毕业设计单片机智能注油系统设计与实现.docx
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毕业设计单片机智能注油系统设计与实现
毕业论文
题目:
智能注油系统设计与实现
学院:
物理与电气信息工程学院
专业:
电气工程及其自动化
班级:
2010级3班
姓名:
学号:
201
指导教师:
2014
年
5
月
23
日
智能注油系统设计与实现
【摘要】为满足在生产线上对PVC手套自动注油,设计开发了一种自动注油系统。
在系统设计中,采用了模块化的设计方法,分布设计了各个模块的功能,主要分为:
控制模块,PVC手套感应模块,油位感应模块,驱动模块,报警模块及定时控制模块。
控制模块采用STC89C51单片机为控制中枢,采集和输出信号;PVC手套检测模块,采用红外线对射管(HD-DS25CM-3MM)对物体进行检测,然后传送信号给单片机;油位感应模块,采用液位传感器,对液位进行实时监测,当液位低于警戒线时,发出信号传送给单片机;驱动模块采用继电器对电磁铁通电;报警模块,当油位低于警戒线时,蜂鸣器报警,单片机停止工作。
定时模块:
采用DS1302时钟芯片,可以控制注油器工作、停息周期,并由LCD1602液晶屏显示。
软件方面采用KeiluVision进行C语言编程、调试,用protues软件进行模拟仿真.
【关键词】STC89C51单片机液位传感器红外线对射管自动注油
Intelligentoilingsystemdesignandimplementation
【Abstract】InordertomeettheproductionlineforPVCglovesautomaticoiler,designedanddevelopedanautomaticoilingsystem.Insystemdesign,usingamodulardesignapproach,thedistributionfunctionofeachmoduleisdesignedmainlydividedinto:
controlmodule,PVCglovessensormodule,oillevelsensormodule,drivermodule,alarmmoduleandtimingcontrolmodule.ThecontrolmoduleusesSTC89C51microcontrollerforthecontrolcenter,acquisitionandoutputsignals;PVCglovesdetectionmodule,usinginfraredbeamtube(HD-DS25CM-3MM)forobjectdetection,andthensendasignaltothemicrocontroller;oillevelsensormodule,usingliquidsensors,real-timemonitoringofthelevel,whenthelevelisbelowthewarningline,asignalissenttothemicrocontroller;drivermoduleusingtherelaytothesolenoidisenergized;alarmmodule,whentheoillevelisbelowthewarningline,thebuzzeralarm,SCMtostopworking.Timingmodule:
usingDS1302clockchip,youcancontroltheoilerwork,stopthecyclebyLCD1602LCDdisplay.SoftwareusingKeiluVisionbeClanguageprogramming,debugging,conductedbyprotuessimulationsoftware.
【Keywords】STC89C51SCMlevelsensorinfraredbeampipeautomaticoiler
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1引言
设计的背景及意义
伴随着科学技术日益的更新及发展,无论是在化工、冶金、汽车等重工业,还是印刷、纺织等轻工业,都离不开机械设备。
为了延长机械设备的寿命,就需要定期做好维护工作,其中很重要的一点就是涂抹润滑油。
然而有些注油空间狭窄而又需要频繁注油,或者属于危险区域,不宜人工操作,这就促使了对智能注油系统的研究与发明。
智能注油系统的发明与应用,不仅减少了投资成本,提高了工作效率,而且避免了危险区域的人为作业,减少了人身伤害,对轻、重工业的发展起到了极大的推进作用。
国内外现状及发展趋势
经过几十年的发展,注油器的种类已有很多种,如高压注油器,林肯注油器,自动注油器,脚踏注油器,电动注油器等等,种类不同,所涉及的领域、功能也不尽相同。
在国外,美国为注油系统发展最先进的国家,其中Pulsarlube智能润滑系统作为多点数码加脂器,当设备检测到压力达到28bar时,注油器进行工作。
所要注射的油脂被预先设置好数量和时间频率,然后被高压驱动传输。
代替人工,安全可靠,循环使用,经济环保。
当前国内的技术与国外还是有些差距,来自台湾的易力润所设计的操作技术与解决办法是最先进、也是最简易可靠的。
整个系统完全独立,其润滑周期可以自由设定,被精确的控制在每个月份,完全自动给设备上油,是国内各研究机构及企业学习、追求的榜样。
课题的主要任务和目标
课题要求设计一套PVC手套生产线,对手套进行自动注油的系统,实现对整条手套生产线自动润滑的目的。
课题中,选取89C51单片机作为中枢控制器,选取红外线对射管(HD-DS25CM-3MM)对PVC手套进行检测,当检测到物体时输出信号给单片机,单片机驱动继电器对电磁铁通电;选取油位传感器对液位进行检测,当检测到液位在警戒线以下时,输出信号给单片机,控制蜂鸣器报警,并停止注油;选取DS1302时钟芯片、1602液晶模块分别用作定时功能和显示功能,这样可以控制注油系统的工作和休息周期,防止机器过度工作,以避免产生不必要的损耗。
2智能注油系统设计方案
注油器的结构和工作原理
注油器由若干个注油泵、油箱及传动部分组成。
1.注油泵
注油器的主体为注油泵。
注油泵通过螺丝母与箱体成为一体,利用杠杆原理推动注油泵工作。
当注油泵开始工作时,凸轮偏心距变小,柱塞往下移动,这样柱塞套内就形成真空状态。
此时由于产生了气压差,润滑油就会被吸入吸油管,在经过泵体进入滴管中,这时视油罩内也是真空状态,利用此真空状态,油从滴油管中吸出,然后又从视油罩重新进入泵体。
当偏心距变大时,柱塞向上运动,此时润滑油通过注油阀,将油滴滴在各个润滑点。
根据柱塞直径和柱塞行程的不同有:
中压(16MPa)、高压(32MPa)、超高压(40、63、100MPa)三大类注油泵。
注油泵与相应的油箱及传动部份可组合成中压、高压、超高压三大类注油器。
2.油箱
油箱作为存储润滑油的主要部件,是每台注油器必不可少的。
油箱内的凸轮带动注油泵工作,凸轮轴的规格参数不尽相同,主要由凸轮的数目决定。
3.传动部份
传动部份主要分为两大类:
I、由主机带动;II、单独传动。
I、由主机带动的注油器有三种标准型式:
(1)ZL型:
联轴器型,由主机通过超越离合联轴器传动工作
(2)ZB型:
摆杆型,由主机带动摆杆传动工作
(3)ZJ型:
键联接型,凸轮轴头部带有平键,由主机直接传动工作
II、单独传动的注油器有ZD型:
由电动机通过下方减速器的二级传动带动凸轮轴转动。
若双联注油器,则两油箱凸轮轴之间有联轴节,带动两凸轮轴同步转动,从而使两油箱上方的注油泵每两同步运行,而油箱侧面的摇手只备在需要手动时使用。
设计方案概述
课题要求设计一套PVC手套生产线上对手模进行自动注油的系统,实现对整条手套生产线自动润滑的目的。
利用光电传感器,根据设定的时间,对自动生产线上的PVC手模是否到达位置进行自动检测,到达位置后,给一个信号,驱动继电器对电磁铁通电,电磁铁推动油阀进行注油。
当油箱油位达到最低限度时,驱动蜂鸣器进行报警同时切断注油电路。
对油位能够进行指示。
如图2-1为总体方案结构框图:
图2-1设计方案流程图
图2-2为智能注油系统的流程图:
图2-2智能注油系统的流程图
控制器的选择
方案一:
采用传统的STC89C51RC单片机作为控制中枢。
这种单片机具有较强的算术运算能力,而且程序编写灵活,自由度大。
STC系列单片机为国内自主创新研发,成本低,更加经济,再加上功耗低、体积小等特点,在各个领域被广泛应用。
方案二:
STC10F04单片机,带有非易失性Flash程序存储器。
它是一种高性能的微处理芯片,运算处理速度要比C51更快,但是功耗较C51要高一些,成本也要比51单片机更高。
STC89C51主要性能:
1.增强型的89C51单片机,六个和十二个机器周期可以自行选择,传统C51单片机被其完全兼容。
2.工作电压:
(5V)/(3V单片机)
3.工作频率范围:
0-35MHz
4.:
0-75℃/-40-+85℃
功能
6.硬件看门狗(WDT);
7.有2个16位/计数器
8.用户空间12K/10K/8K/6K/4K/2K
10.:
外部高精度晶体/时钟,内部R/C振荡器。
具有ADC功能。
手套检测模块的选择
方案一:
采用工业级的光电传感器。
这种传感器普遍用于自动流水线,自动开关门(如电梯)等工业场所。
这种传感器使用方便,输出量为开关量,无需外加其它硬件电路,而且型号较多,适用于很多场所。
缺点是价格较贵。
方案二:
采用微型红外对射管
红外线的特点是传输距离远,能量比较集中。
当对射管之间没有物体遮挡时,发射管发射红外到接收管上,接收管此时信号发出。
当有物体遮挡时,接收管无动作。
综上所述,选取方案二,使用红外线对射管。
定时、显示模块的选择
方案一:
采用专用时钟芯片。
现在市面上的时钟芯片有很多,各个时钟芯片的应用也比较成,如DS1302、DS1307等。
它们的优势是可以独立使用,直接与单片机的外围相连接,并且有自己的时钟晶振,具有较高的精确度。
当单片机在运行程序,意外发生死机或断电的状况时,对时钟电路的影响较小。
缺点是在一定程度上占用了单片机的IO口,也消耗了单片机的运行时间。
方案二:
采用单片机内置时钟振荡及定时器构件时钟平台。
这种案直接利用了单片机的内置定时器,时钟功能通过对定时器的控制来实现。
这种方案无需外围硬件电路,定时功能得到充分的利用,但是主要缺点是当单片机断电或者死机时,需要人工重新设定才能恢复正常使用,较为繁琐。
综上所诉,因为单片机的IO口足够,且系统对于时间的精度要求较高,故选用方案一。
方案一:
采用LCD1602显示。
LCD1602是字符型液晶,对于字母和数字的显示较为方便,适合较为简单的系统显示。
LCD1602液晶显示器有点颇多,可以简单明了的显示系统时间,成本低,体积小,功耗低。
其越来越多的被应用到低功耗的系统当中。
方案二:
采用12864液晶显示。
LCD12864液晶显示信息量大,这类液晶的优点是能够显示汉字,不仅仅限于字母数字的显示。
但对于较简单的系统显示,其成本较高,利用率相对较低。
相当来说程序和电路都复杂些。
而且12864是串口通信,而1602为并口传输,相对12864更快一些。
方案三:
采用数码管显示
数码管显示内容单一,只能显示数字或者字母,亮度显示较高,成本低。
但是会占用单片机很多的IO口,还需要外接驱动电路,如CD4511等。
综上所诉,因本设计对时钟显示较高,且不需要汉子显示,故采用方案一。
驱动模块
选取UNL2003驱动5V继电器对电磁铁通电,由继电器控制注油器工作。
UNL2003为高电平驱动,需要加上拉电阻2K,一个UNL2003芯片可以驱动多个继电器,即同时控制多路注油器。
液位检测模块
方案一:
浮球液位开关
浮球液位开关作为一种检测液位的器件,其特点是结构简单,不仅不需要外接电源,更不需要外设硬件电路,而且还具有使用寿命长、体积小、质量好等优点。
浮球液位开关对于液体的性质、温度、压力都没有苛刻要求,只要材质选取正确即可。
在水处理工业,食品加工业造船工业等都得到了广泛的应用。
方案二:
红外式液位开关
红外式液位开关相比浮球开关体积更小,所用空间也更小,不仅安装流程简单,而且可以放置成各种方向,上、下、斜上、斜下均可;红外液位开关精度在±之内,而现有浮球开关精度为±,相比之下,红外液位开关更加精确可靠。
而机械结构方面,红外开关为一个固定整体,无开关摩擦,避免了浮球开关造成的卡死现象。
综上所述,虽然红外式液位开关相比浮子式液位开关优点很多,但是由于本课题所测液位为油位,对红外式液位开关影响比较大,故还是选用浮子式液位开关。
总体方案确定
根据对智能注油系统各个传感器方案的选择,采用STC89C51单片机为中枢控制器,主要实现对红外传感器、液位传感器检测信号的接收、运算处理,并通过编程实现定时、显示、报警功能。
红外传感器、液位传感器传输信号给单片机:
当单片机接收到红外传感器信号时,控制继电器动作,驱动油泵注油;当单片机接收到液位传感器信号时,继电器关闭,停止注油,并且控制蜂鸣器报警。
另外采用时钟芯片DS1302通过单片机编程,设定所需工作周期,并由LCD1602液晶显示器显示出工作时间,在非工作周期内,注油器停止注油。
3系统硬件电路的设计
控制模块电路设计
晶振的选择:
当选取6MHz的晶振时,其工作的机器周期是2us。
当选取12MHz的晶振时,其工作的机器周期是1us,执行速度为6MHz时的两倍。
为了提高整个系统的性能选择了12MHz的晶振。
单片机复位电路分为自动复位和人工复位,为了安全可靠,选取了手动复位与人工复位相结合的方案,其电路图如图3-1-1所示:
图3-1-1单片机复位电路图
定时模块电路设计
定时模块采用DS1302作为时钟电路,DS1302的性能特性:
1、工作原理
DS1302是DALLAS公司推出的一种时钟芯片,它可以精确到每年、每月、每日,甚至是每分每秒,工作电压为~。
采用三线接口与CPU进行,并可采用突发方式一次传送多个字节的或RAM数据。
DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM。
DS1302是DS1202的升级产品,与DS1202兼容,但增加了主电源/后备电源双电源引脚,同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。
2、结构
在DS1302的八个引脚中,其中VCC2为主电源引脚,VCC1为后备电源引脚。
后备电源设计的目的是当主电源意外关闭时,可以维持时钟继续运行。
供电方式的自动选择如下:
当VCC2电压大于VCC1时,由VCC2供电;当VCC1电压大于VCC2时,由VCC1供电。
X1和X2为振荡电路引脚,需要外接晶振32K赫兹左右。
RST引脚为复位引脚,此引脚实现两种功能,一是允许将数据输入寄存器,二是终止数据传送。
当RST引脚为高电平时,芯片被复位,数据初始化。
当RST引脚为低电平时,I/O引脚转化为高阻态,数据传送终止。
SCLK引脚为时钟输入端。
DS1302的引脚电路图如图3-2-1所示:
图3-2-1DS1302的引脚电路图
时钟电路软件仿真电路图如图3-2-2所示:
图3-2-2时钟电路软件仿真电路图
显示模块电路设计
显示模块使用LCD1602液晶显示器,能够同时显示32个字符(即16列2行)。
1、LCD1602简介:
1602液晶也叫1602字符型液晶,它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符,每位之间有一个点距的间隔,每行之间也有间隔,起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此所以它不能很好地显示图形。
2、管脚功能:
1602采用标准的16脚接口,其中:
第1脚:
GND为。
第2脚:
VCC接5V电源正极。
第3脚:
VL对比度调整引脚。
第4脚:
RS为选择,高电平、低电平分别代表选择数据寄存器和指令寄存器。
第5脚:
RW为读写信号引脚,高电平1时代表读,低电平0时代表写。
第6脚:
EN端为使能端,高电平1时读取信息,跳变为低电平时执行指令。
第7~14脚:
D0~D7各引脚分别为8位双向数据端。
15脚背光正极,16脚背光负极。
LCD1602引脚图如图3-3-1所示:
图3-3-1LCD1602引脚图
特性:
1、或5V工作电压,对比度可调
2、内含复位电路
3、提供各种控制命令,如:
清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能
4、有80显示数据存储器
5、内建有192个5X7的字型的字符发生器
6、8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM
显示电路软件仿真电路图如图3-3-2所示:
图3-3-2显示电路软件仿真电路图
驱动模块电路设计
选取UNL2003驱动5V继电器,由继电器控制指示灯的亮灭。
UNL2003为高电平驱动,需要加上拉电阻2K,一个UNL2003芯片可以驱动多个继电器,即同时控制多路注油器。
驱动电路软件仿真电路图如图3-4所示:
图3-4驱动电路软件仿真电路图
手套检测模块电路设计
手套检测模块采用红外线对射管(HD-DS25CM-3MM),技术参数如下:
1.感应距离:
25cm
2.感应方式:
对射型(非透明物)
3.工作电压:
DCVDC-DC
4.工作电流:
10MA
5.输出方式:
0V或5VNPN/PNP常开
6.输出电流:
100mA(可以直接驱动继电器)
7.发射角度:
直线(红外光)
8.接收角度:
<10度
9.响应时间:
2ms
10.工作温度:
-25度60度
11.工作环境:
室内(不防水)
12.外形尺寸:
长2cm宽1cm高
13.线长:
15cm
红外线对射管接线图如图3-3-1所示:
图3-3-1红外线对射管接线图
液位检测模块电路设计
选取浮球开关作为液位检测模块,浮球开关的组成部分有磁簧开关和浮球,部分磁性材料内置于浮球中,封闭的塑料管内设有磁簧开关。
将浮球套在塑料管外,并用卡子限制住浮球的浮动范围,浮球开关固定在所需测量液位的容器内,当液位低于一定位置时,浮球会随着液位的下降而下降,当浮球下降到一定位置时,就会触动塑料管内的磁簧开关,从而产生与之对应的开关动作(一般当浮球浮于上端时,开关关断,当降低到下端,开关闭合)。
技术参数:
1、触点容量:
70W
2、开关电压:
DC0~110V
3、开关电流:
4、绝缘电阻:
>10Ω
5、触点电抗:
<100m
6、工作温度:
-10~60℃
7、工作压力:
<
8、开关材料:
PP
浮球液位开关实物图如图3-4-1、结构图如图3-4-2所示:
图3-4-1浮球液位开关实物图3-4-2浮球液位开关实物
4系统软件设计与实现
在进行智能注油系统设计时,除了大量的硬件设计,传感器的选择外,还有好多工作,就是要根据每个硬件电路编写与之相对应的软件程序。
将各个部分通过程序的编写组合到一起。
因此系统软件的设计在整个系统中也占有颇为重要的部分。
在单片机运行过程中大体可分为两个类型:
过程控制和数据处理。
其中数据的处理包括数据的采集、数字滤波、标度变换等。
过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算,然后再输出,以便控制生产。
对于本系统工作过程中,各传感器及定时电路均开始工作,每当有手套经过时,红外传感器会发出信号给单片机,单片机控制继电器驱动注油器注油。
定时电路可以任意设定注油器工作周期、休息周期。
另外当浮球液位开关检测到油位过低时,发出信号给单片机,单片机控制继电器停止工作,同时蜂鸣器报警,提醒工作人员,添加油料。
智能注油系统软件的设计包括主程序、时钟定时程序、显示程序、手套检测程序和液位检测程序等,还需要对程序不断的调试修改,及软件仿真。
主程序的设计
智能注油系统的软件设计首先是各种初始化,然后使单片机采用查询方式,查询引脚是否接收到了红外传输信号。
接收到信号说明单片机已经检测到PVC手套,此时注油器就开始注油一次。
当单片机查询到引脚有中断信号时,说明油位已经过低,此时单片机控制注油器停止工作,同时蜂鸣器报警,提醒工作人员添加油料。
单片机引脚、、分别接时钟芯片引脚SCLK、I/O、RES以完成时钟电路;单片机引脚~接LCD1602的D0~D7引脚以完成显示电路。
主程序流程图如图4-1所示:
图4-1主程序流程图
时钟程序设计
单片机引脚、、分别接时钟芯片引脚SCLK、I/O、RES以完成时钟电路。
时钟芯片与单片机进行通信时,首先单片机向时钟芯片发送命令指令,此时最高位D7必须为高电平1,假如最高位为低电平,则禁止单片机写入,即为写保护状态。
当D6位为低电平时,采用时钟数据,当D6位为高电平时采用RAM数据;D5~D1为输入或者输出的特定寄存器。
显示程序设计
系统选用LCD1602为显示器,单片机引脚~接LCD1602的D0~D7引脚以完成显示电路。
显示电路程序见附录。
手套检测程序设计
手套检测所用传感器为红外线对射管(HD-DS25CM-3MM),发射管有两条引线,分别接正负极,接收管三条引线,分别为正负极两条,及信号线一条。
手套检测程序流程图如图4-4所示:
如图4-4手套检测程序流程图
手套检测程序如下:
if(WZ==0){if(state11==1)le=1;
delay1ms(500);
le=0;
while(WZ==0);
displaymainpart();
display_Time();}
液位检测程序设计
液位检测传感器选用为浮球液位开关,其输出为开关量,而不是信号量,故在输出端与单片机引脚之间,串联一5K电阻,以防止电路过大,烧坏单片机。
液位检测流程图如图4-5所示:
图4-5液位检测流程图
液位检测程序如下:
while(~W){nw=1;
delay1ms(5);
displaymainpart();
delay1ms(50);
LB=1;
}
结论
设计实物经过调试,工作正常。
系统通电后,首先设计出工作和停息时间。
在工作时间内,当红外对射管检测到手套经过时,继电器工作,指示灯发亮一次;当在停息时间内,不管有无手套经过,继电器均停止工作,指示灯一直熄灭。
当油位过低时,蜂鸣器报警,继电器停止工作,指示灯熄灭。
总体来说达到了所需要求。
但由于时间问题,和个人能力有限,智能注油系统还有很多方面有待提高,具体有一下几点:
(1)没有具体介绍红外对射管所涉及的原理,这在系统应用中也比较重要,有利于更加深刻的了解注油系统的工作原理。
(2)对于时钟部分的定时功能,只能单纯的设定工作时间周期,和停息周期,周而复始,而不能规定具体工作日期。
(3)硬件布线可进一步优化,使得硬件系统外观更加简约;程序方便可进一步简化,提高单片机运行速度。
在制作只能注油系统时,需要考虑到很多因素,诸多细节。
在每一个环节都可能出现意料之外的事情,有时候一个引脚的意外
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