基于51单片机的碎纸机控制系统本科毕业设计 精品.docx

基于51单片机的碎纸机控制系统本科毕业设计 精品.docx

《基于51单片机的碎纸机控制系统本科毕业设计 精品.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于51单片机的碎纸机控制系统本科毕业设计 精品.docx（48页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于51单片机的碎纸机控制系统本科毕业设计精品

湖南科技大学

毕业设计

题目

基于STC89C52单片机的碎纸机控制系统

作者

学院

专业

学号

指导教师

摘要

本设计使用STC89C52单片微型计算机做为控制器，驱动三极管控制继电器的通断，继而控制电机，带动刀具进行碎纸。

该系统使用光电传感器感知文件的送入，没有文件送入时，电机不旋转，最大限度的节能减排，使用DS18B20温度传感器进行温度测量、可实现过热保护，串接熔断丝与压敏电阻，可实现过流与过压保护，另外引入风冷系统，对机器进行散热，大幅延长机器连续工作时间。

在具体设计过程中，使用Keil4程序编写程序，使用Proteus7.5进行电路仿真，使用ProtelDxp2004设计原理图，并画出PCB板。

然后使用数字万用表、数字示波器、稳压电源、电机等进行实物样机调试。

关键词：

STC89C52单片机；碎纸机；DS18B20；控制系统

ABSTRACT

ThedesignusesSTC89C52single-chipmicrocomputerascontrolleranddrivertransistortocontroltherelayoff,andthencontrolthemotordriventoolforshredding.Thesystemusesaphotoelectricsensorsensingthefileintothemotorwhichdoesnotrotate;Themaximumenergysaving,UsingtheDS18B20temperaturesensorfortemperaturemeasurementwhichcanoverheatprotection,connectedinserisesfuseandvaristorovercurrentandovervoltageprotectioncanbeachieved,inadditiontotheintroductionofaircoolingsystem,coolingthemachine,andmuchlongerforthemachineofcontinuousworktime.

Inthespecificdesignprocessofwritingprograms,usingtheKeilprogramandProteus7.5forcircuitsimulation,useofProtelDxp2004designschematicsanddramthePCBboard.andthenuseadigitalmultimeter,digitaloscilloscope,powersupply,electricalandotherphysicalprototypedebugging.

KeyWords：

STC89C52single-chipmicrocomputer;shredder;DS18B20

第一章绪论

1.1碎纸机研究背景

碎纸机最初只是用来切碎纸质文件，故名为碎纸机。

碎纸机是由一组旋转的刀刃、纸梳和驱动马达组成的，纸张从相互咬合的刀刃中间送入，被分割成很多的细小纸片，以达到保密的目的。

碎纸机在办公自动化方面有着广泛的应用，是许多办公室必备设备，能在短时间内迅速销毁大量文件，确保机密文件不被泄漏。

碎纸机的需求量很大，随着商业竞争越来越激烈，碎纸机的需求量也越来越大。

碎纸机需求量大但是价格较低，原材料成本在碎纸机的总成本中所占比重较大，原材料成本直接影响到碎纸机的价格和利润。

尤其在目前原材料价格普遍上涨的大背景下，碎纸机生产厂家都在通过最大限度地降低成本、增加技术含量来提升产品竞争力。

为此，本文提出了一种采用低价位的STC89C52单片微型计算机作为碎纸机控制系统的CPU，不但可以降低连线方面的电子电路成本，而且性能卓越，智能化程度非常高，同时系统稳定性和可靠性比传统碎纸机显著增强。

1.2碎纸机研究现状

1.2.1碎纸机现状概况

碎纸机包括机械和电子两大系统。

机械系统包括两大主要部件“切纸刀”和“电动马达”，它们之间通过齿轮紧密地连接在一起，马达带动齿轮，把能量传送给切纸刀，而切纸刀通过转动，用锋利的金属角把纸、CD切碎。

随着办公自动化向智能化、人性化方向的发展以及轻松高效智能便捷的办公理念的推广，碎纸机在功能上加快了更新换代的步伐，从传统迈向现代化，从单一功能向多元化、多层次方向发展，逐步转向集成化、数字化和自动化的时代发展趋势。

如今碎纸机除了单一的碎纸功能外，还采用超级组合刀具可以粉碎信用卡、书钉、录像带、光盘或软盘等用品，利用精密电子感应器自动感应进、退纸等功能。

此外，一些新型碎纸机还具有超量超温过载、满纸废纸箱开门断电装置，机头提起断电保护系统，全自动待机、停机、过载退纸等功能，以满足日益增长的市场多样化、人性化的需求。

目前市面上有些碎纸机可选择两种或两种以上的碎纸方式。

不同的碎纸方式适用于不同的场合，如果是一般性的办公场合则选择段状、粒状、丝状，条状的就可以了。

但如果是用到一些对保密要求比较高的场合就一定要用沫状的。

当前采用四把刀组成的碎纸方式是最先进的工作方式，碎纸的纸粒工整利落，能达到保密的效果。

1.2.2碎纸机发展历史

碎纸机发展至今，已经经历了七代，从单一功能向多元化、多层次方向发展，逐步转向集成化、数字化和自动化的时代发展趋势。

（1）第一代碎纸机第一代的传动机构大多是皮带传动，噪音低，但长时间工作，皮带出现变形拉升，甚至断裂现象，皮带表面齿易磨损，出现机器运转打滑。

（2）第二代碎纸机塑胶齿轮传动，因塑胶齿轮在注塑、缩水等工艺上较难精确掌握，导致齿轮本身的精确度不高，在高速运行下，噪音大；因塑件较脆，韧性差，易出现断齿现象。

（3）第三代碎纸机金属链轮：

静音运行，低能损耗，高效切割，切割系统各部件的完美协调实现令人信服的功能。

（4）第四代碎纸机碎纸机传动机构为金属齿轮传动，金属齿轮克服了上述缺陷，但金属齿轮间很难避免撞击和摩擦声音，由于金属机构的安装精度、齿轮啮合处润滑条件、长期运行润滑效果等技术和维护上的不可控性，高速运转会出现很大的工作噪音。

（5）第五代碎纸机金刚密合机芯，采用合金刚材料，金属刀具的淬火处理，完全数控机床加工技术，工艺上保证传动部分安装精度，使磨损降低到最低限度，确保产品质量稳定性、降低噪音。

质量保证；超强全刚全金属齿轮，特制钢材辊刀，优质高强力马达。

（6）第六代碎纸机（现代）目前高科技多媒体系列粉碎机，技术含量高；可大量碎光盘、软盘、磁带、录象等；带有保护膜的嵌钮面板，保证了前进、后退、停止、满纸停机等功能。

在关怀生活品质的现今，我们对于产品的环保功能、性能安全方面有了更高的要求，因此，储纸箱分区，电机过热保护功能，超负载自动停机功能、储纸箱未关自动断电等功能被越来越多地运用了进来。

（7）第七代碎纸机（水冷+风冷技术）2010年，研发出最新专利制冷技术（水冷+风冷）碎纸机。

全新技术应用N倍效能，连续碎纸40分钟以上，六大革新技术：

A.冷却系统——大幅度增加机器连续工作时间和快速恢复待机状态，减少人员工作时间，提高工作效率。

B.超静音设计——工作噪音低于55分贝，创造安静舒适的办公环境。

C.防堵卡系统——优秀的齿轮设计有防卡纸现象，使用更放心。

D.碎纸量控制系统——能耗直观的呈现，耗能全在掌握中。

E.触控操作——首次采用触摸技术应用于碎纸机，敢为人先，操控更人性，使用更方便，科技创造时尚。

F.风冷系统——水冷系统相辅相成，让机器更快恢复最佳状态。

1.3本课题设计目标

1.3.1典型碎纸机系统结构

碎纸机包括机械和电子两大系统。

机械系统包括两大主要部件“切纸刀”和“电动马达”，它们之间通过齿轮紧密地连接在一起，马达带动齿轮，把能量传送给切纸刀，而切纸刀通过转动，用锋利的金属角把纸、CD切碎。

典型的碎纸机电子系统结构如图1所示。

主CPU通过Paper传感器和CD传感器来检测纸张和CD信号，并根据光电传感器判断纸张类型。

控制面板上按键包括电源开关、电机正反转按键、紧急停止按键、启动按键等；指示灯包括电源指示灯、门开指示灯、电机堵转及入口纸过多（Jam&AntiJam）指示灯、垃圾桶满指示灯、电机过热（TCO）指示灯、系统状态指示灯（Red：

异常；Green：

正常）等。

图1.1典型碎纸机控制系统结构

1.3.2本设计力图达到的目标

本设计引入微控制器STC89C52，在降低成本的同时，力图使碎纸机性能全面超越传统碎纸机。

首先，在保证碎纸速度与碎纸效率的前提下，最大限度的降低噪声；第二，实现碎纸机碎纸速度和碎纸方式的可调节，可以根据文件的密级程度选择不同的工作方式，碎纸速度也可控制，在紧急情况下可以选择快速碎纸方式；第三，引入风冷技术，增加通风散热系统，大幅度增加机器连续工作时间和快速恢复待机状态，减少人员工作时间，提高工作效率，另外通风系统也能够除去潮气，保持机器内部干燥，从而延长机器使用寿命；第四，实现过载保护、过热保护和过压保护并有声音报警，保证使用的安全性和可靠性；第五，引入光电传感器，能够检测到是否有文件送入，当没有文件送入时，电机不工作，即保持待机状态，只有当有文件送入时电机才工作，并且当待机时间超过设定值时，机器能够自动断电，最大限度的实现低成本、低功耗、低污染，符合节能减排标准，提高市场生存能力。

第二章控制系统总体方案设计

2.1系统总体方案设计

本设计主要是根据温度、文件等对碎纸机的主电机交流异步电动机（例如5RK120RA-AF）进行控制，整个控制系统由碎纸速度选择模块、碎纸方式选择模块、主控制模块、传感检测模块、过压过压保护模块、过热保护保护模块、过载保护模块、报警模块、风冷散热模块等组成，控制系统结构框图如图2.1所示。

图2.1碎纸机控制系统组成

其中微处理器采用STC89C52,STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

光电传感器采用MT230，温度传感器采用DS18B20单总线数字温度传感器，厚度传感器为根据机器人利用触须自动规避障碍物的原理，自己动手制作的简易实用传感器，STC89C52单片机驱动三极管控制继电器的通断，继而控制电机，带动刀具进行碎纸，风冷系统为直流电机和叶轮组成的散热风扇，报警系统关键器件是蜂鸣器，供电系统由变压器（220V～15V）、全桥式整流电路、稳压芯片AMS1117-5等组成。

第三章控制系统硬件电路设计

3.1电路设计与仿真软件

控制系统硬件设计要用到多个软件，首先是使用ProtelDXP2004进行电路设计，并检查基本连线是否正确，然后使用Proteus7.5软件将电路与程序结合起来进行仿真。

3.1.1ProtelDXP2004

ProtelDXP2004是Altium公司开发的大型EDA（电子设计自动化）软件，Altium公司作为EDA领域里的一个领先公司，在原来Protel99SE的基础上，应用最先进的软件设计方法，率先推出了一款基于Windows2000和WindowsXP操作系统的EDA设计软件ProtelDXP。

ProtelDXP在前版本的基础上增加了许多新的功能。

新的可定制设计环境功能包括双显示器支持，可固定、浮动以及弹出面板，强大的过滤和对象定位功能及增强的用户界面等。

ProtelDXP是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。

ProtelDXP运行在优化的设计浏览器平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计过程。

通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，ProtelDXP提供了全面的设计解决方案。

如图3.1为ProtelDXP2004软件工作界面。

图3.1ProtelDXP软件工作界面

3.1.2Proteus7.5

Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA（电子设计自动化）工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051系列、HC11系列、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

图3.2Proteus7.5软件工作界面

3.2控制系统硬件电路具体设计

控制系统硬件主要由中央控制器、电源电路、纸张检测电路、过载检测电路、温度检测电路、碎纸刀具选择电路、碎纸速度选择电路、风冷散热电路、报警电路、按键控制电路、数码管显示电路等组成，以下是详细介绍。

3.2.1中央控制器

本设计的中央处理器采用宏晶科技生产的STC89C52单片机，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32个I/O口，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。

另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

图3.3STC89C52同系列单片机引脚功能图

碎纸机控制器是整个控制系统的核心，充当处理中枢作用，要负责检测文件的存在、检测文件是否过载、检测电机温度，然后要控制刀具选择、速度选择、控制报警系统和风冷系统，还要控制两个数码管显示当前电机温度。

图3.2是控制器各个IO口功能分配原理图。

图3.4碎纸机中央控制器IO口功能分配

由图可知，DS18B20接口为P0.1，P0.1和P0.2分别为光电传感器1和光电传感器2的接口，P0.3和P0.4为厚度传感器接口，P2.7为报警系统接口，P2.6为风冷系统接口，P2.5为刀具选择端口，P2.4为速度控制输出端口，P2.3为急停信号输入端口，P2.2为速刀具选择输出端口，P2.0为速度控制信号输入端口，P1口控制数码管1显示温度的十位数，P32口控制数码管2显示温度的个位数，单片机第九脚未复位信号输入引脚。

第40引脚和第20引脚分别为单片机的电源和地输入。

89系列单片机在启动时也需要复位使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始工作，STC89C52单片机内置MAX810复位电路，开机时，电源经过R8给C2充电，即电流经C2流向RST，RST得到高电平，单片机即复位。

复位完毕以后，C2充电停止不再有电流流过，RST经R8接地为低电平，电路进入工作状态。

另外，本设计中通过按键连接电源，在需要时，还可以实现手动复位。

图3.5微控制器上电自动复位电路

STC89C52内部有一个用于构成片内振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体可构成一个自激振荡器。

振荡电路的连接方法见图3.4所示。

本设计中，石英晶体选择12MHz,单片机工作频率为1MHz。

图3.6STC89C52微控制器时钟电路

3.2.2电源电路

如图3.7，先通过变压器将220V市电转换为7V交流电，再经过全桥式整流器将7V交流电整成约7V直流，再经过电压转换芯片LM7805将7V直流转换成单片机所需要的5V电源，见图3.8。

图3.77V直流信号获取电路

LM7805是三端正电源稳压电路，应用极为广泛，内部自带过压保护与过热保护，如果能够提供足够的散热片，他能输出1.5A以上的电流，LM7805输入电压最大能达到35V，25摄氏度时输出电压为4.75V～5.25V，而STC89C52单片机工作电压为3.4V～5.5V，所以该电源芯片能很好的满足单片机电源需求。

图3.85V直流信号获取电路

3.2.3纸张检测电路

本设计引入光电传感器，能够检测到是否有纸张或者其他文件送入，当没有文件送入时，电机不工作，即保持待机状态，只有检测到文件存在时，电机才工作，并且当待机时间超过设定值时，机器能够自动断电，最大限度的节能减排，降低能耗与用户使用成本。

纸张检测电路如图3.9，光电传感器安装在碎纸机入口端点处，当文件送达碎纸机入口时，不透明的文件把发光二极管的光线遮挡住，使得光敏三极管失去导通状态，继而使三极管发射机被拉至低电平，单片机检测到低电平之后就能判断有文件送达碎纸机，并马上开启电机进行碎纸。

图3.9通过光电传感器检测文件的存在

光电传感器的外观如图3.10所示，为了达到较高的准确率，保证较小的文件也能检测到，本系统在文件入口的两端均安装有光电传感器。

图3.10DB1S650光电传感器外观

3.2.4过载检测电路

过载检测电路的作用是判断一次送入的文件是否超过碎纸机负载能力，本碎纸机使用的厚度传感器为根据机器人利用触须自动规避障碍物的原理，自己动手制作的简易实用传感器，在文件入口两侧各放置一个金属触须，触须外侧布置单片机的地线，当文件厚度超过两个触须之间的宽度时，触须受到挤压而接触到单片机的地线，使得触须电位被强制拉低，如果单片机同时检测到两根触须均为低电平时，即可判断送入的文件厚度超标，即检测到过载信号，此时单片机会阻止电机的转动。

3.2.5温度检测电路

该碎纸机采用温度传感器对电机温度进行在线检测，当温度过高时，单片机则启动风冷系统对电机进行散热，以延长碎纸机连续工作时间，保证机器正常运转。

温度检测电路如图3.11所示，主要器件为温度传感器DS18B20。

DS18B20是DALLAS（达拉斯）公司生产的单总线数字温度传感器，精度可达

0.5摄氏度，最大工作周期为750毫秒。

温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS公司生产的DS18B20温度传感器性能卓越。

超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20备受亲睐。

DS18B20的主要特征：

全数字温度转换及输出；

先进的单总线数据通信；

最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度；

12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒；

可选择寄生工作方式；

检测温度范围为–55°C～+125°C；

内置EEPROM，限温报警功能；

64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接；

多样封装形式，适应不同硬件系统。

图3.11温度检测电路

3.2.6碎纸刀具选择电路

本碎纸机设计了两组组合刀具，一种是将文件切成条状碎片，此刀具适用于切削密级程度较低的文件，另一种组合刀具用来切削保密程度较高的文件，因此碎纸机控制系统设计了刀具选择电路，刀具选择电路由三极管、双路继电器等器件组成，如图3.12所示当控制面板的“换刀”按键被按下时，单片机会输出低电平到PNP型三极管9012的基极，三极管导通使得继电器常闭触头打开，常开触头闭合，常开触头连接的是粉末状组合刀具，此时文件将被切削成粉末状，碎纸机开机后将默认使用刀具组合一，即切成条形状。

图3.12碎纸刀具选择电路

3.2.7碎纸速度选择电路

碎纸机速度选择电路由三极管、继电器等器件组成，如图3.13所示当控制面板的“快速”按键被按下时，单片机会输出低电平到三极管9012的基极，三极管导通使得继电器常闭触头打开，常开触头闭合，电机被切换至低阻回路，电流增大，从而使得电机转速增加，碎纸机碎纸速度提高。

继电器常闭开关连接的是高阻回路，在没有快速信号输入时，碎纸机将默认为中速碎纸。

图3.13碎纸速度选择电路

3.2.8风冷散热电路

第七代产品，引入水冷或者风冷系统对电机进行散热，是的碎纸机持续碎纸时间达到40分钟以上，大大延长工作时间，本设计采用风冷散热，如图3.14所示，当温度传感器检测到温度比较高时，单片机会输出高电平信号给三极管的基级，使得NPN三极管Q4导通，继而启动P4接口上的直流散热风扇，给电机散热，已达到降温目的。

图3.14风冷散热电路

3.2.9安全报警电路

本碎纸机增加了报警系统，当温度过高、送入的纸张厚度过载、或者出现其他故障时，单片机会驱动三极管导通，蜂鸣器发出警报声，报警电路如图3.15所示。

图3.15安全报警电路

3.10数码管显示电路

本设计使用两个七段LED数码管来显示当前电机温度值。

LED数码管实际上是由七个发光管组成“8”字形构成的，加上小数点就是8个。

这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。

当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的2个“8”数码管字样了。

图3.16数码管管脚定义

如图3.16所示，如果要显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。

LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。

小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。

数码管分为共阴极和共阳极两种，发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。

常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

本设计数码管显示电路如图3.17所示，两个数码管分别显示温度值的十位和个位。

图3.17数码管显示电路

3.11按键控制电路

碎纸机控制面板上设置有四个按键，图3.18为按键连线原理图。

图3.18按键控制电路原理图

如表3.1所示，按键S1（急停键）为急停刹车键，当出现卡纸或者其他需要停机的时候，按下按键S1，能够将碎纸机主电机从电路中断开。

按键S2（换刀键）为换刀控制键，当需要改变碎纸机的碎纸效果，改变碎片形状，则按下S2键即可。

按键S3（调速键）为速度调节按键，当在紧急情况出现或者时间紧张时，可以按下S3键，切换碎纸机工作速度，使碎纸机快速切碎文件。

S4为复位键，按下S4能够使单片机控制系统重新启动，重新开始。

表3.1按键编号与对应功能