵敏度为，可得D/A转换器字长14：

32、 因为本设计的电动执行器的控制信号是010mA控制电流,其启动电流(即控制死区)通常是150A.代入公式有: 根据本系统的要求，选择DAC0832作为电路的D/A转换器。23 系统外部设备的确定所谓人机交互接口，是指人与计算机之间建立联系、交换信息的输入/输出设备的接口。这些输入/输出设备主要有键盘、显示器和打印机等。它们是计算机应用系统中必不可少部分。231 键盘的选择键盘是若干按键的集合，是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设备。常用键盘为独立式键盘和行列式键盘19-22。独立式键盘就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个按键被按下。在按键

33、数目较多时，独立式键盘电路需要较多的输入口线且电路结构繁杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。行列式（也称矩阵式）键盘适用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行列线分别连在按键开关的两端。列线通过上拉电阻接制正电源，以使无键按下时列线处于高电平状态。行列式键盘有33的行、列结构可以构成1个具有9个按键的键盘。还有44的行、列可以构成16个按键的键盘等等。本系统中用到的键盘数目较少，只有几个功能键，因此采用独立式按键即可。232 显示器的选择为了使操作人员及时掌握生产情况，在一般的微型计算机控制系统或智能化仪器中，都配有显示器。常用的显示器件有： 显示

34、和记录仪表， CRT显示终端， LED或LCD显示器，大屏幕显示器。在这些显示方法中，显示和记录仪表能连续进行显示和记录。但它的价钱较贵，且为模拟信号表示，读数不方便，有一定的误差，所以它只能用于企业的技术改造，在新设计的微型计算机系统中不宜采用。LED数码管由于具有结构简单，体积小，功耗低，响应速度快，易于匹配，寿命长，可靠性高等优点，目前已被微型计算机控制系统及智能化仪表广泛采用。而LCD则以其功耗极低的特点，占据了从电子表到计算器，从袖珍仪表到便携式微型计算机系统等应用场合，为人瞩目。CRT终端是目前微型计算机控制系统中最常用的显示设备。他直观、灵活、不但可以显示数字，而且可以显示画面及

35、报表，如生产流程图、报警画面、动态趋势图、条形图，以及状态和回路查询画图等232425。根据本系统的要求，选取LED显示器。233 报警系统在单片机测控系统发生故障或处于某种紧急状态时，单片机系统应能发出提醒人们警觉的报警信号或提示信号，常见的报警信号可分为闪光报警、鸣音报警和音乐报警。蜂鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过MCS-51的一根口线经驱动器驱动便可发生，电路简单，价格便宜。因此我们选用蜂鸣器报警。24 系统总体框图根据总体方案的确定，纸张定量自动系统的方框图如图2-3所示。 显 示 器键 盘8031最小系统D/A转换器电动执行器A/D转换器电源I/V转换报警

36、系统传感器 图 2-3 系统总方框图 - 56 -第三章 系统的硬件设计硬件系统是控制单元与机械系统、各种检测元件相连接的接口电路。主要包括单片机最小系统，检测电路，输入通道，执行单元，输出通道以及键盘显示电路的设计。31 8031单片机的最小系统控制系统采用功能较强的 MCS-51系列中的8031单片机。 MCS-51系列单片机结构由七个部件组成，由一个8位中央处理器CPU、128字节的RAM、片内振荡器、4个8位并行I/O端口（P0、P1、P2、P3）、1个全双工串行I/O端口、2个16位定时/记数器（ T0、T1）以及特殊功能寄存器。311 8031单片机的引脚结构8031单片机为40引

37、脚芯片如图3-1所示，按其功能可分为三部分27： 图3-1 8031的引脚结构一、I/O口引脚1、P0口：8位双向I/O端口，连接外部存储器时作为低8位地址和8位数据线。但输出的低位数据必须用锁存器锁存。2、P1口：8位准双向I/O端口，为用户使用的I/O口线，在编程和校验时接低8位地址，任一位可以独立地输入/输出。3、P2口：8位双向I/O端口，具有输出锁存功能，故无需加锁存器。连接外部存储器时作为高8位地址线，在编程和校验时接收高地址和信号。4、P3口：8位准双向I/O端口，另外还兼有中断，定时器/计数器，串行通道。二、电源及时钟引脚1、电源引脚电源引脚接入单片机的电源。（1）VCC（40

38、引脚）：接+5V电源。（2）VSS（20引脚）：接地。2、时钟引脚2个时钟引脚XTAL1、XTAL2 外接晶体与片内的反向放大器构成了一个振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。2个时钟引脚也可外接独立的晶体振荡器。（1）XTAL1：接外部晶体的1个引脚。该引脚内部是一个反向放大器的输入端。这个反向放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器是，此引脚应接地。（2）XTAL2：接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反向放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器时，该引脚接受时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。三、控制引脚：1、 (片外取指控制)：此输出是外部程序存储器的读选

39、通信号，读取指令期间，每个机械周期两次有效，但在次期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。2、ALE（地址锁存控制）：当访问外部程序存储器时，用于锁存P0口输出的低8位地址数据总线，通常ALE在P0口输出地址期间用下降沿控制锁存信号来锁存地址数据。即使不访问外部程序存储器，ALE仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为频率的1/6。因此，它可用作对外输出信号的时钟，或用于定时目的。3、（片外存储器选择）：对于8031来讲当为高电平时不能工作，只有为低电平时，才能访问外部程序存储器，正常工作。因此在扩展外部程序存储器，必须使接地。4、RESET是复位键，当震荡器运行时，此

40、引脚出现两个机器周期，高电平将使单片机复位，在Vss掉电期间，此引脚可接设备电源，当单片机进入掉电运行方式时，由Vpp向内部RAM提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。312 地址锁存器74LS373程序存储器扩展时需要一个地址锁存信号。地址锁存为ALE锁存器可使用三态缓冲输出的锁存器74LS373或8282，也可以使用带清除端的锁存器74LS273，根据需要，本系统使用74LS373。74LS373在MCS51的8031单片机中，为用户提供16位地址总线。在16条地址线中高8位地址（A15A8）是利用I/O接口P2直接给出的，而低8位地址（A7A0）却不是直接给出的。I/O接口P0为双向数

41、据总线（D7D0）和低8位地址(A7A0)利用分时操作，来区分数据总线和地址总线的28。一、74LS373结构引脚先用作地址总线，在地址锁存信号ALE脉冲的后沿下跳时，地址被锁存为A7A0。然后作为数据总线D7D0。一般地址锁存信号ALE的频率通常为单片机主振频率的1/6。使用74LS373（三态八D锁存器）作为低8位地址（A7A0）锁存器，控制信号为ALE，输入地址信号来自I/O口P0，其引脚图如图3-2所示。 OEQ0D0D1Q1Q2D2D3Q3GND1234567891020191817161514131211VccQ7D7D6Q6Q5D5D4Q4LE 图3-2 74LS373结构引脚二

42、、74LS373与8031的接口1、 输出控制端（1）若=1时，锁存器的输出控制使得Q7Q0呈现高阻态（3态）。（2）若=0时，锁存器开放输出（2态）Q7Q0A7A0(低8位地址)。2、D7D0与8031的P0接口相连。3、LE脉冲使能控制端（1）若LE=1 时，各触发器可根据输入（Di）改变输出（Qi）。Qin+1 =Di(锁存不会改变)。（2）LE=0时，触发器时钟无效，则Qin+1 =Qin (锁存不会改变)根据分析可知： 接地，长期处于两态。LE与8031的地址锁存信号ALE连接，即在ALE=10时，锁存A7A0 。74LS373作为8031外部的一个扩展输入口，接口电路如图3-3所示

43、。 图3-3 8031和74LS373连接图313 程序存储器27128一、程序存储器27128的引脚功能2927128的引脚功能如图3-4所示。A0-15：地址线引脚。地址线引脚数目由芯片的存储容量来定，用来进行单元选择。D7-D0：数据线引脚。 ：片选输入端。：编程时，加编程脉冲的输入端。Vpp ：程电压（+12或25V）输入端。Vcc ：+5V，芯片的工作电压输入端。GND ：数字地。NC ：无用端。由于8031于系统中只扩展一片程序存储器27128，故程序存储器27128的片选端 CE接地即可。使用片外存储器，必须接地。 图3-4 27128的引脚结构二、8031和程序存储器的接口27

44、128是28引脚的芯片，所扩展的片外程序存储器的容量达到16KB,共用14条地址线，用P2口的三位来传送A9、A10、A11,OE端是输出使能端，与单片机的端相连。当有效时，把27128中的指令送上P0口线。由于大规模集成电路的发展,程序存储器使用的芯片数量越来越少，因此地址选择多半采用线选法，而不用地址译码法。如图3-5所示8031访问外部程序存储器所使用的控制信号有：ALE低8位地址锁存控制；PSEN外部程序存储器“读取”控制。8031单片机扩展外部程序存储器的硬件电路中8031的PSEN均与EPROM的输出允许端相连。系统扩展用控制线有WR，RD，PSEN，ALE，EA。其中RD用于控制

45、片外数据存储器的读写，当执行片外数据存储器操作指令MOVX时，这两个控制信号自动生成。PSEN用于片外程序存储器的“读”数控制。“读”取EPROM中数据时不用RD信号。ALE用于锁存P0口输出的低8位地址数据的控制线。EA用于控制选择片内或片外程序存储器。当EA=0时，只访问外部程序存储器，不论片内有无程序存储器，因此在扩展并开始使用外部程序存储时，必须是EA接地。在外部存储器取指期间，P0口和P1口的16根I/O线输出地址码，其中P0口作为时复用地址/数据总线，它送出程序计数器中的低八位地址，由ALE信号选通进入地址锁存器，然后变成浮置状态等待从程序存储器读出指令码，而P2口输出的程序计数器

46、中的高八位地址保持不变。程序存储器有单独的地址编号，虽然与数据存储器地址重叠，但不会被占用；用单独的控制信号和命令，程序存储器的指令，数据读取控制不同数据存储器的RD控制和MOVX指令，而是由PSEN控制，读取数据用MOVC查表指令。 图3-5 8031单片机和程序存储器的连接314 时钟电路的设计单片机的振荡电路和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式，根据硬件电路的不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2 。这两个引脚跨接在石英晶体振荡器（简称晶振）和微调电容

47、，就构成了一个稳定的自激振荡器，图3-6是MCS-51内部时钟方式的振荡电路19。c1c2XTAL1 XTAL2 MCS-51至内部时钟电路图3-6 内部时钟振荡电路电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30 pF左右。对外接电容的大小虽然没有严格的限制，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡范围通常是在 1.2MHz-12MHz之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。但反过来运行速度快对存储器的要求速度也就越高，对印制电路板（也称印刷电路板）的工艺要求也越高，即要求线间的寄生电容要小；晶振和电容应尽可能安装的与单片机芯片

48、靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定、可靠的工作。为了提高温度稳定性，应尽可能选择使用温度稳定性好的电容。315 复位系统的设计复位是单片机的初始化操作，只需给8031的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可使8031复位。复位时，PC初始化为0000H，使8031单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需按复位键使RST引脚为高电平使8031重新启动14。除PC之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，这些寄存器复位时的状态如表3-7所示。由表中可以看出，复位时SP

49、=07H，而4个I/O端口P0-P3的引脚均为高电平，这在某些控制应用中，要考虑P0-P3引脚的高电平对接在这些引脚上外部电路的影响。表3-7 寄存器复位时的状态寄存器 复位状态寄存器复位状态PCAccBPSWSPDPTRP0-P3IPIE0000H00H00H00H07H0000HFFHXXX00000B0XX00000BTMODTCONTH0TL0TH1TL1SCONSBUFPCON00H00H00H00H00H00H00HXXXXXXXXB0XXX0000B由于单片机内部的各个功能部件均受特殊功能寄存器控制，程序运行直接受程序计数器PC的控制。表3-8中各寄存器复位时的状态决定了单片机内

50、有关功能部件的初始状态。另外，在复位有效期间（即复位引脚为高电平期间），8031的ALE引脚和PSEN非 引脚均为高电平，且内部RAM的状态不受复位的影响。复位电路如图3-8所示。在通电瞬间，由于RC的充电过程，在RST端出现一定宽度的正脉冲，只要该正脉冲保持10ms以上，就能使单片机可靠复位。当采用6MHz时钟时，CR取22uF、R1取220欧姆、R2取1K欧姆可靠的上电复位及手动复位。 图3-8 复位电路图3-9为8031外扩程序存储器的最小应用系统。 图3-9 8031最小系统32 输入输出通道的设计微型计算机控制系统是用于工业现场的控制装置，其中一个重要环节就是联系微型计算机和生产过程

51、的输入输出通道。321 输入通道的设计本系统的输入通道包括A/D转换器、I/V转换电路和检测电路。一、A/D转换器15本系统的A/D转换器采用ADC0809。1ADC0809的引脚说明ADC0809的引脚排列如图3-10所示，各个引脚的功能如下：D7D0：8位数字量输出引脚；IN0IN7：8路模拟量输入引脚；VCC：+5V工作电压；GND：地；REF（+）：参考电压正端；REF（+）：参考电压负端；START：A/D转换启动信号输入端；1 282 273 264 25 5 246 237 228 219 2010 1911 1812 1713 1614 15 IN2IN3IN4IN7IN0AD

52、DAADDCSTART2-1MSB2-32-42-52-6VCCREF(+)GND IN5IN1ADDBIN6EOCALEOK2-2CLKREF()2-8LSB 2-7图3-10 ADC0809的引脚图 ALE：地址锁存允许信号输入端； CLK：时钟信号输入端； 0E：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器；、 A，B，C：地址输入线，可选通IN0IN7入口中的一个通道进行转换，A，B，C的输入与被选通的通道的关系如下表3-11所示。表3-11被选的通道号INT0INT1INT2INT3INT4INT5INT6INT7CBA0000010100111001011101112.ADC0809

53、的技术指标有：单一电源，+5V供电，模拟输入范围为0-5V分辨率为8位最大不可调误差：ADC08091 LSB功耗为15mV二、ADC0809与8031的接口设计ADC0809与8031的连续可以采用定时方式、查询方式和中断方式视具体情况而定。图3-12为8031单片机与ADC0809接口图，该电路即采用查询方式。启动ADC0809工作过程为：先送通道号地址到ADDAADDC，由ALE信号锁存通道号地址，后让ART由有效启动A/D转换，即执行一条MOVX A ，DPTR，输入指令产生WR信号。使ALE、START有效，锁存通道号并启动A/D转换。A/D转换后，EOC端发出一正脉冲，接着执行MO

54、VX A，DPTR产生RD信号，使OE端有效，打开锁存器三态门，8位数据就读入到CPU中。 3-12 ADC0809和8031的连接图三、V/I变换电路的设计为了提高了信号远距离传送过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减，另一方面也为了与检测仪表连接提供方便，采用电流传送信号。这样在在检测电路与A/D转换器之间应连入一个I/V变换电路。I/V变换分为无源I/V变换，有源I/V变换和专用I/V转换电路。无源I/V变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施。有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器和电阻组成18。根据本系统的特点要求，选取最简单的无源I/V变换电路，主要做法是在

55、模拟通道输入端，加上一个高精度0.5K电阻，与输入的电流信号并联接地，这样就在电阻上得到电压。如果电流的正确范围是0-10mA，就能正确得到0-5V电压，满足设计要求，其结构图如3-13所示。 图3-13 I/V变换电路结构图对于0-10mA的输入信号，可去电阻R=200，且为精密电阻，这样可得到0-5V电压输出信号四、检测电路的设计在射线传感器测量纸张厚度时，探测器用电离室，根据电离室的工作原理，电离室输出一电流，其大小与进入电离室的辐射强度成正比，根据核辐射的衰减规律测量厚度。测量线路常用振动电容器调制的高输入阻抗静电放大器。用振动电容器是把直流调制成交流，并维持高输入阻抗33。检测电路的

56、设计如下图3-14所示。 图3-14 检测电路的框图本系统中选取嘉兴市和意自动化控制有限公司生产的NDC301射线传感器，它是国内最高水平的用于克重和厚度测量的智能传感器，通过选用不同的放射源，测量范围可在10-1500克/平方米。适合纸张定量设计的要求。和意公司NDC301射线传感器特点：1.高精度测量；2.优异的信噪比确保了快速，高精度的横幅检测，从而可以进行更加严密的横向控制；3.采用“全天候”的检测温度，消除检测区内气垫由于温度变化而造成的空气密度波动进而引起的偏差；4.采用特制的高精度稳定电源，极大地改进了传感器的稳定性和可靠性。如图3-15所示，由A/D转换器ADC0809、I/V

57、变换电路和射线传感器够成了本系统的输入通道。 图3-15 输入通道系统框图322输出通道系统的设计本系统输出通道包括D/A转换器DAC0832和执行机构。一、DAC0832的结构21DAC0832的结构引脚如图所示3-16所示。图3-16 DAC0832的引脚各引脚功能如下：DI0DI7：8位数字信号输入端，与单片机的数字总线相连，用来接收单片机送来的待转换的数字量，DI7为最高位。 ：片选端，当为低电平时，本芯片被选中。ILE：数据锁存允许控制端，高电平有效。：第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。当=0、ILE=1、=0时，数据信号被锁存到第一级8位输入寄存器中。：数据传送控制，低电平有效。 ：DAC寄存器写选通控制端，低电平有效。当=0，=0时，输入寄存器状态传入8位DAC寄存器中。 ：D/A转换器电流输出1端，输入数字量全1时，输出最