畢業(yè)設(shè)計-基于單片機的皮帶傳輸控制系統(tǒng)

本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文) 基于單片機的皮帶傳輸控制系統(tǒng)Belt Transmission Control System Based on Single Chip Microcomputer 學(xué) 院：專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 年 月畢業(yè)設(shè)計（論文）中文摘要基于單片機的皮帶傳輸控制系統(tǒng)摘 要：隨著現(xiàn)代社會中物流等產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的人工搬運手段已經(jīng)不能滿足物資爆炸式增長下的輸送和復(fù)雜條件下運輸?shù)男枨?。皮帶傳輸機由此產(chǎn)生，并快速的發(fā)展應(yīng)用到多個領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)和社會生活中必不可缺的一部分?；趩纹瑱C的皮帶傳輸控制系統(tǒng)用到了硬件由5個模塊組成，核心控制器是STC89C52微處理器;以L298N驅(qū)動芯片作為核心的電機驅(qū)動電路;限位開關(guān)作為檢測皮帶傳輸機安全的傳感器;按鍵切換電機的模塊,以及報警模塊。當(dāng)皮帶發(fā)生跑偏或斷裂時,限位開關(guān)閉合,向單片機中斷口發(fā)出低電平信號。處理器對此外部中斷信號執(zhí)行相應(yīng)的中斷命令,及時的進(jìn)行聲光報警,提示操作人員,并且能夠自動的關(guān)閉傳輸機,避免意外的發(fā)生,實現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制。關(guān)鍵詞：限位開關(guān)；電機驅(qū)動；單片機；智能控制畢業(yè)設(shè)計（論文）外文摘要Belt Transmission Control System Based on Single Chip MicrocomputerAbstract: With the rapid development of logistics and other industries in modern society, the traditional methods with manual handling cant meet the demand for transportation under the explosive growth and complex transportation conditions. Belt conveyor has been produced, rapid development and application to a number of scopes, becoming an indispensable part in industrial production and social life. The hardware of based on the single-chip belt transmission control system consists of five modules, the core controller is STC89C52 microprocessor; the kernel of motor drive is L298N driver chip; limit switch as a belt conveyors safety sensor; change motor running mode by buttons, and alarm module. When the belt occurs deviation or break in running, the limit switch will close, and issued level low signal to the microcontroller interrupt. The processor executes interrupt command corresponding to the external interrupt signal, and carries out the sound and light alarm in time, prompting operator and being able to automatically turning off the transmission machine to avoid unexpected occurrence, ultimate realization intelligent control at the system.Key words: limit switch; motor drive; single chip; intelligent control目 錄1 緒 論11.1 課題的研究背景11.2 課題的研究目的與意義11.3 皮帶傳輸機的發(fā)展與現(xiàn)狀21.4課題的研究內(nèi)容22 皮帶傳輸機的總體方案設(shè)計42.1系統(tǒng)的功能要求42.2 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)42.2.1系統(tǒng)的電源模塊42.2.2系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)53 系統(tǒng)的硬件設(shè)計6總體電路63.1 主控電路63.2 限位開關(guān)電路的設(shè)計93.2.1 限位開關(guān)93.2.2 74LS08與門103.3 電機驅(qū)動模塊電路設(shè)計及電機電路113.3.1 電機驅(qū)動模塊介紹113.3.2 電機電路133.4 聲光報警提示電路133.4.1 燈光提示電路133.4.2 聲音報警電路143.5 按鍵電路153.6 指示燈164 系統(tǒng)的軟件設(shè)計184.1 軟件介紹184.1.1 Altium Designer184.1.2 Proteus184.1.3 Keil uvision4194.2 程序設(shè)計204.3 系統(tǒng)程序流程圖225基于單片機的皮帶傳輸控制系統(tǒng)的測試結(jié)果23結(jié) 論26致 謝27參 考 文 獻(xiàn)281 緒 論1.1 課題的研究背景隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展,古人傳統(tǒng)的人搬牛拖的輸送方式已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代社會物資爆炸式增長下的輸送需求以及復(fù)雜狀況下(如山洞、極端天氣等)運輸?shù)囊?皮帶傳輸機由此應(yīng)運而生。第一部帶式輸送機于1868年出現(xiàn)在英國,應(yīng)用于多種場合,并發(fā)展演化出其他類型的輸送機。皮帶傳輸機又稱帶式輸送機,是一種依靠電機運轉(zhuǎn)來帶動傳送帶發(fā)生位移,從而將傳送帶上物體進(jìn)行傳送的裝置,現(xiàn)已成為一種通用機械,它既可以運送零碎材料,也能夠輸送成件產(chǎn)品。皮帶傳輸機不僅局限于材料傳遞,它還能夠與企業(yè)生產(chǎn)過程中的工藝流程要求協(xié)同工作,構(gòu)建現(xiàn)代化的自動化生產(chǎn)線。工作中噪音小,而且結(jié)構(gòu)簡單,便于維護(hù),此外還有輸送量大、成本低、通用性強等不容忽略的優(yōu)勢1。依靠摩擦力的作用,皮帶傳輸機不僅可以在水平方向上輸送物資,還可以傾斜傳送,已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域不可缺少的部分。當(dāng)前,皮帶傳輸機的控制系統(tǒng)主要依靠3種方式實現(xiàn):第一種是繼電器控制系統(tǒng):繼電器有3個引腳,通過控制管腳端的電壓來改變引腳的連接位置,已實現(xiàn)類似開關(guān)的功能;受材料和設(shè)計的影響,其閉合次數(shù)有著壽命的限制。作為依靠硬件邏輯連接的控制系統(tǒng),繼電器的可維修度最高,系統(tǒng)中每個器件的故障都可能引發(fā)整個系統(tǒng)崩潰,將故障擴大,不易查錯。而且繼電器的工作頻率很低,觸點的每次動作要耗時幾十毫秒,在開閉時會產(chǎn)生電弧,對觸點造成損傷的同時還伴隨有機械磨損。綜上所述,繼電器控制系統(tǒng)使用時間短,工作時可靠性低,不建議使用。（2）第二種是單片機控制系統(tǒng):單片機又名微處理器,是在半導(dǎo)體晶元上運用超大規(guī)模集成技術(shù)以激光刻制而成的微型處理器。得益于集成電路技術(shù)的出現(xiàn),單片機雖然很小,但是功能卻很完備。它將計算機中的中央處理器CPU,隨機存儲器RAM,只讀存儲器ROM都集成到了一起,雖然在運算量上不能與真正的計算機相比,但卻有著計算機不可替代的作用。單片機同時將輸入輸出口集成到了芯片上,可以使外部電路更簡單,能實現(xiàn)較復(fù)雜的控制,具有較大的靈活性和適應(yīng)性,而且控制精度高,能進(jìn)行多機聯(lián)網(wǎng)。（3）第三種是工業(yè)控制計算機控制系統(tǒng):工業(yè)控制計算機作為一種工具的總稱,具有對生產(chǎn)步驟及機械裝置、工藝設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制的能力。工業(yè)控制計算機有著重要的計算機屬性和特征,比如包含計算機的中央處理器、硬盤、內(nèi)存、外設(shè)及接口,還有操作系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議、計算能力以及友好的人機界面2?？胺Q是功能最強大的控制系統(tǒng),優(yōu)勢突出，例如：極高的運行速度,強大的運算能力和接口功能、方便的軟件環(huán)境;同樣，缺點也很明顯：成本高,體積大,通常只在大型控制系統(tǒng)中使用3。1.2 課題的研究目的與意義單片機控制系統(tǒng)略差于工業(yè)控制計算機控制系統(tǒng)，但大大優(yōu)于繼電器控制系統(tǒng),可以實現(xiàn)大部分的控制方式，而且種類多，價格低，通用性強，便于使用。工程師在選擇控制系統(tǒng)的控制器時,要考慮多種方面的因素：選用的控制器功能否滿足設(shè)計的需要；控制器的價格高低；開發(fā)的難度、周期等等,而單片機種類多樣，所以通常都被優(yōu)先考慮。而且,單片機的體積小,重量低,適用于很多小型的控制系統(tǒng)。單片機控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得皮帶傳輸機的運用不僅僅局限與大型設(shè)備和工廠中，小型、移動式的皮帶傳輸機的需求也得到滿足，擴大了皮帶傳輸機的應(yīng)用范圍，極大地滿足人們和社會發(fā)展力的需求，促進(jìn)經(jīng)濟和社會的發(fā)展。此外，單片機控制系統(tǒng)的出現(xiàn)可以避免技術(shù)壟斷的局面，給人們更多樣化、差異化的選擇余地。1.3 皮帶傳輸機的發(fā)展與現(xiàn)狀我國對傳送機很早就有了認(rèn)識，早在唐朝就出現(xiàn)了高轉(zhuǎn)筒車，其后不斷發(fā)展，但動力主要是由人力、畜力提供，在自動化工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較晚。后來通過“八五”期間的奮力追趕,我國的皮帶傳輸機發(fā)展的水平有了很大的提高，一些涉及功率大、距離長的技術(shù)瓶頸被順利攻克。在國外，皮帶輸送機技術(shù)的發(fā)展很快,主要從2個方面表現(xiàn)出來:一是皮帶輸送機的功能更多樣，能滿足更多的使用需求，因而應(yīng)用范圍更廣闊;另一方面是皮帶輸送機本身的技術(shù)與裝備有了巨大的發(fā)展,主要的發(fā)展方向轉(zhuǎn)向研究制造長距離、大運量、高帶速的大型皮帶輸送機,其核心技術(shù)涉及皮帶傳輸機的動態(tài)分析與監(jiān)控技術(shù),用于提高皮帶傳輸機的運行穩(wěn)定性和可靠性4。目前，其運用的主要技術(shù)和設(shè)備有下面4個特點5:設(shè)備大型化。監(jiān)控方式上，主要運用的技術(shù)有動態(tài)分析、計算機監(jiān)控以及機電一體化,實現(xiàn)了對輸送機的實時監(jiān)測和控制。電機驅(qū)動電動運用多級驅(qū)動和中間驅(qū)動及其功率平衡技術(shù)，使傳輸機輸送能力更強。關(guān)鍵部分采用新型、可靠性高的器件，降低傳輸機的故障率。1.4課題的研究內(nèi)容單片機控制的皮帶傳輸控制,主要功能是控制皮帶傳輸機的4個直流電機的啟停,外加限位開關(guān),實現(xiàn)對傳送皮帶的跑偏和斷裂檢測,避免人身和財產(chǎn)的損失。限位開關(guān)檢測到異常信號,立即通過單片機控制外圍的蜂鳴器和LED燈報警,提示操作人員關(guān)閉系統(tǒng)。本設(shè)計中,電機需要有輸送能力,因此對其功率有一定的要求,所以電機的選型需要慎重。此外,電機的驅(qū)動和控制系統(tǒng)也要重點研究,能夠在傳送機發(fā)生故障時迅速的切換電機的工作狀態(tài),避免人身和財產(chǎn)的損失。該項目的總體設(shè)計分為3個部分,分別是:(1)硬件部分:主要涉及單片機型號的選擇、監(jiān)測裝置的選擇和監(jiān)測電路的設(shè)計、電機驅(qū)動模塊的設(shè)計、皮帶傳輸機的設(shè)計、報警電路的設(shè)計、元器件參數(shù)的選擇以及一些數(shù)字邏輯電路的設(shè)計。(2)軟件部分:主要是選擇合適的應(yīng)用軟件,用C語言編制單片機的控制程序以及原理圖和仿真圖的繪制,還有一些原理圖庫的設(shè)計。(3)系統(tǒng)的綜合調(diào)試與分析完善:在硬件和軟件部分的設(shè)計都完成以后，將程序編譯器生成的文件導(dǎo)入Protues軟件的電路圖中進(jìn)行仿真運行,驗證設(shè)計的正確性,分析系統(tǒng)的不足及原因,重新修改完善，不斷往復(fù)。2 皮帶傳輸機的總體方案設(shè)計本系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)控制皮帶傳輸機的多種模式切換以及傳輸機狀態(tài)的實時檢測并能夠在傳輸機的異常狀態(tài)下自動關(guān)閉控制系統(tǒng)的功能,下面對系統(tǒng)的功能要求和實現(xiàn)方案做個簡單概述。2.1系統(tǒng)的功能要求基于單片機的皮帶傳輸控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)的主要功能如下:(1)模式切換:自動模式:自動模式啟動時,4個直流電機由由后向前每隔15秒依次啟動,然后再間隔10秒后啟動料斗。至此,系統(tǒng)進(jìn)入完全啟動狀態(tài)。關(guān)閉時,首先關(guān)閉料斗,10秒后關(guān)閉第一個直流電機,然后每隔15秒向程序的堆棧一樣,依次關(guān)閉剩下的直流電機。若是在發(fā)現(xiàn)異常狀況,系統(tǒng)還沒有完全啟動需緊急關(guān)閉系統(tǒng)時,系統(tǒng)應(yīng)該能夠判斷當(dāng)前已經(jīng)啟動的部分,不再繼續(xù)將未啟動的部分繼續(xù)啟動,轉(zhuǎn)而將已啟動的部分依次關(guān)閉。手動模式則是一個復(fù)位開關(guān)對應(yīng)一個直流電機,方便查找故障。復(fù)位開關(guān)按下奇數(shù)次是啟動,偶數(shù)次是關(guān)閉。(2)燈光報警功能:當(dāng)限位開關(guān)檢測到位置變化,產(chǎn)生的信號變化,被單片機獲取分析,驅(qū)動蜂鳴器和LED燈對應(yīng)的單片機端口狀態(tài)改變,進(jìn)行燈光報警。同時應(yīng)該能夠檢測故障發(fā)生的位置,向異常關(guān)閉模式狀態(tài)時,有序的關(guān)閉系統(tǒng)。(3)指示功能:每個限位開關(guān)、電機和當(dāng)前的運行模式都用相應(yīng)的LED指示標(biāo)明,便于查錯。2.2 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)2.2.1系統(tǒng)的電源模塊本系統(tǒng)的主要目的是用單片機控制皮帶傳輸機,首要功能就是能夠使皮帶傳輸機的電機正常運轉(zhuǎn),而單片機自身的供電系統(tǒng)遠(yuǎn)不能滿足電機運轉(zhuǎn)的需要,所以需要在電機的驅(qū)動系統(tǒng)中外加電源。因為電機是作為皮帶傳輸機的動力裝置，只需要能夠在負(fù)載下正常運轉(zhuǎn)即可，對于轉(zhuǎn)速的變化等沒有要求，所以本設(shè)計中選用直流電機，用直流電為電機提供能量。我們正常使用的市電都是220V的交流電，需要將其轉(zhuǎn)化為電機需要的直流電，如圖2.1所示的整流穩(wěn)壓電路很好的解決了這個問題，而且可以為單片機提供電源，僅僅只需在輸出端并接穩(wěn)壓二極管和負(fù)載即可。改變穩(wěn)壓二極管的耐壓值，就可以為負(fù)載提供不同的電位的直流電源。圖2.1 直流穩(wěn)壓電路2.2.2系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)中使用的主要模塊有限位開關(guān)、單片機及其復(fù)位和晶振模塊、聲光報警電路、L298N電機驅(qū)動模塊、按鍵控制模塊、LED指示燈以及控制程序等。系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如下：單片機聲光報警模塊復(fù)位電路晶振電路LED指示燈按鍵模塊電機驅(qū)動模塊限位開關(guān)3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計總體電路圖3.1 基于單片機控制的皮帶傳輸系統(tǒng)硬件電路圖上圖是Altium Designer軟件繪制的電路總體電路圖,包含了1個主控電路、2個電機驅(qū)動模塊和4個直流電機、8個帶獨立指示燈的限位開關(guān)、模式指示燈、6個復(fù)位開關(guān)，1個作手動開關(guān)，一個作關(guān)閉自動模式開關(guān)，剩下4個對應(yīng)手動模式下的電機，其中1個復(fù)用作自動模式開啟開關(guān)。3.1 主控電路本設(shè)計中共使用了26個I/O口，包括兩個中斷口外部中斷0和外部中斷1，因此選用的微處理器的并行口必須要大于20個，并具有中斷控制功能。其產(chǎn)量應(yīng)該高，這樣價格低，被大眾熟悉，穩(wěn)定性有保障，便于大規(guī)模生產(chǎn)、維護(hù)，成本低。因此，選用STC89C52單片機最合適不過。STC89C52作為一種功耗低、性能高的CMOS8位單片機,采用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核。STC公司在MCS-51內(nèi)核的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化加強，使得STC89C52芯片的功能得到進(jìn)一步的延伸，有著比MCS-51更多的功能。表1列舉了兩款微處理器的區(qū)別。表3-1:STC89C52和MCS-51微處理器參數(shù)微處理器型號STC89C52MCS-51程序存儲器8KB4KB數(shù)據(jù)存儲器512B128B輸入輸出口32個32個看門狗有無EEPROM4KB無定時計數(shù)器3個2個外部中斷4個2個中斷結(jié)構(gòu)7向量4級（兼容51的）5向量2級全雙工串行口有有并行口P0P3接口的功能如下:5STC89C52單片機共有32根輸入輸出口,分為P0、P1、P2、P3，共4組，每組8根。P0口具有雙重功能:一、8位雙向I/O口,此時帶負(fù)載能力較弱,通常在外部另接一組上拉電阻解決此問題;二、還能作為低8位地址/數(shù)據(jù)總線的接口連接外接存儲器。P1口單一接口功能，8位準(zhǔn)雙向I/O口。 P2口具有雙重功能:一、8位準(zhǔn)雙向I/O口;二、作為單片機高8位地址的地址總線接口連接外接存儲器,與P0口的低8位地址總線一起組成16位地址總線。P3口雙重功能：一、8位準(zhǔn)雙向I/O口；二、作為第二功能使用，每一位功能定義如表3-2所示。表3-2：P3口的第二功能端口引腳第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（串行輸入）TXD（串行輸出）INT0（低電平有效，外部中斷0）INT1（低電平有效，外部中斷1）T0（定時器0/外部計數(shù)器）T1（定時器1/外部計數(shù)器）WR（低電平有效，外部數(shù)據(jù)存取器寫選通信號）RD（低電平有效，外部數(shù)據(jù)存取器讀選通信號） 圖3.2 STC89C52 DIP封裝圖STC89C52的中斷技術(shù)概述:中斷技術(shù)主要用于實時監(jiān)測與控制,要求單片機能及時地響應(yīng)中斷請求源提出的服務(wù)請求,并作出快速響應(yīng)、及時處理6。單片機的中斷分為外部中斷和內(nèi)部中斷兩種，外部中斷通常需要與單片機的外部中斷口相配合，內(nèi)部中斷由單片機的定時計數(shù)器產(chǎn)生。當(dāng)微處理器檢測到中斷信號產(chǎn)生,會判斷是否滿足中斷要求，一切條件都滿足時，單片機就暫時中止當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù),跳入中斷服務(wù)程序處理中斷服務(wù)請求7。在中斷服務(wù)任務(wù)執(zhí)行完畢后,再跳回原來任務(wù)的終止處,繼續(xù)執(zhí)行原來未執(zhí)行完的任務(wù)。中斷也有中斷優(yōu)先級之分,外部中斷0 定時計數(shù)器0 外部中斷1定時/計數(shù)器1串行中斷。圖3.3 中斷的響應(yīng)和處理過程中斷技術(shù)極大地提高了單片機的工作效率和實時性，去除了單片機在查詢方式中的等待現(xiàn)象，是單片機在進(jìn)行多線程任務(wù)時經(jīng)常使用的方式。3.2 限位開關(guān)電路的設(shè)計圖3.4 限位開關(guān)電路如圖3.4所示，在這個電路中，不僅僅有限位開關(guān)，還有LED指示燈。在傳輸節(jié)的每節(jié)傳送帶上都配兩個限位開關(guān)，一個檢測皮帶的跑偏，另一個檢測皮帶的斷裂。每個限位開關(guān)都可以單獨工作，一旦開關(guān)閉合，即表示皮帶發(fā)生故障，此時電路導(dǎo)通，對應(yīng)限位開關(guān)的LED指示燈開始發(fā)光，這樣便于查找故障，節(jié)省時間。3.2.1 限位開關(guān)限位開關(guān)又稱行程開關(guān),可以安裝在靜止或運動的物體上。與繼電器的工作方式類似，當(dāng)運動的物體靠近靜止的物體時,開關(guān)的連桿驅(qū)動開關(guān)將原本閉合的開關(guān)打開或?qū)⒋蜷_的開關(guān)閉合，改變電路的導(dǎo)通狀態(tài)去控制電路8。如圖3.5所示圖3.5 限位開關(guān)限位開關(guān)按接觸方式分為接觸式和非接觸式兩種。和字面意思一樣，接觸式就是限位開關(guān)與物體有著直接的接觸，通過碰觸改變限位開關(guān)的狀態(tài)，達(dá)到控制的目的。非接觸式就是借助各種不需接觸就能傳遞信號的物質(zhì)改變當(dāng)前的限位開關(guān)電路的參數(shù)，以實現(xiàn)開關(guān)開閉的功能，比如能夠被感應(yīng)的射頻，半導(dǎo)體的光電效應(yīng)等。在本設(shè)計中選用接觸式的限位開關(guān),因為其價格更低,精度更高,不容易出現(xiàn)故障。限位開關(guān)按照開關(guān)觸點閉合和斷開頻率的不同,分為以下2種9。(1)緩動開關(guān):此類開關(guān)的閉合和斷開運轉(zhuǎn)切換的時間與開關(guān)的操作頻率有關(guān),操作的頻率越快,開關(guān)的切換也越快，靈敏度高。(2)速度開關(guān):此類開關(guān)的閉合和斷開的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的時間為一常數(shù)，它與開關(guān)被操作的頻率無關(guān),只要開關(guān)觸點移動到一定位置時,開關(guān)就會閉合或斷開,此過程耗費的時間一般為彈簧彈跳所必須的時間。此設(shè)計中選用速度開關(guān)，因為此設(shè)計中并沒有對開關(guān)的操作頻率有要求，只有皮帶出現(xiàn)故障的時候才要求限位開關(guān)閉合，符合速度型限位開關(guān)的要求。由于限位開關(guān)的復(fù)雜特性，電路圖中選用閉合開關(guān)代替限位開關(guān)。3.2.2 74LS08與門圖3.6是用74LS08連接成的與邏輯門電路。圖3.6 與門邏輯電路與門的邏輯值如表3所示。表3-3：與門的邏輯值A(chǔ)BQ000010100111任意一個限位開關(guān)閉合后，端口電壓即置低，結(jié)合上表可知，輸出端K也隨之置低。輸出端K與外部中斷1口連接，當(dāng)端口信號為低時，中斷程序啟動，運行聲光報警模塊，啟動聲光報警器，完成報警功能。3.3 電機驅(qū)動模塊電路設(shè)計及電機電路3.3.1 電機驅(qū)動模塊介紹本設(shè)計中，電機驅(qū)動模塊是以2塊L298N芯片為核心，每個芯片配備8個IN4007二極管構(gòu)成的保護(hù)電路共同組成，能夠驅(qū)動100W以下的電機運轉(zhuǎn)。驅(qū)動電路如圖3.7所示圖3.7 L298N電機驅(qū)動模塊L298N是SGS公司的產(chǎn)品,內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路,可以根據(jù)需要兩兩組合，驅(qū)動兩個直流電機。直接調(diào)節(jié)電源VSS端口的電壓值就可改變輸出電壓值，輸出最高可達(dá)50V;L298N芯片的輸入口可直接連接單片機輸入輸出口;輸出端接上保護(hù)電路就可直接連接電機,使用方便。L298接受數(shù)字邏輯電平信號，芯片的工作電壓在5V左右。芯片的12腳VS接電源電壓,電壓調(diào)節(jié)范圍在+2.5至46 V之間，VS值越大，電機的帶負(fù)載能力越強，但不可超過上限，以免芯片被燒毀。芯片的輸出電流最高可達(dá)2.5 A,可驅(qū)動電感性負(fù)載。L298N芯片的內(nèi)部邏輯圖如圖3.8所示圖3.8 L298N內(nèi)部邏輯圖L298有多種型號,此設(shè)計中采用芯片型,共有20個引腳。其中INPUT1、INPUT2、INPUT3、INPUT4端口連接單片機,控制電機的運行模式;OUT1、OUT2通過二極管組成的保護(hù)電路后連接電機1,OUT3、OUT4通過二極管組成的保護(hù)電路后連接電機2;ENA、ENB是L298N芯片的使能端,用于控制電機的啟停,還可以連接單片機的PWM口,改變占空比實現(xiàn)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的功能。傳送帶系統(tǒng)中均已電機作傳送帶的動力源,根據(jù)需要，本系統(tǒng)中電機無需改變電機轉(zhuǎn)速,故而全部連接+5V高電平,電機也只需要正轉(zhuǎn)和停止模式兩種。L298N的引腳狀態(tài)功能如表4所示表3-4：L298N功能模塊ENAIN1IN2運行狀態(tài)01111X1010X0110停止正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)剎停停止在每根輸出線上都加上2個反接的二極管是用于保護(hù)L298,因為電機作為感性負(fù)載，在運轉(zhuǎn)過程中兩邊會產(chǎn)生反電勢,沖擊L298芯片,極易燒毀芯片。其原理是:當(dāng)反電勢為正,大于電源電壓0.7V以上時,上端的二極管被導(dǎo)通,此時輸出線電壓就被限制在電源的電壓+0.7V間,不會大于這個數(shù)值；當(dāng)反電勢為負(fù),低于-0.7V時,下端的二極管被導(dǎo)通,此時輸出線電壓就被限制位在-0.7V上,不會低于-0.7V了10。這兩個二極管的功能就將輸出線上電壓被箝位在-0.7V+Vcc+0.7V之間，保護(hù)電路的正常工作。3.3.2 電機電路圖3.9 電機電路如圖3.9所示的電機電路,由4個單獨的電機電路組成。每個電機電路中有1個直流電機，1個電阻以及一個發(fā)光二極管。直流電機在L298N驅(qū)動模塊的操控下實現(xiàn)啟停操作,但是電機的啟動和停止都需要時間,在剛開始時不好憑肉眼觀測,但是LED燈點亮不需要等待,這時可根據(jù)LED燈的亮滅判斷電機的啟停，因為本設(shè)計中電機的兩端電壓大，所以需要在LED燈的前端加入保護(hù)電阻。由于本系統(tǒng)中電機不存在反向運轉(zhuǎn),所以只需要1個LED燈即可，若是電機存在正反向運轉(zhuǎn)，可以同原有的LED燈一樣反向的加入電路中。3.4 聲光報警提示電路3.4.1 燈光提示電路圖3.10燈光提示電路LED全名發(fā)光二極管,也是單向?qū)?，它是利用電場直接將電轉(zhuǎn)換成光，與原來的白熾燈、節(jié)能燈利用三基色粉發(fā)光的原理都不同，效率高而且亮度強。LED產(chǎn)生的光是冷光，熱度低、節(jié)能、功耗低、亮度高、壽命長而且輻射低，與傳統(tǒng)的白熾燈、節(jié)能燈相比，優(yōu)勢極其明顯，已成為全球最受矚目的新一代光源，已被廣泛的應(yīng)用于家庭照明、汽車大燈、低溫照明等各種場合，是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的綠色照明光源10。本設(shè)計就是采用LED燈作為聲光報警的燈光提示部分。LED燈左端連接單片機P2.5口，定義為LED口，電阻右端連接+5V電源。平時，LED口電壓為高，LED燈兩端都是高電平，不能導(dǎo)通，所以不能發(fā)光。當(dāng)限位開關(guān)被觸發(fā)后，單片機將LED口電壓置低，此時LED燈兩端形成壓降，導(dǎo)通發(fā)光。程序中可以將LED端口的電壓設(shè)計成高低往復(fù)的，使得LED燈變成閃爍的，更引人注目。此處LED燈作報警使用，所以選擇紅色，紅色LED燈的導(dǎo)通壓降在2V左右，導(dǎo)通電流在20mA左右，顧選擇精度為1的金屬膜標(biāo)稱電阻，值為150。3.4.2 聲音報警電路圖3.11聲音報警電路蜂鳴器作為一種小電流驅(qū)動的發(fā)聲設(shè)備，廣泛的應(yīng)用于單片機系統(tǒng)的設(shè)計中，作為報警或提示使用。一般分為有源和無源兩種,有源蜂鳴器采用直流電供電，無源蜂鳴器則是采用方波供電。單片機端口的輸出電流一般只有5mA,達(dá)不到使蜂鳴器工作的閥值，所以通常在需要使用驅(qū)動電路使得蜂鳴器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。驅(qū)動電路一般使用三極管放大電路，包含以下3個部分:一個三極管、一個+5V電源、一個限流電阻，三極管的基極連接單片機的beep端口。此設(shè)計中選用NPN型9013三極管和有源蜂鳴器。平時,單片機的beep口置低,三極管的基極和發(fā)射集之間導(dǎo)通電壓不足,三極管CE端不能導(dǎo)通,此時蜂鳴器兩端無電動勢，不工作。當(dāng)限位開關(guān)被觸發(fā)后,beep口電壓置高,三極管BE集導(dǎo)通,則CE端導(dǎo)通，蜂鳴器兩端電壓電勢差約為3V，開始工作。另外,三極管在此電路中不僅僅充當(dāng)開關(guān)的作用,它還有放大電流的作用。此設(shè)計中,BE集的導(dǎo)通壓降約為0.7V,蜂鳴器的額定電壓在3V,額定電流僅有幾毫安,三極管的放大倍數(shù)在50以上,所以綜合考慮,選用誤差在1%的金屬膜電阻,阻值為2.2K。3.5 按鍵電路圖3.12按鍵電路本設(shè)計中按鍵電路的功能是控制傳送帶的工作模式，通過上拉電阻和接地實現(xiàn)鍵值的變化，比單純的接地更穩(wěn)定。電路模塊由6個復(fù)位按鍵組成，如圖3.12所示復(fù)位按鍵S1S4分別對應(yīng)手動模式下電機1電機4的控制，此外復(fù)位按鍵S1還具備在系統(tǒng)上電后，啟動自動模式運行的功能。按鍵S5的功能是關(guān)閉自動運行模式，S6則是在自動系統(tǒng)關(guān)閉后手動模式的啟動按鈕。單片機的鍵盤有獨立鍵盤和矩陣式鍵盤兩種形式，獨立按鍵通常是一個按鍵對應(yīng)一個端口，簡潔，而且程序設(shè)計部分不復(fù)雜；矩陣鍵盤的優(yōu)點是節(jié)省端口，在按鍵很多的設(shè)計中尤為使用。矩陣鍵盤是把按鍵按照宮格的方式排列，單片機的端口一部分作行檢測，一部分做列檢測，當(dāng)行列同時滿足條件，才能確定此按鍵按下。例如P0口有8個端口，4個作行檢測，4個作列檢測，這樣可以排布16個按鍵，比獨立式多了一倍。但是本設(shè)計中一共只用到了6個按鍵,單片機的剩余端口大于按鍵值,所以本設(shè)計中選用獨立鍵盤,方便程序的編寫。獨立式鍵盤的實現(xiàn)方法很簡單，只要單片機讀取I/O口的端電壓結(jié)合硬件電路就能判定按鍵是否按下，因為開關(guān)的一端接在單片機端口和電源和負(fù)載端，另一端接地。開關(guān)斷開時，單片機端口與電源端短接，而且單片機端口內(nèi)部采用上拉電阻的方式，保證此時單片機端口的電壓為高電平，但是一旦開關(guān)閉合后，單片機端口將與地短接，此時端口電平為低。這樣只需在程序中檢測此時單片機端口的電平狀態(tài)就能夠判定此時按鍵的開閉情況。按鍵防抖動是微處理器按鍵處理模塊的一個重要內(nèi)容。研究發(fā)現(xiàn)在某些需要按鍵控制的系統(tǒng)中，會出現(xiàn)按鍵按下后，系統(tǒng)沒反應(yīng)或者反應(yīng)過激的情況，甚至在某些有干擾的場合自動的跳轉(zhuǎn)，這都是未進(jìn)行按鍵去抖動的原因。按鍵的防抖動分為兩種，一種是硬件去抖動，另一種就是軟件去抖動，兩種都能降低了系統(tǒng)誤觸發(fā)的可能性。硬件去抖動一般是在按鍵兩端并上電容，濾除雜波，穩(wěn)定波形。軟件去抖動也比較方便，就是在判定按鍵是否被按下的過程中加入一個延時程序，然后再次判定。單片機的時鐘晶振運作次數(shù)每秒千萬級，延時時間設(shè)置為20毫秒，使微處理器有充分的時間判定，可以有效降低因抖動帶來的按鍵控制系統(tǒng)誤觸發(fā)的問題。3.6 指示燈圖3.13 指示燈 如圖3.13所示，此設(shè)計中單獨使用了4個LED燈作指示用途，其中LD指示燈是藍(lán)色LED燈；報警指示燈是紅色LED燈；自動和手動模式指示燈都是綠色的。LED燈的導(dǎo)通電壓的工作電流如表5所示表3-5：各顏色、型號LED燈的導(dǎo)通電壓和工作電流型號顏色導(dǎo)通電壓工作電流直插式紅2.0-2.2V約20mA黃1.82.0V藍(lán)3.03.6V綠3.03.2V貼片式紅1.82-1.88V5-8mA橙1.7-1.8V3-5mA蘭3.1-3.3V8-10mA綠1.75-1.82V3-5mA白3-3.2V10-15mA貼片式LED燈體積太小，不易焊接，所以本設(shè)計中全部采用直插式LED燈，由上表的LED燈工作參數(shù)，結(jié)合歐姆定律和KVL定理，選擇合適的保護(hù)電阻值，分別是100、150、100、100。4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計為了出色的完成設(shè)計，共使用了3種軟件，分別是繪制原理圖的Altium Designer、進(jìn)行仿真驗證的Proteus、程序編制的Keil uvision4，下面分別對這些軟件進(jìn)行簡單的介紹。4.1 軟件介紹4.1.1 Altium DesignerAltium Designer 是繪制原理圖，制作PCB版圖常用的軟件之一，以前叫做Protel，有個經(jīng)典的版本Protel 99SE，是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司基于Windows操作系統(tǒng)推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，集結(jié)了原理圖設(shè)計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣硬季€、信號完整性分析和設(shè)計輸出等多種使用功能,而且可以根據(jù)使用需要，自行設(shè)計原理圖庫文件，方便實用，廣受電子設(shè)計人員的喜愛,是電子設(shè)計人員必不可缺的應(yīng)用軟件之一11。圖4.1 Altium Designer原理圖繪制界面4.1.2 ProteusProteus軟件的主要功能是進(jìn)行仿真，而且仿真的結(jié)果很接近實物，是電子設(shè)計人員驗證產(chǎn)品不可或缺的應(yīng)用軟件之一。它由英國Lab Center Electronics公司推出,也是基于Windows操作系統(tǒng)，具有其它EDA工具軟件所不具備的仿真單片機及其外圍器件的能力,使用簡單，是目前單片機方向非常好的一款仿真工具。把原理圖設(shè)計、代碼調(diào)試到單片機和外圍電路統(tǒng)一運作,真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計，是目前世界上唯一能將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺,其處理器模型支持多種單片機的仿真運行，包含8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等等,本設(shè)計中用到的就是8051系列的單片機12。圖4.2 Proteus仿真運行界面4.1.3 Keil uvision4C語言作為一種面向過程的高級語言，也包含了許多低級語言的特點，功能豐富、表達(dá)能力強、使用靈活方便、可移植性好，適用于嵌入式程序的編寫13。和C語言相比,匯編是上一代的語言，更貼近硬件，但是在可讀性、可維護(hù)性上都不如C語言，因此本設(shè)計的程序代碼選用C語言編寫。圖4.3 Keil uvision4軟件界面Keil uVision4是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件的第4代開發(fā)系統(tǒng)，全Windows界面，包含MDK-ARM,C51,C166和C251共4種,本設(shè)計中用到的是Keil C51。Keil C51完美支持C語言代碼，編譯效率高，免去了使用匯編語言帶來的尷尬局面，讓對硬件了解不是很深的人也有機會進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計。程序設(shè)計完成進(jìn)行仿真驗證時，一定要注意的，代碼在編譯時必須要像圖4.4一樣，勾選出創(chuàng)建.HEX文件（FLASH-Configure Flash Tools-Output）。與普通模擬硬件電路圖不同，Proteus仿真圖中包含有單片機時必須要有對應(yīng)的.HEX文件，這是編譯器生成的機器碼，沒有它，單片機的端口狀態(tài)就不會發(fā)生改變，仿真就無法模擬運行。圖4.4 創(chuàng)建.hex文件 4.2 程序設(shè)計在軟件的設(shè)計過程中，遇見了幾個較為棘手的問題。第一個是程序的優(yōu)先級問題：本設(shè)計中，要求在傳輸機工作過程中，限位開關(guān)能夠?qū)崟r的檢測皮帶的狀態(tài)，在發(fā)生異常狀況時迅速報警，并能夠按照要求，從料斗處迅速關(guān)閉系統(tǒng)。所以在程序設(shè)計中，聲光報警模塊的優(yōu)先級要高于電機運轉(zhuǎn)程序；還有系統(tǒng)的關(guān)閉模式，一旦關(guān)閉按鍵按下后，系統(tǒng)就要按照要求迅速執(zhí)行，不再執(zhí)行其他的任何程序，所以系統(tǒng)關(guān)閉模塊應(yīng)具備高于聲光報警模塊的優(yōu)先級。最終經(jīng)過資料查閱，反復(fù)驗證，選定采用單片機定時器方案。定時器中斷不同于外部中斷對電路的依賴，方便實用。T0的優(yōu)先級高于T1，所以關(guān)閉按鍵放在T0中，報警及自動關(guān)閉放在T1中。第二個問題是中斷程序與關(guān)閉系統(tǒng)程序的連接問題：如圖4.5所示的程序中，在中斷信號產(chǎn)生后，中斷系統(tǒng)啟動。這時的仿真運行顯示報警模塊可按要求工作，但是關(guān)閉系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將會暫停一段時間后繼續(xù)將系統(tǒng)完全啟動，這時候再關(guān)閉系統(tǒng)。經(jīng)過查改發(fā)現(xiàn)，這時因為中斷的中斷點設(shè)置不當(dāng)造成的。通過不斷的測試發(fā)現(xiàn)，可以將自動開啟模塊的程序適當(dāng)修改，由原來的一體化改為前置條件判定的方式，延時函數(shù)插在條件中間，使中斷點處于延時函數(shù)中，成功解決此問題。圖4.5 中斷設(shè)計4.3 系統(tǒng)程序流程圖 開始單片機初始化等待按鍵控制啟動限位開關(guān)閉合報警電機運行結(jié)束YYNN 5基于單片機的皮帶傳輸控制系統(tǒng)的測試結(jié)果調(diào)試工作是個漫長細(xì)致的過程，一步步的由簡入繁，在簡單系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上不斷添加外圍電路，并一一驗證的過程。由于本設(shè)計沒有實物，所以調(diào)試工作都以Proteus軟件仿真實現(xiàn)的結(jié)果為準(zhǔn)，當(dāng)Proteus的運行過程與設(shè)計的要求一致，即認(rèn)為調(diào)試成功，調(diào)試結(jié)果以圖片方式顯示。調(diào)試是軟、硬件聯(lián)動的過程，本設(shè)計采用的是分步調(diào)試的方法，一點點的添加修改。如圖5.1所示，一開始只有最簡單的單片機及其附屬模塊，用LED燈代替驅(qū)動模塊和電機電路，附加控制按鍵，進(jìn)行設(shè)計思路和程序邏輯能否滿足設(shè)計要求的驗證。這個時候的思路還不完善，限位開關(guān)僅用2個表示，還沒有想到使用外部中斷來進(jìn)行程序優(yōu)化，僅能實現(xiàn)指示燈在按鍵的控制下按照規(guī)定的方式亮滅。圖5.1 初步設(shè)計圖5.2是在驗證程序的邏輯思路正確無誤后開始對電路圖進(jìn)行修改的設(shè)計。在經(jīng)過導(dǎo)師的指點后，填補上了電機驅(qū)動模塊和電機，電路圖顯得更為豐滿。將LED燈的控制系統(tǒng)改為了電機的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了電機的運轉(zhuǎn)。這個時候的設(shè)計實現(xiàn)了電機的模式運轉(zhuǎn)，限位開關(guān)的實時監(jiān)測報警功能，按鍵控制模塊的代碼也得到優(yōu)化。圖5.2 初步完成圖5.3 優(yōu)化設(shè)計圖最后就是優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，如圖5.3所示，例如將原來的僅有的兩個限位開關(guān)補充到8個，確保每節(jié)傳送帶上都有跑偏檢測和斷裂檢測，并將這些限位開關(guān)通過74LS08與門連接，上端加入拉LED燈，這樣只要哪個限位開關(guān)閉合，對應(yīng)的LED指示燈就會點亮，這樣就能很方便判定故障的位置。將原有的5個復(fù)位按鍵開關(guān)擴展到6個，優(yōu)化控制模塊的程序。另外，把單片機的P1口用作反饋口，用以檢測P0口和限位開關(guān)的狀態(tài)。由于P0口只有4個端口有狀態(tài)改變，所以只檢測這4個端口即可；限位開關(guān)也有8個，但此時P1口只剩下4個端口，所以需要使用74LS148編碼器，將限位開關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行編碼，這樣只需3個端口，此時P1口就被完美利用了。平時使用時要注意74LS148編碼器的真值表，以7到0由大到小排列，74LS148編碼器編碼時從高到低依次檢測，一旦發(fā)現(xiàn)低電平，就不再檢測下面的端口狀態(tài)，直接默認(rèn)為低電平狀態(tài)，編譯。在本設(shè)計中，靠后的皮帶節(jié)發(fā)生故障，前面的傳輸機要先關(guān)閉，所以74LS148編碼器正適合本設(shè)計中的需求，但在一些各端口值都要判定，互不干擾的情況下，就要慎用此芯片了。軟件部分則是將原來的開啟部分分散在主程序中,通過條件判定查詢的方式實現(xiàn)。條件是并列存在，延時置于兩條件之間，使得中斷點不再條件之內(nèi)，從而使得中斷服務(wù)函數(shù)執(zhí)行之后條件變化，進(jìn)入等待模式。結(jié) 論傳送帶作為推進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展，促進(jìn)物資流通的重要生產(chǎn)工具，必須要充分的利用。但由于傳統(tǒng)的皮帶傳輸機大多是大型化設(shè)備，成本高，不利于小工廠或某些生活領(lǐng)域的應(yīng)用，特意設(shè)計了此款基于單片機設(shè)計的皮帶傳輸控制系統(tǒng)。填補傳統(tǒng)皮帶傳輸機不能小型化應(yīng)用的不足，同時優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，更適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展的需要。本文在參考了國內(nèi)外大量資料的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)的一系列基于繼電器控制的皮帶傳輸