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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