自动装箱控制系统设计最终版1概要.docx

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自动装箱控制系统设计最终版1概要

存档日期：

存档编号：

本科生毕业设计（论文）

自动装箱控制系统设计

论文题目：

姓名：

张明礼

学院：

电气工程及自动化学院

专业：

自动化

班级、学号：

10电5110285016

指导教师：

包建华

江苏师范大学教务处印制

摘要

自上世纪以来,人类的科技水平进入了全面发展的时期，尤其是在电子技术领域，自动化已经遍布我们的生活。

自动化技术的提升能大幅度的提高国民经济，这在包装行业中表现的特别突出。

现如今,在一些大型工厂、企业中，包装生产线早已实现了包装自动化。

随着生产线上的控制系统，监测系统的不断发展，包装生产线上的故障率不断降低，产品损耗也不断降低。

自动化生产的高速发展，使得企业的生产效率成倍提高，可以说生产线上的自动化水平越高，为企业和社会带来的现实的经济利益越可观。

本文研究的就是包装生产线上的自动装箱控制系统,对系统的各个部分将进行详细的介绍,包括系统各部分的方案的选择,所用到的元器件的功能和使用方法等。

在本文中，首先会先介绍一下论文设计的整体思路。

然后，围绕着系统的设计要求，对各部分做个详细的阐述，最后完成整个系统的构建。

构成系统的主要部分是两条皮带，包装箱体的传送皮带和待装产品的传送皮带。

在自动装箱控制系统中我们选用电子电路中最常用的光电传感器作为产品的计数器。

自动装箱控制系统的主电路部分是采用AT89C52单片机以及74LS373等芯片所构成的一个简单的微机系统。

为了方便读取键盘的给定参数，完成产品的检测和对系统的控制，在系统设计中，专门使用一个8255A做单片机的扩展I/O接口。

在论文中将对自动装箱控制系统进行较详细的阐述，以及提供具体的系统设计。

在系统的编程控制部分，结合软件和硬件来进行程序的设计，最终达到自动装箱控制系统的设计要求。

关键词：

装箱光电传感器AT89C528255A工业自动化

Abstract

Sincethelastcentury,thelevelofhumantechnologyintothecomprehensivedevelopmentperiod,especiallyinthefieldsofelectronictechnology,automationhasbeeninourlife.Promotionofautomationtechnologycangreatlycontributedtothenationaleconomy.Inthepackagingindustryshowspecialhighlights.Nowadays,insomelargefactories,enterprisesandpackaginglineshavelongbeenpackagedautomation.Withthecontrolsystemofproductionline,continuousdevelopmentofmonitoringsystem,decreasingfailureratesofpackagingproductlineandproductlosseshavebeenreduced.Therapiddevelopmentofautomatedproductionthatresultsindoublingproductionefficiency,canbesaidthatthehigherlevelofautomationproductionline,bringrealeconomicbenefitsforbusinessesandsocietyisconsiderable.Automatic packingmachinecontrolsystem inthispaper isthestudyofthepackaging productionline, on thevariouspartsofthesystem willbeintroducedindetail, including the selectionof eachpartofthesystem, thecomponentsofthe function andthemethodofuse.

Inthispaper,wewillfirsttoprofilethepaper'soveralldesignphilosophy.TThen,aroundthesystemdesignrequirements,makeadetaileddescriptionofeachpartoftheconstruction,thefinalcompletionofthewholesystem.Themainpartofthesystemdesignisthetwobelt,transmissionbeltpackingboxandthetransmissionbelttobeinstalledproducts.Photoelectricsensorisusedastheproductofthecounterintheautomaticpackingcontrolsystem.

AutomaticpackingcontrolsystemofmaincircuitusedintheAT89C52MCUand74LS373chipposedbyacomputersystem.Inordertofacilitatereadingthekeyboardofthegivenparameters,detectionandcontroloffinishedproduct,systemdesign,speciallymadeusinga8255Aextensionofthesingle-chipI/Ointerfaces.Thisarticlecomprehensivelypresentedforautomaticpackingcontrolsystem,aswellasthedetailedsystemsdesign.

Thesystemcontrolpart,combinedwiththerealizationofsoftwareandhardware,finallyachievethedesignrequirementofautomaticpackingmachinecontrolsystem.

Keywords:

BoxingAT89C528255AIndustrialAutomation

1绪论

1.1研究背景及目的

现代工业的生产过程中,常常要统计生产线上的产品数，并对产品进行包装，通常采取的方式是手工逐个计数。

但由于人工的自身缺陷，采取这种方式很容易出错，不是漏掉就是计错，而且效率也比较低，成本高。

在本系统的设计中，采用ATMEL公司的MCS-51单片机AT89C52为装箱系统的控制核心,可以对包装工厂的生产过程中进行正确的装箱处理和产品确切的计数。

工业自动化技术综合了自动控制原理、计算机应用技术、仪器与仪表技术等技术，对工业现场的流水线，实现产品监测、生产线的控制与优化、调度以及管理和决策，最终达到提高生产效率、减少损耗的目的，同时也提高了生产安全。

工业自动化技术是20世纪制造领域中的最重要的技术之一，它主要提高了工业生产过程中的工作效率。

工业自动化系统本身不会创造生产效益，只是对于改善工业生产中的工作效率，作用是显而易见的。

IPC（工业控制计算机）,又叫产业PC，在工业自动化系统中，IPC起着很重要的作用。

一般认为，工业控制计算机主要用在工业生产现场的测量、管理、控制。

但随着现在科技水平的不断发展，IPC的应用范围不仅仅局限于此了，已经远超出工业自动化控制的过程。

1.2工业自动化的研究现状

如今，很多工厂，企业，为了实现生产过程中的控制与管理一体化，大多采用的是PLC，集散控制，现场总线等作为工业控制的主要方式。

进入21世纪，“新型自动化控制系统”逐渐流行起来，工业控制慢慢有了向智能化方向发展的趋势。

随着科学技术水平的提高和发展，集散控制系统（DCS）在工业生产中的应用更加广泛。

DCS技术是将计算机技术应用在了生产过程控制当中，用CRT来表示系统的各个参数,计算机软件组成了各种功能模块,两者通过通信网络构成一个完备的系统。

所以DCS技术的一个主要的特点是，各生产过程现场的控制分别由现场控制站来进行分散控制,然后，各个现场的控制信息汇总到管理站进行集中管理,同时根据生产工艺要求管理站对现场控制站进行集中控制,即信息和操作管理集中化而控制分散化。

近年来，DCS技术的发展势头很猛，在工业生产过程中的应用更加广泛。

未来DCS还将拥有更广阔的发展前景。

顺序逻辑控制从继电器到数字逻辑顺序控制系统的一步步发展,最终形成了现在的可编程逻辑控制器,即我们常说的PLC。

PLC采用梯形图、布尔代数控制程序。

PLC具有体积小,可以无火花运行,故障率低，安全可靠等优点,可以较方便的进行现场调试。

从上世纪的80年代后期开始,PLC制造商开始为了满足市场的需求，在PLC中加入了模拟量的采集和控制,并与控制和传输匹配,绝大多数情况下都是基于单一设备的销售,系统最终的集成由用户（或工程公司）自己完成。

现场总线是开放的工业自动化控制系统,用于连接在生产现场的仪表与控制室内的控制设备进行通信的网络系统。

现场总线技术是一种高层次、高难度的工业数据总线,是工业自动化系统的重要组成部分，对工业各个领域的发展都将起到非常重要的作用。

1.3自动装箱控制系统的设计意义

随着在制造业中的自动化水平的不断提高，应用范围不断扩大。

包装的自动化操作，对整个包装行业的改变是巨大的，这彻底改变了传统装箱过程中的包装方法和加工方式。

自动装箱控制系统显著的提高了工厂的生产效率和产品品质，减少了包装过程中由于工人的误操作而造成的产品损失，降低了资源消耗，同时也减轻了包装工人的劳动强度。

自动装箱控制系统的设计关键是能够设计出一个实现完全自动控制的控制方案。

显然，自动装置（或工业机器人）的需求和特点取决于工艺的选择。

根据定义，那么自动装置就是实现自动化控制或者通过远程遥控可以完成某个任务的机械装置或机构。

它可以很简单，也可以很复杂。

当代的自动化革命浪潮，正在改变着包括包装行业在内的各个行业的生产规则。

自动装箱控制系统具有的高效率，提高了整个生产过程中的工作效率和产品的质量。

当然对于减少资源损耗，降低劳动强度，改善加工误差，也起到了非常重要的作用。

尤其是在电子、饮料、食品、药品等行业，这点都是至关重要的。

从长远来看，自动装置最终将得到更加广泛的应用。

1.4设计内容及功能要求

分析了以上论述，我们对于自动装箱控制系统有了大致的了解。

结合本系统的一些功能要求，我们设计出了一个自动装箱控制系统，装箱原理图如图1-1所示。

图1-1自动装箱控制系统原理图

在图1-1中，该系统有两个传送带，箱体传送皮带和产品传送皮带。

箱体传送皮带是用来提供产品包装箱，其功能是提供一个空箱用于产品的装箱，同时运走装满的包装箱。

为了便于产品正好掉落在箱子中，空箱子必须处于正确的位置，恰好对准传送皮带2。

那么这就需要在箱体传送皮带上装一个检测传感器1，以检查包装箱是否到达指定位置。

产品传送皮带是将产品从一端传送到包装箱中，完成产品的装箱。

当产品行进到传送带的尽头时，自动掉落在包装箱内，同时传感器2检测到一个产品，产生脉冲，并转化成计数脉冲。

产品计数可以由软件完成，也可以用硬件（如51单片机中的定时器/计数器）来完成。

本系统采用软件计数方法。

系统工作步骤如下：

（1）先用键盘给点设定的单个箱子产品数，以及所需的包装箱数，分别存放在PARTS和BOXES单元当中。

（2）接通系统总电源，箱体传送皮带1运动，空包装箱随着皮带向前运动。

根据设定的程序，当箱子运行到传感器1处时，单片机读取检测传感器的状态，可以知道传送皮带1上的箱子有没有到达指定位置。

（3）当包装箱到位后，关闭电机1上的电源，传送皮带1停止。

（4）同时启动皮带2的电机，产品沿着皮带向前运动，最后掉落在包装箱内。

（5）当产品一个个的掉落时，通过检测传感器2的检测，将产生一系列脉冲信号。

（6）从检测传感器2来的输出脉冲，由计算机计数并不断和预设单位中的给定的值进行比较。

（7）如果包装箱内的产品数与给定的不相等，那么皮带2将继续运行，直到两者相等的时候，此时，立即停止传送皮带2上的电机，停止装入产品。

（8）再一次的启动传送皮带1，装满产品的箱子继续向前运动，箱子数量加1，并存入相应的内存单元中，然后与给定值作比较。

如果少于设定的箱数，则继续搬来一个空箱，重复上面的过程。

若当前箱数与给定值两者相等，生产线上的皮带全部停止，等待下一个操作命令。

操作人员可以通过编码键盘重置给定参数，在包装过程中，操作人员可以随时按下停止键，暂停当前工作，也可以按下开始键，重新启动电机工作。

2系统的控制方案论证

2.1控制方案列举分析及确定

在本课题中,对自动装箱控制系统的要求分析中可知:

两个传送皮带是按照程序中已经确定的顺序，不停地关闭和重启,这种控制我们一般称为顺序控制。

一般来说顺序控制有下列几种控制方法：

2.1.1机械式的顺序控制

机械式的顺序控制是采用分配轴上的凸块去控制电器的开关，从而实现的一种控制方法。

但这种控制方法也有局限性，如无法控制执行器的位置，只能利用限位开关来进行定位等。

现在，凸轮控制的多点开关，对简单控制仍很普遍适用。

但该控制方法由于体积较大，陈套老旧，精度低，成本高，不适于本控制系统，所以不予考虑。

2.1.2继电器顺序控制（RLC）

继电器顺序控制是一种采用继电器组成的顺序控制（又称RLC），RLC具有下列多个优点：

（1）线路设计简洁，要求低，发挥空间大。

（2）成本低。

（3）使用继电器可以扩展节点数量，提高开关电流容易。

（4）很容易就可以通过输出电流产生电磁并最终转化为机械力。

（5）如采用时间继电器，可以很好的实现定时。

（6）对维护技术要求低。

RLC的缺点是：

（1）系统自动化程度越高，RLC线路越复杂，工作量越大，维修难度越大。

（2）频繁开关触点，产生电磁干扰信号，降低了使用寿命，可靠性降低。

（3）由于不能多次利用，所以在不同的系统中，采用这种控制方式都要重新设计和制造线路板，阻碍了技术和生产的发展。

本系统自动化程度较高，很显然RLC也不适于本系统。

2.1.3二极管矩阵式顺序控制器

二极管矩阵式顺序控制器是由输入，输出和矩阵组合在一起的一种组合逻辑电路。

如果改变了矩阵上插入二极管的位置，就相应的改变控制器的逻辑关系。

二极管矩阵顺序控制器有下列优点：

（1）原理简单，容易掌握。

（2）设定控制程序时，无需专门的技术和装置。

（3）更改程序容易，只需改变带二极管插入的位置即可。

（4）逻辑处理采用并列处理，没有时间延迟现象。

（5）电路的复杂程度靠二极管去完成，成本较低。

该系统易于实现，但由于功能少，达不到系统的要求，故也不予采纳。

2.1.4计算机的顺序控制

80年代末90年代初，计算机获得更大的发展，人们开始把计算机应用在工业控制领域当中。

计算机的功能齐全，有很强的灵活性和通用性，但需要更多的外围设备，价格昂贵，这大大限制了它的使用范围。

此外，计算机原理复杂，在使用和维护方面存在很大的困难，所以，推广较为缓慢。

虽然它可以完全用于顺序控制，但是我们的自动装箱控制系统只需要简单的控制就可以了，所以它也不适合本系统。

2.1.5可编程序的顺序控制器

可编程的控制器结合了计算机的通用灵活性和继电器的简单控制、操作方便等优点。

可编程控制器，简称PLC。

PLC的优点是：

（1）PLC采用面向操作的逻辑语言。

（2）指令数较少，编写和修改比较容易。

（3）程序执行动作的监控和修改方便。

（4）安装环境和条件没有特殊要求。

（5）可靠性高。

（7）可以与计算机直接相连，应用前景很大。

2.1.6单片机实现的顺序控制

单片机具有下面一些特性：

体积小：

单片机内部拥有作为一个计算机工作所需的所有基本组成部分，所以单片机构成的系统较为简单，体积也小。

可靠性高：

单片机中的存储器和传输线大多数在内部，不易受到外界的干扰；单片机在环境条件差的时候，会对系统采取电磁屏蔽。

所以单片机系统的可靠性一般较高。

性价比高：

目前单片机已经实现了批量生产，成本低，功能却不断增加,使单片机的性能价格比较高。

控制功能强：

单片机的CPU可以直接操控I/O口进行工作，提高了系统的运算速度。

使用方便：

单片机功能强，扩展方便，应用中所需的硬件设计也简单。

目前市场中有很多的单片机开发工具，使单片机的应用变得更方便。

低功耗：

单片机系统集成度高，功耗相比其他设备要低很多。

单片机以上的优势，缩短了系统开发周期，使研究结果可以迅速转化为生产力。

通过对以上各种控制方案的分析比较，结合本系统的实际情况、功能要求，我们决定采用单片机控制方法来实现本系统的自动控制要求。

2.2自动装箱系统配置方案

2.2.1单片机的选型及相应芯片、总线的选择

单片机的选择：

本系统（自动装箱控制系统）相对较为简单，可以选择价格低廉、应用广泛、性能出色的8位AT89C52单片机。

作为ATMEL公司生产的这款AT89C52单片机属于MCS-51系列单片机。

另外，本系统需要较多的I/O接口，因此必须进行接口扩展。

8255A较之8155的扩展I/O口更多，更能满足我们的自动装箱控制系统的设计需求。

因此，这里我们将选用的是8255A芯片。

总线：

本系统采用标准总线，标准总线具有良好的兼容性，因为标准总线有严格的定义，不同的生产厂家的产品兼容性都很好。

在由不同模块构成的系统中，扩展相对容易，设计也比较简单。

在工业控制中，大多选用的是STD总线，它直接面向I/O口、可靠性高。

本系统将选择STD总线作为系统总线。

2.2.2传感器的选择及工作原理

选择传感器前我们应先了解本系统所需的检测对象：

（1）检测空箱是否到达指定位置。

本系统中，采用传感器来判断空箱是否到位，通常可选择光电传感器和红外传感器两种传感器。

红外传感器的检测原理：

当红外线的发射端与接收端之间有障碍物（包装箱）时，此时接收端收不到发射端发射的光信号，传感器将产生一个信号，可以判断出箱子已经到达指定位置，由于红外传感器是利用物体的辐射来接收信号的，所以信号强度较弱不精确，而且价格贵、易干扰、成本高。

光电传感器的检测原理：

它的检测元件是光电元件。

先将被测量的变化转换成为光信号，然后利用光电元件再将光信号转换成电信号。

较之红外传感器，光电传感器的精度更高、响应速度更快等，内部构造也简单。

因此，光电传感器的应用很广泛。

综合所述，本系统采用光电传感器进行检测比较好。

（2）判断箱子的装载产品数是否达到设定要求。

判断箱子的装载数是否达到设定要求的方法有：

对装载产品计数：

当装载数达到给定要求时，判断箱子是否装满。

通常的计数也是采用红外照射计数和光敏电阻计数两种方法。

对箱子进行称重：

当箱重满足预先给定好的重量时，表明这个箱子已装满，该重量就是相应数量产品的总重，这里将用到压力传感器，但是采用这种方法的缺点就是有较大误差，且压力传感器不好安装。

所以这里还是选择采用光电传感器来进行检测。

2.2.3输入输出设备的选择

系统输入输出设备是提供系统与人机间进行对话的一种设备。

（1）输入设备的选择

输入设备一般采用开关、按钮、键盘等，本系统不但需要开关，而且还需要输入设定数据，所以可采用键盘（包含开始、停止命令键，还有数字键等）来作为输入设备。

（2）输出（显示）设备的选择

在一个系统中，可选择的输出显示设备很多，而本系统等所需的小型简单的显示器通常采用发光二极管显示器（即LED）显示以及液晶显示器（即LCD）显示两种。

LED结构简单，价格廉价，是应用最广泛的显示器。

显示清晰但不精细、性能也比较稳定；LCD功耗小、体积小、重量轻，但价格较高，常用于小型仪表和功耗低的系统中。

本系统中，为了显示清晰，同时考虑到功耗，产品成本等，所以采用发光二极管显示器显示。

2.2.4电机的选型及控制方案的选择

电机分为直流电机和交流电机两种。

直流电机调速性能较好、启动转矩大，尤其是其调速性能比交流电机更加出色。

因此，直流电机在对电机的启动性能、调速性能要求高的生产现场中来进行拖动。

但直流电机同时也有很多的缺陷，如生产过程复杂，制造成本高。

另外直流电机的维护也比较困难。

所以在如今的工业电力拖动系统中，直流电机与交流电机都有其不同的应用场合。

如果再将交流电机分类，可划分为交流异步电机和交流同步电机两种。

交流异步电机不能实现平滑调速，经济不划算，而且必须在电网中获取励磁电流，这就改变并污染了电网中的功率因数。

但其也具有制造简便、结构简单、运行稳定、价格廉价等等优点。

交流同步电机中的电机转速与电网频率间存在着固定的关系。

由于开关量作为控制输入信号来控制电机，不需要大的传动功率，且自动装箱控制系统对传送箱子和传输产品都需要一个非常精确的定位，所以本系统的电机部分我们采用的是用开关量控制的同步伺服电机。

而且本系统不需可逆调速，我们选择交流电机，分析本系统的功能要求可知，传送带传送过程中需要精确定位来实现产品的自动装箱，这就要求电机能迅速停止。

综合上面的要求我们最终选择220V交流伺服同步电机。

传送带的电机需要交流大电压来控制，但我们的单片机控制部分输出的开关量为直流低电压，因此不能用来直接驱动电机，同时也为了提高系统的抗干扰能力，我们将采用光电隔离技术进行强弱电隔离。

电机的控制也有很多种方法，如继电器、固态继电器（SSR）、电磁阀、可控硅（SCR）及大功率的场效应管等等。

继电器是电气控制中最常用的方式，相比其他几种方式结构简单、体积小、重量轻、成本较低。

本系统相比电机的选择对电机控制没有过高的要求因此这里我们采用继电器进行控制即可。

2.2.5供电方案的选择

微机系统大多采用交流电供电，系统电源一般来自于稳压电路。

稳压电路由两种类型可以提供所需的各档电压。

一种是通用的线性电源，主要组成是变压器、整流器、滤波器、稳压器等等。

这种电源设计结构简单，成本低，精度不高但也能满足一般的系统需要。

缺点就是体积大，散热较差。

另一种是开关电源，这样电源在微机系统中应用广泛。

现在开关电源的发展向着高效化、小型化方向不断发展，已经成为电子设备的主流电源，现在的微型机系统或者输入输出设备中大概有90%以上都是采用得开关电源供电。

开关电源的工作原理是采用PWM（脉宽调制技术）原理，精度高，小巧轻便，可靠性高。

由于本系统对电源没有特别高的要求，而且电源部分也不是本系统的主要内容，为了方便使用，我们将采用开关电源作为系统的供电，电源只要达到下面的要求即可：

（1）电源供应的功率很充足，以避免在满荷或超荷运行时出现严重的发热现象，导致电压的精度降低。