生产物料计数器设计.docx
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生产物料计数器设计.docx
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生产物料计数器设计
吉林大学珠海学院
毕业设计
生产物料计数器设计
系
别:
电子信息系
专
业
名
称:
测控技术与仪器
学
生
姓
名:
杨梓铎
学
号:
03111310
指导教师姓名、职称:
魏晨助教
完成日期:
2015年4月30日
近年来,计数器技术迅猛发展,以微处理器为核心的计数系统变得非常流行,因为这种系统相对于人工来说,具有稳定可靠,节省资源的优点。
使用自动计数器对生产线上的物料进行统计,在日常的工业生产中有广泛的应用,对通过的物料进行计数,完成对物料的统计,既提高了劳动力,又节省了资源。
以微处理器核心的自动产品计数器具有抗干扰能力强,计数准确等优点,目前在工业生产线上得到广泛的应用,提高了效率,增加了计数的可靠性。
本文设计了一种非接触式物料计数装置,采用一对红外发射接收管作为红外计数器的信号检测头,主要包括以下模块:
信号采集电路,信号放大整形电路,信号处理电路,处理结果显示电路。
关键词:
自动计数;AT89C51;数码管显示;
Abstract
Asthetechnologyofcounterdevelopmentandprogress,moreandmoretypesofcounters,increasinglywiderangeofapplications,followedbyincreasinglyfiercecompetition.Counterforcountingcertainobjectsautomatically,inreallifethereisawiderangeofapplications,theobjectiscountedbyrealizedcollectstatisticaldata,suchasintheproductionandapplicationofthenumberofcontrollinesinareassuchaspackaging,tosavelabor,canefficientlycompletethetask.
Automaticcountermicrocontrollerbasedproductsconstitutedanintuitiveandprecisecountingadvantages,hasbeenwidelyusedinvariousindustries.Therearemanyformsofdigitalcounters,ingeneral,therearecontactandnon-contacttwoinscieneeandtechnologydevelopmenttoday,thenon-contactinfraredcounterhasbeenwidelyused.Thisdesignusesapairofinfraredemissionreceivingtubeasaninfraredsignaldetectioncounterhead,withlowprices,goodanti-interferenee,simplestructure,convenientoperation.Mainlyincludesthefollowingmodules:
asignalacquisitioncircuit,signalamplificationshapingcircuit,asignalprocessingcircuit,theprocessingresultdisplaycircuit.
Keywords:
AutomaticCount;AT89C51MonolithicIntegratedCircuit;Nixietube
1绪论1
1.1设计背景1
1.2发展状况1
1.3系统设计要求2
2自动计数装置方案论证2
2.1方案论证与选择3
2.1.1总体方案选择3
2.1.2单片机控制芯片模块5
3.关键器件选型6
3.1AT89C516
3.2红外对管HD-DS100CM6
4系统单元电路设计8
4.1电源供电电路8
4.1.1桥式整流电路8
4.1.2滤波电路分析9
4.2红外线检测电路10
4.3数码管显示部分11
4.4单片机控制电路12
4.4.1计数电路12
4.4.2时钟电路13
4.4.3复位电路14
4.4.4蜂鸣器报警电路15
5软件部分16
5.1主程序流程16
5.2脉冲计数中断流程图16
5.3中断显示流程图17
6系统测试18
7全文总结20
附录21
参考文献24
致谢25
1绪论
1.1设计背景
近年来,计数器技术迅猛发展,以微处理器为核心的计数系统变得非常流行。
计数器的先进程度成为了厂家们的主要竞争方面。
厂家们为了增加竞争力,不得不改进技术,并且增加计数器的种类。
计数器种类变得多种多样,包括:
电子的计数器、机械的计数器、电磁的计数器、液晶的计数器等。
计数器在工业生产领域应用非常广泛。
以微处理器为核心的计数器对流水线上物料实现自动计数,在流水线上已经普及,对通过红外对管的物料进行计数,实现对物料总数的统计,例如在在生产线上对物料数目的实时统计,能减少劳动力,减少计数误差。
光电计数器是一种非接触式的计数器,在很多场合具有比其他器件更优越的可靠性,因此工业生产,实时监测,自动化控制等领域经常使用到计数器。
随着现代工业化的不断发展,生产过程中的物料计数变得越来越重要,可以在很大程度上减小人为计数所带来的误差。
各个厂家都迫切地需要改进技术,从而提高生产率,因为当今的市场竞争已经变得很激烈,特别是在计数器技术方面。
以往一直采用的人工计数方法效率不高,并且准确率较低,容易漏计或多计,致使企业生产效率低。
针对上面提到的问题,本设计以AT89C51为核心,利用红外对管HD-DS100CM的特性,取电压比较器负输入端的电压为参考电压,然后通过电压比较器输出的高低电平来判定是否有物料挡住了红外对管,当红外发射管发出的红外光照射到接收管的时候,红外接收管等效成一个很小的电阻,则电压比较器的正向输入端的电压小于负向输入端,这就导致了电压比较器输出为低电平;当红外发射管发出的红外光被物料挡住的时候,接收管接收不到红外线,这时候接收管等效成一个阻值很大的电阻,贝U电压比较器的正向输入端电压大于负向输入端电压,电压比较器将输出高电平,然后通过单片机AT89C51处理,输出精准的计数值,在数码管上显示出来。
基于单片机的物料计数器系统的核心元件主要是AT89C5仲片机、红外发射管和红外接收管、数码管。
根据系统的要求,本设计以微处理器AT89C51为核心。
本文主要研究
AT89C51单片机对外部计数脉冲进行计数显示控制,单片机的外围拓展电路,以及提高系统的抗干扰能力。
采用红外对管HD-DS100CJM当有物料挡住红外光时,接收管不能接收到发射管发射的红外信号,贝吐匕时电压比较器的正向输入端的电压大于负向输入端的电压,电压比较器将会输出一个高电平,同时单片机会读取该电平信号,经过处理之后,在数码管上将数值显示出来。
这样就能知道通过生产线的物料个数了。
本设计能够从0计数到99,并将计数值准确地在数码管上显示出来,当计数达到99时发出报警,并自动清零。
1.2发展状况
近年来,计数器技术迅猛发展,其应用已经遍布各个领域,厂家们的竞争变得越来越激烈。
计数器技术的先进程度成为了厂家之间的主要竞争方面。
厂家们为了增加竞争力,不得不改进技术,并且增加计数器的种类。
电磁计数器主要应用于对电脉冲信号的统计。
通过与其他模块的搭配,可以组成数字化显示仪器,在轻工业、化工、鞋业、机电、开采业、重工业、食品、玩具等行业都有广泛的应用。
随着电子计数器的发展,电磁计数器将会被其他计数器取代,但在一些环境复杂,电压不稳定条件下,电磁计数器有着生存空间。
利用数字电子技术,在给定时间内对所通过的脉冲数进行计数,并将结果显示出来,就是电子计数器。
电子技术器具有很多优点,例如操作简单,响应速度快,多量程,功能强大,无论是在工业生产领域还是科研领域都有广泛的应用。
机械计数器是一种以机械形式来计数的机器,例如:
计数跳绳上的计数器。
液晶计数器采用LED液晶显示,具有计数范围广、多种计数信号输入、多种输出工作模式、正/倒
计数、计数性能稳定可靠等优点。
单片机的发展已经经历了20多年,从这么多年来单片机发展历史能够看出,嵌入式系统应用已经离不开单片机了,单片机的广泛应用更是带动了其他领域的发展,其发展趋势比其他数字电路还要迅猛。
以单片机为核心的物料计数器具有性能好,抗干扰能力强等优点。
1.3系统设计要求
本设计应满足以下几点要求:
1•系统有比较强的抗干扰能力,当车间温度发生变化或物料的运动速度发生变化时,生产物料计数器仍然能够正常工作。
2•计数范围:
00〜99,计数值超过99时,生产物料计数器能够自动清零。
3.将计数值准确显示地在数码管上显示出来,当计数值达到99时,系统将自己清零,
并发出报警。
2自动计数装置方案论证
2.1方案论证与选择
2.1.1总体方案选择
如图2-1所示,AT89C51单片机对专用检测芯片的输出结果进行处理,单片机进行计数,并将结果在LED数码管上显示出来。
74LS245是一种常用的芯片,由于其输出电流较大,驱动能力较强,故常用来驱动LED或数码管。
AT24C02是掉电保护芯片,即使掉电了,数据也仍然能够保存下来,这就大大地增加了系统的抗干扰能力。
图2-1方案一
如图2-2所示,该方案的红外检测部分以NE555和LM567为核心形成脉冲计数。
CL102则是集译码,锁存,显示,驱动为一体的芯片,红外检测部分形成的脉冲计数经过该芯片后可以直接显示处理结果。
红外发射电路NE555
1
红外接收电路LM567
计数显示专用芯片
CL102
图2-2方案二
如图2-3所示,利用红外对管HD-DS100CM的特性,以电压比较器的负向输入端的电压为参考电压,当红外发射管发出的红外光照射到接收管的时候,接收管等效成一个阻值很小的电阻,红外接收管串联的电阻分得的电压较大,这就导致了电压比较器UA741输出
为低电平;当红外发射管发出的红外光被物料挡住的时候,接收管接收不到红外线,接收管等效成一个阻值很大的电阻,可使UA741输出变为高电平,经过单片机内部的运算处理,得到准确的计数值,经过74LS245的驱动,在数码管上显示出来。
图2-3方案三
以上三个方案各有自己的优点:
方案一既能够现实本设计的基本要求,也能够有效地提高系统的抗干扰能力,外围电路相对简单,在市场上属于高端自动计数产品。
但也暴露出一个重大问题:
该产品相对其他方案成本太高,使用此方案将会使系统超出预期的成本,故不采用此方案。
方案二的自动计数器相对方案一来说比较简易,价格又比较便宜,并且在合适的工作条件下能够达到计数精确,但如果出现干扰使系统处于异常状态,则系统很难恢复稳定,这样就让整个系统的可靠性变得很低,这种自动计数器已经比较落后了,对工作环境的要求比较苛刻,这个方案过于简单且抗干扰能力太差,故不选用。
本次设计选用方案三,因为这个方案能够实现本设计的基本要求,整个系统的抗干扰能力也比较强,该方案也存在一些缺陷,就是一旦断电,系统的数据就会丢失,并且系统处于异常状态时容易出现误操作,这也是本次设计要解决的问题。
2.1.2单片机控制芯片模块
方案一:
PIC16C84单片机。
是8位CMOSEEPROM微控制器。
其操作指令类似RISC,大部分指令都是单周期指令,只有一小部分需要两个指令周期,总共有35条单字节指令。
程序指令的宽度为14位,在芯片内有1KX14的EEPROM程序存储器。
方案二:
凌阳SPCE061A单片机。
该单片机自带ADC和DAC,并且SPCE061A指令系统简洁易学,开发环境也比较简单,并且也支持C语言编程,可以实现汇编语言和C语言的互相调用。
SPCE061A内部集成了一个ICE接口,这非常有利于编程或仿真,并且ICE接口并不占用单片机的硬件资源,烧写程序也是通过该接口完成的。
方案三:
AT89C51单片机。
AT89C51广泛应用于嵌入式系统中,具有低功耗,高性能的特点,内部拥有可重复擦写的Flash存储器,其引脚结构与其他的51单片机是一致的,并且与其他的51单片机一样,都是使用MCS-51指令系统来进行编程的。
AT89C51系列单片机在电子产品领域中具有广泛应用,它拥有8位的CPU以及32个I/O口,2个16位定时/计数器,片内4K的FLASH,4K字节闪存,128字节随机存取数据存储器,并且含有中断、串口等外设。
本设计选用方案三。
3关键器件选型
3.1AT89C51
AT89C51广泛应用于嵌入式系统中,具有低功耗,高性能的特点,内部拥有可重复擦写的Flash存储器,其引脚结构与其他的51单片机是一致的,并且与其他的51单片机一样,都是使用MCS-51指令系统来进行编程的。
该单片机的CPU是8位的,并且内部自带Flash存储器,这样就免除了自己在外部搭建存储模块的麻烦,给系统设计带来了很大的方
便。
AT89C51系列单片机在电子产品领域中具有广泛应用,它拥有8位的CPU以及32个I/O口,2个16位定时/计数器,片内4K的FLASH,4K字节闪存,128字节随机存取数据存储器,并且含有中断、串口等外设。
另外,AT89C51能够进行与非运算,能够设置
成省电的功能模式。
在空闲模式下,可以停止一些不必要的操作,节省了系统的损耗的同时又能够保持中断串口等外设的正常工作。
在掉电之后,程序仍不会丢失,保存在随机存取数据存储器,但晶振会停止震荡,整个系统停止工作,直到下次上电开启。
3.2红外对管HD-DS100CM
红外对管指的是红外接收管和红外发射管,它们通常是搭配使用的,红外发射管发射红外线,而红外接收管则是感应和接收发射管发出红外线。
红外光电对管的特征与原理如下:
红外线接收管接收红外光电,它与普通的红外光二极管主要区别是,红外光线接收管为了更大接收面积的接受入射光线,PN结面红外光电积应该尽量大,同时应该减小电极的面积,并且使PN结的电结很浅,一般小于1微米。
在平时无遮挡物,接收管可以收到发射管发射出来的信号,在发射管的输出端会一直为低电平。
当有物体经过,遮挡住发射管时,由于红外线无法穿透物体,因此,接受管无法接收到信号,此时有高电平信号产生。
HD-DS100CM是对射型感应方式的红外对管,其感应距离为0-100CM,工作电压为5VDC,输出电流高达100MA,可直接驱动继电器。
具体的电路如图3-1所示:
INIT2
GND
图3-1红外对管工作原理
4系统单元电路设计
电路分为四个模块,分别为电源供电电路,红外检测电路,数码管显示电路,单片机计数控制电路。
电源供电电路为其余各个电路提供稳定可靠的5V直流电。
当有物体挡住
红外对管时,红外检测电路输出的电平将发生变化,单片机对此变化进行计数,最后将结果显示在数码管显示电路上。
4.1电源供电电路
如图4-1所示,经过变压器的降压,可将220V的家用交流电降压成12V的交流电,然后经过整流电路,可将12V的交流电转变成只有正半部分的12V交流电,通过电容C1的滤波,把12V的交流电变成比较平稳的直流电,再通过LM7805进行稳压,为了保证输出电压的稳定性,在输出端可以再接一个电容C2,经过滤波后输出5V直流电源供红外发射、接收电路、AT89C51等模块供电。
图4-1电源供电电路
4.1.1桥式整流电路
如图4-2所示,桥式整流是半波整流的改进,在输入标准正弦波的情况下,利用二极管的单向导电特性,将得到正弦波的正半部分,而负半部分则会被滤除掉。
桥式整流器是最常用的整流电路之一,常用于交直流转换。
桥式整流电路使用了4个二极管,其接法如图4-2所示,假设输入为标准的正弦波,a端为输入电压的正极,则D1和D3导通,输出正弦波的正半部分,假设a端为输入电压的负极,则b端为正极,此时D2和D4导通,输出正弦波的正半部分。
也就是说,无论输入电压的极性如何,输出电压总是正的,因此相比半波整流器,桥式整流器的利用率提高了。
一般情况下,交直流转换的第一步就是桥式整流,集成的桥式整流器的内部结构如图
4-2所示,其基本原理和使用分立元件搭建的桥式整流电路一样,一般会在其外面加上一层绝缘材料,以保证安全,大功率整流器还会在绝缘层外添加金属壳包封,以改善散热能力。
桥式整流器种类繁多,稳定性较好,整流效率较高,性能优越,最高反射峰值电压从50V到1000V,最大整流电流从0.5A到50A。
D1
图4-2桥式整流
4.1.2滤波电路分析
交直流转换中常用到整流电路,由于其输出的直流电中含有较大的脉动成分,而大多数电子设备要求脉动系数要尽可能地小(通常要小于0.01),故整流之后必须对输出电压
进行处理,尽可能降低输出电压中的脉动成分,同时也要尽可能多地保存输出电压中的直流成分,让输出电压尽可能接近真正的直流电,我们将这样的电路称之为滤波电路。
我们用脉动系数来表示脉动成分的大小,脉动系数的大小关系到滤波效果好坏。
通常情况下,脉动系数越大,表明滤波器的滤波效果越差。
若交流电的角频率固定不变,此时电容C2的容值越大,则脉动系数越小,也就说明了滤波效果就越好。
但是如果电容值过大,由于工艺原因,电容的体积必须做得很大,这样在实际应用中不现实。
为了解决这个问题,在LM7805的前后加入了两个大电容,利用电容器的充放电,可以使输出电压变得平滑。
VCC
VinVout*1—
GND
图4-3滤波电路
4.2红外线检测电路
如图4-4所示,该模块由一对红外对管HD-DS100C和电压比较器UA741组成,当没有物料经过时,红外接收头接收到红外发射管的红外线照射,此时,红外接收头将等效成一个阻值很小的电阻,如图4-4所示,此时电压比较器的正向输入端的电压要大于负向输入端的电压,根据电压比较器的工作原理,电压比较器将会输出高电平;当有物料挡住红外发射管时,红外接收头接收不到发射管发出的红外线,这时红外接收头将等效成一个阻值很大的电阻,如图4-4所示,此时电压比较器的正向输入端电压要小于负向输入端电压,根据电压比较器的工作原理,电压比较器将会输出低电平。
VCC
741.S245
«A0
vcc
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GND
4.3数码管显示部分
如图4-5所示,由于51单片机的10口驱动能力较弱,故需要使用74LS245和两个三极管来驱动数码管。
数码管译码采用软件译码的方式,即将对应的段选和位选信号编成表格,用软件的方式将对应的数字在数码管上显示出来。
如图4-5所示,数码管通过74LS245与单片机的P0口连接,P0口为漏极开路,所谓的漏极开路就是指场效应管的漏极开路,这种形式的接法不能输出高电平,只存在低电平和高阻态两种形式,想要输出高电平,就必须采用上拉的形式,所以P0口使用时,必须
加上拉电阻,为了防止流入单片机引脚的电流过大,上拉电阻通常取值10K。
数码管的特点:
1.在低电压、小电流的条件下仍然能够工作,兼容CMOS和TTL。
2.响应时间很短,小于0.1秒,单色性好,亮度高,高频特性好。
图4-5数码管显示电路
显示部分采用软件译码方式,因为软件译码方式可以节省硬件资源,同时又不太占用
CPU。
每次送段选和位选信号之后都需要延迟1ms,这主要是利用人眼的停留时间大概为
10ms,以造成视觉停留的效果,让人看上去像是每个数码管总在亮。
数码管驱动电路如图4-6
ENaAljE
*tt•*•>
|k*|u
m■
K卜卜卜I11
A4UUU丄
图4-674LS245
引脚功能:
A:
A总线端
B:
B总线端
G:
三态允许端(低电平有效)
DIR:
方向控制端
4.4单片机控制电路
4.4.1计数电路
计数电路如图4-7所示。
由单片机AT89C51控制完成。
基本原理是:
当物料从流水线上经过红外对管时,物料会挡住红外发射管,此时红外接收管将等效成一个阻值很小的电阻,从而使电压比较器的正向输入端电压小于负向输入端的电压,电压比较器输出一个低电平信号,输出信号由高电平变成低电平,利用这个下降沿让单片机产生中断,进入中断服务子程序后对该信号进行计数。
计数部分有三种方案:
外部中断、T0或T1计数器脉冲统计、查询法。
计数器T0和T1可以用于统计在一定时间内脉冲的个数,由于本设计研究的是实时地在数码管上显示出当前物料的数量,故不采用T0和T1来计数。
查询法就是不断地查询是否有计数脉冲输入。
我们知道,51单片机的机器周期大约为
1us相对于外部流水线的运动速度来说是极快的,如果使用查询法来统计物料数量的话,太浪费CPU资源,故不采用此方案。
外部中断法利用P3.2口的第二功能,P3.2可以作为外部中部输入引脚,分为电平触发方式和沿触发方式,如果采用电平触发方式,则该引脚接收到低电平时,会立刻产生中断,如果采用该触发方式,则系统出现异常或干扰时,容易出现漏计或误计,导致严重的后果。
针对上述采用电平触发方式所带来的问题,在本设计中采用边沿触发方式,只有当P3.2的
输入从高电平变成低电平时,单片机才会进入中断服务子程序,这样就可以在很大程度上解决物料数量多计或漏计的问题。
综上所述,在本设计在最合理的是采用外部中断方式计数。
单片机控制数码管显示有两种方案,分别为延时法和中断法,这里的中断不再是外部中断,而是利用单片机内部的定时器产生定时中断,从而控制数码管的显示。
延时法就是在一个估算的时间内让单片机进行空操作,该方法比较简单,但计时不准确,故不采用该方法。
中断法就是利用单片机定时器溢出来产生中断,这种计数方法计数准确,抗干扰能力强。
本设计中,每1ms扫描一次数码管。
VCC
图4-7单片机计数电路
442时钟电路
如图4-8所示,外部时钟电路由一个晶振和两个电容组成。
晶振为12Mhz电容为33Pf,电容主要是为了帮助电路起振。
内部或外部产生的时钟信号在谐振回路将会产生自激震
1
荡。
AT89C51的一个机器周期包括12个时钟周期,故机器周期Tcy=(—12)us=1us其中fOSC
fosc为晶振频率
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