印染全自动配浆控制系统设计.doc

浙江科技学院毕业设计 2015届毕业设计题 目 全自动配浆装置控制系统设计 学 院 自动化及其电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电气111 学 号 1110320019 学生姓名 谭家帅 指导教师 徐然 完成日期 2015年5月23日 浙 江 科 技 学 院本 科 毕 业 设 计 (2015届)题 目 印染全自动配浆控制系统设计 学 院 自动化及其电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电气111 学 号 1110320019 学生姓名 谭家帅 指导教师 徐然 完成日期 2015年5月23日 I 摘 要 在印染企业的工序流程中，配浆是一个非常关键的环节，它关系到产品的质量、企业的竞争力。配浆是印染工序流程中一项需要不断重复的工作，目前常用的人工配浆不但劳动强度大，而且误差大。此设计旨在研究全自动配浆机的数字化控制、自动化操作，以取代手工操作，提高生产效率，提高印染的生产质量。主要是设计用于印染车间的全自动配浆装置的控制系统软硬件。该系统硬件部分由“51”系列单片机及C51编程语言，设计电泵控制电路、按键控制电路、液晶显示电路、AD转换电路组成，软件部分包括重量采样程序、重量控制程序、按键扫描和液晶显示控制程序。 结果表明该设计方案可行。设计成果在促进印染事业的较快发展具有重要意义。严格按照国家相关标准、规范和行业标准进行设计，设计内容能够充分体现出电气行业的严密性和工业设计中电气专业的特色。关键词：配浆控制；重量采样；重量控制；AD转换；液晶显示； AbstractIn theprocess ofprinting and dyeing enterprisesin theprocess,the laboratoryis a key link,it is related toproductquality and enterprisescompetitiveness.Blendingis arepeat of thework process of the laboratory,artificialpulpnot onlyhigh labor intensity,and big error.This designaims at the study ofdigital control,automaticmixing machineof automatic operation,to replace themanual operation,improve production efficiency,improvethequality ofprinting and dyeingproduction.It mainly includes the design of hardware and softwarefor thecontrol system of the automaticmixingdeviceof printing and dyeingworkshop.The 51coreseries micro controller and C51programming language,the design ofelectric pumpcontrol circuit,control circuit,LCD display circuit, AD conversion circuitdesign,weightsampling program,weightcontrol program,key scanning and liquid crystaldisplay control program.The specific requirements ofPCBbyline components,sampling1signal(420mA),the weight ofthe maximum weight ofless than 5kg.4,controlof electric pump andpasteinjection,weight control precisionis less than or equal to 5g,the key scanninguse special chip,displaywithChinese fontl c d.The results show that thedesign is feasible.The design resultsis the important meaning to promote therapid development ofprinting and dyeingindustry.The designis strictlyin accordance with the relevant national standardsand industry standards,specifications,design content can fully reflectelectrical designrigor andthecharacteristics ofthe electrical equipment industry.Keywords: Mixing control; Automatic control; Single chip microcomputer; The AD conversion； Liquid crystal display control； 目 录摘 要IAbstractII目录.III第一章 绪论1 1.1 课题研究背景及意义.1 1.2 自动配浆技术的国内外发展现状.1 1.3 课题的研究任务.2第二章 系统结构设计32.1 系统框图32.2 系统工作流程42.3软件方案设计4第三章 系统硬件设计63.1 AT89C51单片机73.2 重量采样83.2.1 电子称103.2.2 A/D转换123.2.3 ADC0809工作原理123.3重量控制133.3.1 电泵控制133.3.2 电磁阀控制143.4 按键设置16 第四章 系统软件设计.174.1 系统软件框图154.1.1 LCD液晶显示系统 第五章 课题的经济性和环保性分析.45 6.1 经济性分析.45 6.2 环保性分析.45 6.3 安全性分析.45第七章 结论46致 谢47参考文献.48附录1 系统结构图49附录1 系统原理总图.50 III 第一章 绪论1.1课题研究背景及意义 在印染企业工序流程中，配浆是一个非常关键的环节，它关系到产品的质量、企业的竞争力。配浆是印染车间的工序流程中一项需不断重复的工作，人工配浆不但劳动强度大，而且误差大。此设计旨在研究全自动配浆机的数字化控制、自动化操作，以取代手工操作，提高生产效率，提高印染的生产质量。虽然在我国一些企业已经应用了相关的自动化系统，但是基本上都是从国外引进的，需要去购买外国的技术、设备和原料，增加了产品成本。为了解决这一问题，我们根据生产企业的要求，研发了自动配浆控制系统。根据用户需求进行设计，并开发了界面友好的控制系统，适合我国大多数印染企业的需求。这套自动配浆系统的应用能够有效降低配浆工作人员的劳动强度，提高工作效率，提高企业的快速反应能力，具有良好的经济效益和社会效益，具有广阔的市场前景。1.2 自动配浆技术的国内外发展现状 在先进的工业化国家，计算机配浆系统已是印染行业的基本生产工具，而在我国，这方面的技术才刚刚起步。中国的纺织印染企业要参与国际竞争，就必须采用先进的设备和方法。随着全球纺织品服装配额制的取消，印染行业的全球竞争将更加激烈，印染企业要想在竞争中站稳脚跟必须提高产品质量和生产效率，对市场变化快速响应。 就印染行业中的化验室配色而言，由化验室工作流程可以看出配浆过程在完成一次配浆任务中是需要不断重复的。而在传统配浆工艺中配液过程的取浆、配浆过程都是由工作人员手工操作。这种手工操作不但劳动强度大、效率低，而且人为误差大、产品质量不稳定，严重影响企业的生产效率，削弱企业的竞争力。为了解决这一问题，近年来，国内外企业开始了对实验室自动配浆系统的研究。随着科学技术的提高和设备的更新, 原来的配浆箱方式配浆已逐步被管道配浆方式替代。在管道配浆方式中, 采用三种配浆方式包括流量给定控制方式、比率自动控制方式和绝干量配比自动控制方式。配比自动控制方式按参与配浆的绝干纤维量来计算和控制各种浆的配比, 具有配浆效果好、浆种配比稳定等优点。我们通过对当前印染行业现状的广泛了解以及未来发展方向的深入研究, 设计并实现了采用全自动控制方式的配浆自动控制系统, 它的特点是系统控制精度高, 即使在来浆浓度不稳定的情况下也能做到成浆配比稳定, 配比直接通过软件设定, 操作十分方便, 而且系统采用软件组态的方式, 软件兼容性和扩展性得到极大提高。1.3 课题的研究任务 根据当前的现状，我们拟使用采用“51内核”系列单片机设计用于印染车间的全自动配浆装置的控制系统软硬件。并采用模块化、层次化的思想开发控制软件和系统管理软件，进而通过统一的应用程序接口，使得系统软件具有良好的可移植性、可扩展性和互操作性。 第二章 系统结构设计2.1 系统框图 该设计系统框图如下所示： 全自动配浆装置控制系统 液晶显示模块重量传感器（秤）电磁阀 AD转换 单片机电泵控制 按键控制配浆系统结构图如下： 图2.1.1 配浆系统结构图该系统组成：四个原浆桶、一个成浆桶、一个秤（重量传感器）、电泵四个、四个电磁阀、管道若干。2.2 系统工作流程配浆系统整个工作流程如下：有四个存放有不同单色原料的原浆桶。每个水桶都装有一个通往另外大水桶（合成液）的管子，一个电泵，一个电磁阀门。根据设定，使用单片机控制电泵按照用户的标准抽取一定量的原料进入大水桶中，具体量的控制由用户在液晶屏中选择的方案控制，电磁阀门决定管道输入的闭合，最后得到需要合成的原料。整个控制描述：1 按一下启动按键，系统开始工作。2 用按键部分输入1，液晶显示1号方案启动，系统采用1号方案工作。3 电泵控制电路通过单片机控制电泵转动。4 重量传感器传过来的值逐渐接近用户预订值时，可以提前在程序中设定好，电泵停止转动。5 液晶显示1号色浆注入完成。6 2号，3号，4号采取和1号相同的控制策略。2.3软件方案设计1. 单片机部分，单片机采用AT89C51芯片。2. 液晶显示，液晶可以用LD12864芯片。3. AD转化部分，采用ADC0809，它的作用就是把重量传感器传上来的模拟信号转化成数字信号，然后单片机直接读取。4. 重量传感器（秤），用来采样配浆桶中浆液的重量，在原理图中象征性的用一个模拟信号代替。 第三章 系统硬件设计3.1 AT89C51单片机本次中设计采用的AT89C51单片机如下图所示： 图3.1.1 AT89C51单片机原理图 单片机是该配浆系统的主要构成部分，本次设计选用AT89C51单片机。本研究课题选用的单片机以5V供电，但是实际的电压范围可以再3.3-5.5V之间波动，大大的提高了单片机对电压的适应能力。单片机的拥有多大8K字节的用户程序空间，拥有RAM512字节。实际最高工作频率可达48MHz，正常最高位40MHz。拥有32个通用I/O口，系统复位后，P0口是漏极开路输出，而P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉。PO在作为普通I/O口使用时需要加上拉电阻，但是作为总线扩展使用时不许接上拉电阻即可正常工作。STC89C52单片机具有在线可编程（ISP）和在应用可编程（IAP），在应用中可以省去专用的编程器。单片机的UART(通用异步串行口)可以用定时器通过软件的方法来实现多个UART。单片机自带的EEPROM的大小为1k，可以让用户在掉电情况下也可以保持数据。16位的定时器(计数器)拥有3个，外部中断拥有4路，可以设置为下降沿出发方式和低电平触发方式两种。单片机的看门狗功能可以有效的防止程序跑飞。 单片机中的中央处理器CPU和通用微处理器基本相同，由运算器和控制器组成，另外增设了“面向控制”的处理功能，如位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理等增强了实时性。通过它来控制电磁继电器决定浆液流通管道电磁阀门的开闭，按键键盘的输入，电泵电机工作等一系列工作流程。3.2 重量采样 重量采样是搜集配浆桶中重量信号的步骤，当桶中配浆桶中的的量不断的变化时，采样到的电压通过AD转换把模拟量变为数字量，为单片机读取。3.2.1 电子秤该配浆系统使用的电子秤如下所以： 图3.2.1 重量传感器（称）配浆系统中使用的电子称也就是重量传感器，是利用物体的重力作用来确定物体质量的测量仪器，也能用来确定与物体质量相关的其他量的大小，参数，或是特性。电子称一般由以下三部分组成。承重、传力复位系统，称重传感器，测量显示和数据输出的的载荷测量装置。当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。 3.2.2 A/D转换 A/D转换部分是配浆整个设计的关键环节，这一部分处理不好，会使得整个设计毫无意义。目前，世界上有多种类型的ADC，有传统的并行、逐次逼近型、积分型ADC，也有近年来新发展起来的-型和流水线型ADC，多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量。能够完成这一任务的器件称之为模数转换器，简称A/D转换器。本次设计的中A/D转换器的任务是将电子秤输出的的模拟信号转换位数字量为单片机读取。该配浆系统的A/D转换电路的核心元件是ADC0809芯片，它可以和单片机直接接口。 ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。3.2.3 ADC0809工作原理 AD转换芯片ADC0809在系统中的作用是采样配浆桶下重量传感器传出来的电压信号反馈给单片机。A/D转换器是模拟信号源与单片机联系的桥梁，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便单片机进行处理、存储、控制和显示。目前用软件的方法虽然可以实现高精度的A/D转换，但占用CPU时间长，限制了应用。8位A/D转换器ADC0809作为典型的A/D转换芯片，具有转换速度快、价格低廉及与微型计算机接口简便等一系列优点。 ADC0809在配浆系统中的原理图如下： 图3.2.3 ADC0809原理图(1)模拟信号输入IN0IN7（26-28、1-5脚)：IN0-IN7为八路模拟电压输入线，加在模拟开关上，通过A、B、C三个地址译码来选通。(2)地址输入和控制线：地址输入和控制线共4条，其中A、B和C为地址输入线（23-25脚），用于选择IN0-IN7上哪一路模拟电压送给比较器进行A/D转换。D0-D7(17、14、15、18-20脚）为数字量输出线，D7为最高位，D0为最低位。OE为“输出允许”线，高电平有效。ADC0809接到此信号时，其三态输出端与CPU数据总线接通，后者可将数据取走。(3)电源线及其它共5条：CLOCK（10脚）为时钟输入线，用于为ADC0809提供逐次比较所需，一般为640kHz时钟脉冲。 在该系统中，只需采样一路信号秤传出来的电压信号，只需要一个输入端IN1，START(6脚)为“启动脉冲”输入线，上升沿清零，下降沿启动ADC0809工作，最小脉冲宽度与ALE信号相同。EOC(7脚)为转换结束输出线，该线高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器”，用来作为中断请求信号。3.3重量控制 在配浆系统中，重量控制是系统的核心。它的精度决定了系统在工业生产中的可行性与经济性。在系统原理构造中，重量控制分为电泵控制电路与电磁阀控制。3.3.1电泵控制 电泵的控制，实质上是电机的控制，系统所采用的是220V的交流电机，该过程的设计方案是：单片机给继电器一个控制信号，把继电器当做一个开关使用，然后接交流接触器控制电机工作。电路接线如图3.3.1所示： 图3.3.1 交流电机控制接线图电泵控制系统原理图如下： 3.3.2 电磁阀控制 电磁阀工作原理是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。配浆系统电磁阀门控制如下：电磁阀安装在水桶进出管口上，单片机能准确控制电磁阀开关。当系统供电、程序初始化之后，传感器进入工作状态。开始运动带动电泵运动时，传感器所采集的数据经过寄存器移位寄存后，一位一位依次输入单片机的 I/O 端口进行分析处理。单片机接收信号后，根据信号的跳变，即当单片机接收到传感器收到的信号达到用户预先设定的阈值时，对数据进行处理，做出相应动作，开闭阀门。单片机控制电磁阀门的电路原理图如下图所示： 图3.3.2 单片机控制电磁阀原理图3.4 按键设置单片机组成的系统中，按键是系统工作中常用的输入方式。在本次课题的设计中，按键与单片机使用一对一的直接连接方式。如下所示：单片机输入端的常态为高电位，当按键按下时为低电位。配浆系统中所需要的按键有9个，采用33式矩阵式键盘，原理图如下所示： 图3.4.1 33式矩阵式键盘原理图按键S1控制单片机电源。按键S2S5设置为电泵控制按键，当需要人工控制电泵停止工作时，按下按键，切断电泵电源输入，电泵停止控制。按键S6S9设置为电磁阀控制按键，当需要人工控制电磁阀关闭时，按下按键，切断电源输入，电压为0，电磁阀关闭。 第四章 系统软件设计4.1 系统软件框图 开始 系统初始化 进入LCD液晶选择界面 用户选择系统工作方案液晶4.1.1 LCD12864简介： 可以显示84 行1616 点阵的汉字。也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。4.1.1 LCD12864规格： 基本特性:低电源电压（VDD:+3.0-+5.5V）显示分辨率:12864点内置汉字字库，提供8192个1616 点阵汉字(简繁体可选)内置 128 个168点阵字符2MHZ 时钟频率显示方式：STN、半透、正显驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS视角方向：6 点背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED 的1/51/10通讯方式：串行、并口可选内置DC-DC 转换电路，无需外加负压无需片选信号，简化软件设计工作温度: 0 - +55 ,存储温度: -20 - +60LCD12864的框图说明如下： 12864主要由行驱动器/列驱动器及12864全点阵液晶显示器组成。、 第五章 系统软件设计5.1 电泵控制程序 由单片机控制电泵电机的转动，按键按下启动，电泵开始工作，当重量传感器传过来的值慢慢变小，表明，重量在慢慢减少。当重量小于某个值时（依据程序中的设定），电泵停止转动功能是电机正转，逆转，停止。程序如下：#includeAT89X52.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit Key_UP=P32; /正转按键sbit Key_DOWN=P33; /反转按键sbit Key_STOP=P34; /停止按键sbit ZZ=P10; /控制端，用单片机的P1.0口sbit FZ=P11; /控制端，用单片机的P1.1口sbit FMQ=P36;uchar KeyV;uchar TempKeyV; void delaynms(uint aa) uchar bb; while(aa-) for(bb=0;bb115;bb+) /1ms基准延时程序 ; void delay500us(void) int j; for(j=0;j57;j+) ; void beep(void) uchar t; for(t=0;t100;t+) delay500us(); FMQ=!FMQ; /产生脉冲 FMQ=1; delaynms(300);void main(void) ZZ=1; FZ=1; /使直流电机停止运转 while(1) if(!Key_UP) KeyV=1; if(!Key_DOWN) KeyV=2; if(!Key_STOP) KeyV=3; if(KeyV!=0) delaynms(10); if(!Key_UP) TempKeyV=1; if(!Key_DOWN) TempKeyV=2; if(!Key_STOP) TempKeyV=3; if(KeyV=TempKeyV) if(KeyV=1) beep(); ZZ=1; FZ=0; if(KeyV=2) beep(); ZZ=0; FZ=1; if(KeyV=3) beep(); ZZ=1; FZ=1; KeyV=0; TempKeyV=0; 5.2 液晶显示程序 电源接通，启动按键按下。电泵开始工作后，液晶初始化，传感器采样到的重量显示到液晶屏中，随着传感器显示的值不断减小，当达到用户设定的阀值后，电泵停止工作，阀门关闭。/*Copyright (c)* Dong dong Studio * *-File Info-* File name: LCD12864* Last modified Date: 2012-6-18* Last Version: 1.0* Descriptions: LCD12864*-* Created by: dong dong* Created date: 2012-6-18* Version: 1.0* Descriptions: The original version*-* Modified by:* Modified date:* Version:* Descriptions:*-*/module LCD12864(input sys_rst_n, /系统复位输入output reg LCD_DI , /LCD的寄存器选择输出信号output LCD_RW , /LCD的读、写操作选择输出信号output LCD_EN , /LCD使能信号output reg 7:0 LCD_DATA , /LCD的数据总线（不进行读操作，故为输出）output LCD_CS1 , / PSB, 1 is 8 bit data modeoutput reg LCD_RST ); / Prameter defineparameter IDLE = 9b00000000; /初始状态，下一个状态为CLEARparameter SETFUNCTION = 9b00000001; /功能设置：8位数据接口parameter SETFUNCTION2 = 9b00000010; parameter SWITCHMODE = 9b00000100; /显示开关控制：开显示，光标和闪烁关闭parameter CLEAR = 9b00001000; /清屏parameter SETMODE = 9b00010000; /输入方式设置：数据读写操作后，地址自动加一/画面不动parameter SETDDRAM = 9b00100000; /设置DDRAM的地址：第一行起始为0x80/第二行为0x90parameter WRITERAM = 9b01000000; /数据写入DDRAM相应的地址parameter STOP = 9b10000000; /LCD操作完毕，释放其控制/ REGsreg 21:0 wait_cnt ; reg sys_clk_lcd ; /LCD时钟信号reg 23:0 cnt ;reg 8:0 state ; /State Machine codereg flag ; /标志位，LCD操作完毕为0reg 4:0 char_cnt ; reg 7:0 data_disp ;/ =/ * MAIN CODE */ =assign LCD_CS1 = 1; / PSB, 1 is 8 bit data mode/ wait for 40ms when power onalways (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin if(!sys_rst_n) wait_cnt = 24b0; else if( wait_cnt = 24hff_ffff) wait_cnt = wait_cnt + 24b1; else ;end/ LCD RST VLD when 40ms has passed after power onalways (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin if(!sys_rst_n) LCD_RST = 1b0; else if( wait_cnt = 24hff_ffff) LCD_RST = 1b1; else LCD_RST = 1b0;end/ sys_clk频率为50MHz, 产生LCD时钟信号, 10Hzalways (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin if (!sys_rst_n) cnt = 24b0; else if( cnt = 2499999 ) cnt = 24b0; else cnt = cnt + 24b1;endalways (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin if (!sys_rst_n) sys_clk_lcd = 0 ; else if(cnt = 2499999) sys_clk_lcd = sys_clk_lcd ; else ;endassign LCD_RW = 1b0; /没有读操作，R/W信号始终为低电平assign LCD_EN = ( flag = 1) ? sys_clk_lcd : 1b0; /E信号出现高电平以及下降沿的时刻与LCD时钟相同/只有在写数据操作时，RS信号才为高电平，其余为低电平always (posedge sys_clk_lcd or negedge sys_rst_n) begin if(!sys_rst_n) LCD_DI = 1b0; else if ( state = WRITERAM ) LCD_DI = 1b1; else LCD_DI = 1b0;end/ State Machinealways (posedge sys_clk_lcd or negedge sys_rst_n) begin if(!sys_rst_n) begin state = IDLE; LCD_DATA = 8bzzzzzzzz; char_cnt = 5b0; flag = 1b1; end else begin case(state) IDLE: begin state = SETFUNCTION; LCD_DATA = 8bzzzzzzzz; end SETFUNCTION: begin state = SETFUNCTION2; LCD_DATA = 8h30; / 8-bit 控制界面，基本指令集动作 end SETFUNCTION2: begin state = SWITCHMODE; LCD_DATA = 8h30; / 清屏 end SWITCHMODE: begin state = CLEAR; LCD_DATA = 8h0c; / 显示开关：开显示，光标和