包装生产线自动计数系统设计Word文档格式.docx
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AT89C51
1、绪论
这章主要讲述生产线自动计数系统的研究背景,主要介绍目前正在使用的几种计数系统和未来的发展趋势。
确定了本文所选的技数系统,最后讲了本文的主要工作。
1.1研究背景
随着经济飞速发的今天,各企业都在运用高新技术武装自己。
在实际的生产工作中采用自动化设施是提高劳动生产率和经济效益最有效的途径。
隋着社会生产和科技水平的不断提高,大规模流水线作业已占据的社会的各行各业。
传统的人工方式容易漏计和错计,并且劳动强度大。
所以人工生产方式在其工作速度和精度上已不能满足现代化企业生产的需要。
生产流水线的计数系统的出现很好的解决了生产线上货物的计数问题。
它运用感测技术将待测物数量转换为与之有确定对应关系的信号输出,然后应用计算机技术对此信号分析、处理,最后计量出产品的数量值。
这样既提高了工作效率又有相当高的精度。
由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性好、系统机构简单、运用灵活等优点,在我国大中型企业已经得到广泛应用,并且已经成为我国经济发展不可或缺的部分,这也是未来企业的发展方向和趋势。
1.2包装生产线自动计数系统国内外发展现状
当今社会,基于单片机计数设备和以开发产品的微控制器技术为基础的控制技术发展迅速,在各个领域得到广泛的应用。
以单片机为核心的产品和设备,促进了生产技术水平的提高,因此企业迫切需要很多自动化工程技术人员。
电子计数器是一种多功能的电子测量仪器,他采用电子检测在一段时间的输入脉冲数,以数字形式显示结果。
当今的自动计数器产品大多采用非接触的方式,并且开发出多种型号的专用测试芯片。
大多使用AT89C51为核心,辅以各种外设控制单元的自动计数装置应用已成为趋势。
但是,如何提高自动化技术系统的抗干扰能力、稳定性等是国内外生产研究的自动计数器的重要课题。
自动计数是工厂流水线产品产量检测的主体,但其往往工作在极其恶劣的高温、高噪音、潮湿的环境中。
而已AT89C51的为核心的微控制器产品系列自动计数器工作在这种环境下程序会经常进入无限循环或出现单片机失去作用,这是基于单芯片自动技术产品存在的致命缺点。
1.3本文的主要工作
本文主要对以下几个方面研究和设计:
第一章绪论部分首先论述本课题的研究背景,简单介绍了几种主要计数系统的原理和优缺点,并选取了此次设计的方案。
第二章从系统的整体功能出发,明确系统的组成和工作原理,给出了系统硬件和软件的框架设计。
第三章详述系统硬件的设计,主要从红外检测电路、单片机的控制部分、数据显示和USB接口供电电路,包括芯片的选择和电路的设计。
第四章详细叙述系统软件设计和系统仿真,主要包括了主程序设计、中断程序设计。
仿真来验证系统的正确性。
第五章对本文进行总结。
2.系统的组成及工作原理
本章主要讲述技术系统的总体思路,方案的选取,系统的介绍了电路的大致框图和系统的工作原理。
2.1方案的选取
方案一、
图1、方案一总线驱动红外计数器
原理:
红外发射管发出一个信号,红外接收管接收。
由于红外接收管能够根据红外光电阻原理分压获得基准电压,然后通过电压比较器输出高低电平。
当红外光照射时,红外接收管串联的电阻分得的电压很大,使电压比较器输出低电平;
当无红外光照射时,红外接收器串联的电阻分得的电压很小,可使电压比较器输出高电平,然后通过单片机处理,输出计数值。
优缺点:
本方案涉及到广泛的知识,可以实现准确、稳定、自动的计数,但是电路硬件设计要求较高。
从中可以学习到很多知识,但是整个系统硬件电路比较复杂,所以系统抗干扰弱,不能保存数据,系统容易处于异常状态,容易出现死机。
所以本次设计不选择此方案。
方案二、
图2.方案二单芯片计数系统
原理:
本方案中红外发射电路以NE555为核心,红外接收电路以LM567为核心,共同构成红外检测电路,当有物体通过检测区时,就会产生一个脉冲。
而计数显示部分则使用了集译码、驱动、锁存、显示为一体的四合一芯片CL102。
由红外检测电路产生计数脉冲,然后通过CL102显示。
本方案是一个简单的自动计数器,但系统处于异常状态时,工作很不稳定。
而且方案中的各个部分都是现成的,只需要连接电路,比较简单,所以不选用此方案。
方案三、
图3方案三光电传感器计数系统
当生产线上没有物体通过是,红外传感器没有检测到外部信号,处于高电平状态;
当流水线有物体时,红外传感器检测到有外部信号,由原来的高电平状态变为低电平状态,产生信号。
将红外传感器的输出端与单片机I/O连接,通过软件设置内部寄存,当传感器的高低脉冲被单片机接收时,单片机产生中断,进入中断服务程序,通过设置中断服务程序,进行计数,并在数码管上显示。
本方案能完美实现自动计数功能,当系统处于异常状态和干扰时,专用的红外传感器检测电路和数码管显示非常稳定,所以整个系统稳定性好。
外围电路也相对简单,故选用该方案。
2.2系统的组成
系统的硬件框图为:
图4.系统的硬件框图
图4.为系统的硬件框图,它包括光电检测部分、单片机、LED数码器、复位及晶振电路、USB供电电路、报警电路等部分。
2.3系统的工作原理
包装生产线自动计数系统的研究主要围绕自动计数器的设计,系统主要由光电传感器、单片机、晶振电路、LED显示器,USB供电电路,报警电路等构成。
整条线路要达到完全自动化,满足现实的工作需要。
所有的系统命令由信号脉冲来下达。
例如在产品的出口处放置一个光敏感应器,其就会发出一个脉冲给下级,下级就会接到命令后,通过单片机对脉冲信号判断和处理,最后在LED显示器上面显示一个数,其数目之后自动叠加。
系统中电路的控制与信号的处理全部由单片机完成。
2.4总体设计方案
图5.总体电路图
工作原理为:
系统的总体设计方案如图5所示,当流水线上没有物体通过时,光电传感器没有检测到外部信号,传感器处于高电平状态;
当流水线上有物体时,物体进入检测区域,阻断光通过,由此光电传感器检测到有外部信号,由原来的高电平状态变为低电平状态,产生脉冲信号。
光电传感器的输出端与单片机的I/O端相连接,单片机对信号进行判断和处理(通过软件程序设置单片机内部寄存器,当传感器的高地脉冲被单片机接受到时,单片机产生中断,中断产生后进入中断服务程序,通过设置中断服务程序,进行计数。
)。
然后通过单片机的P0显示到数码管上,当需要复位时,按下复位开关,则计数器清零,重新开始计数。
当计数值达到最大值时,报警电路工作,发出报警信号,按下复位报警消除。
3.硬件电路设计
本章主要介绍自动计数系统的整体思路,系统的介绍方案的各个组成部分(光电传感器、单片机、晶振、LED数码管、复位电路、报警电路、USB供电电路)的概念和器件的选取以及各个部分的工作原理。
3.1红外线检测模块
3.1.1光电传感器的概念
光电传感器是一种采用光电元件作为检测元件的传感器,实现被测量变化到光电信号变化的转换,然后光电原件实现光信号到电信号的转换。
光电传感器作为检测元件具有精度高、非接触、反应快、结构简单、形式灵活等特点。
它由3部分构成:
发送器、接收器、检测部分。
此外,红外光电传感器结构元件还有发射板和光导纤维。
光电传感器组成:
红外模块有3个I/O口,两个口分别接在电源的正负极,另一个为其输出口,如图6所示。
图6.光电传感器输出回路图
3.1.2光电传感器的分类及工作方式
1)槽型光电传感器
把一个光电发射器和一个接收器面对面的装在一个槽的两侧的是槽型光电。
发射器能发出红外光或可见光,在无阻情况下光接收器能收到光。
但当被检测物体从槽中通过时,光被遮挡,光电传感器便动作。
输出一个开光控制信号,切断或接通负载电流,从而完成一次控制动作。
它的检测距离一般只有几厘米。
2)对射型光电传感器
这类传感器把发光器和收光器分离开,就可以使检测距离加大。
它的检测距离可达几米乃至几十米。
使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧,检测物体通过时阻挡光路,收光器就动作输出一个开光控制信号。
3)反射板型光电开关
把发光器和收光器装入同一个装置内,在它的前方装一块反光板,利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式光电开关。
正常情况下,发光器收不到光时,光电开光就动作,输出一个开关控制信号。
4)扩散反射型光电开关
它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器,但前方没有反射板。
正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的,当检测物通过时阻挡了光,并把光部分反射回来,收光器就收到光信号,输出一个开光信号。
本次设计欧姆龙公司的E32-T16J光电传感器,因为在毕业实习时,实习的公司均采用此型号,比较熟悉。
该类型光电传感器检测距离在0.1m-2m,适合大多数的计数场合。
外径尺寸12MM。
此光电传感器的应答时间在1ms以下(动作、复位时间),则脉冲信号不能大于1000Hz。
3.1.3光电传感器的工作原理
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。
图7.光电传感器工作原理
光电传感器的工作原理如图5所示,发送器对准目标发射光束,发射的光束一般来源于半导体光源,发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。
光束不间断地发射,或者改变脉冲宽度。
接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。
在接收器的前面,装有光学元件如透镜和光圈等。
在其后面是检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号。
3.1.4红外检测电路与单片机连接图
`
图8.单片机与红外模块连接图
图9.单片机与红外模块仿真图
图9为单片机与红外模块的连接仿真图,应为光电传感器又称为光电开关,并且输出为脉冲信号,所以此处用时钟脉冲信号代替红外模块。
根据实习时老师的介绍和对检测距离的判定,此次毕业设计选用欧姆龙公司的E32-T16J光电传感器作为外部检测部件。
3.2单片机模块
3.2.1AT89C51单片机的引脚图及功能
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8为微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
图10.89C51单片机引脚图
管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址第八位。
在FLASH编程时,P0口作为原码输入口,当FLASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TLL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接受。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高8位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接受高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接受输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后。
它们被内部上拉为高电平,并且作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INTO(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4TO(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接受一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节,在FLASH编程期间,当引脚用于输入编程脉冲,在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)。
不管是否有内部程序存储器,注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;
当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来至反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XIAL1和XTAL2分别为方向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
均采用外部时钟源驱动器件。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.2.2单片机最小系统
图10.单片机最小系统
图3.3.2为单片机最小系统,它由电源、EA=1、时钟信号、复位电路和晶振电路组成。
此系统的工作电压为5V,EA接高电平,外部振荡器信号应直接添加在XTAL1、XTAL2上。
XTAL1是片上振荡器放大器反向输入,和XTAL2输出使用一个外部振荡器。
内部模式,时钟发生器的振荡频率的脉冲晶振频率一般为1MHz
-24MHz的。
电容约需要30PF。
系统时钟电路设计的内部,即使用片上振荡器电路。
AT89C51内部有一个高增益反相放大器,用于构成振荡器。
放大器管脚的输入和输出是XTAL1和XTAL2。
该放大器芯片的晶体谐振器作为反馈元件一起构成自激振荡器。
电容器C1和C2组成一个并联谐振电路连接到放大器的反馈环路构成外部石英晶体谐振器。
电容的大小会影响振荡器的频率水平。
因此,本系统的12MHz晶振电路电容一般选为10pF-30pF的陶瓷电容。
3.2.3单片机中断计数部分
单片机的中断分为:
外部中断,串行中断和定时器中断。
中断的概念:
当CPU正在执行程序时,外部发生了某一随机事件请求CPU迅速处理,CPU暂时中止执行的程序,转去处理所发生的事件,中断处理完毕,再回到原来被中止的断点执行原程序,这个过程叫中断。
中断常用于I/O处理,故障处理。
51单片机中断系统有5个中断请求源:
1./INT0外部中断0请求,低电平有效。
通过P3.2引脚输入。
2./INT1外部中断1请求,高电平有效。
通过P3.3引脚输入。
3.T0定时器/计数器0溢出中断请求。
4.T1定时器/计数器1溢出中断请求。
5.TX/RX串行口中断请求。
说明:
1、2为外部中断;
3、4为定时器中断;
5为串行中断。
本次设计采用外部中断的方式,注重介绍外部中断。
外部中断的触发方式有电平触发方式、跳沿触发方式。
若外部中断定义为电平触发方式,外部中断申请触发器的状态随着CPU在每个机器周期采样到的外部中断输入线的电平变化而变化。
提高了CPU对外部中断请求的响应速度。
当外部中断被设定为电平触发方式时,在中断服务程序返回之前,外部中断请求输入必须为高电平,否则CPU返回主程序会再次响应中断。
所以,电平触发方式适合于外部中断以低电平输入而且中断服务程序能清除外部中断请求源的情况;
跳沿触发方式外部中断申请触发器能锁存外部中断输入线上的负跳变。
在这种方式里,如果相继连续两次采样,一个机器周期采样到外部中断输入为高,一个机器周期采样为低,则置1中断申请触发器,知道CPU响应此中断时,该标志才清0。
这样不会丢失中断,但输入的负脉冲宽度至少保持12个时钟周期,才能被CPU采样到。
所以,跳沿触发方式适合于以负脉冲形式输入的外部中断请求。
所以本次设计采用外部中断的跳沿触发方式。
图12为本次设计中断部分仿真图。
3.3LED数码管模块
3.3.1LED结构和特点
LED数码显示器是一个发光二极管显示结构的组合,常用为8段数字显示,分为共阴极数码管和共阳极数码管。
LED数码管作为显示输出设备,具有显示清晰、高亮度、低电压、寿命长等优点。
和单片机接口连接方便,基本能够满足单片机应用系统的需求,常用于单片机领域。
本次设计选用共阳极数码管。
常见数字和字符共阴极和共阳极字段码如表1所示。
其结构如图13所示。
显示字符
共阴极字段码
共阳极字段码
3FH
C0H
C
39H
C6H
1
06H
F9H
D
5EH
A1H
2
5BH
A4H
E
79H
86H
3
4FH
B0H
F
71H
8EH
4
66H
99H
P
73H
8CH
5
6DH
92H
U
3EH
C1H
6
7DH
82H
T
31H
CEH
7
07H
F8H
Y
6EH
91H
8
7FH
80H
L
38H
C7H
9
6FH
90H
8.
FFH
00H
A
77H
88H
“灭”
00
B
7CH
83H
””
表1、常见数字和字符共阴极和共阳极字段码
图11.数码管结构图
(a为共阴极;
b为共阳极;
c为结构图)
3.3.2LED数码管的译码方式
译码方式:
指由显示字符转换得到对应的字段码的方式,分为硬件译码和软件译码两种方式。
(本次设计采用软件译码,所以介绍软件译码)
软件译码分为静态显示和动态显示两种。
LED静态显示,其公共端直接接地(共阴极)或接电源(共阳极),各段选线分别与I/O口线相连。
要显示字符,直接在I/O线送相应的字码段。
LED动态显示是将所有的数码管的段选线并接在一起,用一个I/O口控制,公共端不是直接接地(共阴极)或电源(共阳极),而是通过相应的I/O口线控制。
本次设计采用动态显示。
3.3.3LED数码管显示部分
本次设计的数码管显示部分是通过四个数码管来完成,接到P0上,P0负责段选码,P2.0-P2.3输出位选码,并在然后通过软件译码来完成,数码管在动态扫描时,每点亮一个数码管的时间短暂,这样会影响到数码管的亮度,故使用共阳极数码管,共阳极数码管显示亮度好。
本次设计的中段码输出口是利用P0口作为输出口,而P0口试漏极开路,虽然有很强的馆电流能力,但拉电流能力很差,需要在P0口加一个1K的
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