基于AT89C2051單片機的排礦閥門控制系統(tǒng)設(shè)計

0 引言
    磁力脫水槽是選礦廠對細粒嵌布鐵礦物較為有效的選別設(shè)備。廣泛應(yīng)用在磁鐵礦(或焙燒磁鐵礦)選礦工藝中。磁力脫水槽操作目前采用人工操作。崗位工人按著給礦量的變化，用取礦勺估測精礦層的深度和目測顏色的方法掌握礦層界面的位置，從而調(diào)整精礦排礦閥門(膠堆、閘門)閥位的大小，以便相對保證精礦品位和金屬回收率的最佳值。在生產(chǎn)實踐中，當正常狀態(tài)下各工序的礦漿量、濃度、品位相對穩(wěn)定時，磁力脫水槽的選別指標較好。而當給礦量等指標變化頻繁時，磁力脫水槽選別指標則急劇惡化，進而影響到選別作業(yè)給礦的穩(wěn)定。在這種狀態(tài)下，需要崗位工人不斷調(diào)整閥門操作以滿足鐵精礦品位和金屬回收率的要求。傳統(tǒng)的人工操作是崗位工人利用操作勺探測礦層深度和目測顏色的方法掌握礦層界面的位置，再憑經(jīng)驗調(diào)節(jié)排礦閥門以控制界面在合適范圍之內(nèi)。若操作不能做到準確及時，勢必造成金屬流失、精礦品位波動。因此，磁力脫水槽生產(chǎn)指標受人的因素影響較大。近年來選礦廠一直都在渴望一種能實現(xiàn)對脫水槽進行自動控制的系統(tǒng)。
    由于電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展，促進了微型計算機測量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。微機測控技術(shù)的應(yīng)用是產(chǎn)品提高檔次和推陳出新的有效途徑。采用微機控制的智能控制，以達到準確、方便、快捷，還可以凈化廢水和除去順磁性的粒狀雜質(zhì)，減少環(huán)境的污染。

1 控制方案的擬訂和控制系統(tǒng)的組成
    為了對濃度加以控制，必需對濃度進行實時檢測，采用傳感器檢測信號，把傳感器放入脫水槽內(nèi)部采集高斯量，檢測的信號為電壓，通過放大器進行放大，通過滑動電阻調(diào)節(jié)LM331的零點以使轉(zhuǎn)換器具有線性的要求。轉(zhuǎn)換器的選用可采用A／D也可采用V／F形式，由于精度關(guān)系和傳輸距離較遠，所以我們采用V／F的轉(zhuǎn)換器。放大的信號通過轉(zhuǎn)換器后，由于現(xiàn)場有干擾，所以采用抗干擾技術(shù)，即通過光電耦合減少對系統(tǒng)的干擾。通過光耦后的信號，送入單片機的中斷口INT1。
    為了給人直觀的感覺，采用lcd顯示頻率，通過頻率的大小可以方便地知道濃度的大小，方便對脫水槽的控制，系統(tǒng)用4位顯示。最高可以測得10kHz的頻率，對于現(xiàn)場的磁場濃度遠小于這個濃度。由于每個脫水槽的濃度不是一定的，所以采用鍵盤進行設(shè)置，每個鍵代表不同的意義，把鍵盤寫入的數(shù)據(jù)存入E2PROM，把采集到的濃度與寫入存儲器的數(shù)據(jù)進行比較，來控制繼電器的工作，設(shè)計中采用兩個繼電器，一個為正轉(zhuǎn)另一個為反轉(zhuǎn)?？刂朴伤鼈働1口控制光隔。為了在現(xiàn)場的環(huán)境下不出現(xiàn)程序跑飛，加入”看門狗”電路。
    在采用自動控制的同時，考慮到系統(tǒng)出現(xiàn)故障時便于及時地控制脫水槽的工作，加入了手動控制，這樣使控制更加靈活。
    控制系統(tǒng)的CPU采用ATMEL公司的AT89C2051，它是一種帶2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器(FlashROM)的低電壓、高性能COMS 8位微控制器，采用ATMEL高密度、非易失存儲器制造技術(shù)，是一種高效的微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且廉價的方案。濃度采集部分用的是SS490的霍爾傳感器，把采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單片機可以識別的信息，選用LM331V／F轉(zhuǎn)換器，控制電機部分的繼電器用固態(tài)繼電器(SSR)，是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點開關(guān)器件。

2 單片機硬件設(shè)計
    為了能直觀地控制，采用LED顯示，而在要求設(shè)定中，采用鍵盤設(shè)置形式。
2．1 鍵盤及接口設(shè)計
    鍵盤是一組按鍵的集合，它是最常用的單片機輸入設(shè)備，操作人員可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實現(xiàn)簡單的人機通訊。
    為了提高CPU效率，可以采用中斷掃描工作方式，即只有在鍵盤有鍵按下時才產(chǎn)生中斷請求，進入中斷服務(wù)程序后對鍵盤進行掃描，并做相應(yīng)處理。中斷掃描工作方式的鍵盤接口如圖所示。該鍵盤直接由2051的P1口的高低字節(jié)構(gòu)成列式鍵盤。當有鍵按下時，為低，向CPU發(fā)出中斷申請，在中斷服務(wù)程序中除完成鍵識別、鍵功能處理外，仍須有清除鍵抖動等功能。

    設(shè)計中用到的鍵盤設(shè)定只有四個，所以采用INT0中斷形式檢測是否有鍵按下，如有再查尋P1口的狀態(tài)檢測鍵值，按鍵作用為S1功能鍵，S2加值，S3減值，S4確認鍵。
2．2 顯示及接口設(shè)計
    在單片機控制系統(tǒng)中，鍵盤／顯示系統(tǒng)常用來監(jiān)視和分析鍵盤輸入的命令和數(shù)據(jù)以及顯示被控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。鍵盤／顯示系統(tǒng)是單片機不可缺少的部件，它常由硬件電路和軟件程序兩部分組成。LCD近年來越來越多地應(yīng)用在單片機控制的儀器儀表中，儀表顯示時良好的人機界面始終是人們的追求。本文磁力脫水槽的顯示部分采用EDM圖形LCD。采用128×64點陣式LCD。內(nèi)置8K的數(shù)據(jù)存儲器，LCD控制芯片為東芝公司生產(chǎn)的T6963C。它的總線可以直接適配MCS51總線。允許單片機隨時訪問顯示緩沖區(qū)，甚至可以進行位操作，直接控制某一點。同時這款液晶還有讀／寫地址自動加／減1的功能，為大量數(shù)據(jù)的傳送編程提供了方便，將需要顯示的圖片數(shù)據(jù)和程序直接存儲在里面，使得此電路功能實現(xiàn)十分簡單。通過軟件編程可將各種控制參數(shù)顯示在液晶屏幕上，操作者可根據(jù)屏幕提示的信息進行工作。
2．3 存儲器
   AT24WC16(以下稱24C16)是一個16K位串行CMOSE2PROM，內(nèi)部含有2048個8位字節(jié)，CATALYST公司的先進CMOS技術(shù)實質(zhì)上減少了器件的功耗，24C16有一個16字節(jié)頁緩沖器，該器件通過I2C總線接口進行操作，有一個專門的寫保護。

    單片機AT89C2051作為主器件，它在I2C總線上產(chǎn)生時鐘脈沖、尋址信號、起停信號。24C16作為從器件。在串行E2PROM系統(tǒng)中，主、從器件都有兩種工作方式：發(fā)送器方式(發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上)或接收器方式(從總線上接收數(shù)據(jù))。工作方式的選取由主器件通過控制字節(jié)決定。數(shù)據(jù)發(fā)送前，主器件須發(fā)出起始信號。起始信號以SCL為高電平期間的SDA線的下降沿為標志。在SCL低電平期間，發(fā)送器發(fā)送的數(shù)據(jù)送到SDA線上。在緊接著的SCL又變?yōu)榈碗娖綖橹?。接著，再將下一位?shù)據(jù)送到SDA線上，這樣一位一位地進行數(shù)據(jù)傳送。每發(fā)送完8位數(shù)據(jù)后，須插入一個時鐘周期的附加位。發(fā)送器在此期間準備接收應(yīng)答信號ACK。若接收器接收到8位數(shù)據(jù)后，則發(fā)出ACK信號，即在數(shù)據(jù)線上發(fā)出一個時鐘周期的低電平。如果發(fā)送器接收到了ACK信號則說明上一次8位數(shù)據(jù)傳送正確，否則說明該8位數(shù)據(jù)傳送失敗。
    所有數(shù)據(jù)傳送完畢后，主器件需發(fā)出結(jié)束信號。結(jié)束信號以SCL高電平期間的SDA線上的上升沿為標志。

3 軟件設(shè)計
    首先對系統(tǒng)初始化，設(shè)置存儲器初值，中斷測頻，等待鍵盤上功能鍵按下，當S1按下時進入鍵盤程序，當按下S1此時顯示P1再次按下則依次到P6，P1設(shè)置濃度基準值，P2設(shè)置濃度下限，P3設(shè)置濃度上限，把測量的值與給定的值進行比較控制P1．0、P1．1，P1．O為反轉(zhuǎn)控制，
P1．1為正轉(zhuǎn)控制。

3．1 系統(tǒng)流程
    系統(tǒng)的設(shè)計考慮如下問題：鍵盤掃描、鍵碼識別、鍵盤設(shè)置和頻率顯示；頻率值與設(shè)定值比較大??；控制兩臺電機運轉(zhuǎn)。脫水槽控制程序由主程序和T0、T1和INT1中斷服務(wù)組成，分述如下：
    主程序包括89C2051本身的初始化，對E2PROM的校驗，通過中斷測頻率，控制處理，等待鍵盤中斷，將操作結(jié)果存儲和顯示，使用16kB的24C16作存儲器，主要存儲內(nèi)容有：設(shè)定頻率上下限值和基準值、啟動、停止時間和間隔時間，T0中斷服務(wù)程序和主程序如圖3、4所示。

    鍵盤掃描程序是當有鍵按下時產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)進入中斷鍵盤服務(wù)程序，判斷P1口的電平，P1口接上拉電阻，如果P1口有位變化，則有鍵按下。
    對存儲器寫操作，首先單片機向24C16發(fā)一個START命令，產(chǎn)生開始條件。然后發(fā)寫命令控制字(如A2H)。當24C16接到命令后，進入一個寫周期，再由單片機發(fā)送存儲地址，即確定數(shù)據(jù)寫入到存儲器的哪個地址，隨后，單片機將要存儲的數(shù)據(jù)送入到SDA數(shù)據(jù)線上。寫周期結(jié)束時，單片機再發(fā)一停止位(STOP)。

4 結(jié)語
    通過AT89C2051單片機實現(xiàn)對磁力脫水槽的自動控制。此方案有較強的可行性和實用性，完全能夠滿足現(xiàn)場工作要求，磁力脫水槽自動控制裝置使精礦和尾礦層界面始終穩(wěn)定在一個恒定的范圍內(nèi)，穩(wěn)質(zhì)、降尾效果十分明顯，杜絕了磁力脫水槽“翻花跑黑”的現(xiàn)象。在取得良好經(jīng)濟效益，大大提高勞動生產(chǎn)率的同時，減輕了工人的勞動強度。