啤酒生產(chǎn)線自動計數(shù)裝置設計_畢業(yè)設計

1、畢 業(yè) 設 計學生姓名學 號院 (系)電子與電氣工程系專 業(yè)電子信息工程題 目啤酒生產(chǎn)線自動計數(shù)裝置設計指導教師2007年06月摘 要：介紹了啤酒包裝線上的智能計算器的工作原理,在對各種計數(shù)方法進行分析后提出了基于光電傳感器的計數(shù)測量系統(tǒng)，并給出了智能計數(shù)器控制的硬件電路設計和程序流程圖。詳細分析了系統(tǒng)的組成及工作原理，給出了系統(tǒng)中各硬件模塊設計方法及系統(tǒng)軟件設計方法，給出了部分程序流程圖和程序清單。該計數(shù)系統(tǒng)安裝維護方便，工作穩(wěn)定，運行可靠，具有較大的推廣應用價值。關鍵詞 : 單片機;智能;計數(shù)器;光電傳感器 Abstract : Introduced the beer packing on

2、-line intelligence calculator's principle of work, in carries on the analysis after each method of attributes proposed based on photoelectric sensor's counting measurement system one, and has given the intelligent counter control hardware circuit design and the program flow diagram. The mult

3、ianalysis system's composition and the principle of work, have given in the system various hardware module design method and the system software design method, has given the subprogram flow chart and the procedure detailed list. This number system installs the maintenance to be convenient, the w

4、ork is stable, the movement is reliable, has the big promotion application value. Key words : Monolithic integrated circuit ;intelligent ; counter; Photoelectric sensor目 錄1 引 言42 自動計數(shù)系統(tǒng)組成及工作原理42.1計數(shù)測量原理42.2計數(shù)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成43 自動計數(shù)系統(tǒng)硬件電路的設計53.1 生產(chǎn)線自動計數(shù)總框圖53.2傳感器及信號調(diào)理的電路設計5563.3 單片機小系統(tǒng)的設計99計.10134 系統(tǒng)軟件設計144.

5、1 程序原理框圖144.2 程序設計與調(diào)試165 實驗及結(jié)果分析16結(jié) 論18參考文獻19致 謝201引 言 一般啤酒廠日產(chǎn)啤酒幾十萬瓶, 為及時掌握啤酒瓶子的破碎率、日產(chǎn)量等指標,需要在灌裝生產(chǎn)線的多個環(huán)節(jié)上安裝計數(shù)器, 每當酒瓶通過計數(shù)器時,就會被計數(shù)器的傳感器檢測到,酒瓶個數(shù)自動加1。用的傳感器有電渦流式接近開關和光電開關。接近開關通過檢測金屬瓶蓋計數(shù)。光電開關有光束發(fā)射端和接受端, 如發(fā)射端與接受端位于同一側(cè), 酒瓶通過時就會將發(fā)射的光束反射回來, 被接受端接受到, 開關狀態(tài)改變, 計數(shù)電路檢測到狀態(tài)變化而計數(shù); 如發(fā)射端與接受端相對, 酒瓶通過他們之間時, 光線被遮, 也會改變開關狀

6、態(tài)。本計數(shù)器采用后一種光電開關。2 系統(tǒng)組成及工作原理2.1計數(shù)測量原理如圖1 所示,四只管子位于同一平面內(nèi),發(fā)射管A、B 分別對準接受管A、B ,瓶頸的直徑應大于發(fā)射管A 與接受管B 之間的距離。計數(shù)器內(nèi)部設一標志, 酒瓶未進入發(fā)射管A與接受管A 之間時, 兩束光線均被接收, 管A、B均導通, 標志置0 , 當酒瓶繼續(xù)運動遮擋住一束光線時,標志不變。當同時遮擋住兩束光線時,標志置1。當酒瓶離開,兩束光線未遮擋時,標志置0 ,這時計數(shù)器個數(shù)加1。由于酒瓶遮擋住一束光線時, 標志不變, 因此酒瓶進入傳感區(qū)域發(fā)生抖動時,不會影響標志,從而保證準確計數(shù)。啤酒瓶的鐵蓋接受管A發(fā)射管A 發(fā)射管B接受管B

7、 圖1:檢測原理圖2.2計數(shù)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成系統(tǒng)由信號預處理電路、單片機STC 89C51、系統(tǒng)化LED顯示模塊、串口數(shù)據(jù)存儲電路和系統(tǒng)軟件組成。其中信號預處理電路包含信號放大、波形變換和波形整形。對待測信號進行放大的目的是降低對待測信號的幅度要求；波形變換和波形整形電路則用來將放大的信號轉(zhuǎn)換成可與單片機匹配的TTL信號；通過對單片機的編程設置可使內(nèi)部定時器T0對輸入脈沖進行計數(shù)，這樣就能精確地算出加到T0引腳的單位時間內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)；設計計數(shù)顯示部分采用價格低廉且使用方便的LED模塊，通過相關計算方法計算得到的計數(shù)數(shù)字通過I2C總線放到E2PROM存儲，既節(jié)省了所需單片機的口線和外圍器件，

8、同時也簡化了顯示部分的軟件編程。3 系統(tǒng)硬件電路的設計3.1生產(chǎn)線自動計數(shù)總框圖 生產(chǎn)線上的計數(shù)框圖如圖2所示。信號調(diào)理光電轉(zhuǎn)換波形整形波形變換鍵盤模塊數(shù)字存儲電路單片機RS232LED 顯 示 圖2 系統(tǒng)原理框圖3.2 光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路設計由于系統(tǒng)需要將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，因而需要使用光電傳感器并設計相應的信號調(diào)理電路，以得到符合要求的脈沖信號，送給單片機STC89C51進行計數(shù)。光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反

9、應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件(光學測控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖(開關)式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間呈單值關系。模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標物體)方法可分為透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻檔)三大類。所謂透射式是指被測物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上；所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上，再從

10、被測物體表面反射后投射到光電元件上；所謂遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份，使投射剄光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關。 紅外發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應快、機械強度高等優(yōu)點，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計算機、儀器儀表和自動控制設備中。傳感器將啤酒生產(chǎn)線上流動信號轉(zhuǎn)變成了電脈沖信號，該信號經(jīng)過LM324集成運放整形驅(qū)動，送到單片機進行脈沖計數(shù)。 光電轉(zhuǎn)換部分與單片機的連接框圖如圖3所示。LED數(shù)碼管數(shù)碼顯示譯碼器計數(shù)脈沖整形驅(qū)動傳感器STC 89C51圖3光電轉(zhuǎn)換部分與單片機的連接框圖LM3

11、24是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器， 除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖4所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反;Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖5 圖（4）放大器圖 圖5 引腳圖由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣

12、泛應用在各種電路中。本設計計劃采用高性能集成四運放LM324來進行光電信號調(diào)理電路設計。電路采用兩級放大電路對脈沖信號進行放大，防止信號脈沖太小以至對實驗結(jié)果不產(chǎn)生影響。此外，還設計了有源帶通濾波器。為了達到預定效果，對系統(tǒng)運用MULTISIM 8進行模擬仿真，并利用模擬仿真結(jié)果對有關元器件進行參數(shù)設定，以使電路滿足要求。如圖6所示是MULTISIM 進行電路模擬仿真示意圖及其模擬仿真結(jié)果。圖6 電路模擬仿真示意圖及其模擬仿真結(jié)果系統(tǒng)設計的光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路見圖7。設計中為了系統(tǒng)抗干擾及降低成本，考慮了一下一些方面。(1) 為了消除玻璃瓶經(jīng)過光敏三極管時由于透射和折射產(chǎn)生的干擾信號, 采用

13、了一級單穩(wěn)電路 , 利用玻璃瓶前沿到達光敏三極管瞬間觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn), 并利用單穩(wěn)態(tài)電路的暫穩(wěn)期隔離光電信號, 使玻璃瓶前沿以后所產(chǎn)生的折射和透射干擾不能進入計數(shù)電路, 保證一個產(chǎn)品只產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖. (2) 計數(shù)器要求計數(shù)脈沖不能太寬, 如將單穩(wěn)態(tài)電路的輸出直接加到計數(shù)器, 會產(chǎn)生兩次甚至多次翻轉(zhuǎn)。同時為使計數(shù)脈沖獲得質(zhì)量較好的上升和下降邊沿, 并且具有一定的幅度和寬度, 采用了一級積分整形電路。(3) 為使電路供電簡單化, 統(tǒng)一采用5 V 直流穩(wěn)壓電源。具體電路原理見圖7。選用光敏三極管作為光電傳感器, 該元件靈敏度高、性能穩(wěn)定, 能夠適合生產(chǎn)線復雜的工作環(huán)境要求。當傳送帶上沒有玻璃瓶

14、通過時, 光敏三極管受光直射呈低電阻, 光電流很大, 使I b1 0,B G1 截止。這時U c1= E c (+ 5 V ) , 使二極管D 反向截止。單穩(wěn)態(tài)電路的靜止狀態(tài)是B G2 飽和,B G3截止。當有玻璃瓶通過的遮光瞬間, 光電管呈高阻, I b1增大,B G1 飽和,U c1從+ 5 V 下降到0V (圖8a) , 這個負跳變經(jīng)R rC r 微分得到一個負脈沖, 使B G2 截止,B G3 飽和, 也就是利用玻璃瓶遮光時光敏三極管的前沿跳變觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)。由于CB 的放電使U b2逐漸上升, 當上升到B G2 的導通電壓時,B G2 才重新導通(圖8b) , 電路又迅速恢復到靜止狀

15、態(tài)。而此期內(nèi)由于U b2很小, 玻璃瓶折射和透射干擾對截止管B G2不起任何作用, 起到了抑制干擾信號的作用, 使得一個玻璃瓶只觸發(fā)一次單穩(wěn)。積分型整形電路用五塊7M Y 13 型集成電路與非門以及R 0, C0 組成。常態(tài)時因B G3 截止。U c3 E c,Y F 1 輸出u1 為低電平“0”, Y F 2, Y F 3 輸出(u2, u3 ) 都為高電平“1”(圖8c, d, e, g) , 電容C0 被充電至U c(圖8f)。當玻璃瓶前沿到來時, 單穩(wěn)電路翻轉(zhuǎn),U c3 0,U 1=“1”, 雖然使Y F 2 輸出為“0”。但是C0 經(jīng)R 0和Y F 2 的放電需要時間,U c0不能突

16、跳為0。所以Y F 3 的兩個輸入全為“1”, 輸出U 3 為“0”。此后C0 的放電使U c0逐漸下降到Y(jié) F 3 的關門電平(圖8f 中的U g3) , Y F 3 輸出U 3 又立即為“1”。此后經(jīng)Y F 4, Y F 5 整形獲得計數(shù)脈沖CP (圖8h) , 其寬度t1 由R 0C0 決定。 圖7 電路原理圖 圖8 電路波形圖 3.3 單片機系統(tǒng)的設計單片機是單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）的簡稱，是指在一塊芯片上集成了中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、程序存儲器ROM或EPROM、定時器/計數(shù)器、中斷控制器以及串行和并行I/O接口等部件，構(gòu)成一個

17、完整的微型計算機。目前，新型單片機內(nèi)還有A/D及D/A轉(zhuǎn)換器、高速輸入/輸出等部件。由于它的結(jié)構(gòu)和指令功能都是按工業(yè)控制要求設計的，特別適用于工業(yè)控制及其數(shù)據(jù)處理場合，因此，確切的稱謂應是微控制器（Microcontroller）. 系統(tǒng)使用的單片機是STC 89C51型單片機。STC 89C51單片機是基于MCS-51單片機為內(nèi)核的，其輸入/輸出管腳以及指令系統(tǒng)和MCS-51單片機是完全兼容的。其優(yōu)越的性價比使其成為頗受歡迎的8位單片機。如圖9是STC 89C51結(jié)構(gòu)框圖。STC 89C51單片機的特點： 它內(nèi)部有一個8位的CPU，具有4KB的EEPROM。 128字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存儲器，2

18、1個特殊功能寄存器SFR。 4個8位并行I/O口，其中P0、P2為地址/數(shù)據(jù)線，可尋址64KB ROM和64KB RAM. 一個可編程全雙工串行口,具有5個中斷源。 兩個16位定時器/計數(shù)器。 計數(shù)脈沖輸入 T0 T1定時/計數(shù)器 T0、T1特殊功能寄存器SFR128字節(jié)RAM4K ROM（EPROM）（8031無） 時鐘源 串行接口并行I/O接口中斷系統(tǒng)CPUP0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1 中斷輸入圖9 STC 89C51結(jié)構(gòu)框圖 圖10是STC 89C51單片機引腳分布圖。由圖我們可以看到，單片機的引腳除了電源、復位、時鐘接入、用戶I/O口外，其余管腳

19、是為實現(xiàn)系統(tǒng)擴展而設置的。這些引腳構(gòu)成MCS-51單片機片外三總線結(jié)構(gòu)，即：  地址總線（AB）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲器直接尋址為64K字節(jié)，16位地址總線由P0口經(jīng)地址鎖存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址。 數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0提供。  控制總線（CB）：由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。圖10 STC89C51管腳圖圖11為鍵盤電路圖，按鍵功能通過軟件編程設置：按 K0為清零、復位；按K1顯示計時時間；按K2顯示計數(shù)脈沖數(shù)；此按鍵電路為低電平有效，當無按鍵按下時，單片

20、機輸入引腳P1.0、P1.1、P1.2、P1.3端口均為高電平。當其中任一按鍵按下時，其對應的P1端口變?yōu)榈碗娖剑谲浖欣眠@個低電平設計其功能。軟件中還設置了按鍵防抖動誤觸發(fā)功能，軟件中設置定時器1 50ms中斷一次，每次中斷都對按鍵進行掃描，如果掃描到有按鍵按下，則延遲10ms，再次進行鍵掃描，若仍有按鍵按下，則按鍵為真，并從P1口讀取數(shù)據(jù)，低電平對應的即為有效按鍵。 圖11 按鍵電路圖顯示部分采用價廉方便的LED數(shù)碼管，圖12為數(shù)碼管的引腳接線圖。測量系統(tǒng)有8位共陽的LED數(shù)碼管，表3.1為驅(qū)動LED數(shù)碼管的段代碼表，1-代表對應的筆段亮，0-代表對應的筆段不亮。若需要在最右邊（S0）

21、顯示“5”，只要將從表中查得相應的段代碼寫入P0口，在將P2.0置高，P2.1-P2.7置低即可。圖12 數(shù)碼管的引腳接線圖表1 驅(qū)動LED數(shù)碼管的段代碼表數(shù)字dpecgbfa十六進制P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2 P0.1P0.0共陰共陽010110111B74810001010014EB210101101AD523100111019D624000111101E64610111011BB4470001010115EA810111111BF409100111119F60顯示電路如圖13，其電路采用動態(tài)顯示方式。啤酒瓶個數(shù)的測量結(jié)果經(jīng)過譯碼， 輸出的8

22、位并行數(shù)據(jù)通過STC89C51 的并行口(P0口)輸出，送至7段LED ，同時由P2口輸出位掃描信號以實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。P0口 和 P2口都是準雙向口，輸出時需要接上拉電阻。P0內(nèi)部沒有上拉電阻，P2口內(nèi)部有弱上拉。所以P0口外圍電路設計為低電平有效，高電平無效。要使數(shù)碼管S0-S7的其中一個亮，其對應的P2端口要置高，P2的其余端口置低。如：S0亮：P2.0置高，P2.1-P2.7置低。系統(tǒng)將定時把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送出，在數(shù)碼管上顯示。圖13 顯示電路圖電源模塊為系統(tǒng)板上其它模塊提供5V電源。電源的設計有分立元件和集成穩(wěn)壓器幾種方法，目前較常用的是用集成穩(wěn)壓器來設計穩(wěn)壓電源。常用的集成穩(wěn)壓

23、器有固定式三端穩(wěn)壓器與可調(diào)式三端穩(wěn)壓器。常用可調(diào)式集成穩(wěn)壓器有LM317系列，它們的輸出電壓從1.25V37伏可調(diào)，負端則為LM337等。最簡的電路外接元件只需一個固定電阻和一只電位器。其芯片內(nèi)有過熱和安全工作區(qū)保護，最大輸出電流為1.5A。系統(tǒng)需要設計一個電源，5V電源采用7805，電路原理圖如圖14。原理：9V的交流電壓輸入后經(jīng)橋堆整流，通過1000F的電解電容進行濾波，再經(jīng)過集成穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓，C17、C19等電容對其進行濾波后，最后輸出+5V電壓。供系統(tǒng)板上的其它模塊使用。圖14 5V電源模塊電路圖4 系統(tǒng)軟件設計4.1程序原理框圖軟件部分由數(shù)據(jù)處理程序、按鍵程序設計、中斷服務子程

24、序、LED顯示程序等幾個部分組成。數(shù)據(jù)處理完成對各種測量數(shù)據(jù)的處理，如各種數(shù)據(jù)的計算、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等。按鍵程序包括按鍵防抖動處理、判鍵及修改項目等。程序原理框圖如圖15所示 上電初始化P11、P12相同？均為高？標志位置1 Y N N Y標志位為0？電源足？ N Y Y N顯示狀態(tài)鍵按下？標志位置0 計數(shù)值加1 N Y轉(zhuǎn)換顯示狀態(tài) Y顯示班產(chǎn)量 N 班計數(shù)送顯示累計產(chǎn)量送顯示 圖15 程序原理框圖4.2 程序設計與調(diào)試在硬件調(diào)試與制作方面，可從下面系列著手考慮。此計數(shù)裝置完全按照計數(shù)器上傳感器的實際安裝位置進行安裝。光電傳感器正對著啤酒流水線的啤酒瓶蓋。光電傳感器接有3根導線，其中棕線、藍線

25、為電源輸入線，黑線為信號輸出線。測量頭由光電傳感器組成。當啤酒流水線流動時，光電元件即可輸出正負交替的周期性脈沖信號。脈沖信號的頻率大小就反映了流過測量頭的啤酒瓶個數(shù)。此計數(shù)測量裝置可以實現(xiàn)數(shù)字顯示。 LM324整形電路調(diào)試。在焊接硬件電路時需細心排除元器件和焊接等方面可能出現(xiàn)的故障，元器件的安裝位置出錯或引腳差錯可能導致電路短路或?qū)崿F(xiàn)不了電路本身的功能，甚至燒壞元器件。單片機部分最容易出現(xiàn)的問題為元器件引腳的虛焊。 被測物理量經(jīng)過傳感器變換后，往往成為電阻、電流、電壓、電感等某種電參數(shù)的變化值。為了進行信號的分析、處理、顯示和記錄，須對信號作放大、運算、分析等處理。 除了要考慮到硬件方面，對

26、軟件調(diào)試也不能忽視。程序應該模塊化，便于修改。使用RAM或IO，必須先定義再使用，避免直接引用。將來需要調(diào)整時，只要修改定義部分就好了。寫程序要有足夠的注釋、說明文檔、流程圖、原理圖。每次修改程序，應該同步更新相關的注釋、說明文檔、流程圖、原理圖。免得下次再改時對不上號。 在進行軟件編程調(diào)試時需要用到單片機的集成開發(fā)環(huán)境MedWin V2.39 軟件，編程時容易出現(xiàn)鍵盤輸入和無意的語法錯誤，還有一些模塊達不到預期的功能，都要經(jīng)過調(diào)試才能排除。MedWin V2.39 軟件具有很強大的編程調(diào)試功能，能夠模仿仿真實際單片機的端口和內(nèi)部功能部件的狀態(tài)值。該軟件中有硬件調(diào)試和軟件調(diào)試功能可以看到單片機內(nèi)存單元對應的運行值，外圍部件中可以顯示單片機端口，中斷、定時器1、定時器2、定時器3 還有串口對應的運行值?？梢詥尾?/p>