自动加料机控制系统设计(3)

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第3章 系统的硬件电路设计

本文设计的自动加料机控制系统是由STC89C52RC单片机和LCD1602显示器、二极管、压力传感器等组成的，其工作原理是压力传感器感测物料压力传递给单片机、液晶显示屏显示当前压力值，同时单片机显示当前压力与单片机设定的物料压力大小范围进行比较。单片机的程序中可以设定两个限定值,一个下限值一个上限值,传感器通过A/D转换器送入单片机从而控制两个指示灯,当物料低于设定值时，单片机控制绿灯亮，红灯灭，表示正在进行加料,当物料达到设定的上限值时，这时红灯亮，绿灯灭表示物料已满,从而进行模拟自动加料机进行简单的工作。图3.1为自动加料机模拟硬件原理图。

VCCQ2U7161514131211109C181049012J4P31P30123456CON6C201ufC21R1220KC191ufR138.2K12345678HX711161514131211109P20P21VCCC14J059483R2IN72T2OUT61C15104U21C1+2V+3C1-4C2+5C2-6V-T2OUT7T2OUTR2IN8R2INC17104MAX232104C230.1ufC16104VCCGNDR1OUTR1INR1OUTT1INT2INR2OUTDB9232串口通信电路U178L05321电源系统D01N4007J1C1R141k0.1ufSW1VCCVCCC22R047U/16VR15C41kR41k0.1uf220U/16VC21041KHX711AD模块电路图RP110KLCD1S0LED051单片机最小系统U4P10P11P12P13P14P15P16P17J6RSET87654321CON81234567891011121314151617181920P10P11P12P13P14P15P16P17ResetRXD/P30TXD/P31INT0/P32INT1/P33T0/P34T1/P35WR/P36RD/P37X2X1GNDC7X130PY1C8X230PVCCP00P01P02P03P04P05P06P07EA/VPALE/PPSENP27P26P25P24P23P22P21P204039383736353433323130292827262524232221VCCVCC2.2KR6C610u/16vEEPROMLED1U31234A0VDDA1WPA2SCLVSSSDAAT24C02R110kR210kVCCC5104876P365P37GNDP11R510K红灯LED2P1012345678910111213141516VCCGNDVCCVORSWREDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7BG VCCBG GNDLCD1602绿灯液晶接口P24P23P22P21P20VCC图3.1 系统硬件原理图

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3.1 LCD1602显示模块

本系统采用了LCD1602液晶显示屏，LCD1602液晶显示屏是显示电路最常用到的一款显示屏。尤其在显示字符上，更为普遍。它的屏幕大小可以显示2行字符，每行可以显示16个字符。它的屏幕颜色清晰可调，背光以黄绿色为底，在显示字符或者数字的同时，可以通过调节来改变它的对比度。使得符号和数字容易被观察。与单片机的连接电路如图3.2所示。

图3.2 LCD1602显示器模块原理图

1602液晶显示器是一种点阵型液晶模块，在显示形式上面是有一定的要求的，一些不规范的图形它都不能显示出来，只能显示一些字母、数字和符号。这是因为它的点阵字符排位决定。我们常见的点阵字符主要有由若干个5×7结构形式，或者也有5×11的结构形式。这些点阵字符位只能显示出一个字符，并且每个字符之间还有一个点阵字符的距离，行与行之间也有一个点阵字符的距离。使得屏幕能够达到字符之间和行距之间都有空位。所以不能构成一个连体的图像。

LCD1602是一种最常用到的显示器。16表示它的显示屏幕每行能显示16位字符或者数字，02表示它可以表示两行。

LCD 1602有16个管脚，每一个管脚都有其固定的作用，管脚如图3.3所示。

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显示屏幕图3.3 LCD1602管脚图

1脚VSS为电源地； 2脚VDD为+5V逻辑电源；

3脚V0为对比控制端，可以通过1K阻值的电阻接地；

4脚RS为寄存器选择端，当引脚为高电平1时，表示其为数据寄存器；当引脚为低电平0时，表示其为指令寄存器。

5脚R/W为读写信号线，当引脚为高电平1时，表示其为读操作，当引脚为低电平0时，表示其为写操作；

6脚E（或EN）端为使能信号端，当其为高电平或者是下降沿的时候有效； 7～14脚D0～D7为8位数据总线； 15脚LEDA为背光+5V； 16脚LEDK为背光地线。

3.2 系统传感器模块

本系统有两种传感器可供选择，压电传感器跟电阻应变式传感器。

压电传感器是一种比较常见的传感器。该传感器的工作原理是根据某些材料受到外力作用后在它相应的特定表面将会产生电荷的压电效应。它的特点是体积相对教小、结构比较简单、重量轻、且工作比较可靠，适用于物体重力的测量。

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目前其主要用到物体加速度及动态力以及压力大小测量。压电器件传感器的弱点：小功率和高内阻。因为比较功率小，因此输出的能量很弱。

电阻应变式传感器工作原理就是利用电阻应变效应，最终把各种力学量转换成电信号的作用的传感器。它是变片式传感器的核心元件，工作原理是基于材料的电阻应变效应，作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器也可以单独作为传感器使用。电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。图3.4为一直流供电的平衡电阻电桥。

图3.4传感器内部连接图

当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。

应变片式传感器有如下特点：

（1）应变片可制成各种机械量传感器，和测量范围广。 （2）精度较高、灵敏度高。

（3）对试件影响小，强磁场等特殊环境中使用、复杂环境适应性强，频率

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响应比较好。

（4）使用方便，可以实现远距离、自动化测量的效果。

通过对压力传感器以及电阻应变式传感器的分析比较，最终选择了电阻应变式传感器。传感器的量程范围是0～5Kg,满量程量误差不大于?0.005Kg（传感器量程必须小于额定称重5Kg）。电阻式应变传感器量程为5Kg，精度为0.01% ，满足本系统的精度要求，这样可以满足自动加料机控制系统的测量环节。

3.3 A/D转换模块

本系统A/D转换模块采用HX711芯片，HX711芯片是一个主要为高精度压力传感器而设计的24位A/D转换器。和同类型其它的转换芯片相比，这个芯片集成了片内时钟振荡器、稳压电源等其它同类型转换芯片所需要的外围电路，HX711的集成度比较高、抗干扰性强、响应速度较快等可观的优点。它的特征将会降低了压力传感器的整机成本，从而提高了整机的可靠性及性能。HX711芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，主要的特点是所有控制信号都是由管脚驱动，不需要对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A、B，它是和其内部的低噪声可编程放大器相连组成的。通道A的可编程增益为64或者128，与其相对应的满额度差分输入信号幅值分别为±40mV或±20mV。通道B就是固定的64，它是用来系统参数检测。HX711的内部提供的稳压电源具有直接向外部传感器和芯片内的A/D 转换器提供电源的作用，板上不再需要另外的模拟电源。同时芯片内部的时钟振荡器也不需任何外接元器件。芯片管脚图如图3.5所示。

图3.5 HX711管脚定义

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