基于AT89C51智能饮料机控制系统设计毕业设计说明书.docx

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基于AT89C51智能饮料机控制系统设计毕业设计说明书

吉林化工学院毕业设计说明书

基于AT89C51智能饮料机控制系统设计

ControlSystemDesignofIntelligentBeverageMachineBasedonAT89C51

吉林化工学院

JilinInstituteofChemicalTechnology

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

摘要

灌装机设备种类繁多，应用范围也很广，有食品饮料，日用品，医药，工业等。

目前灌装机设备走向自动化，灌装机设备在自动化操作下正在改变着灌装过程的动作方式和灌装容器及材料的加工方法。

实现自动控制的灌装系统能够极大地提高生产效率和产品质量，显著消除灌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。

本系统以89C51单片机为控制核心，由电源电路、单片机控制电路、称重传感器电路、信号放大电路、A/D转换电路、键盘控制电路、液晶显示电路、液体泵驱动电路、下位机与上位机通信电路以及声光报警电路等硬件接口电路组成。

该灌装机采用称重式灌装方式对液体灌装，其中液体质量的定量由压力传感器量取。

进行灌装时，称重传感器受压后，内部电阻值发生变化，输出信号随液体质量的增多而逐渐变化，由于该信号比较微弱，不便于传输，所以要先对其进行放大，再通过A/D转换器将模拟量转变成数字量送入单片机的I/O口，由单片机进行识别，当液体重量达到预设定重量时，单片机发出信号使继电器开关断开，液体泵停止工作，并等待下一次灌装开始，同时报警电路会提示本次灌装结束。

在灌装过程中，灌装液体的质量会显示在液晶显示屏上，并且会通过单片机串口送入PC机。

在设计方法上，将软件工程的思想引用于单片机系统的设计，使系统的信息流向及整体功能设计简单明确、清晰。

本系统具有成本低、体积小、集成度高、可靠性高等特点，易于广泛推广和普及，在现代化的各种灌装领域中一定能发挥它的最大效能。

关键词：

灌装；单片机；通信；称重

Abstract

Fillingmachineequipmenthasmanytypes.Itiswidelyusedinfoodanddrink,dailynecessities,medicine,industry,etc.Thecurrentfillingmachineequipmentisinthewayofautomation.Fillingmachineequipmentischangingthewayoftheactionfillingprocessandfillingcontainersandmaterialsprocessingmethodsundertheautomation.Toachieveautomaticcontrolofthefillingsystemcangreatlyimproveproductionefficiencyandqualitythatsignificantlyeliminatetheerrorandfillingprocessiscausedbylabelingandprinting,effectivelyreducesthelaborintensityofworkersandenergyandresourceconsumption.

Thecontrolsystemis89C51MCU.Theyaremadeofthepowercircuit,MCUcontrolcircuit,theloadcellcircuit,signalamplifier,A/Dconversioncircuit,keyboardcontrolcircuit,LCDdisplaycircuitandtheliquidpumpdrivecircuit.Italsoincludeslowermachineandhostcomputercommunicationcircuitandthesoundandlightalarmcircuit

Thefillingmachineusesthemethodofweighingfillingtoachievethefillingofliquid.Thequalityofthequantitativeamountofliquidistakenfromthepressuresensorimplementation.Inthefilling,theloadcellisunderpressuretochangetheinternalresistance.Theoutputsignalsgraduallychangethroughincreasethequalityofliquid.Becausethesignalisweakandnoteasytotransport,soitmustbeenlargedfirst.TheanalogConvertedintodigitalthroughtheA/Dconverter.ThenitissendtoMCUofI/Oporttorecognize.Whentheliquidofweightreachespre-setweight,theMCUswitchesofftherelaysignal.Liquidpumpstopworkingandwaitforthenextstartfilling.Thealarmcircuitwillbepromptedtofilltheendofthis.Inthefillingprocess,thequalityoftheliquidfillingisdisplayedontheLCDscreen,andwillthroughthemicrocontrollerserialportintoPC.

Inthemethodofthedesign,thesoftwareengineeringisappliedtothedesignofMCUsystem.Thesystemofinformationflowandtheoverallfunctionaldesignissimpleandclear.Thesystemhaslowcost,smallsize,highintegrationandhighreliability.Andeasy-to-widepromotionandpopularizationofvariousfillinginthefieldofmodernsurelyplayitsmaximumeffectiveness.

KeyWords：

Filling;MCU;Communication;weigh

第1章绪论

1.1研究意义

在现代工业生产过程中，尤其是在石油、化工、医疗、食品饮料等生产领域中都需要大量液体的存储和转移，因此液体灌装系统在这些领域中的作用就不能被忽视。

我国饮料酒（不含果露酒、发酵酒精）总产量已达2878万千升，同比增长8.2%。

有关专家指出，我国饮料行业是高成长性的行业，成熟饮品增长稳定，新的热点和增长点不断涌现，新兴饮品的增长更快。

同时，中国包装机械已发展成世界液态食品行业中有重大影响和极大市场占有率行业。

为了提高产品质量，缩短生产周期，适应产品迅速更新换代的要求，产品生产正在向缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方向发展。

在饮料、牛奶、炼油、化工、制药等行业中，液体灌装是必不可少的工序，而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。

但由于这些行业中多为有毒有腐蚀性的介质，以致现场工作环境恶劣，不适合人工现场操作。

另外，生产要求该系统具有灌装精确、控制可靠等特点，这也是人工操作和半自动化控制所难以实现的。

所以为了帮组相关行业，特别是其中的中小型企业实现多种液体混合的自动控制，从而达到液体混合的目的，液体混合自动配料势必是摆在我们眼前的一大课题。

如何应用AT89C51在饮料灌装中实现控制功能，在相关的研究文献报道中用基于AT89C51的控制系统对灌装进行控制的研究尚不成熟，以致人们难以根据它的具体情况，正确选用参数进行系统控制也就难以满足提高质量和效率、降低成本的要求，本设计就是基于以上问题进行的一些探索。

1.2国内外发展概况

灌装机主要是包装机中的一小类产品,根据我国国情，包装机械工业发展的趋势是：

1．引进、消化、吸收国外先进技术，建立一批包装机械骨干企业，包括个别中外合资企业。

2．大多数企业要重点发展中、小型包装机械。

3．在包装机械生产中，大量引入高新技术，使包装机械产品设计先进、使用可靠，使其性能指标、工艺水平、“三化”（多功能化、高速化、自动化）水平高，向机电结合、主辅机结合、成套联线方向发展。

4．以满足重点商品的包装为出发点，发展包装机械新品种。

国外饮料灌装设备新动向：

在饮料灌装机设备方面，美国、德国、日本、意大利和英国的制造水平相对较高。

我们可以通过这些国家的饮料灌装机的新趋势来确定我们国家与他们之间的差别应该向哪个方面发展才能缩小之间的差别，使我国的灌装机尽快挤进世界先进行业之列。

1.多功能：

一台设备，可进行茶饮料、咖啡饮料、豆乳饮料和果汁饮料等多种饮料的冷热灌装；均可进行玻璃瓶与塑料瓶的灌装；

2.高速度、高产量：

碳酸饮料灌装机的灌装速度最高达2000灌/分，德国H&K公司、SEN公司、KRONES公司，其灌装机的灌装阀分别达到165头、144头、178头。

非碳酸饮料灌装机的灌装阀50-100头，灌装速度最高达1500灌/分；

3.技术含量高、可靠性高：

全线的自控水平高和全线效率高。

在线监测装置和计量装置配套完备，能自动检测各项参数、计量精确。

集机、电、气、光、磁为一体的高新技术产品不断涌现。

1.3课题分析

单片机控制系统有微机和工业生产对象两大部分组成，其中包括硬件电路和软件程序，整个控制系统是通过接口将计算机和生产过程联系起来实现计算机对生产过程的数据处理和控制。

硬件电路主要包括：

电源电路、单片机控制电路、称重传感器电路、信号放大电路、A/D转换电路、键盘控制电路、液晶显示电路、液体泵驱动电路、通信电路、声光报警。

软件程序主要是在VisualBasic6.0环境下开发完成的。

第2章系统总体方案设计

2.1最优方案的选择

灌装系统在灌装过程中起着关键性作用，为了能简单实现灌装系统的设计，将设定的液体送入容器中并提示灌装结束，设计方案如下：

方案1：

通过传感器感受到液体重量，降低自身的阻值，来增加电流，并且驱动声光报警器报警。

电路简单、可靠但是灵活性和实用性差。

方案2：

可以通过传感器感知信号多级放大电路，并用电位器调节得到固定的电压值，当得到液体重量信号时，电阻值立刻变小、放大器的放大倍数增加，电压也就随着增加，驱动三极管导通报警电路。

该方案有一定的灵活性和可执性，但是电路比较复杂，智能性差。

方案3：

通过51系列单片机作为主控单元，并且能够通过传感器把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号，并且读取和显示出来。

键盘可以通过不同的应用场合和针对液体做出不同的重量设定，并且储存报警的上限和报警时间，方便查询和日后的工作调查。

兼于方案三有成本低、体积小、集成度高、可靠性高、灵活性好等特点，易于广泛推广和普及，因此本设计选择方案三。

2.2课题内容及要求

设计一种基于AT89C51灌装机，能够实现对大量液体的存储和转移等功能的控制，具体要求如下：

1．输出信号：

一定范围电压信号。

2．输入信号：

+5V和+12V的直流电压。

3．模拟量输出功能：

具有重量设置功能。

4．具有显示功能。

5．供电电源：

220VAC±10%。

6．系统的最小分辨率为0.01Kg。

2.3系统整体框图与流程

经过分析，该称重式液体灌装机主要应该由电源电路、单片机控制电路、称重传感器电路、信号放大电路、A/D转换电路、键盘控制电路、液晶显示电路、液体泵驱动电路、下位机与上位机通信电路以及声光报警电路等硬件接口电路组成，系统整体功能框图如图2-1所示。

图2-1系统总体设计框图

在液体灌装过程中，液体泵将液体从容器A中抽取出来后注入到容器B中，同时称重传感器受到容器B中液体质量的压力后，其内部电阻值立刻变小、电压也随着增加、输出信号也随容器B中液体质量的增多而逐渐变大，由于该信号比较微弱，不便于传输，所以还要对其进行放大。

另外，传感器输出的电压是模拟量，单片机不能正常识别，所以还要通过A/D转换器将模拟量转变成数字量，再送入单片机的I/O口，由单片机进行识别。

当容器B中液体质量达到预设定质量时，单片机发出信号使继电器开关断开，液体泵停止工作，并等待下一次灌装开始，同时报警电路会提示本次灌装结束。

在灌装过程中，灌装液体的质量会显示在液晶显示屏上，并且会通过单片机串口送入PC机中，通过上位机编程统计年、月、日的灌装情况。

灌装液体的预设定值是通过键盘设置的。

本系统为了实现称重、计算、补偿、标定、键盘输入、显示、汇总等功能，除了连接硬件接口电路外，还要通过上位机和下位机编程。

通过程序使各部分电路能够相互协调工作达到系统要求的功能及性能。

第3章系统硬件设计

3.1直流稳压电源的设计

电源的设计是电子电路设计的重要环节，在某种意义上可以说电源电路的性能指标直接关系到设计的成败。

电源电路的设计，因系统供电形式、系统对电源的要求等具体情况的不同其构成原理、设计方案也有所不同。

直流稳压电源的种类繁多，但几乎都是将市电网交流电作为输入电源，再经过转换电路转换成所需参数的直流电，其中这类AC-DC稳压电源从原理的角度来看可分为线性稳压电源和开关稳压电源两类。

对于单片机数字控制的电路系统，通常采用基于PWM控制的开关电源。

而对于放大器的模拟放大系统，采用线性稳压电源则更具有优势。

因此，针对电荷放大器的需要，本文提出了一种基于集成稳压器的多输出线性直流稳压电源的设计。

线性稳压电源具有稳压和滤波的双重作用，产生的干扰很小，并且采用工业变压器与市电网隔离，所以既不会引入电网中的干扰，也不会将干扰串入电网中。

另外，线性稳压电源同开关型电源相比，稳定度及负载调整率较高，输出波纹电压小，瞬态响应速度快，线路结构简单，便于维修，更重要的是工作可靠，故障率低，具有明显优点，并且经济成本也较低。

而开关稳压电源虽然功耗小，效率高，但存在着较为严重的开关干扰，会影响电路中其他元器件的性能，从而不能使整个系统工作正常。

考虑到本次设计的系统性能，最终决定使用线性稳压电源作为灌装计的供电电源[2]。

3.1.1功能要求及方案确定

本次设计的灌装机需要用到+5V和+12V的直流电压，因此要求该电源的输入为220V/50Hz单相交流电，输出为+5V和+12V的直流电。

图3-1线性直流稳压电源原理框图

3.1.2主要元器件的选择

变压器的选择：

选择单相交流220V输入，+12V输出的大功率变压器，交流电输入处的保险丝选用0.8A。

滤波电容的选择：

选用1000μF/50V和470μF/25V的电解电容，0.1μF瓷片电容。

整流桥的选择：

可以选用四支型号为1N4007的二极管连接而成。

三端集成稳压器的介绍：

LM78XX系列集成稳压器是最普通也是使用最多的固定输出集成稳压器件，几乎覆盖低压直流的所有输出值，包括7805、7806、7808、7809、7812、7815、7824等。

LM78XX系列的集成稳压器特点是外围电路简单，输出电流最大可达1.5A[1]。

在该电源电路的设计中，我们采用了LM7805和LM7812集成稳压器用于稳压。

其三端依次为：

输入端、接地端和输出端，如图3-2所示。

图3-2LM7812/LM7805封装图

3.1.3电路的设计

根据系统的要求，该电源的电路图如图3-3所示。

图3-3系统电源电路

变压器输入端为单相交流220V，经降压后，输出为交流+12V。

将电容C1、C2跨接到整流桥的输出端，可起到有效滤波的作用。

稳压电路主要是指三端集成稳压器LM7L812CK，Vin为输入端，Vout为输出端，GND为公共地。

LM78L12CK的输出端为较稳定的+12V直流电压，经电容C3、C4去耦后即可接入系统中。

由于该液体灌装系统中还要用到+5V直流电，而选用的变压器只有+12V的输出，已经用于产生+12V的直流电压，所以可以采用“二级电源”，即将+12V的直流输出端再经过降压，稳压等过程产生+5V直流电。

要将+12V直流电变换成+5V直流电，需要三端集成稳压器7805，如图3-3中已选用LM78L05CK。

但由+12V降到+5V差值比较大，不能将+12V输出端直接与稳压器相连，所以要在二者之间串联一个大功率电阻。

3.2单片机最小系统设计

3.2.1单片机的选择

单片机全称为单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer），它是将计算机的基本部件如CPU、ROM、RAM、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线微型化并集成到一块芯片上的微型计算机。

单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家电等许多领域中得到日益广泛的应用。

根据本次设计的灌装机系统的特性，可以选择Atmel公司的AT89C51单片机。

AT89C51单片机是一个低电压、高性能的COMS型8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的Flash只读存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM）。

器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，单片机内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

共有40个有效引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时器/计数器，2个全双工串行通信口[3-4]。

AT89C51有PDIP、PLCC、TQFP三种封装形式，本次设计选用PDIP封装形式的AT89C51，其引脚图如图3-4所示。

图3-4AT89C51单片机引脚图

AT89C51单片机性能参数：

1．兼容MCS-51系列产品指令；

2．系统内的4K字节可编程的Flash存储器；

3．1000次擦写周期；

4．时钟频率范围：

0Hz至24MHz；

5．三级加密程序存储器；

6．128×8字节内部RAM；

7．32个可编程I/O口线；

8．两个16位定时器/计数器；

9．6个中断源；

10．可编程串行通道；

11．低功耗空闲和掉电模式[5]。

3.2.2电路的设计

对于该单片机的最小系统设计主要是设计复位电路以及外部晶体振荡电路，所以除了AT89C51单片机外还要选择晶振、电容、电阻等元件。

AT89C51单片机最小系统电路图如图3-5所示。

C1为100μF的电解电容，R1为10KΩ的电阻，二者与单片机的第9脚（RST）相连，起到上电复位的作用。

C2、C3为30pF的瓷片电容，串联后与11.0592MHz的晶振Y1并联跨接到单片机的XTAL1、XTAL2端用于为单片机提供时钟频率。

其中VCC为+5V直流电压。

图3-5AT89C51单片机最小系统电路图

3.3称重传感器的选择

在实际应用中称重传感器的种类多种多样，考虑到本次设计的商用灌装机为称重式灌装，而且精度要求很高，因此选择RL-C04S式拉压力传感器。

该称重传感器适用于指定的标准称量，如平台秤、料斗称量系统等，尤其适用于一些要求精度高的工业称量系统。

该称重传感器采用高度可靠性及密封设计，即使在恶劣环境下，仍能长时间工作。

RL-C04S式拉压力传感器外观如图3-6所示。

RL-C04S式拉压力传感器具有以下技术特点。

1．高精度，低漂移；

2．量程范围宽，适用范围广；

3．具有很强的抗偏、抗侧能力；

4．可选择模拟量输出：

0~5V，0~10mA；

5．经济实用。

图3-6RL-C04S式拉压力传感器

该传感器有4条引线，其中红色和黄色引线为工作电压输入，蓝色和白色引线为传感器信号输出。

工作电压为+12V，信号输出端与信号放大电路相连。

灌装过程中，传感器的输出信号电压会随液体质量的变化而相应地发生变化。

3.4微弱信号放大电路的设计

3.4.1AD620芯片介绍

AD620仪表放大器使用说明:

在一般讯号放大的应用通常只要透过差动放大电路即可满足需求，然而基本的差动放大电路精密度较差，且差动放大电路变更放大增益时，必须调整两个电阻，影响整个讯号放大精确度的变因就更加复杂。

仪表放大电路则无上述的缺点。

在一般信号放大的应用中通常只要普通差动放大电路即可满足要求，然而基本的差动放大电路精确度较差，而且差动放大电路需要改变放大增益时，必须调整两个电阻，应用起来很不方便。

仪表放大器则无以上缺点，因此本次设计中的放大器选用AD公司生产的仪表放大器AD620。

AD620的引脚图如图3-7所示。

图3-7AD620的引脚图

引脚功能：

1、8：

外接增益调节电阻；

2：

反向输入端；

3：

同向输入端；

4：

负电源；

5：

基准电压；

6：

信号输出端；

7：

正电源。

3.4.2AD620的应用电路

本系统的信号放大电路如图3-8所示。

图3-8系统信号放大电路

计算R

选用阻值为470Ω的精密电阻，经计算，放大倍数约为106。

使用精密电阻主要是因为其电阻阻值受温度的影响比较小，从而使放大倍数较稳定。

由于本次设计的商用灌装计只需对正电压放大，因此4脚接地，7脚接+12V直流电压。

2、3脚接压力传感器的输出端，用于输入液体质量信号，该信号经放大后从6脚输出。

5脚接公共地，表示6脚的输出即为与地之间的相对电压。

3.5A/D转换电路的设计

3.5.1TLC2543芯片介绍

由于单片机所能识别的信号为数字信号，而称重传感器的输出信号经过放大后仍为模拟量，所以要将其转换为