王帅自动装箱产品设计Word下载.docx
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ABSTRACT
Duringthemodernindustrialproductionprocess,theproductneedstocountandpack.Ifthisworkreplacesbytheman-power,theefficiencyislowandthelaborintensityisbig.Alongwiththepopularizationusingofmicrocomputer,speciallytheusingofmicrocomputersinglechip,ithasbroughtenormousconvenientforthissystemdesign.
Inthispaper,itintroducesthecentralof8031microcomputersinglechip,Whichcountaccuratelyandpackintheautomaticproductionstream-lines.Inordertoreadkeysanddetectsignals.thissystemexpandprogrammableI/Omemory8255Aandprocedurememory2732.PortBareusedforprovidedvalueanddisplayingcountofproducts.
KeyWords：
boxes;
automaticcontrol;
microcomputersingle-chip
1 绪论
1.1课题背景
在现代化的工业生产中常常要对产品进行计数，包装，如果这些繁琐的工作让人工去完成的话不但麻烦，而且效率低，劳动强度大，不适合现代化的生产需求，并且加重了工人的劳动强度。
为了适应现代化的大规模生产某种产品，而且需要对其进行计数，包装，就必须设计一套完整的自动化生产线，以便用这种自动化生产线来代替人工完成这些繁琐的工作，进一步加快工业现代化的发展，提高国民经济，改善人民的生活水平。
1.2课题的研究意义
自动化水平在制造工业中不断提高，应用范围正在拓展。
装箱行业中自动化操作正在改变着装箱过程的动作方式和包装容器及材料的加工方法。
实现自动控制的集装箱系统能够极大地提高生产效率和产品质量，显著消除包装工序及印刷贴标等造成的误差，有效减轻职工的劳动强度并降低能源和资源的消耗。
具有革命意义的自动化浪潮改变着自动装箱的方方面面。
优秀的自动控制装箱系统，无论从提高产品质量和生产效率方面，还是从消除加工误差和减轻劳动强度方面，都能起到十分明显的作用。
尤其是在食品、饮料、药品、电子等行业，这点都是至关重要的。
自动装置和系统工程方面的技术正在进一步深化，并得到更广泛的应用。
1.3工业控制自动化的现状
工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术。
主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。
工业控制自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率的问题。
虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用，再加上自动化系统与计算机信息科学的紧密结合，给工业生产过程带来了新的技术革新。
在工业自动化体系中，一个重要的角色就是工业控制计算机，即IPC。
或者叫产业PC。
工业控制计算机是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。
传统意义上，将用于工业生产过程的测量、控制和管理的计算机统称为工业控制计算机，包括计算机和过程输入、输出通道两部分。
但今天的工业控制计算机的内涵已经远不止这些，其应用范围也已经远远超出工业过程控制。
DCS在工业生产过程中的使用较为广泛，发展势头很大，具有较为广阔的应用前景。
逻辑顺序控制从继电器发展为采用数字化逻辑顺序控制系统，从而产生了可编程控制器（ProgrammableLogicController）,俗称PLC。
可编程控制器采用梯形图或布尔代数实现控制程序的编制。
与继电器相比,不仅体积小,而且无火花运行,安全可靠,在现场的安装调试都比较简单,很少由于地线出现故障而烧坏控制器。
从80年代后期开始,PLC的制造厂家为适应市场需求加进一些模拟量的采集和控制,并和传动控制相配合,在绝大多数情况下都是以单机设备销售,系统集成由最终用户或工程公司完成。
现场总线是开放式工业自动化控制系统,是连接设置在工业过程现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串行、双向、多站通信网络系统。
现场总线技术是一项高科技、高水平、高难度的自动控制系统工程,对化工、石化、冶金、电力、制药等各领域的发展将起到十分重大的作用。
2 自动装箱控制系统设计方案
2.1控制方案列举分析
自动装箱的关键在于依据装箱过程，设计出一个能够得以实现自动控制的结构方案。
显然，自动装置的选择取决于这一过程的需求及特性。
依据定义，一个自动装置即能通过自动控制或遥控方法完成任务的一台机器或一个机构。
它可以是简单的，例如，从一个位置移向另一位置的一种单轴结构的气动压力联动装置，也可以是复杂的，例如，具有六轴结构的能动外科手术的机器人。
而包装过程的各个项目选择以及各类工业自动化机构，可以在一个具体工作场所的空间范围内，使每一个设计方案完成一项任务。
由系统功能要求、方案选择和设备配置，可以设计出一个自动装箱系统，其原理图如图1.1所示。
图1.1产品自动装箱系统原理图
在图1.1中，该系统带有两个传送带，即包装箱传送带和产品传送带。
包装箱传送带用来传送产品包装箱，其功能是把已经装满的包装箱运走，并用一只空箱来代替。
为使空箱恰好对准产品传送带的末端，以便使产品刚好落入箱中，在空包装箱传送带的中间装一检测控制器1，用以检测包装箱是否到位。
产品传送带将产品从车间传送到包装箱。
当某一产品被送到传送带的末端，会自动落入包装箱内，并由检测器2转换成计数脉冲。
产品计数可以由硬件完成（如MCS-51系列单片机中的定时器/计数器），也可以用软件来完成。
本系统采用软件计数方法。
系统工作步骤如下：
（1）用键盘设置每个包装箱所装的产品数量以及包装箱数，并分别存放在PARTS和BOXES单元中。
（2）接通电源，使传送带1的驱动电机转动。
由控制程序控制传送带1的驱动电机持续运动，当包装箱运行到检测器1的光源和传感器的中间时，通过检测光电传感器的状态，判断传送带1上的包装箱是否到位。
（3）当包装箱到位时，关断电机电源，使传送带1停止运动。
（4）启动传送带2电机，使产品沿传送带向前运动，并转入箱内。
（5）当产品一个一个落下时，通过检测器2的检测，将产生一系列脉冲信号。
（6）从检测器2来的输出脉冲，由计算机进行计数，并不断地与存在PRESET单元中的给定值进行比较。
（7）当产品数与给定值不等时，将继续控制传送带2运动，以便继续装入产品，直到零件数与给定值相等，停止传送带2电机，不再转入产品。
（8）再次启动传送带1的电机，使装满产品的箱子继续向前运动，并把存放箱子数的内存单元加1，然后再与给定的箱子数进行比较。
如果不够，则带动下一个空箱到达指定位置，继续上述过程。
直到产品数与给定值相等，停止包装，等待下面操作命令。
当传送带2上的产品和传送带1上的箱子足够多时，这个过程可以继续不断进行下去,这就是产品自动包装生产线的流程。
必要时操作人员可以随时通过停止（STOP）键停止传送带运动，并通过键盘重新设置给定值，然后再起动。
在这个系统中，从上面对系统要求的分析中可以看出：
生产过程中的机器按确定的先后顺序连续不断的进行开（ON）和关（OFF），所以为顺序控制。
而顺序控制一般有下列几种控制方法：
2.1.1机械式的顺序控制
用分配轴上的凸块去控制电器开关、液压或气压阀门实现的一种顺控。
改变顺序较容易，但是它控制不了执行元件的位置，定位还要靠限位开关。
目前，商品化的凸轮控制的多点开关，对简单控制仍很实用。
但这种方式已经过于老式，体积庞大、精度不高、成本也贵，显然已不适合于本系统，所以不予考虑。
2.1.2用计算机的顺序控制
80年代末90年代初，计算机的应用获得较大发展，开始把计算机用于工业控制。
计算机具有功能完备、灵活性强和通用性广、可组织批量生产等优点，但需要较多的外围设备，价格昂贵，这大大限制了它在工业控制中的使用范围，加上它的原理复杂，增加了利用和维护的难度，导致普及推广进程缓慢。
虽然它完全能用于顺控，单用作简单控制时不太合算，故也不适宜本系统。
2.1.3可编程序顺序控制器
这种顺控器将计算机通用灵活和继电器逻辑控制简单、操作方便、价格便宜的优点结合起来，被称为ProgrammableLogicController（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，用原来所熟悉的继电器逻辑梯形图为表达式，很容易学会使用它。
（2）程序的指令较少，编写和输入、变更也比较容易。
（3）程序动作的监视和检查简便。
（4）由于硬件全部标准化、控制程序可变，所以在规模上具有扩充性和互换性，即有很好的柔性。
（5）安装环境和条件不必像微机那样有特殊要求。
（6）采用半导体和大规模集成电路元件和微机技术，可靠性很高，不需要进行特殊的维护和保养。
（7）可以和计算机直接连接，应用在控制方面存在很大潜力。
2.1.4用单片机实现顺序控制
单片机具有下面一些特性：
体积小：
由于单片机内部集成了计算机的基本功能部件，能满足很多领域对硬件的功能要求，因此由单片机组成的应用系统结构简单、体积特别小。
可靠性高：
单片机内CPU范围存储器、I/O接口的信息传输线（即总线—地址总线、数据总线和控制总线）大多数在内部，因此不易受外界的干扰；
另一方面，由于单片机微机体积小，在应用环境比较差的情况下，容易采取对系统进行电磁屏蔽等措施。
所以单片机应用系统的可靠性比一般的微机系统高得多。
性价比高：
由于单片机的大批量生产，及其已非常成熟的制造工艺，所以成本很低，加上单片机的功能性能不断的完善，种类型号的增加，其应用系统的印版小、接插件少、安装调试简单等一系列原因，使单片机应用系统的性能价格比高于一般的微机系统。
控制功能强：
单片机像计算机一样是面向控制，它的实时控制功能特别强`，CPU可以直接对I/O口进行各种操作（输入/输出、位操作以及算术逻辑操作等），运算速度高，最高可达16MHZ。
而且单片机对实时事件的响应和处理速度快。
使用方便：
由于单片机内部功能强，系统扩展方便，因此应用系统的硬件设计非常简单，又因为市场上提供多种多样的单片机开发工具，它们具有很强的软硬件调试功能和辅助设计的手段。
这样使单片机的应用极为方便，大大的缩短了系统研制的周期。
功耗低：
由于单片机集成度高，相应其功耗相对于同功能的其他设备功耗低了很多。
单片机以上的特性，缩短了单片机应用系统研制到真实产品的过渡过程，使科研成果迅速转化成生产力。
综上所述可以看出，采用单片机实现控制的方案将容易实现，且系统功能强大、精度高、性能稳定可靠、使用方便、性价比高。
所以采用单片机控制系统来实现产品的自动装箱。
2.2自动装箱系统配置
选定了单片机之后，为了实现自动装箱系统，便需要进行硬件配置。
2.2.1单片机微型计算机类型及相应芯片、总线的选择
单片机类型：
对于单片机的型号，由于系统不是特别复杂的较大型系统，所以在此采用应用广泛、性能较高的8位高性能MCS-51系列的8031芯片。
由于系统需要较多接口，所以必须进行接口扩展，在这里由于系统不需扩展数据储存器（RAM）。
8155的扩展的I/O口较少，所以采用有较多的I/O接口的8255A芯片而不采用8155芯片进行接口扩展。
另外，还采用2732进行程序存储器扩展。
总线：
由于采用标准总线有良好的兼容性。
因为标准总线的严格定义，所以不同的厂家生产的产品都能兼容得很好。
选择不同的模块组成系统，系统的扩展容易，硬件设计简单。
在工业控制中，较常见的是STD总线，它采用小板结构模块化设计（适用于不同要求的微机系统）。
定义严格（相比之下，Q总线、Multibus、S-100总线均有线未定义，可能造成不兼容现象），面向I/O设计、可靠性高。
所以在这里选择STD总线作为系统总线。
2.2.2检测原理及传感器选择
先看一下本系统所需的检测，判断的对象：
（1）判断空箱是否到位。
判断空箱是否到位的方法是利用传感检测器进行检测，而能起这种功能的传感检测器有红外线探测器和光电传感器两种。
用红外线照射判断：
当箱子到位时挡住了红外线发射端时，红外线的接收端接收不到光信号从而产生信号，得出箱子到位，但红外线探测器由于是利用物体辐射接收信号，所以信号较弱不准确，而且红外线传感器价格较贵、易受干扰、成本也高。
可见利用光电式传感器进行检测较好。
（2）判断箱子是否已装满产品。
判断箱子是否已装满产品的方法有：
①对产品进行计数：
当数量达到要求时就做出箱子已装满的判断，计数的方法又有两种，即红外线照射和光敏电阻照射两种，原理参照上段判断
（1）的方法所述。
②可对箱子进行称重：
当箱子达到一定原先计算设定好的重量时就说明箱子已装满，箱子的重量是要装入所有产品的总重量，这种方法用到的传感器有压力传感器，采用这种方法的缺点就是会有一定误差，而且压力传感器也不好安装。
所以在这里采用光电传感器来进行信号检测。
2.2.3输入输出设备的选择
输入输出设备是指系统与各种人机之间的对话设备。
（1）输入设备的选择
输入设备有按钮、开关、键盘等，本系统由于不但需要开关，而且要输入数据，故可采用包括开始、停止两个命令功能键和数字等多个键的键盘来作为输入设备。
（2）显示设备的选择
显示设备有很多，比如CRT显示器、打印机、工业记录仪等，其中适用于本系统的较小型简单的显示设备有两种：
采用发光二极管显示器LED（LightEmittingDiode）显示和采用液晶显示器LCD（LiquidCrystalDiode）显示。
前者是既简单又廉价的显示输出设备，是目前应用最广泛的显示器件，而且发光清晰、性能稳定，缺点是不能很精细；
后者则有功耗小、体积小、重量轻的优点，但价格较高，多用于珍袖仪表和低功耗的系统中。
而在本系统中，为了降低产品成本、使显示清晰容易辨认，而且对功耗和体积重量等捕捉很大要求，所以采用发光二极管显示器LED显示。
2.2.4电机类型及其控制方案的选择
电机有直流电机和交流电机之分。
直流电动机的调速性能好、起动转矩较大，特别是调速性能为交流电动机所不及。
因此，在对电动机的调速性能和启动性能要求高的生产机械上，大都使用直流电动机进行拖动；
但直流电动机的制造工艺复杂，生产成本较高，维护较困难，可靠性差，所以在现代工业的拖动系统中，直流电动机与交流电动机各有各的应用场所。
交流电机有异步电机和同步电机两大类。
异步电机一般都作电动机用，因为异步发电机的性能较差。
异步电机具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉等一系列优点。
但也有一些缺点:
不能经济地实现范围较广的平滑调速；
必须从电网吸取滞后的励磁电流，使电网功率因数变坏。
同步电机的转速与所接电网的频率之间存在一种严格不变的关系。
由于对电机的控制输入的信号为开关量，传送动力不用很大，而且传送产品和箱子时需要精确定位，所以在这里采用由开关量控制的伺服同步电机。
不需要可逆调速，所以选择交流电机，又从系统功能分析可知，对箱子和产品的传送过程中都需要精确定位以便实现自动装箱，所以要求电机能快速停止。
根据上面的要求本系统选择了220V交流伺服同步电机。
由于在传动过程中，传送箱子的电机负荷较大，所以选用堵转力矩和转子惯量较大的HD18-1电机。
另外，电机可选用含有减速装置的多轴转动，以便精确定位。
由于对电机需要大电压来控制，而微机系统输出的开关量为不能直接用来驱动电机的低电平，还有也为了提高系统的抗干扰能力，本系统需要采用光电隔离技术。
而对电机可以采用多种方法控制，如继电器、固态继电器（SSR）、可控硅（SCR）、电磁阀及大功率场效应管等。
其中继电器是电气控制中最常用的控制器，但在控制时容易发生触点产生火花，并且因触点容易氧化而影响系统稳定性；
而固态继电器输入电流小，输出无触点，与电磁式继电器相比具有体积小、重量轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠等优点。
故在这里采用无触点的固态继电器进行控制。
2.2.5确定自动装箱控制系统总体方案
近年来，包括微机计算机在内的办公室自动化电子设备的普及速度十分惊人，广泛用于控制设备、情报产业设备、测量设备以及家用电器或汽车等领域。
微机系统大多采用工频交流电供电，由两种类型的稳压电路可以提供所需的各档电压。
一种是普通线性电源，它由变压器、整流器、低通滤波器、稳压器等部件组成，结构简单，成本较低，稳压精度能满足一般要求。
缺点是体积较大，发热较严重。
另一种是微机系统广泛采用的开关电源，开关电源随着在高效率化、小型轻量化方面的进一步发展，它作为电子设备用电源在迅速发展，现在得微型机或输入输出设备有90%以上是采用开关电源。
它按照脉宽调制式（PWM）原理工作，体积小巧，稳定性好，稳压精度高。
当成本略高，且设计技术与制造技术复杂，宜采用专用厂家生产的成品。
在这里，由于系统对电源没有特别高的要求，而且电源设计不是本设计主要内容，为了方便起见，采用后一种电源即开关电源，只要达到下列要求即可：
（1）电源具有足够的功率，以免满负荷或超负荷时发热严重，精度降低。
（2）电源变压器将有良好的屏蔽并在电源入口处设置了交流稳压器和交流滤波器、分布式电抗等，以做好抗干扰、提高稳压和滤波效果。
（3）要求能提供包括+5V等的多档次的电压。
由以上分析可得：
本系统采用型号为8031的单片机及其8255A等系列芯片进行微机控制。
采用STD标准总线作为系统总线。
采用光电式传感检测器进行检测信号。
采用带有开始和停止命令功能键的编码键盘。
采用LED显示器进行信号显示。
采用220V交流电机进行同步伺服电机传送，产品传动采用堵转力矩可转子惯量较小的HD5-1电机、箱子传动选用堵转力矩可转子惯量较大的HD18-1电机，电机的控制则采用光电隔离接口和固态继电器进行控制。
采用专用厂家生产的成品的开关电源。
3 控制系统硬件设计
3.1系统硬件设计
为了完成上述任务，采用8031单片机设计一个最小系统。
74LS373（8位I/O锁存器）、2732组成最小系统，扩展的8255A的B口用于给定值或产品计数显示。
硬件图说明为达到本系统功能，采用8031单片机设计一个最小系统，为读键盘给定值，同时实行检测和控制，专门扩展一个8255A可编程接口，其系统原理图如附录一所示。
8031、74LS373（8位I/O锁存器）、2732组成最小系统。
其中各芯片及引脚说明如下：
（1）8031：
系统的微控制器选用Intel公司生产的8位单片机8031。
下面对8031作一个基本的介绍：
①一个面向控制的8位CPU；
②128字节RAM数据存贮器；
③两个16位定时器/计数器；
④可寻址64K外部数据存贮器和64K外部程序存贮空间的控制电路；
⑤32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）；
⑥一个可编程全双工串行口；
⑦具有五个中断源，两个优先级嵌套中断结构；
（2）8255A：
8255A基本特性：
①8255A是一个具有两个8位（A口和B口）和两个4位（C口高/低4位）并行I/O端口的接口芯片，它是Intel系列CPU与外部设备之间提供TTL电平兼容的接口，如A/D、D/A转换器、键盘、步进电机以及需要同时两位以上信息传递的一切形式的并行接口；
②8255A能适应CPU与I/O接口之间的多种数据传送方式的要求；
③8255A可执行功能很强，内容丰富的两条命令（方式字和控制字）为用户根
据外界条件来使用8255A构成多种接口电路提供了灵活方便的编程环境；
④8255A的PC口的使用比较特殊，除作数据口外，还可作状态口，进行按位控制等；
（3）74LS373：
8位输入8位输出锁存器，引脚功能如下：
VCC：
接电源端；
G：
存储器允许信号；
（4）2732：
4K*8200ns紫外线可擦除电可编程的半导体只读存储器，标准EPROM；
A11-A0：
地址输入线；
D7-D0：
三态数据总线；
（5）74LS377：
同向电流驱动器，为LED提供足够驱动电流。
说明：
键盘和显示器接口芯片还有8279可使用，而8279对键盘还有硬件消抖功能，但这样会和8255A形成硬件浪费，况且8279由于接口不够不能代替8255A。
包装系统控制电路主要有两部分：
一是信号检测，光电检测器1判断包装箱是否到位和光电检测器2用于产品计数；
二是传送带电机控制。
（6）开关电源：
开关电源选用+12VATX电源。
在整个开关接通期间，电源向负载提供能量；
当开关断开时，输入电源便中断了能量的控制，输入电源向负载提供的能量是断续的。
（7）光电传感器：
光电传感器选用CH3系列。
光电传感器的敏感范围远远超过了电感、电容、磁力、超声波传感器的范围，此外光电传感器的体积很小，而敏感范围很宽，加上机壳有很多样式，几乎可以到处使用。
光电传感器的原理图如图3.1所示：
图3.1光电传感器的原理图
3.2控制电路设计
3.2.1信号检测电路
本系统的基本原理主要是单片机和光电检测技术的结合，其检测原理框图如图3.2所示。
该系统利用单片机对电源进行控制。
单片机根据用户键入的信息自动生成一串有序电源脉冲，用这一电源脉冲来控制半导体激光器。
这样有半导体激光器发射的激光便是一串激光脉冲波，这一串激光脉冲便是载有用户信息的信号波。
当光电监测器检测到此激光信号波时，将其转化成为一串连续的电脉冲波。
但此时所得到的信号是非常微弱、不够规则的，同时由于杂散光以及外部干扰的存在，此时的电信号还混杂着一些无用的干扰信号，因此这些信号还不能直接应用。
必须通过前置放大电路将它进行放大和除噪处理，处理过的信号便可直接驱动单片机工作，进行译码及判别处理。
通过比较判别，单片机决定执行哪一种处理，然后生成控制信号来启动控制设备。
图3.2检测原理图
由于上述的结构过于复杂，经过论证可以
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