皮带机智能检测仪表的开发设计.doc

洛阳理工学院毕业设计（论文） 皮带机智能检测仪表的开发设计 摘 要 皮带运输机是一种连续运输设备，它是现代传输系统中的一个重要环节。主要用来输送块状、粒状和散状等物料，被广泛用于工业生产中。 本设计主要研究内容为自行开发的智能仪表，仪表的核心采用TI公司的16位低功耗单片机MSP430F147，用该单片机的USATR口与MAX485芯片相连实现与上位机的通信功能。利用单片机MSP43F147与其他芯片实现数字量输入输出电路，主要包括通信接口电路、显示电路、电源电路，采样接口电路。在设计当中主要用到Protel 99 SE软件，用Protel 99 SE软件来实现电路原理图设计部分。仪表软件开发使用C语言，采用模块化编程，方便功能模块的增减。 该保护系统提高了整个智能系统的智能化程度，这使智能化保护仪表也具有很大的应用推广价值。 关键词皮带机保护，MSP430单片机，Protel 99 SE,智能仪表 Belt Conveyor Design and Development of Intelligent instrumentation ABSTRACT When a continuous conveyor belt transport equipment. It is a modern transport system, an important part. Mainly used to transport massive, granular and other bulk materials, are widely used in industrial production. The main research content of the design of intelligent self-developed instrument that uses the core of ITs 16-bit low-power microcontroller MSP430F147, with the SCM USATR mouth and connected to MAX485 chip to achieve communication with the host computer. SCM MSP43F147 and other chips used for digital output circuit, including communication interface circuit, display circuit, power circuit, sampling interface circuit. The major use in the design of software Protel 99 SE, with Protel 99 SE design software to achieve the schematic circuit diagram part. Instrument software development using C language, modular programming, to facilitate changes in modules. The protection system has improved the intelligence of the intelligent system, which makes intelligent protection devices are also of great value in applications. KEY WORDS Belt protection, MSP430 MCU, Protel 99 SE, intelligent instrument 4 目 录 前 言1 第1章 系统的总体设计6 1.1 系统的总体设计及框图6 1.1.1 总体设计及框图6 1.2 工业控制计算机系统的设计原则与开发7 1.2.1 工业控制系统的设计原则7 第2章 硬件设计与软件设计9 2.1 MSP430单片机的选择9 2.1.1 单片机的选择原则9 2.1.2 16位单片机MSP430F14710 2.2 Protel 99SE介绍12 2.2.1 Protel 99 SE的功能模块12 2.3 硬件电路的设计13 2.3.1 智能仪表的硬件设计13 2.4 软件设计20 2.4.1 按键显示程序设计20 2.4.2 输入信号的选择21 第3章 抗干扰设计22 3.1 干扰的来源及其传输途径22 3.2 硬件抗干扰措施23 总结25 谢 辞27 参考文献28 附 录30 前 言 现代机械设备的功能越来越多，性能指标越来越高，组成和结构越来越复杂，同时对设备管理与维修人员的素质要求越来越高。皮带输送机是有牵引件的连续运输设备，它是现代输送系统最重要的一个环节。主要用来输送块状，粒状和散状等物料，同时也可输送成件的货物，广泛应用于燃运、冶金、选矿、化工、石油、轻工、建材等领域。皮带输送机不仅能替代工人的繁重的体力劳动，改善劳动条件，而且能提高劳动生产率，降低生产成本。一件物体的存在有利就有弊，该皮带输送机也存在着很大的危机，一旦发生故障所造成的直接、间接损失将是十分严重的。随着科学技术和生产的发展，检测故障和诊断这一门新的技术和学科的诞生和兴起。 1 智能检测仪表国内外现状 近十几年来，随着移动通信技术飞速发展，越来越多的信息采集和远程控制系统采用了无线数据传送技术，它与有线数据传送相比主要有布线成本低、安装简便、便于移动的优点，而且随着互联网技术的迅猛发展和快速普及，越来越多的基于单片机为微控制器的测控设备或智能仪器仪表都需要通过互联网上进行数据交换或传输数据。 2 保护控制系统的简介及发展 在现在工业生产过程中，皮带输送机的输送率非常频繁，再加上现场条件和被运送料物的原因，时常发生皮带失速或打滑现象，轻的情况下造成输送过程的不顺畅，重的情况下会引起设备的严重损坏。 为了减少事故的发生次数，因此很有必要研究一种皮带输送机智能仪表的开发设计来对付输送过程中出现的打滑，断带、过负荷故障进行智能检测来控制保护皮带输送机。这样也减少了有皮带输送机发生故障后带来的损失和影响，这也促进了皮带输送机故障检测与保护技术的发展。 3 智能机检测仪仪表的介绍与设计 智能仪表的出现使仪表的设计进入了一个新的阶段，这主要是因为仪器中包含有微处理器。因此许多应该有硬件电路完成的工作，可以通过软件来实现。软件与硬件的配合就可以加大仪表的功能，提高仪器的测量精度，又可以使得仪器的结构更为简单和紧凑，使用更加方便。在智能仪表的开发和设计准则及要求，就是使设计的智能仪表根据实际的需要采用先进的技术，进行标准、系统化设计，使其具备较完善的操作性能，同时要求智能仪器可靠、安全、实用、性价比高，制定系统方案，是根据设计的人物要求提出几种设想、规划，并且加以比较推敲，选择一种认为是可行的、较好的方案作为初步方案，然后对系统的指导思想、技术原则、技术指标、可靠性、价格比进行方案设计，最后根据评价的结果制定系统的设计方案，方案的实施需要对系统的总体各部件的硬件、软件设计部分进行调试，在各部分通过之后，在进行总调，从而完成智能仪表的设计。 控制系统其实是从20世纪40年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。现在所说的控制系统，多指应用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统，以PLC和DDCS为代表，从70年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。 随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初的CCS（计算机集中控制系统），到第二代的DCS（分散控制系统），发展到现在流行的FCS（现场总线控制系统）[1]。对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传输的要求，又催生了当前在商业领域风靡的以太网与控制网络的结合。这股工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。根据应用的特点、控制系统、控制目的和系统构成，可以将计算机控制系统分为四种类型操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统和分散控制系统。 工业控制中应用最广泛的分散控制系统（DCS），它是以计算机技术为核心，与信号处理技术，测量控制技术、通信网络技术和CRT显示技术密切结合，在不断以新技术成果充实的条件下，针对大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合自动化的角度出发，按照控制功能分散、操作集中管理、兼顾复杂生产过程的局部治治和整体协调的设计思想，研制开发的一种处于新技术前沿的新型控制系统。DCS系统采用分散控制，集中操作、分级管理和份儿自治的设计原则，具有安全可靠性、通用灵活性、最优控制性能和综合管理能力。随着新思想和新技术的不断渗透，上述DCS系统的模式也处在不断发展和完善的过程中。 目前大中型皮带运输系统中使用的自动生产监控系统，大都为集散控制系统，其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，若干台下位机放分散到现场实现分布式控制，上位机与下位机之间使用监控网络互连以实现以前集中式数字监控系统中对控制器处理能力和可靠性要求较高的缺陷。在集散监控系统中，分布式监控思想的实现正是值得网络技术的发展和应用。 随着科学技术的不断进步，人们所面临的问题越来越多，需要加以控制的对象和过程越来越复杂，对控制质量的要求也日益严格。传统的控制技术对于具有非线性和不确定性的复杂的系统很难实现有效和精确的控制。智能控制就是在这种环境下应运而生的，它不依赖于被控过程的数学模型，将操作者的操作经验赋给控制系统，使系统能够根据过程状况信息利用其自身拥有的知识做出有效地控制操作。80年代以来，微计算机技术的高速发展为实用智能控制器的研制和智能控制系统的开发提供了技术基础。 电动机正常安全运行对企业安全生产和经济效益具有特别重要的意义，单台设备的故障往往会影响整个生产过程的顺利进行，造成巨大的经济损失，甚至引起重大安全事故。因此，生产设备的运行状态监控和异常状态的处理和保护越来越重要。 电机在运行过程中，其常见的故障包括电机过流、欠电流、电流不平衡、过压、欠压缺相、过热、震动超标故障。对电机的运行状态进行在线监测，可以提前发现问题并采取相应保护措施，对电机进行保护，可以有效地避免或防止故障扩大。 从建国以来，我国的电动机保护与控制主要采用熔断器与闸刀或接触器，熔断器、接触器与热继电器等。熔断器与闸刀是我国使用最早、最简单的一种电动机保护控制方式。为了安全和方便，目前不少地方采用熔断器与接触器保护控制电动机。但在实际中，有些工人为了省事而将熔断器的容量擅自增大，所以仍然出现电机烧毁现象。 热继电器在保护电动机过载方面具有反时限制性和结构简单、使用方便等优点。但是，热继电器对启动过程中的电动机不起保护作用。环境温度对热继电器的影响也很大，甚至太阳的辐射也会导致误作用，一旦通风受阻，扫膛、堵转、长期轻微过载是电动机绕组产生热积累等故障，这样热继电器就不行了，这主要是因为性能不稳定，动作曲线与电动机实际保护曲线不一致，使热继电器失去了保护的作用，还有，温度继电器与热继电器的不同点是，温度继电器是装在电动机内部靠温度动作的；而热继电器是装在动力线上，只与线电流有关，与温度没有直接关系。 随着我国电子技术的高速发展，多种新颖的数字式电动机保护装置不断涌现，保护范围也日益扩展。这类电动机保护器主要以单片机作为控制器，可实现电机的智能化综合保护，有的还具有远程通讯功能，可在计算机上实现对多达256台联网的电机实现在线综合监视与控制，在采样和整定精度方面有质的飞跃，可对采样信号进行软件非线性校正，并可实现真有效值计算，从而极大地降低了被测信号无畸变的影响，真正实现了高精度采样。在整定方面采用数字设定，通过键盘由用户自行现场设定，减小了误差，还可以为过载保护设置多条科学的反时限曲线，因为采用单片机就使得在相同硬件条件下集多种功能与一体的综合保护器的出现成为可能，包括远程通讯、声光报警、过载、堵转、短路、漏电、欠流、故障记忆等功能。随着微电子技术的发展，电动机保护器正朝着智能化、综合化、高精度、高可靠方向发展。 该论文的保护系统主要由信号检测单元、中间处理与分析单元、数字显示和上位机监控单元、控制单元等组成。 4 论文设计的意义及目的 设计目的在于采用工业控制计算机和现场数据采集仪表相结合的集散式网络结构，通过适当的智能控制算法，实现皮带传输系统的自动保护控制，对故障皮带输送机进行及时的停机，从而保持输煤系统的稳定性和生产的连续性。 设计的系统能对皮带输送机运行情况进行有效监控，经输送机的各种运行数据直观显示，出现问题及时发现，将故障消灭在萌芽状态，从而延长了输送机的使用寿命，节约设备投资，有效地保证了输煤系统的连贯性，为生产、生活用电提供了根本保障，通过输送机保护系统，实现了生产的自动化和智能化，能自动诊断并处理常见的故障，这样减少了人工操作，节约了设备检修时间，该系统具有重要的研究意义和实用价值。[1][2] 第1章 系统的总体设计 1.1 系统的总体设计及框图 智能仪表的出现使仪表的设计进入了一个新的阶段，这主要是因为仪器中包含有微处理器。因此许多应该有硬件电路完成的工作，可以通过软件来实现，软件和硬件的合理配合就可以大大增加仪器的功能，提高仪器的可用性。 本系统构建一个完整的皮带输送机保护系统，其实际意义是一种通用型皮带输送机智能诊断保护系统，它能皮带输送机出现的故障进行自动检测，如果有故障出现，能自动停止皮带输送机并对前面输送机设备连锁停机。主要用到该系统的MSP430单片机的USART串行通信口实现与上位机的通信。 1.1.1 总体设计及框图 在设计中主要由软件和硬件两部分构成。 主要用到该系统的MSP430单片机的USART串行通信口实现与上位机的通信。上位机主要用到北京亚控公司的组态王，用该软件开发，与现场的智能仪表进行数据通讯。上位机主要以实现上煤，卸煤工艺流程图动态显示，报警输出控制等功能。 智能仪表是实现整个皮带机监测保护系统的核心，虽然现在市场中有许多型号的电机保护监测装置，但主要是功能不全，不能满足厂方的要求，而且价格也很高，所以决定自行研发一种可以广泛应用于各种工业现场的智能监测保护仪表。智能仪表硬件系统采用功能模块化设计，主要由CPU处理模块、A/D转换模块、信号调理模块、人机接口模块、通信接口模块、数字量输入输出接口以及电源模块。硬件系统主要用Protel 99SE软件来完成电路设计。主控制板的核心是采用TI公司的MSP430单片机；用该单片机的一个UART串行通信口实现与上位机的通信。 软件系统主要分为初始化模块，定时器中断模块，信号采样模块，按键显示模块，数据处理模块，输出控制模块，参数读写模块，通信模块。如图1-1所示。 图1-1系统总体流程图 1.2 工业控制计算机系统的设计原则与开发 1.2.1 工业控制系统的设计原则 1. 工业计算机控制系统的设计原则 设计工业控制计算机系统的基本原则为可靠性高，可扩展性好，可操作性好，实时性强，环境适应能力强，性价比高等。 1 可靠性高。无论何种系统，可靠性是首要的衡量指标，也是最基本的要求，这是有被控对象的联系操作运行的特征和工业现场环境的恶劣性所决定的。 2 可扩展性好。为使系统具有良好的通用性和灵活性，应该采用标准的系统总线、标准化的部件和模块。这样当系统要求有所变动时，就可以通过增删插件板来方便地实现。在系统设计时，各个指标要留有一定的余地，为日后系统的扩充创造有利的条件。 3 可操作性好。这包含两层含义，即使用方便和维修容易，使用方便是指尽量降低对操作人员的专业指示的要求，使他们在较短的时间内能熟悉掌握操作；维护容易值得是故障产生时容易排除。 4 实时性强。工业控制计算机的实时性，表现在对内部与外部事件能够及时的相应，并做出相应的处理，不丢失信息，不延误操作。 5 环境适应能力强。工业现场大多环境恶劣，所以系统必须具有较强的环境适应能力，在硬件的选择时应考虑部件的可靠性和抗干扰能力。 6 性价比高。在满足设计要求的情况下，应尽量选用廉价的元器件。并在投入运行后，能提高产品的产量与质量，降低能耗，减轻环境污染。 7 洛阳理工学院毕业设计（论文） 第2章 硬件设计与软件设计 2.1 MSP430单片机的选择 用单片机（或称为微控制器）进行适当的扩充和接口，可满足一般智能仪器的需要。单片机技术的发展，在许多方面都展示出它的优越性，如芯片集成度高，可靠性高，支援芯片种类多，体积重量小等。 2.1.1 单片机的选择原则 单片机是整个控制系统的核心，它的选择将对整个系统产生决定性的影响，一般应从如下几个方面考虑是否符合系统的要求。 1 字长 与一般计算机一样，单片机字的长短会直接影响数据的精度、指令的数目、寻址能力和执行操作的时间。一般说来，字越长，对数据处理越有利，但从减少辅助电路的复杂性和降低成本的角度考虑，字短些为好。所以应根据不同对象和不同要求，恰当选择。在过程控制领域中，一般选用16位的单片机，就能达到一般的控制要求。 2 寻址范围和寻址方式 单片机地址码长短反映了它可寻址范围。寻址范围表示了系统中可存放的程序和数据量 ，用户应根据系统要求选择与寻址范围有关的合理内存容量，单片机的寻址方式一般有直接、间接、变址寻址等，选择恰当的寻址方式，会使程序量大大减少。 3 指令种类和数量 一般来说，指令条数越多，针对特定操作的指令也必然增多，这可使处理速度加快，程序量减少。字越短的单片机，通常指令条数也会少一些。 4 内部寄存器的种类和数量 单片机内部结构也是关系到系统性能的重要方面。单片机一般都包含有通用寄存器组、程序计数器、堆栈指示器、变址寄存器、累加器等。它们的种类和数量越多，访问存储器的次数就越少，从而加快了执行速度。 5 单片机的速度 单片机的速度应该与被控制对象的要求相适应，有时盲目追求高速会给系统的安装、调试带来不必要的麻烦，如高速工作时引线之间的串扰就是令人头痛的问题。 6 中断处理能力 在控制系统中，中断处理往往是主要的一种输入输出方式。单片机中断功能的强弱往往涉及到整个系统硬件和应用程序的布局。 除上述六个方面外，单片机的外围电路的配套、器件的来源、软件的支持等，也是涉及人员必须考虑的因素。 在工业控制系统中，对常规外围设备一般要求不高，大多数情况下，只要考虑显示和键盘及串行通信口即可。 2.1.2 16位单片机MSP430F147 单片机MSP430系列是一种内部配置两个16为定时器、一个高速12位A/D转换器、一或两个通用串行同步/异步通信接口（USART），有48个I/O引脚的微控制器。该论文研制开发是基于MSP430单片机的皮带输送机仪表采用美国TI公司的超低功耗16位单片机MSP430F147作为系统芯片。它使得整个系统设计成本降低，降耗节能，而且测量精度也大大提高，满足了皮带输送机仪表的设计要求。MSP430系列单片机采用“冯.诺依曼”结构，ROM和RAM在同一地址空间。 1. MSP430单片机的功能特点 MSP430F147单片机，是一种具有超低功耗特性的功能强大的单片机。其存储器模块是目前业界所有内部集成Flash存储器产品中能耗最低的一种，同其他微处理器相比，既缩小了线路板空间，又降低了系统成本，在系统设计、开发调试及实际应用都表现出较明显的优点，它具有一下特点 1 超低功耗 MSP430F147运行在1MHz时钟条件下时，工作电流视工作模式不同为0.1400μA，工作电压为1.83.6V。 2 强大的处理能力 MSP430F147具有丰富的寻址方式，片内寄存器数量多，存储器可实现多种运算，有高效的查表处理方法，这些特点保证了可以编制出高效的程序。MSP430F147的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便，当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只需6μs。 3 丰富的片上外围模块 MSP430F147继承了较多的片上外围资源，可实现多种功能，它由以下部分组成基础时钟模块，包括1个数控振荡器和2个晶体振荡器；看门狗定时器Watchdog Timer 可用作通用定时器，看门狗本质上是16位的定时器，它可以用作看门狗也可以用作定时器。看门狗的主要功能是检测到软件出现问题时重新启动系统；带有3个捕捉/比较寄存器的16位定时器Timer A 和Timer B；2个具有中断功能的8位并行端口P1 和P2；4个8位并行端口P3、P4、P5和P6；模拟比较器Comparator_A；12位A/D 转换器ADC12；2个串行通信接口USART0 和USART1；32KB闪速存储器256字节Flash，1KB的RAM，以便进行运算处理。该系列单片机的时钟输入员有LFXT1CKL（低时钟源）、XT2CLK（高频时钟源）、和DCOCLK（时钟源，片内数字控制RC振荡器，经常用作系统和外设的时钟信号）；时钟模块输出ACLK（辅助时钟）、 MCLK（主系统时钟）、 SMCLK（子系统时钟）3种不同频率,这三种时钟信号是由DCLCLK提供的；如图2-1所示。 图2-1 MSP430时钟 4 方便高效的开发方式 MSP430F147具有Flash存储器，这一特点使得它的开发工具相当简便，利用单片机本身具有的JTAG接口或片内BOOT ROM，可以在一台PC机和一个结构小巧的JTAG控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序调试。 5 适应工业级运行环境 MSP430F147的运行环境温度范围为-4085C，所设计的产品适合运行于工业环境下。 2. MSP 430端口的介绍 MSP430F147单片机具有6个I/O口；P1P6,每个端口有8个管脚。每个管脚可以单独设置成输入或输出方向，并且每个管脚都可以进行单独的读或写。端口P1，P2还具有中断功能，P1，P2口的每个管脚都可以单独设置成中断，并且可以设置成上升沿或者下降沿触发中断。P1口的所有管脚共用一个中断向量，同样P2口的所有管脚也共用一个中断向量，该单片机的I/O口主要有以下特征 l 每个I/O口可以独立编程设置； l 输入输出可以任意结合使用； l P1和P2口的中断功能可以单独设置； l 有独立的输入输出寄存器。[3][4][5] 2.2 Protel 99SE介绍 Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层，它是集电路设计与开发环境于一体的应用软件。 2.2.1 Protel 99 SE的功能模块 Protel 99SE的主要功能模块包括电路原理图设计、印制电路板PCB设计、无网格布线器、可编程逻辑器件设计、电路模拟/仿真等。各模块具有丰富的功能，可以实现电路设计与分析。 电路设计部分主要包括 1 用于原理图设计的Schematic模块。该模块主要包括设计原理图的原理图编辑器，用于修改、生成零件的零件库编辑器以及各种报表的生成器。该模块使用户设计目标的原理实现，其图形主要由电子器件和线路组成。 2 用于印制电路板设计的PCB设计模块。该模块主要包括用于设计印制电路板的电路板编辑器，用于修改、生成零件封装的零件封装编辑器以及电路板组件管理器。 3 用于PCB自动布局和布线的Route模块。 在该系统学到了怎样去创建自己的库文件，具体的创建是设计文件下建立原理图库文件，建好以后重命名my.lib，这样打开my.lib，在该图库文件下单击View菜单下Toolbars子菜单的Drawing tools命令，会打开画线工具栏，然后在Tools菜单下New component命令将即将制作的元器件名重新命名，然后用画线工具画元器件。 在制作好元器件以后，在sch设计原理图中就要用到该库，这样就要将已经制作好的元件库添加到设计管理器中，单击设计管理器中点击add/remove按钮，这样找到已经设计好的库文件my.lib文件，这样就可以用自己创建的库了。 在Protel 99 SE 如果芯片过多，在连线期间因为线多避免不了就会交叉，而且十分杂乱。这样做出来的设计原理图布局就不美观，所以这就涉及到了制作网络标号，这样就会避免上面的麻烦；制作网络标号的步骤是这样的在哪个芯片上哪个引脚上创建网络标号先把那个引脚引出一条导线，引这段导线的目的是创建网络标号，然后单击View菜单下的Toolbars子菜单下的wiring tools命令，这样代开工具栏，单击该工具栏的第四个按钮“放置网络记”然后按TAB键打开属性对话框，再改框中的net框中输入的值应该和该芯片引脚的值是一样的。[6] 2.3 硬件电路的设计 2.3.1 智能仪表的硬件设计 智能仪表是实现整个皮带输送机监测保护系统的核心，虽然现在市场中有许多型号的电机保护监测装置，但主要是功能不全，不能满足厂方的要求，而且价格也很高，所以自行研发了一种广泛应用于各种工业现场的智能检测保护仪表。智能仪表硬件系统采用功能模块化设计，主要CPU处理模块、A/D转换模块、电源电路模块、复位电路模块、显示接口模块、通信接口模块以及数字量输入输出接口。仪表结构图如图2-2所示。 图2-2 智能仪表硬件系统结构图 1. CPU处理模块主要选用了TI公司的MSP430F147单片机（2.1.2介绍），这里就不再叙述了。 2. 智能仪表的A/D转换模块，该模块是利用传感器把各种物理量测量出来，转换为电信号，经过模数转换ADC变成数字量，这样模拟量才能被单片机处理和控制，ADC模块的常用性能指标如下 l 分辨率 分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。分辨率为n，表示它可以对满刻度的1/2n的变化量做出反应。即 分辨率 满刻度值/2n l 量化误差 量化误差和分辨率是统一的，量化误差是由于有限数字对模拟数值进行离散取值（量化）而引起的误差。因此，量化误差理论上为一个单位分辨率，即1/2LSB。提高分辨率可以减少量化误差。 l 转化精度 ADC模块的转换精度反应了一个实际ADC模块在量化上与一个理想ADC模块进行模/数转换的差值，可表示成绝对误差或相对误差，与一般测量仪表的定义相似。 l 转换时间 A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间，转换时间越短越能适应输入信号的变化。转换时间与ADC转换器的类型、位数有关。转换类型常用的有逐位逼近式和双积分式；如逐位逼近式A/D 转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级。 保护系统传感器层主要测量传输机的电压、电流、传输机的速度等，其中电压、电流传感器传送回来的信号是05V，由于MSP430F147片内ADC12模数转换模块采用的是2.5V的基准电压，所以在进入AD采样通道前都要做一次变换，所有电压信号都要将最大幅值限制在2.5V ，再把信号接到单片机的AD采样通道，再把信号接入到单片机的AD采样通道，变换之后的信号再用TL084运放作一次驱动，经过该环节除了能完成电平转换功能之外，还由于它有输入高阻抗，输出低阻抗的特点，既可以起到缓冲、减少干扰，又可以实现CPU与外部信号的隔离，提高带负载能力的作用，ADC采样接口电路如图2-3所示。 图2-3 采样接口电路图 3. 电源电路模块 在电气控制系统中，电源的设计合理性事至关重要的，它的好坏直接影响电路干扰大小和测量系统的稳定性。为了减少仪表开发的工作量，供电电源由外部开关电源提供。 该电源电路采用3.3V供电，考虑到硬件系统对电源要求稳压功能和纹波小等特点，另外也考虑到硬件系统的低功耗等特点，因此硬件系统的电源部分采用TI公司的TPS76033芯片实现，该芯片能很好满足该硬件系统的要求。 为了是输出电源的纹波小，在输出部分用了一个2.2uF和0.1uF的电容，另外在芯片的输入端也放置一个0.1uF的滤波电容，减少了输入端受到的干扰。电源电路如图2-4所示。 图2-4 电源电路图 4. 复位电路 在单片机系统中，单片机需要复位电路，复位电路可以采用R-C复位电路，也可以采用复位芯片实现的复位电路，R-C复位电路具有经济性，但性能可靠性不高，用复位电路实现的复位电路具有很高的可靠性，因此为了保证复位电路的可靠性，该系统采用复位芯片实现的复位电路，该系统采用MAX809芯片。电路图如图2-5所示。 为了减小电源的干扰，还需要在复位芯片的电源输入端加一个0.1uF的电容来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。 图2-5 复位电路 5. 显示接口模块 智能仪表的显示接口电路，显示子系统主要由多组LED组成，进行显示各种运行参数和状态量。显示部分采用带选通功能的串转并芯片4094作为显示驱动器件，这样10位数码管显示只占用单片机3根I/O线，大大提高了资源利用率。通过小键盘的设定可以轮流或固定显示采集到电压、电流、速度等。具有设置电压上下限、电流上下限、速度上下限、低速度报警持续时间、低电流持续时间报警输出、高电流持续时间报警输出、报警记录查询等多项功能。显示部分的电路如图2-6所示。 图2-6 显示电路图 6. 仪表的通信接口模块 利用其中的一个USART串口通信实现与上位机的通信，通信采用标准的RS-485 接口，RS-485总体具有技术成熟、可靠性高、传输距离远、成本低的特点，但是RS-485不能直接与计算机接口，需要采用一个接口芯片将TTL电平转换为RS-485接口电平，在实际应用中采用的是MAX485芯片来实现接口，考虑到系统安全的需要，与上位机进行电气隔离，在单片机和MAX485芯片之间的发送和接收信号通过高速光耦芯片6N135进行隔离。通过RS485总线实现了上位机与智能仪表AD、DI、DO的参数传输和遥控功能，具体接口电路如图2-7图所示。 图2-7 通信接口电路图 7. 数字量输入输出I/O模块 输入输出子系统主要由各种容量的输出、输入继电器组成。负责执行CPU所发出的控制指令，并驱动对应的执行机构进行动作。也通过输入继电器，接受其它设备发出的控制信号，根据电机故障类型过载、过流、欠流、堵转、三相不平衡、断相、过压、欠压、短路，发出声光报警信号并实现电机的连锁保护控制，提醒操作人员处理；位仪表设计了6路DI和7路DO，如此丰富的开关输入输出接口不仅能满足在输送机组保护系统中的应用，在其它场合的应用中也可以满足其要求，扩展功能十分强大。所有的输入信号都要通过光耦隔离，起保护单片机和抗干扰的作用，所有的输出信号都由三极管驱动继电器的线圈，控制继电器的常开常闭。电路如图2-8，2-9所示。 图2-8 数字量输入电路 图2-9 数字量输出电路 2.4 软件设计 MSP430系列单片机程序可以利用IAR公司的Embedded Workbench和C-SPY工具板与并直接下载至片内FLASH内存，脱机运行，整个用户界面友好。支持汇编和C语言的编程，追求效率的用户可选择只有27条精简指令的汇编语言直接实现对寄存器的控制，一般的用户可以选择C语言。 C语言是一种编译型设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具有汇编语言的功能，C语言有功能丰富的库函数、运算速度快，有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。C语言是一种结构化程序设计语言，它支持程序中广泛采用的自顶向下结构化程序设计技术，此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有利的保障。[7] 2.4.1 按键显示程序设计 按键显示程序包括参数设置，以及运行状态监视的功能，由于显示按键程序实时性要求不很高，可以显示按键程序做成查询的方式，当查询采样等待时间到达的时候就执行按键和显示程序，具体流程图如图2-10所示。 图2-10 按键显示流程图 2.4.2 输入信号的选择 为了实现对皮带输送机的保护，必须采集工作现场皮带输送机的运行参数，这一工作由各种测量传感器设备来完成，它们将现场的物理量妆化为可量化的电流或电压信号，传给智能仪表进行处理。在本系统中，需要测量的物理量包括电流、电压、转速等，相应的由电流传感器、电压传感器和速度传感器来测量。智能仪表需要测量的主要参数如表2-1所示。 表2-1 皮带输送机保护主要测量参数 设备名称 测量参数 I/O类型 传输信号 电流传感器1＃ A相电流 AI 0～5V 电流传感器2＃ B相电流 AI 0～5V 电流传感器3＃ C相电流 AI 0～5V 电压传感器1＃ A相电压 AI 0～5V 电压传感器2＃ B相电压 AI 0～5V 电压传感器3＃ C相电压 AI 0～5V 速度传感器 皮带运行速度 DI 差分信号 20 第3章 抗干扰设计 用于工业现场的单片机应用系统，由于来自系统内部和外部的各种干扰的侵袭机器系统结构、电子元器件的选用和装配工艺的影响，常常会影响系统的测量精度，甚至会导致单片机系统运行失常。因此，有效地抑制排除干扰已经在系统设计中成为必需。 3.1 干扰的来源及其传输途径 所谓干扰，就是用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。 噪声和干扰是仪器仪表的大敌，它混在信号之中降低仪器的有效分辨能力和灵敏度，是测量结果产生误差。在数字逻辑电路中，如果干扰信号的电平超过逻辑元件的噪声容限电平，会使逻辑元件产生误动作，导致系统工作紊乱。干扰信号有时还会对程序的正常运行产生破坏性的影响。 干扰的来源与传输途径 干扰的来源是多方面的，有时甚至是错综复杂的。干扰有的来自外部，有的来自内部。 外部干扰由使用条件和外部环境因素决定。外部干扰环境有天电干扰，如雷电或大气电离作用以及其他气象引起的干扰电波；天体干扰，如太阳或其他星球辐射的电磁波；电气设备的干扰，如广播电台或通讯发射台发出的电磁波，动力机械、高频炉、