毕业论文：基于at90can128单片机的高炉烧结配料控制部分的研究

毕业论文：基于at90can128单片机的高炉烧结配料控制部分的研究内容摘要：

通过圆盘给料机和料仓给料器与集料皮带机之间安装调试好的电子配料皮带秤称量检测，以及配料皮带测速编码器 (传感器 )测量皮带运输原料速度的检测，称重仪表采集测量皮带秤上每单位长度的载荷值 q(kg/m)以及皮带在同一时 刻的运行速度 v(m/s)，且两者相乘得到物料的瞬时流量 qv(kg/s)。 只要保证 q(t)V(t)的乘积不变，就可以保证物料流量的恒定。 即随皮带上物料重量的变化控制皮带运行速度做出相应的调整，就可以保证物料流量的恒定。 在本系统中圆盘给料机的速度是恒定不可调的，所以控制流量的恒定只能调节皮带上物料重量，而重量的改变又只能通过改变变频器的频率，以改变皮带秤的速度。 流量恒定控制原理图 所示，每一个称重控制都是一个“小死循环”控制系统。 称重仪表检测并运算 q(t) V(t)的乘积与流量设定值（上位机给定或仪表键 盘给定）进行比较，然后进行 PID 运算 ,，得出相应的输出频率信号到变频器，实现自动控制流量大小的要求。 图 流量恒定控制原理图 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 实现流量恒定的控制。 仪表控制部分采用模块控制方式 ,电子秤与仪表控制模块之间的信号传输采用 差分频率信号传输技术 ,具有极强的抗干扰能力和远传能力 ,从而保证了系统信道的可靠性和准确性 ,在回馈控制上采用新型的人工智能 PID调节算法 ,无振荡 ,无超调。 仪表控制部分 与监控计算机采用 CAN 总线通信方式，信号传输的快速实时性更高、抗 干扰更强、可靠性更高，保证配料精度和稳定性。 配料秤有补偿功能，即皮带本身影响自动补偿功能。 能在配料秤正常生产运行过程中，连续不断地测量皮带本身实际重量的变化 (如物料局部粘结等造成的皮带皮重的变化，天长日久磨损程度不同导致的皮带薄厚不均，以及张力不匀等所产生的对称重传感器的外部影响 )，并随时进行精确补偿，因而其动态测量精度要比一般设备厂家的配料秤动态测量精度高。 计 算机 监 控部分 该 计算机 采用品牌机作为控制计算机 , 系统软件是在 Win2020 操作平台下 ,用组态王（或 ）开发研制的通 用应用程序，整个程序兼顾鼠标和键盘操作。 各种操作接口、数据显示及打印管理 ,用户可方便进行各种资料的修改操作 ,运行数据的图形显示及打印各种报表。 工艺流程动画显示美观大方 ,友好的操作接口，简单易学 ,其功能如下： 显示功能 1)该系统能显示整个配料工艺及流程画面。 2)显示各设备瞬时运行情况。 3) 显示各台秤的给定流量、实际流量、下料累计量，显示各种原料的瞬间下料量、总流量及总累计量。 4)具有系统报警功能。 操作及控制功能 该系统利用操作提示菜单方便、简单，快速引导进行系统操作。 其功能如下 : 1)能实现变频器的远程操作 (启停、手自动转换、单动 )； 2)能快速修改各台电子秤的计量参数及 换仓后各物料吸收系数的变更设置。 3)修改配料系统的控制参数。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 4) 根据工艺要求，可随时、方便的选定、修改、更换配比和配料总流量。 5)当物料水分含量发生变化时 ,可方便的变更水分组和手动输入各物料的水分变化量。 6)根据现场实际需要，可对打印时间间隔、报警时间进行设置。 报警功能 1)当系统各测量单元出现故障时 ,工艺流程主画面将以警示色提醒用户 ,按下相关键后 ,可由 CRT 显示故障代码。 2)当系统出现空仓或园盘给 料机堵料而无法下料时 ,工艺流程画面报警提醒用户及时处理。 变频 控制部分 皮带电机采用流量死循环变频调速方式， 保证配料精度和稳定性， 节电效果显著。 将每台变频器集中在变频电控制柜中。 正常工作时，称重仪表 PID 的输出控制变频器的输出频率，检修调试时，按钮点动控制变频器的输出频率。 现场操作箱 调试或现场检修时，通过现场操作箱实现单机的正反运行。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 第三章 硬件设计 单 片机 AT90CAN128 单 片机 AT90CAN128 的 结 构 单片机 AT90CAN128 的结构图如图 所示 图 AT90CAN128 结构图 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） AT90CAN128 的部分引 脚介绍 本次试验主要是以 PWM 口为主，所以，我主要介绍一下 PB 口的相关作用，主要是 PB7PB0 的作用。 如表 所示： 表 部分引脚的菜单 引脚名 第二功能 PB7 OC2（ T/C2 的比较匹配输出和 PWM 输出口） OC1C（ T/C1 的比较匹配输出和 PWMC 输出口） PB6 OC1B（ T/C1 的比较匹配输出和 PWMB 输出口） PB5 OC1A（ T/C1 的比较匹配输出和 PWMA 输出口） PB4 OC0（ T/C0 的比较匹配输出和 PWM 输出口） PB3 MISO(SPI 总线主输入口 /从输出口 ) PB2 MOSI（ SPI 总线主输出口 /从输入口） PB1 SCK(SPI 总线时钟 ) PB0 SS(SPI 总线主从选择 ) 埠 B，位 7—— OC2/OC1C OC2 比较输出： PB7 脚作为定时器 /计数器 2 的比较输出。 该引脚必须被配置成输出（ DDB7=1），才能作为该功能使用。 OC2 引脚同时也能作为 PWM 模式输出。 OC1C 比较 C 输出： PB7 引脚还能作为定时器 /比较器 1 比较 C 的输出。 该引脚必须被配置成输出（ DDB7=1），才能作为该功能使用。 同时 OC1C 也能作为 PWM 模式下的输出使用。 埠 B，位 6—— OC1B 比较 B 输出： PB6 引脚可以作为定时器 /比较器 1 的比较 B 输出。 该引脚必须被配置成输出（ DDB5=1），才能作为该第二功能使用。 OC1B 引脚同时也能作为 PWM模式下的输出引脚用。 埠 B，位 5—— OC1A 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 比较 A 输出： PB5 引脚可以作为定时器 /比较器 1 的 比较 A 输出。 该引脚必被配置成输出（ DDB5=1），才能作为 该第二功能使用。 OC1A 引脚同时也能作为 PWM 模式下的输出引脚用。 AT90CAN128 的特点 AT90CAN128 是一款低功率 CMOS 8 位的微处理器，它是基于 AVR 增强型 RISC结构的。 在一个时钟周期里执行强大功效的指令， AT90CAN128 可完成 1 MIP 每 MHz 的吞吐量，从而让系统设计者可对进程速度进行优化功率消耗。 AVR 内核结合了一个丰富的指令设置，有 32 个通用目标工作寄存器。 所有 32 个寄存器都直接和运算器连接，两个独立的寄存器允许被在一个时钟周期里执行的一条单个指令访问。 这 种结构比常规的微处理器更具有效率。 AT90CAN128 有以下特点： 128K 的内部可编程 FLASH，具有可擦写能力， 4K 的EEPROM， 4K 的 SRAM， 53 个通用目标 I/O 接口， 32 个通用目标工作寄存器，一个CAN 控制器，实时时钟（ RTC），四个灵活的定时 /计数器，具有比较输出模式和 PWM，两个 USART，一位定向两线串行接口，一个 8 信道 10 位的 ADC，一个可编程的带有内部震荡器的看门狗定时器，一个 SPI 串口， JTAG 测试接口，也可用于访问片上调试系统和五个软件选择的省电模式。 空闲模式会关闭 CPU，但允许 SRAM，定时 /计数器， SPI/CAN 口和中断系统继续工作。 掉电模式保存寄存器内容，但停止震荡器，禁止所有其它片上功能直到下一个中断或者硬件复位。 省电模式中，异步定时器继续运行，当其它的器件处于休眠时允许用户保留一个定时器。 ADC 噪声消除模式关闭 CPU 和所有的 I/O 接口模块（但除了异步定时器和 ADC），以此在 ADC 转换期间使噪声最小化。 在备用模式中，晶体振荡器运行当其它器件都休眠。 器件运用 Atmel 公司的高密度非易失的存储技术制造。 片上 ISP FLASH 允许程序内存被一个常规的非易失的储存编程器或者一个在 AVR 内核上运行的片上启动程序，通过一个内部 SPI 串行接口来重新编程。 启动程序能用于任何接口在应用 FLASH 储存内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 器里来下载应用程序。 当应用 FLASH 部分被更新时，在启动 FLASH 部分内的软件将继续运行，提供真正的读写操作。 由于在一个单芯片上结合了一个带有内部可编程FLASH 的 8 位 RISC CPU， Atmel 的 AT90CAN128 可说是一个强大的微处理器，为众多的嵌入式控制应用器件提供了一个高度灵活和低费用的解决方案。 AT90CAN128 AVR 可支持全套的编程和系统开发工具，包括： C 编译器，宏汇编，编程调试器 /仿真器，电路仿真器和成套工具。 PWM 的介 绍 PWM 的作用 脉宽调制 PWM 是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 简而言之， PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。 通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。 PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无 (OFF)。 电压或电流源是以一种通 (ON)或断 (OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。 通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。 只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。 PWM 信号是指脉冲宽度可以调整的信号。 在 AT90CAN128 单片机中， PWM 信号可以由单片机内部的定时器产生。 PWM 的原理 脉冲宽 度 调 制波通常由一列占空比不同的矩形 脉冲 构成，其占空比与信 号 的 瞬时 采 样 值成比例。 通常在 单 片机中集成有一 个 硬件式的可 输 出 PWM 脉宽调 制信 号 的端口，利用它就可以 将数 字信 号转换 成所希望的 电 流信 号。 PWM 脉宽调 制信 号 是一种矩形波，它的 开启时间 tp 与一 个 周期 T 的比是根据 数 字信 号变 化而 变 化的。 如果在 单 片机中即 没 有 D/A 转换电 路也 没 有硬件式的可 输 出 PWM 脉宽调 制信 号内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 的端口，比如一些低成本的 RISC芯片就是 这样 ，那么也可以通 过软 件方式 产 生 这个 PWM 信 号 并通 过编 程 让 一 个 I/O 输 出端口作 为 PWM信 号 的 输 出端。 对 此可以使用一 个 由 时钟控制的中 断 程序 来实现。 在一 个 周期 T 内 ，通 过软 件方式使 I/O 输 出端口 产 生一 个开启和 关闭 的 PWM 信 号 ，它的 脉冲宽 度 tp 是与 数 字化的 测 量信 号 值相 关联 的。 单 片机的 I/O 输 出端通常 输 出的是分立的固有 脉冲频 率（基 频 ） f = 1/tCLK 的 电压 值 U1（ U1= 或5V）并与 PWM 信 号 相适 应 ，所以此 时 PWM 信 号 的 脉冲 幅值即振幅就是 U1。 而我所使用的 AT90CAN128是有直接 输 出的 PWM信 号 ，所以不需要 进 行 软 件的控制。 开启时间 tp 和周期 T 的比值 tp/T 可看作 为 占空比或工作比（如 图 ）。 占空比的变 化是与 经单 片机 处 理的 测 量信息相 关联 的。 如果 该 信息具有 10 位的分辨率，那么周期 T应满 足 T= 1024 tCLK。 U ttt p t c l kT 图 PWM脉冲宽度 tp定义示意图 例如，如果一 个 十六 进 制的信息 为 006A， 单 片机的固有 脉冲 周期 为 tCLK= 1μs，那么可得到相 应 的 脉冲宽 度 为 tp= 106μs 的 PWM 信 号 ，此 时单 片机的基 频频 率不分 频。 如果微 处 理器有 10 位的分辨率，可以得到 占空比 为 t p/ T=106/1024≅ 参见图 3． 3。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） TtclktptU1U1tU1tU1tTp = 1/10 TTp = 189。 TTp = 9/10 T 图 PWM信号的不同占空比 参数变化和滤波电路的形 成 下面描述的 滤 波 电 路和元器件 数 值的 计 算是基于在 输 出端 输 出的是 经单 片机 处 理后的 PWM 脉宽调 制信 号。 为 了 将 PWM信 号转换 成模 拟电压 信 号 ，通常由一 个 低通 滤 波器将 信 号进 行算 术 平均值 处 理后取得的。 此 时 PWM 信 号 必 须满 足 这个 准。