装配流水线的模拟.docx

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装配流水线的模拟

毕业论文（设计）

论文（设计）题目：

模拟流水生产线

学院：

武进技师学院

专业：

电气自动化设备安装与维修班级：

09624

小组：

毕业设计

（1）组

学生姓名：

江贤波庄奇豪王荧崔加芸

指导教师：

蒋华平李存虎

2013年2月20日

目录

摘要IV

前言1

第一章模拟流水线控制系统总体设计和主要特点2

1.1基本概念2

1.2设计思路与电路原理方框图2

1.2.1设计思路2

1.2.2原理方框图3

第二章控制系统的硬件设计4

2.1AT89C51简介4

2.1.1AT89C51的功能描述4

2.1.2AT89C51的主要特性5

2.1.3主要管脚说明5

2.2时钟电路的设计与工作原理分析7

2.2.1振荡器特性7

2.2.2时钟电路的设计8

2.2.3单片机的基本时序单位8

2.3单片机复位电路的设计与分析9

2.3.1单片机复位电路的设计9

2.3.2单片机复位后的状态的分析10

2.4电源电路的设计与分析11

2.4.1电源电路的设计11

2.4.2电源电路分析12

2.5数显示电路分析与设计13

2.6电机控制电路分析与设计14

2.6.1步进电机的基本原理14

2.6.2电机控制电路的设计15

2.7检测电路的设计16

第三章控制系统的软件设计18

3.1主程序设计18

3.1.1主程序的起始地址18

3.1.2主程序的初始化内容18

3.1.3代码转换程序19

3.1.4主程序设计框图19

3.2LED动态显示程序模块的设计19

3.2.1动态扫描延时的实现方式19

3.2.2延时程序的相关初值计算19

3.2.3动态显示程序模块结构图21

3.3中断服务程序22

3.3.1工序操作中断服务程序的设计22

3.3.2计数中断程序的设计23

3.4系统总程序设计23

第四章系统的安装与调试28

4.1元件的识辩与检测28

4.2元器件安装的基本要求与原则28

4.2.1元器件的安装要求28

4.2.2元器件的安装原则29

4.3元器件的焊接29

4.3.1对焊点的基本要求29

4.3.2焊接前的准备30

4.3.3焊接操作30

4.4系统调试与分析31

设计总结32

参考文献33

致谢34

附录35

附录一程序清单35

附录二装配流水线的模拟控制系统原理图44

附录三控制系统的PCB图45

附录四元器件安装图46

模拟流水线控制系统设计

摘要

本论文介绍了装配流水线的模拟控制系统的设计与制作全过程。

文章首先论述了设计装配流水线模拟控制系统的意义及思路，然后分析和设计了系统硬件的各单元电路，其内容包括：

复位电路，电源电路、显示电路、电机驱动电路等，最后对系统的软件进行分析与设计。

整个系统以AT89C51单片机为中央控制器件，用红外传感器实现对生产操作工序和产品计件的检测，用软件方法实现对步进电机的转停、加速、减速，从而实现对生产装配流水线的模拟控制。

完成了传感技术和现代控制技术在此装配流水线中的应用。

设计基本可以完成各种生产所需的逻辑控制，并可根据实际工业情况灵活软件升级。

关键词：

装配流水线,单片机,传感器,步进电机

前言

在社会快速发展、竞争激烈的今天，提高生产效率、降低工艺流程成本、最大限度地满足生产要求将直接决定各企业工厂能否紧跟社会脚步、赢得时间、占得市场，甚至将决定着企业的生死存亡。

为此，企业工厂自动化无疑扮演着一个重要的角色。

生产装配流水线自动化作为工业自动化的一部分，能提高生产效率、降低工艺流程成本、最大限度地适应产品变化、提高产品质量，而采用计算机仿真技术后，大大缩短了包装机械的设计周期及新产品开发周期，满足现代化生产过程中的需要。

它是现代化生产控制系统中重要的组成部分。

现代电子产品正在以前所未有的速度革新，向着功能多样化、体积最小化，功耗最低化的方向迅速发展，它与传统电子产品在设计上的显著区别，一是大量使用大规模可编写芯片，以提高产品性能，缩小产品体积，降低产品功耗；二是广泛运用现代计算机技术，以提高电子产品设计的自动化程度，缩短开发周期，提高产品的竞争力。

单片机的微小体积和极低的成本，可广泛地嵌入到电子系统，自动化、舰船、个人信息终端及通信产品等方方面面，成为现代控制系统中最重要的智能化工具。

将现代控制技术合理运用于工业与生产是人们一直追求的目标。

在科技高度发达的当今社会，对于生产流水线的控制完全由人工来完成，必将成为历史一去不复返，而现代控制技术特别是计算机控制技术来进行控制管理是现代化生产的标志，所以，我们设计出一个利用单片机实现的装配流水线模拟控制系统。

利用完全自动化的操作方式，实现装配流水线自动控制生产中的电机转停及产品的计数。

同时，根据实际特殊情况下的需要，设置有加速，减速、停止按键。

在控制过程中，我们利用单片机强大的编程技术，经过对现场生产装配流水线进行模拟控制。

它具有微功耗、全集成化、智能化、高精度、高性能、高可靠性和低价格等优点。

如在电机控制输出时加入继电器还可应用于工厂的现场控制。

总的来说是一个可行的方案。

第一章装配流水线的模拟控制系统总体设计和主要特点

本章重点阐述装配流水线的模拟控制系统的基本概念、设计思路、系统电路的原理框图。

1.1基本概念

在大量生产中，为提高生产效率，保证产品质量，改善劳动条件，不仅要求机床能自动地对工件进行加工，而且要求工件的装卸、工序间的输送、加工精度的检测、废品的剔除等都能自动地进行。

因此，把设备按工件的加工工序依次排列，用自动输送装置将它们联成一个体，并用控制系统将各个部分的动作协调起来，使其按照规定的动作自动地进行工作，这种自动化的加工系统就称为自动化生产流水线。

1.2设计思路与电路原理方框图

1.2.1设计思路

根据设计要求，初步设计思路如下：

1）整个控制系统采用MCS-51系列单片机作为控制核心。

2）装配流水线上的各工序操作请求信号和计数请求信号的采集用红外传感器开关完成，操作工序用延时模拟。

3）流水线的计数显示采用四位一体的七段LED数码管，动态扫描方式。

动态扫描的时间，由软件实现。

4）各工序操作请求和记数请求采用中断响应。

其中对第一、第二工序操作占用外部中断，而对第三工序操作、计数响应由定时器计数中断。

5）LED数码管的段选码输入，由并行端口P0低四位产生；LED数码管的位选码输入，由并行端口P0的高四位产生。

6）电机的转速调整及系统功能的切换由按键控制，程序实现，信号从P1口输入。

7）电机的控制信号由P2口输出。

系统中所用的单片机AT89C51，是一种性能优良的集成可编程的单片机，其功能十分的强大。

它把CPU、存储器、及I/O集成到一个芯片上，只要外加少许电子零

件便可以构成一套简易的控制系统。

这样可以降低设计出来的产品的硬件成本，通过编程实现对装配流水线的模拟控制。

1.2.2原理方框图

根据设计要求和设计思路，确定该系统的设计方案。

如图1.1为该系统设计方案的硬件设计框图。

硬件电路主要由控制单元、计数显示单元、检测部分、接口单元电路等组成。

第二章控制系统的硬件设计

为使装配流水线控制系统能够具有更好的实用性，并且具有更高的性能，需对该系统的硬件进行完整的设计。

该系统的硬件设计采用了模块化的设计方法。

按实现的功能来分，可分为以下几个单元部分。

其中，AT89C51单片机是整个电路的核心，它控制其他模块来完成各种复杂的操作。

附录二就是装配流水线控制系统总电路图。

在本章下面的几个小节中，我们根据附录二所示的硬件设计图，对各个模块的主要的一些电路进行详细的设计和分析。

2.1AT89C51简介

2.1.1AT89C51的功能描述

AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。

它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。

AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。

只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。

可用12V电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。

工作电压范围宽（2.7V~6V），全静态工作，工作频率宽在0Hz～24MHz之间，比8751/87C51等51系列的6MHz～12MHz更具有灵活性,系统能快能慢。

AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。

P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

外形及引脚排列如图2.1所示

2.1.2AT89C51的主要特性

AT89C51主要具有以下几个特点：

1）AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；

2）内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；

3）静态工作,工作范围:

0Hz～24MHz；

4）128×8位内部RAM；

5）32位双向输入输出线；

6）两个十六位定时器/计数器

7）5个中断源,两级中断优先级；

8）1个全双工的异步串行口；

9）闲置和掉电两种工作方式。

10）内振荡器和时钟电路

2.1.3主要管脚说明

AT89C51的主要管脚说明如下：

1）VCC：

供电电压。

2）GND：

工作地。

3）P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向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/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

4）P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL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收。

5）P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，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口输出地址的高八位。

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编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

6）P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

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，如表2.1所示。

7）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。

8）

：

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，此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。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR的8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

端口引脚

各个功能

P3.0

RXD（串行口输入端）

P3.1

TXD（串行口输出端）

P3.2

TNT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）

P3.3

TNT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）

P3.4

T0（定时器/计数器0脉冲输入端）

P3.5

T1（定时器/计数器1脉冲输入端）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）

9）

：

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。

10）

：

当

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

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）。

11）XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

12）XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

2.2时钟电路的设计与工作原理分析

2.2.1振荡器特性

XTAL1和XTAL2分别为反相放大器的输入和输出。

该反相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。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应悬空不接。

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。

2.2.2时钟电路的设计

8031/8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：

内部振荡方式和外部振荡方式。

在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。

由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

内部振荡方式的外部电路如下图2.2所示。

图中，电容器C1，C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在30~50pF。

晶振频率的典型值为12MHz，采用6MHz的情况也比较多。

内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。

外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。

这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。

外部振荡方式的外部电路如下图2.2所示。

由上图可见，XTAL1接地，外部振荡信号由XTAL2引入。

为了提高输入电路的驱动能力，通常将外部信号经过一个带有上拉电阻的TTL反相门后接入XTAL2。

2.2.3单片机的基本时序单位

单片机以晶体振荡器的振荡周期（或外部引入的时钟周期）为最小的时序单位，片内的各种微操作都以此周期为时序基准。

振荡频率二分频后形成状态周期或称S周期，所以，1个状态周期包含有2个振荡周期。

振荡频率foscl2分频后形成机器周期MC。

所以，1个机器周期包含有6个状态周期或12个振荡周期。

1个到4个机器周期确定一条指令的执行时间，这个时间就是指令周期。

MCS-51系列单片机指令系统中，各条指令的执行时间都在1个到4个机器周期之间。

4种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其它时间值（例如，波特率、定时器的定时时间等）的基本时序单位。

单片机外接晶振频率12MHZ时的时序单位的大小：

振荡周期＝1/fosc=1/12MHZ=0.0833us

2.3单片机复位电路的设计与分析

2.3.1单片机复位电路的设计

在51系列单片机中，在振荡器运行时，RST引脚上保持到少两个机器周期的高电平输入信号，复位过程即可完成。

为响应这一不定期程，CPU发出内部复位信号。

内部复位操作是在发现RST为高电平后的第二个周期进行的，并且此后每个周期都重复进行复位操作，直到RST变成低电平为止。

针对复位电路对时间的需要，我们对上电复位电路进行设计。

一般来讲，Vcc电源的上升时间不超过1ms，片内振荡器启动时间在10ms之内。

在这种情况下，把RST引脚通10uF电容接到Vcc并同时经过10K电阻和地相连，就可获得上电自动复位的结果。

其具体的复位电路如图2.3所示。

接通电源后，Vcc便对电容通过电阻进行充电。

RST脚的电压等于Vcc与电容两端电压之差。

在充电过程中，随着电容电压逐步趋于Vcc，RST引脚上之电压最终将接近于0。

此过渡过程之长短取决于电阻和电容值的大小。

10uF电容足可使RST脚上的电压在振荡器启振后尚有两个机器周期以上的时间保持高于施密特触发器的低门槛电平，从而使整个复位过程得以完成。

2.3.2单片机复位后的状态的分析

单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。

单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见下表2.2。

值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。

说明：

表中符号*为随机状态；

表2.2特殊功能寄存器与初始状态表

特殊功能寄存器

初始状态

特殊功能寄存器

初始状态

PSW

00H

TH0

00H

P0～P3

FFH

SBUF

不定

IP

***00000B

SCON

00H

IE

0**00000B

PCON

0*******B

A

00H

TMOD

00H

B

00H

TCON

00H

SP

07H

TL0

00H

DPL

00H

TH1

00H

DPH

00H

TL1

00H

PSW=00H，表明选寄存器0组为工作寄存器组；

SP＝07H，表明堆栈指针指向片内RAM07H字节单元，根据堆栈操作的先加后进法则，第一个被压入的内容写入到08H单元中；

Po～P3＝FFH，表明已向各端口线写入1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出；

IP＝***00000B，表明各个中断源处于低优先级；

IE＝0**00000B，表明各个中断均被关断；

A＝00H，表明累加器已被清零；

MCS-51系列单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转成低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。

MCS-51系列单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于内部RAM内部的数据则不变。

AT89C51是由美国Atmel公司生产的高性能八位单片机。

该芯片采用FLASH存储技术，内部具有2KB字节快闪存存储器，采用DIP封装，是目前在中小系统中应用最为普及的单片机。

2.4电源电路的设计与分析

2.4.1电源电路的设计

稳压电源的输出电压UO（或电压可调范围UOmin~UOmax）和最大输出电流IOmax是它的特性指标，这两个指标决定了该电源的适用范围，同时也决定了稳压器的特性指标以及如何选择变压器、整流管和滤波电容。

而输出电阻、纹波电压、温度系数是稳压电源的质量指标，它们决定了稳压器的稳压系数、输出阻抗、温度系数和滤波电容的选择。

因为系统是由单片机直接控制处理，其稳定的电压对但片机来说是十分重要的，如图2.4所示我们设计的稳压电源，使系统能正常的工作。

为了改善波纹特性,在稳压电源的输入端加接电容C2；在其输出端加接电容C4，C5，目的是为了改善负载的瞬态响应、防止自激振荡和减少高频噪声。

2.4.2电源电路分析

三脚稳压块选择：

该装置中的稳压块选用LM7805和LM7812集成稳压块。

下面介绍LM7805的技术，LM7812系列集成稳压块主要技术参数和工作原理与LM7805的类似，这里就不再叙述。

LM7805系列集成稳压块主要技术参数：

输入电压：

DC3V～35V；最大输出电流：

1.5A。

LM7805系列稳压块封装：

1脚为输入端，2脚为公共端，3脚为输出端。

注意事项：

引脚不能接错，公共端不能悬空；为防止过热应安装散热片，其内部原理图如图2.5所示，按图我们来分析其原理：

在本设计中应输出电压为Vo=5V，则当Vo＞5V时，T2的b极电压上升，进而T2的c极电压下降，进而T1的b极电压下降,进而T1的Vce极电压上升，进而Vo趋于5V；反之当Vo＜5V时亦然。

2.5数显示电路分析与设计

为了对生产加工的产品进行统计，设计了产品计数显示电路，电路如图2.6所示。

从实际生产出发，我们对四位数码管的显示采用了动态扫描的方式进行控制。

当要显示千位时，在数据线上送出所要显示的数据，同时开通千位数码管的模拟开关，千位数码开关得电工作，显示数据，通过计算机程序的控制，让该位点亮一段时间，然后关断千位；显示百位时，在数据线上送出所要显示的数据，同时开通百位数码管的模拟开关，百位数码开关得电工作，显示数据，通过计算机程序的控制，让该位点亮一段时间，然后关断百位；显示十位时，在数据线上送出所要显示的数据，同时开通十位数码管的模拟开关，十位数码开关得电工作，显示数据，通过计算机程序的控制，让该位点亮一段时间，然后关断十位；接着数据线上送出个位所要显示的数据，同时选通控制个位的模拟开关，也让这个延时显示一段时间，这样交替地扫描显示，由于发光管的辉光效应，只要扫描的频率足够高，肉眼看上去就是稳定的四位数据显示。

2.6电机控制电路分析与设计

本设计中采用步进电机作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

2.6.1步进电机的基本原理

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

步进电机的一些特点：

1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2）步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏8090度完全正常。

3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。

在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术