毕业设计论文-基于单片机的自动计数与装箱控制系统设计

毕业设计论文-基于单片机的自动计数与装箱控制系统设计内容摘要：

一个脉冲。 信号经由放大、整形后传给单片机，使单片机进行一次计数操作。 PC机通过通讯接口与单片机进行数据通讯，控制方式为集散式。 PC 机用于集中管理 ，主要 负责 定时向下位机发送呼叫指令 ，并对 接收到 的 应答信号 做 近 一步的处理 ；三台 单片机 则用于分散控制，它们 分别对三条生产线进行监测计数控制 ，并将计数的结果 发送给上位机。 系统 原理框图如图 1－ 8所示。 图 1－ 8 系统原理框图 主要功能 此计数系统能够快速准确的统计车间内三条生产线上产品的日产量，并且对于不同类型的产品采用不同的器件采集数据。 反应快、不易受干扰。 采用集散 控制 系 8 统 ，各单片机 完成分散 控制， PC 机 进行 集中管理 ， 可靠性好， 结构灵活，布局合理，成本较低。 本章小结 本章主要对本课题的系统设计方案进行了论证，在众多方案中从性能、结构、可行性方面进行比较，最终选出最合理的方案。 然后就选定的设计方案做出总体构想，并且阐明了系统的工 作原理及主要功能。 9 2 硬件设计 单片机硬件设计 首先一个计数系统要选择合 适的单片机，其次就是单片机的电路设计。 它包括时钟电路、复位电路和抗干扰电路 的设计。 单片机的选择 单片机的弱点是运算速度较慢。 在要求响应速度快 、 实时性强 、 控制量多的应用场合 , 单个单片机难以胜任 , 此时虽然也可以选用高速微处理器如 DSP等 , 但综合考虑性能价格比和开发的难易程度 ,在运行速度更快 、 功能更强大 、 实时性更高 、受控执行机构更多 、 任务更复杂 、 人机界面更完善 、 地域跨度更广等应用场合 , 多单片机系统显示出优 越性。 MCS— 51 系列单片机是 8 位机的代表 , 在我国有广泛的应用市场。 基于以上考虑， 本课题选用 8051 芯片， 8051 单片机是 Intel 公司 MCS— 51系列的一种，是目前工业检测领域应用最广泛的一种。 8051 单片机逻辑符号如图 2— 1所示。 图 2— 1 8051 单片机逻辑符号 10 ⑴ 主电源引脚 Vcc 和 Vss ⑵ 时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2 ⑶ 控制信号引脚 ⑷ 输入 /输出（ I/O）引脚 单片机时钟电路的设计 单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须在外部附加电 路。 通常有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。 此处选用内部时钟方式， 8051 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。 在 XTAL1 和 XTAL2两端跨接一个片外石英晶体就构成了稳定的自激振荡器。 外接石英晶体时，接入电容 C1和 C2有利于振荡器起振，对频率有微调作用，电容 C1 和 C2的值常选择为 30PF。 振荡频率由石英晶体的谐振频率确定，此处振荡频率是 12MHz。 电路如图 2— 2 所示。 图 2— 2 8051 的内部时钟电路 在具体连接安 装时，石英晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好地保护振荡器稳定可靠地工作。 单片机复位电路的设计 51系列单片机之所以能得到广泛的应用，其中一个重要的因素是其稳定性能好。 因此系统稳定性对于单片机来说是至关重要的。 但是，任何控制系统也无法保证绝对稳定安全，所以当单片机出现系统故障如程序跑飞时，能够及时检测到错误并且及时复位，使控制系统恢复正常控制状态是必要的。 11 因此在安全性能要求很高的测控系统中就要避免程序跑飞导致系统失控的情况，这样就要用到复位电路。 51单片机复位引脚 RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连。 斯密特触发器用来抑制噪声，其输出在每个机器周期的 S5P2由复位电路采样一次。 只要在 RST引脚保持至少 2个机器周期的高电平，就可实现单片机复位。 在RST端出现高电平后的第 2个周期，执行内部复位，以后每个周期重复一次，直至 RST端变低。 在本课题中 采用 X5045芯片来实现复位控制 ，它把上电复位、看门狗定时器、电压监控和 E2PROM四种常用功能组合在单个芯片里，以降低系统成本、节约电路板空间。 其看门狗定时器和电源电压监控功能可对系统起到保护作用； 512 8位的 E2PROM可 用来存储单片机系统的重要数据。 X5045共 8个引脚，其中 WP是写保护输入引脚，只有 WP为高电平时才可以向 E2PROM 写数据； RST为复位输出引脚，复位时输出高电平； SI为串行输入引脚， SO为串行输出引脚， SCK为串行时钟引脚， CS/WDI为片选 输入 /看门狗复位输入 引脚。 SI、 SO、SCK和 CS 均可以和单片机任何一个 I/O引脚相连。 X5045 与单片机的连接图如图 2— 3所示。 图 2— 3 X5045与单片机的连接 看门狗定时器的作用是通过监视 WDI输入来监视单片机的工作状态来决定是否激活。 由于单片 机必须周期性的触发 CS/WDI引脚以避免 RESET信号激活而使电路复位，所以 CS/WDI引脚必须在看门狗超时 时间终止之前受到由高至低信号的触发。 而当单片机程序出现跑飞等 不正常的工作状态时， X5045就会及时检测到这一情况并且通过 RESET输出复位信号，控制单片机复位。 12 单片机系统抗干扰电路的设计 工业生产中的干扰一般都以脉冲形式进入 单片 机，干扰窜入系统的渠道主要有三条，即供电系统；过程通道；空间磁场。 通常防护措施如下： ⑴ 供电系统 在 单片机 系统中，最严重的干扰来源为电源的 污染 ，且 现在的单片机系统，大都使用市电（ 220V， 50Hz），在工业现场中，由于生产负荷的变化，如大的电机的启、停，强电继电器的通、断等，往往造成电源电压的波动，严重时直接影响单片机的正常工作。 因此 为了防止从电源系统引入干扰 和确保单片机的正常工作 ， 必须采取相应的措施。 一是要将 单片机 的供电与大功率的用电设备的电源分开，最好单独供电；二是 添加一个 低通滤波器。 在交流 220V 进线处，设置一个 低通滤波器 ，它对 50Hz 的市电影响很小，而对频率很高的干扰波具有很强的抑制力。 滤波器要加屏蔽外壳，并使其接地良好；进线端与出 线端要严格分开，以防止感应和辐射耦合。 电源变压器的初级绕组和次级绕组需分别加屏蔽层，初、次级间再加屏蔽层，且初级的屏蔽层接交流电网的零线，次级屏蔽层和初、次级间的屏蔽层接至直流地端。 电路如图 2— 4 所示。 图 2— 4 对交流电源的滤波和屏蔽 ⑵ 输入输出通道 13 输入输出通道是单片机与传感器、单片机与上位机以及单片机与执行机构之间的信息传送的路径。 在系统中，传输线上的信息多为脉冲波和较弱的测量信号电压，在长线传输时会产生衰减、延时、畸变。 信号隔离是抵抗外界干扰的必要而有效的措施， 常采用光电隔离 器使 系统与各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来，阻挡 外界的共模电压和外界串入的电磁干扰，从而保证单片机的工作环境，使整个系统正常运行。 本课题采用 6N137 光电隔离 器 ，其结构原理图 如图 2— 5 所示。 图 2— 5 6N137 结构原理图 其输入端配置发光源，输出端配置发光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的，这样使夹杂在输入端的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一侧。 ⑶ 屏蔽和接地 在工业生产的现场难免有 电磁干扰 会窜入单片机，影响系统工作。 为了防止 电磁干扰从空间侵入 ，需 用钢板做机壳将单片机系统屏蔽起来，再将外壳接地。 数据采集部分硬件设计 针对一个车间内三条生产线上生产出的不同类型的产品，采用不同的器件进行数据采集：用电感式接近开关对金属产品进行计数，用电容式接近开关对非金属产品进行计数，用光电传感器对各种类型产品进行计数。 用电感式接近开关采集金属产品 电感式接近开关 和单片机组成的金属产品计数部分硬件原理图如图 2— 6所示。 14 图 2— 6 电感式接近开关检测金属物品原理图 工作流程如下： 当 金属物体在接近 电感式接近开关 能产生电磁场 的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。 这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化， 输出的信号经过整形检波、信号处理后加到单片机的输入端，从而进行一次计数。 电感式接近开关的优点是 无接触，无压力、无火花、迅速发出 电气 指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力 都是其他普通开关无法比拟的。 用电容式接近开关采集非金属产品 电 容 式接近开关 和单片机组成的非金属产品计数部分硬件原理如图 2— 7所 示。 图 2— 7 电容式接近开关检测非金属物品原理图 工作流程如下： 当非金属物体 移向 电容式 接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化 ，输出的信号经过信号处理后加到单片机的输入端，从而进行一次计数。 15 用光电传感器采集产品 由于 光电传感器 的分类品种繁多，选择一个合适的传感器是首要的任务，其次是对 信号放大、波形变换和波形整形。 ⑴ 光电传感器的选择 可选用由高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光敏晶体管组成 的直射式光电传感器。 其内部 电路如图 2— 8所示。 图 2— 8 内部电路示意图 采用 这种 红外光电传感器，进行非接触式检测。 当有物体挡在红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间时，传感器将会输出一个低电平，而当没有物体挡在中间时则输出为高电平，从而形成一个脉冲。 ⑵ 信号放大、波形变换和波形整形 电路设计 对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机相连的信号。 原理如图 2— 9 所示。 图 2— 9 电路设计原理图 16 ① 信号预处理电路 信号预处理电路如图 2— 10 所示。 图 2— 10 信号预处理电路 系统的信号预处理电路 由 二级电路构成，第一级是由开关三极管组成的零偏置放大器，采用开关三极管可以保证放大器具有良好的高频响应。 当输入信号为零或负电压时，三极管截止，电路输出高电平；而当输入信号为正电压时，三极管导通，此时输出电压随着输入电压的上升而下降。 由于放大器的放大功能降低了对待测信号的。