基于AT89C2051单片机的排矿阀门控制系统设计

0 引言
    磁力脱水槽是选矿厂对细粒嵌布铁矿物较为有效的选别设备。广泛应用在磁铁矿(或焙烧磁铁矿)选矿工艺中。磁力脱水槽操作目前采用人工操作。岗位工人按着给矿量的变化，用取矿勺估测精矿层的深度和目测颜色的方法掌握矿层界面的位置，从而调整精矿排矿阀门(胶堆、闸门)阀位的大小，以便相对保证精矿品位和金属回收率的最佳值。在生产实践中，当正常状态下各工序的矿浆量、浓度、品位相对稳定时，磁力脱水槽的选别指标较好。而当给矿量等指标变化频繁时，磁力脱水槽选别指标则急剧恶化，进而影响到选别作业给矿的稳定。在这种状态下，需要岗位工人不断调整阀门操作以满足铁精矿品位和金属回收率的要求。传统的人工操作是岗位工人利用操作勺探测矿层深度和目测颜色的方法掌握矿层界面的位置，再凭经验调节排矿阀门以控制界面在合适范围之内。若操作不能做到准确及时，势必造成金属流失、精矿品位波动。因此，磁力脱水槽生产指标受人的因素影响较大。近年来选矿厂一直都在渴望一种能实现对脱水槽进行自动控制的系统。
    由于电子技术和微型计算机的迅速发展，促进了微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用。微机测控技术的应用是产品提高档次和推陈出新的有效途径。采用微机控制的智能控制，以达到准确、方便、快捷，还可以净化废水和除去顺磁性的粒状杂质，减少环境的污染。

1 控制方案的拟订和控制系统的组成
    为了对浓度加以控制，必需对浓度进行实时检测，采用传感器检测信号，把传感器放入脱水槽内部采集高斯量，检测的信号为电压，通过放大器进行放大，通过滑动电阻调节LM331的零点以使转换器具有线性的要求。转换器的选用可采用A／D也可采用V／F形式，由于精度关系和传输距离较远，所以我们采用V／F的转换器。放大的信号通过转换器后，由于现场有干扰，所以采用抗干扰技术，即通过光电耦合减少对系统的干扰。通过光耦后的信号，送入单片机的中断口INT1。
    为了给人直观的感觉，采用lcd显示频率，通过频率的大小可以方便地知道浓度的大小，方便对脱水槽的控制，系统用4位显示。最高可以测得10kHz的频率，对于现场的磁场浓度远小于这个浓度。由于每个脱水槽的浓度不是一定的，所以采用键盘进行设置，每个键代表不同的意义，把键盘写入的数据存入E2PROM，把采集到的浓度与写入存储器的数据进行比较，来控制继电器的工作，设计中采用两个继电器，一个为正转另一个为反转。控制由它们P1口控制光隔。为了在现场的环境下不出现程序跑飞，加入”看门狗”电路。
    在采用自动控制的同时，考虑到系统出现故障时便于及时地控制脱水槽的工作，加入了手动控制，这样使控制更加灵活。
    控制系统的CPU采用ATMEL公司的AT89C2051，它是一种带2K字节闪速可编程可擦除只读存储器(FlashROM)的低电压、高性能COMS 8位微控制器，采用ATMEL高密度、非易失存储器制造技术，是一种高效的微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。浓度采集部分用的是SS490的霍尔传感器，把采集的数据转化为单片机可以识别的信息，选用LM331V／F转换器，控制电机部分的继电器用固态继电器(SSR)，是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关器件。

2 单片机硬件设计
    为了能直观地控制，采用LED显示，而在要求设定中，采用键盘设置形式。
2．1 键盘及接口设计
    键盘是一组按键的集合，它是最常用的单片机输入设备，操作人员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通讯。
    为了提高CPU效率，可以采用中断扫描工作方式，即只有在键盘有键按下时才产生中断请求，进入中断服务程序后对键盘进行扫描，并做相应处理。中断扫描工作方式的键盘接口如图所示。该键盘直接由2051的P1口的高低字节构成列式键盘。当有键按下时，为低，向CPU发出中断申请，在中断服务程序中除完成键识别、键功能处理外，仍须有清除键抖动等功能。

    设计中用到的键盘设定只有四个，所以采用INT0中断形式检测是否有键按下，如有再查寻P1口的状态检测键值，按键作用为S1功能键，S2加值，S3减值，S4确认键。
2．2 显示及接口设计
    在单片机控制系统中，键盘／显示系统常用来监视和分析键盘输入的命令和数据以及显示被控系统的工作状态。键盘／显示系统是单片机不可缺少的部件，它常由硬件电路和软件程序两部分组成。LCD近年来越来越多地应用在单片机控制的仪器仪表中，仪表显示时良好的人机界面始终是人们的追求。本文磁力脱水槽的显示部分采用EDM图形LCD。采用128×64点阵式LCD。内置8K的数据存储器，LCD控制芯片为东芝公司生产的T6963C。它的总线可以直接适配MCS51总线。允许单片机随时访问显示缓冲区，甚至可以进行位操作，直接控制某一点。同时这款液晶还有读／写地址自动加／减1的功能，为大量数据的传送编程提供了方便，将需要显示的图片数据和程序直接存储在里面，使得此电路功能实现十分简单。通过软件编程可将各种控制参数显示在液晶屏幕上，操作者可根据屏幕提示的信息进行工作。
2．3 存储器
   AT24WC16(以下称24C16)是一个16K位串行CMOSE2PROM，内部含有2048个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗，24C16有一个16字节页缓冲器，该器件通过I2C总线接口进行操作，有一个专门的写保护。

    单片机AT89C2051作为主器件，它在I2C总线上产生时钟脉冲、寻址信号、起停信号。24C16作为从器件。在串行E2PROM系统中，主、从器件都有两种工作方式：发送器方式(发送数据到总线上)或接收器方式(从总线上接收数据)。工作方式的选取由主器件通过控制字节决定。数据发送前，主器件须发出起始信号。起始信号以SCL为高电平期间的SDA线的下降沿为标志。在SCL低电平期间，发送器发送的数据送到SDA线上。在紧接着的SCL又变为低电平为止。接着，再将下一位数据送到SDA线上，这样一位一位地进行数据传送。每发送完8位数据后，须插入一个时钟周期的附加位。发送器在此期间准备接收应答信号ACK。若接收器接收到8位数据后，则发出ACK信号，即在数据线上发出一个时钟周期的低电平。如果发送器接收到了ACK信号则说明上一次8位数据传送正确，否则说明该8位数据传送失败。
    所有数据传送完毕后，主器件需发出结束信号。结束信号以SCL高电平期间的SDA线上的上升沿为标志。

3 软件设计
    首先对系统初始化，设置存储器初值，中断测频，等待键盘上功能键按下，当S1按下时进入键盘程序，当按下S1此时显示P1再次按下则依次到P6，P1设置浓度基准值，P2设置浓度下限，P3设置浓度上限，把测量的值与给定的值进行比较控制P1．0、P1．1，P1．O为反转控制，
P1．1为正转控制。

3．1 系统流程
    系统的设计考虑如下问题：键盘扫描、键码识别、键盘设置和频率显示；频率值与设定值比较大小；控制两台电机运转。脱水槽控制程序由主程序和T0、T1和INT1中断服务组成，分述如下：
    主程序包括89C2051本身的初始化，对E2PROM的校验，通过中断测频率，控制处理，等待键盘中断，将操作结果存储和显示，使用16kB的24C16作存储器，主要存储内容有：设定频率上下限值和基准值、启动、停止时间和间隔时间，T0中断服务程序和主程序如图3、4所示。

    键盘扫描程序是当有键按下时产生中断，系统进入中断键盘服务程序，判断P1口的电平，P1口接上拉电阻，如果P1口有位变化，则有键按下。
    对存储器写操作，首先单片机向24C16发一个START命令，产生开始条件。然后发写命令控制字(如A2H)。当24C16接到命令后，进入一个写周期，再由单片机发送存储地址，即确定数据写入到存储器的哪个地址，随后，单片机将要存储的数据送入到SDA数据线上。写周期结束时，单片机再发一停止位(STOP)。

4 结语
    通过AT89C2051单片机实现对磁力脱水槽的自动控制。此方案有较强的可行性和实用性，完全能够满足现场工作要求，磁力脱水槽自动控制装置使精矿和尾矿层界面始终稳定在一个恒定的范围内，稳质、降尾效果十分明显，杜绝了磁力脱水槽“翻花跑黑”的现象。在取得良好经济效益，大大提高劳动生产率的同时，减轻了工人的劳动强度。