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1、毕 业 设 计学生姓名学 号院 (系)电气工程系专 业电子信息工程题 目啤酒生产线自动计数装置设计指导教师2007年06月摘 要：介绍了啤酒包装线上的智能计算器的工作原理,在对各种计数方法进行分析后提出了基于光电传感器的计数测量系统，并给出了智能计数器控制的硬件电路设计和程序流程图。详细分析了系统的组成及工作原理，给出了系统中各硬件模块设计方法及系统软件设计方法，给出了部分程序流程图和程序清单。该计数系统安装维护方便，工作稳定，运行可靠，具有较大的推广应用价值。关键词 : 单片机;智能;计数器;光电传感器 Abstract : Introduced the beer packing on-li
2、ne intelligence calculators principle of work, in carries on the analysis after each method of attributes proposed based on photoelectric sensors counting measurement system one, and has given the intelligent counter control hardware circuit design and the program flow diagram. The multianalysis sys
3、tems 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 work is stable, the
4、 movement is reliable, has the big promotion application value. Key words : Monolithic integrated circuit ;intelligent ; counter; Photoelectric sensor目 录1 引 言42 自动计数系统组成及工作原理42.1计数测量原理42.2计数测量系统结构组成43 自动计数系统硬件电路的设计53.1 生产线自动计数总框图53.2传感器及信号调理的电路设计53.2.1 光电传感器简介53.2.2 光电转换及信号调理电路设计63.3 单片机小系统的设计93.3.1
5、 单片机93.3.2键盘显示模块计.103.3.3电源模块设计.134 系统软件设计144.1 程序原理框图144.2 程序设计与调试165 实验及结果分析16结 论18参考文献19致 谢201引 言 一般啤酒厂日产啤酒几十万瓶, 为及时掌握啤酒瓶子的破碎率、日产量等指标,需要在灌装生产线的多个环节上安装计数器, 每当酒瓶通过计数器时,就会被计数器的传感器检测到,酒瓶个数自动加1。用的传感器有电涡流式接近开关和光电开关。接近开关通过检测金属瓶盖计数。光电开关有光束发射端和接受端, 如发射端与接受端位于同一侧, 酒瓶通过时就会将发射的光束反射回来, 被接受端接受到, 开关状态改变, 计数电路检测
6、到状态变化而计数; 如发射端与接受端相对, 酒瓶通过他们之间时, 光线被遮, 也会改变开关状态。本计数器采用后一种光电开关。2 系统组成及工作原理2.1计数测量原理如图1 所示,四只管子位于同一平面内,发射管A、B 分别对准接受管A、B ,瓶颈的直径应大于发射管A 与接受管B 之间的距离。计数器内部设一标志, 酒瓶未进入发射管A与接受管A 之间时, 两束光线均被接收, 管A、B均导通, 标志置0 , 当酒瓶继续运动遮挡住一束光线时,标志不变。当同时遮挡住两束光线时,标志置1。当酒瓶离开,两束光线未遮挡时,标志置0 ,这时计数器个数加1。由于酒瓶遮挡住一束光线时, 标志不变, 因此酒瓶进入传感区
7、域发生抖动时,不会影响标志,从而保证准确计数。啤酒瓶的铁盖接受管A发射管A 发射管B接受管B 图1:检测原理图2.2计数测量系统结构组成系统由信号预处理电路、单片机STC 89C51、系统化LED显示模块、串口数据存储电路和系统软件组成。其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。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匹配的TTL信号；通过对单片机的编程设置可使内部定时器T0对输入脉冲进行计数，这样就能精确地算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数；设计计数显示部分采用价格低廉且使用方便的LED模块，通过相关计算方
8、法计算得到的计数数字通过I2C总线放到E2PROM存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。3 系统硬件电路的设计3.1生产线自动计数总框图 生产线上的计数框图如图2所示。信号调理光电转换波形整形波形变换键盘模块数字存储电路单片机RS232LED 显 示 图2 系统原理框图3.2 光电转换及信号调理电路设计由于系统需要将光信号转换为电信号，因而需要使用光电传感器并设计相应的信号调理电路，以得到符合要求的脉冲信号，送给单片机STC89C51进行计数。3.2.1 光电传感器简介光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后
9、借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档)三大类。所谓透射式是指被测物体放在光路中，
10、恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上；所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上；所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射刭光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。 红外发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。3.2.2 光电转换及信号调理电路设计传感器将啤酒生产线上流动信号转变成了电脉冲信号，该信号经过LM324集成运放整形驱动，送到单片机进行脉冲
11、计数。 光电转换部分与单片机的连接框图如图3所示。LED数码管数码显示译码器计数脉冲整形驱动传感器STC 89C51图3光电转换部分与单片机的连接框图LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器， 除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图4所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相
12、同。LM324的引脚排列见图5 图（4）放大器图 图5 引脚图由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。本设计计划采用高性能集成四运放LM324来进行光电信号调理电路设计。电路采用两级放大电路对脉冲信号进行放大，防止信号脉冲太小以至对实验结果不产生影响。此外，还设计了有源带通滤波器。为了达到预定效果，对系统运用MULTISIM 8进行模拟仿真，并利用模拟仿真结果对有关元器件进行参数设定，以使电路满足要求。如图6所示是MULTISIM 进行电路模拟仿真示意图及其模拟仿真结果。图6 电路模拟仿真示意图及其模拟仿真结果系统设计的
13、光电转换及信号调理电路见图7。设计中为了系统抗干扰及降低成本，考虑了一下一些方面。(1) 为了消除玻璃瓶经过光敏三极管时由于透射和折射产生的干扰信号, 采用了一级单稳电路 , 利用玻璃瓶前沿到达光敏三极管瞬间触发单稳态电路翻转, 并利用单稳态电路的暂稳期隔离光电信号, 使玻璃瓶前沿以后所产生的折射和透射干扰不能进入计数电路, 保证一个产品只产生一个计数脉冲. (2) 计数器要求计数脉冲不能太宽, 如将单稳态电路的输出直接加到计数器, 会产生两次甚至多次翻转。同时为使计数脉冲获得质量较好的上升和下降边沿, 并且具有一定的幅度和宽度, 采用了一级积分整形电路。(3) 为使电路供电简单化, 统一采用
14、5 V 直流稳压电源。具体电路原理见图7。选用光敏三极管作为光电传感器, 该元件灵敏度高、性能稳定, 能够适合生产线复杂的工作环境要求。当传送带上没有玻璃瓶通过时, 光敏三极管受光直射呈低电阻, 光电流很大, 使I b1 0,B G1 截止。这时U c1= E c (+ 5 V ) , 使二极管D 反向截止。单稳态电路的静止状态是B G2 饱和,B G3截止。当有玻璃瓶通过的遮光瞬间, 光电管呈高阻, I b1增大,B G1 饱和,U c1从+ 5 V 下降到0V (图8a) , 这个负跳变经R rC r 微分得到一个负脉冲, 使B G2 截止,B G3 饱和, 也就是利用玻璃瓶遮光时光敏三极
15、管的前沿跳变触发单稳态翻转。由于CB 的放电使U b2逐渐上升, 当上升到B G2 的导通电压时,B G2 才重新导通(图8b) , 电路又迅速恢复到静止状态。而此期内由于U b2很小, 玻璃瓶折射和透射干扰对截止管B G2不起任何作用, 起到了抑制干扰信号的作用, 使得一个玻璃瓶只触发一次单稳。积分型整形电路用五块7M Y 13 型集成电路与非门以及R 0, C0 组成。常态时因B G3 截止。U c3 E c,Y F 1 输出u1 为低电平“0”, Y F 2, Y F 3 输出(u2, u3 ) 都为高电平“1”(图8c, d, e, g) , 电容C0 被充电至U c(图8f)。当玻璃
16、瓶前沿到来时, 单稳电路翻转,U c3 0,U 1=“1”, 虽然使Y F 2 输出为“0”。但是C0 经R 0和Y F 2 的放电需要时间,U c0不能突跳为0。所以Y F 3 的两个输入全为“1”, 输出U 3 为“0”。此后C0 的放电使U c0逐渐下降到Y F 3 的关门电平(图8f 中的U g3) , Y F 3 输出U 3 又立即为“1”。此后经Y F 4, Y F 5 整形获得计数脉冲CP (图8h) , 其宽度t1 由R 0C0 决定。 图7 电路原理图 图8 电路波形图 3.3 单片机系统的设计3.3.1 单片机单片机是单片微型计算机（Single Chip Microcom
17、puter）的简称，是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器以及串行和并行I/O接口等部件，构成一个完整的微型计算机。目前，新型单片机内还有A/D及D/A转换器、高速输入/输出等部件。由于它的结构和指令功能都是按工业控制要求设计的，特别适用于工业控制及其数据处理场合，因此，确切的称谓应是微控制器（Microcontroller）. 系统使用的单片机是STC 89C51型单片机。STC 89C51单片机是基于MCS-51单片机为内核的，其输入/输出管脚以及指令系统和MCS-51单片机是完全兼容的。其优越的性价比使其成为颇受
18、欢迎的8位单片机。如图9是STC 89C51结构框图。STC 89C51单片机的特点： 它内部有一个8位的CPU，具有4KB的EEPROM。 128字节的RAM数据存储器，21个特殊功能寄存器SFR。 4个8位并行I/O口，其中P0、P2为地址/数据线，可寻址64KB ROM和64KB RAM. 一个可编程全双工串行口,具有5个中断源。 两个16位定时器/计数器。 计数脉冲输入 T0 T1定时/计数器 T0、T1特殊功能寄存器SFR128字节RAM4K ROM（EPROM）（8031无） 时钟源 串行接口并行I/O接口中断系统CPUP0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1 中
19、断输入图9 STC 89C51结构框图图10是STC 89C51单片机引脚分布图。由图我们可以看到，单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口外，其余管脚是为实现系统扩展而设置的。这些引脚构成MCS-51单片机片外三总线结构，即： 地址总线（AB）：地址总线宽为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64K字节，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址。 数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，由P0提供。 控制总线（CB）：由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。图10 STC89C51管脚图3.3.2 键盘
20、显示模块设计图11为键盘电路图，按键功能通过软件编程设置：按 K0为清零、复位；按K1显示计时时间；按K2显示计数脉冲数；此按键电路为低电平有效，当无按键按下时，单片机输入引脚P1.0、P1.1、P1.2、P1.3端口均为高电平。当其中任一按键按下时，其对应的P1端口变为低电平，在软件中利用这个低电平设计其功能。软件中还设置了按键防抖动误触发功能，软件中设置定时器1 50ms中断一次，每次中断都对按键进行扫描，如果扫描到有按键按下，则延迟10ms，再次进行键扫描，若仍有按键按下，则按键为真，并从P1口读取数据，低电平对应的即为有效按键。 图11 按键电路图显示部分采用价廉方便的LED数码管，图
21、12为数码管的引脚接线图。测量系统有8位共阳的LED数码管，表3.1为驱动LED数码管的段代码表，1-代表对应的笔段亮，0-代表对应的笔段不亮。若需要在最右边（S0）显示“5”，只要将从表中查得相应的段代码写入P0口，在将P2.0置高，P2.1-P2.7置低即可。图12 数码管的引脚接线图表1 驱动LED数码管的段代码表数字dpecgbfa十六进制P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2 P0.1P0.0共阴共阳010110111B74810001010014EB210101101AD523100111019D624待添加的隐藏文字内容3000111101EE15100110119B6
22、4610111011BB4470001010115EA810111111BF409100111119F60显示电路如图13，其电路采用动态显示方式。啤酒瓶个数的测量结果经过译码， 输出的8位并行数据通过STC89C51 的并行口(P0口)输出，送至7段LED ，同时由P2口输出位扫描信号以实现测量数据的动态显示。P0口 和 P2口都是准双向口，输出时需要接上拉电阻。P0内部没有上拉电阻，P2口内部有弱上拉。所以P0口外围电路设计为低电平有效，高电平无效。要使数码管S0-S7的其中一个亮，其对应的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。系统将定时把缓
23、冲区的数据送出，在数码管上显示。图13 显示电路图3.3.3电源模块设计电源模块为系统板上其它模块提供5V电源。电源的设计有分立元件和集成稳压器几种方法，目前较常用的是用集成稳压器来设计稳压电源。常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式集成稳压器有LM317系列，它们的输出电压从1.25V37伏可调，负端则为LM337等。最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5A。系统需要设计一个电源，5V电源采用7805，电路原理图如图14。原理：9V的交流电压输入后经桥堆整流，通过1000F的电解电容进行滤波，再经过集成稳
24、压器7805稳压，C17、C19等电容对其进行滤波后，最后输出+5V电压。供系统板上的其它模块使用。图14 5V电源模块电路图4 系统软件设计4.1程序原理框图软件部分由数据处理程序、按键程序设计、中断服务子程序、LED显示程序等几个部分组成。数据处理完成对各种测量数据的处理，如各种数据的计算、数据格式的转换等。按键程序包括按键防抖动处理、判键及修改项目等。程序原理框图如图15所示 上电初始化P11、P12相同？均为高？标志位置1 Y N N Y标志位为0？电源足？ N Y Y N显示状态键按下？标志位置0 计数值加1 N Y转换显示状态 Y显示班产量 N 班计数送显示累计产量送显示 图15
25、程序原理框图4.2 程序设计与调试在硬件调试与制作方面，可从下面系列着手考虑。此计数装置完全按照计数器上传感器的实际安装位置进行安装。光电传感器正对着啤酒流水线的啤酒瓶盖。光电传感器接有3根导线，其中棕线、蓝线为电源输入线，黑线为信号输出线。测量头由光电传感器组成。当啤酒流水线流动时，光电元件即可输出正负交替的周期性脉冲信号。脉冲信号的频率大小就反映了流过测量头的啤酒瓶个数。此计数测量装置可以实现数字显示。 LM324整形电路调试。在焊接硬件电路时需细心排除元器件和焊接等方面可能出现的故障，元器件的安装位置出错或引脚差错可能导致电路短路或实现不了电路本身的功能，甚至烧坏元器件。单片机部分最容易
26、出现的问题为元器件引脚的虚焊。 被测物理量经过传感器变换后，往往成为电阻、电流、电压、电感等某种电参数的变化值。为了进行信号的分析、处理、显示和记录，须对信号作放大、运算、分析等处理。 除了要考虑到硬件方面，对软件调试也不能忽视。程序应该模块化，便于修改。使用RAM或IO，必须先定义再使用，避免直接引用。将来需要调整时，只要修改定义部分就好了。写程序要有足够的注释、说明文档、流程图、原理图。每次修改程序，应该同步更新相关的注释、说明文档、流程图、原理图。免得下次再改时对不上号。 在进行软件编程调试时需要用到单片机的集成开发环境MedWin V2.39 软件，编程时容易出现键盘输入和无意的语法错
27、误，还有一些模块达不到预期的功能，都要经过调试才能排除。MedWin V2.39 软件具有很强大的编程调试功能，能够模仿仿真实际单片机的端口和内部功能部件的状态值。该软件中有硬件调试和软件调试功能可以看到单片机内存单元对应的运行值，外围部件中可以显示单片机端口，中断、定时器1、定时器2、定时器3 还有串口对应的运行值。可以单步调试也可以模块调试，最好的是可以对你所怀疑的语句模块设置断点。所以MedWin V2.39 具有强大的编译调试功能。此系统将个功能模块：主程序、数据处理程序、按键程序设计、中断服务子程序、LED显示程序分开分别进行调试，最后整体调试。编译无误后生成目标代码BIN文件。5实
28、验及结果分析设计已基本完成题目中的各项要求，但是还是有一定的误差. 测量数据表如下 实验次数实际流过的啤酒瓶数目测量到的啤酒瓶数目第一次10个10个第二次20个19个第三次40个40个第四次80个78个第五次150个147个第六次200个196个 由实际实验的数据可以看出此计数器还有一定的误差。经过认真的分析得到，产生的误差原因有如下两个原因： （1） 因为是用手拿啤酒瓶从测量头前经过，有一定的波动，以至测量头测量产生误差。 （2） 软件程序编写不合理，有一定的延时，而啤酒瓶流动较快，所以读数产生误差。 结束语 本文利用单片机STC 89C51为核心，结合光电传感器、LM324及常用运放设计了
29、啤酒生产线的产品自动计数测量装置。系统由光电传感器将光信号转换为电信号，再经过放大整形变为脉冲信号送给单片机。单片机采用定时器定时中断的方法实现对信号脉冲的测量并计数，并能够实时显示测量的数据，具有较强的使用实用价值，结合实际再进一步完善设计既可以应用于工业生产线实际操作。参考文献1余永权，汪明慧，黄英.单片机在控制系统中的应用M.北京：电子工业出版社，20032王福瑞. 单片微机测控系统设计大全M. 北京：北京航空航天大学出版社，19993赵继文，何玉彬.传感器与应用电路设计M. 北京：科学出版社，20024胡汉才. 单片机原理及其接口技术(第2版) M. 北京：清华大学出版社，20045赖麒文.8051单片机C语言开发环境实务与设计M.科学出版社，2002致 谢:感谢xxx老师对我的毕业设计的悉心指导和热忱帮助，在设计过程中 老师对设计方案和思路给予指点。在连接硬件电路和调试时，同学给了我很多帮助，排除了不少电路故障。 同学同时还在设计思路方面给了一些建议。
