育苗生产系统设计.docx

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育苗生产系统设计

基于AT98S52单片机的育苗生产线控制设计

摘　要：

目前单片机控制在很多方面都有广泛的应用。

本文针对育苗生产线的运行流程，设计了它的硬件控制电路。

以AT89S52单片机为核心，将8255A接口芯片作为单片机的扩展I/O口，用来控制生产线上各个部位的执行电机。

将单片机的P1口和部分P2口与光电传感器、检测开关及调节按键相连，实时将检测信号输入单片机；通过调节按键可以随时在线修改生产线的运行参数;LCD显示器与单片机连接，显示各个电机的正反转情况以及生产线总运行时间；单片机内部的看门狗电路增加了系统运行的可靠性。

关键词：

AT89S52单片机；8255；育苗生产线；光电传感器　

TheControlDesignofProductionLinetoGowSeedling

BasedontheMicrocontrollerofAT89S52

AgriculturalElectricAutomationDepartmentXiaShao-bin

Tutor：

JiangJian-heng

Abstract:

Microcontrollerhasbeenusedinmanyways,now.thepapermainlyintroducesthecontrolldesignoftheproductionlinetoindustrializegrowseedlingcontroledbythemicrocontrollerofAT89S52.The8255Awhichaddtheotherintegratedchip'sI/OnumbersconnectswithThephotoelectricsensor,checkswithandtheadjustedkeyswith,anddeliverthechangedstationsignaloftheseexaminingcomponentstowardtheAT89S52.Themicrocontrolleraccordingtoeachimportationsignaloutputdifferentsignaltocontroleachmotortoturnoranti-turnandit'stimetomove.YXD-1602ALCDdisplaystheturningstationsofmotorsandtimeoftheproductionline.Theregulatorykeyinthecircuitboardofthecontrolcanadjusttheparameteroftheproductionlineinallthetime.Theuseofthewatchdogtimerincreasecredibilityofthesystemwork.

Keywords:

MicrocontrollerofAT89S52；8255；productionlinetogrowseedling；Photoelectricsensor

1引言

在计算机出现以前，有不少能工巧匠做出了不少精巧的机械。

进入电器时代后，人们借助电气技术实现了自动控制机械，自动生产线甚至自动工厂。

然而，在一些大中型系统中自动化效果均不理想。

在计算机出现后，人们才见到了希望。

但是，计算机出现后的相当长时间里，在工业现场的测控领域并没有得到真正的应用。

只有在单片机（Microcontroller）出现后，计算机才真正地从科学的殿堂走入实际的应用。

单片机体积小、重量轻、低价格、低功耗、控制功能强、运算速度快、控制灵活、电源电压范围宽等特点[1]。

据预测，到2010年，一个成年人每日会接触到351个单片机，毫不夸张的说，我们生活在一个单片机的世界里[2]。

特别是：

现在一些单片机已采用所谓的三核（TrCore）结构，它将DSP和微控制器同时做在一个片上，大大增强了传统单片机的功能，这将推动单片机的又一次技术革新[3]。

单片机主要在以下几个方面应用比较广泛。

（1）单片机在机、电、仪一体化等智能产品中的应用

单片机具有小巧、低功耗、控制功能强的优点。

把它做到产品的内部，取代部分电子元器件，可使产品体积缩小，功能增强，实现不同程度的智能化，这是其它任何计算机无法比拟的。

日常生活中如，电子秤、便携式心率监护仪、中频电疗仪、高级玩具、电视机、洗衣机、电冰箱、电磁炉、微波炉、空调、家用防盗报警器等产品中都有单片机的用武之地。

智能化的仪器仪表是国内目前应用单片机最多、最活跃的领域。

在各类仪器仪表中（包括温度、湿度、流量、流速、电压、频率、功率、厚度、角度、长度、硬度、元素测定等），引入单片机，使仪器仪表数字化、智能化、微型化，功能大大提高。

如：

精密数字温度计、湿度控制仪、智能流量监测控制仪、便携式流速仪、频率计、智能电度表、智能示波器、智能转速数字显示、黑匣子等。

（2）单片机在工业测控中的应用

单片机I/O线多，位指令丰富，逻辑操作能力强，特别适用于实时控制，既可作单机控制，又可作多级控制的前沿处理机，应用领域相当广泛。

如：

汽车工业中的应用（点火控制、反锁、牵引、转向、防盗等方面控制）、液压机的控制、报警系统中的应用、烟叶水份测量仪、水电厂单元微机监控系统、啤酒生产线、汽车生产线、集体供暖锅炉自动控制、数控机床等方面。

（3）单片机在通信技术中的应用

比较高档的单片机都具有通信接口，为单片机在计算机网络与通信设备中的应用创造了很好的条件。

如：

在通信中完成频率合成、系统监控、信道搜索及自动调谐等任务、无线遥控、调制解调器、移动电话、程控交换技术、电话自动分路器等方面。

2控制设计方案选择

2.1选用PLC进行控制

在工业控制中PLC有着很大的影响力。

PLC起步比较早，电路设计较成熟，稳定性高，编程软件可视化、集成化程度比较高，易于学习，开发周期短。

但它的价格昂贵，利用PLC开发工程或产品没有自己的知识产权，PLC的功能也受到一定的限制（如不能进行复杂的数学计算）[4]。

PLC一般使用在控制的开关量比较多，工作环境比较恶劣的情况下。

当控制系统不是很复杂，工作环境不是很恶劣的条件下运用PLC进行控制没有发挥它的实际价值。

2.2选用单片机进行控制

单片机具有编程能力强，体积小，价格便宜等特点。

在很多工业控制领域都有应用。

随着单片机的不断升级，由以前结构简单，功能小的4位机，发展到现在结构复杂，功能强大的8位，16位，32位机，有的单片机还集成了A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、LCD（液晶）驱动电路[5]。

现在功能强、性能高的单片机已大量进入中、小型工业控制领域。

单片机与PLC相比有如下特点：

１、没有现成的外围接口电路，没有现成的软件，需要自己作线路板。

因此涉及到的知识比较多，如；protel、汇编或C语言、还要会可视化编程及电子电路等；２、功能可以根据外围电路随意开发，基本不受限制，应用面广；３、价格便宜，开发的产品拥有自己的知识产权[6]。

但它的一个明显的不足之处是：

稳定性、可靠性明显不如PLC高。

但是随着单片机可靠性技术的发展，特别是近年来，一些单片机生产厂家在单片机设计上已采用如EFT（EllectricalFastTransient）技术，低噪声布线技术及内部琐相环技术等提高可靠性的新技术，这些新技术的应用很好地确保了单片机在一般工业控制中稳定、可靠的工作[7]。

由于育苗生产线控制简单，工作环境不是很恶劣，本文选择了方案2,用AT89S52单片机控制育苗生产线的运行。

3总体设计

3.1育苗生产线简介

本育苗生产线是由慧鱼公司提供的创意模块组建成而，模拟实际育苗生产线的运行过程，它由五大部分组成——基质装盘、基质压穴、播种、覆基质、浇水。

育苗盘在生产线上随着传送带运行。

五大部分均设有光电位移传感器或触动开关，实时检测是否有育苗盘到来。

当育苗盘达到某个部分时（如基质装盘），在单片机的控制下该部分进行相应的动作。

其中，装基质、压穴、播种、覆基质、浇水五个部分的运行是相互独立的，它们的工作时序没有先后之分，只要每个部分的光电传感器检测到有育苗盘进入到这个部分后，就会完成它相应的功能，然后再等待下一个育苗盘的到来。

这样可以明显地提高整条生产线的生产效率，这五个部分结合起来，就组成了一条完整的育苗生产线。

育苗生产线的运行流程示意图如图1所示，总结构图如图2所示。

需要单片机输出控制的器件是8个电机，下面就这8个电机的功能和作用进行阐述。

链条电机：

生产线上的主要动力，链条电机通过传送带带动育苗盘顺序完成装基质、压穴、播种、覆基质、浇水五个部分。

装基质电机：

当育苗盘在传送带的作用下到达装基质箱下面时，装基质电机便往育苗盘里填充一定量的基质。

压穴推杆电机：

装完基质后，育苗盘继续前进，进入压穴装置时，压穴推杆电机把育苗盘推入压穴器的正下方，准备进行压穴。

完成压穴以后，压穴推杆电机再把育苗盘推入播种部分。

压穴电机：

当育苗盘在压穴推杆电机的推动下到达压穴器正下方后，压穴电机带动压穴器向育苗盘里压穴。

播种电机：

完成压穴后，育苗盘进入播种部分，播种电机带动播种齿轮往育苗盘里播定量的种子。

覆基质电机：

播种结束后，育苗盘进入覆基质箱下面，覆基质电机完成在种子上面覆盖一层基质。

浇水推杆电机：

覆基质完成以后，育苗盘进入最后一个环节——浇水部分，浇水推杆电机推动育苗盘到达浇水管下面进行浇水。

浇水完成以后，再把育苗盘推到出口。

浇水电机：

当育苗盘到达浇水管正下方后，浇水电机启动，往育苗盘里浇一定量水。

这样，这8个电机共同谐调地完成一个完整的育苗过程。

在整条生产线上，需要单片机随时检测的器件共11个分别如下：

光电传感器１（E1）：

检测是否有育苗盘到达装基质箱的下料口。

光电传感器２（E2）：

检测是否有育苗盘进入压穴装置。

光电传感器３（E3）：

检测是否有育苗盘到达播种部分。

光电传感器４（E4）：

检测是否有育苗盘到达覆基质箱的下料口。

光电传感器5（E5）：

检测是否有育苗盘进入浇水装置。

装基质开关（S1）：

检测装基质电机是否复位。

压穴开关（S2）：

检测压穴电机是否复位。

压穴推杆开关（S3）：

检测压穴推杆电机是否复位。

播种开关（S4）：

检测播种电机是否定量地播完了种子。

覆基质开关（S5）：

检测覆基质电机是否复位。

浇水推杆开关（S6）：

检测浇水推杆电机是否复位。

五个部分详细的控制流程如图3所示。

3.2硬件控制电路设计

本设计中使用的是9V直流电源，通过uA7805三稳压芯片整流输出5V稳定电源给整个控制电路供电；生产线上各个部分的执行电机直接用9V电源供电。

通过两个核心硬件AT89S52单片机和8255A扩展I/O接口芯片实现输入检测和输出控制功能；通过LCD显示器显示出当前生产线的运行情况。

总的系统框图如图4所示。

由于生产线上需要检测的有十一个传感器和四个调节按键，用单片机的P1口和P2口的P2.0、P2.1组成行列式矩阵与传感器和按键连接，这样可节省单片机的I/O口。

使用LCD的目的是为了可以随时了解整个生产线的运行情况，也为了有利于可视化操作，考虑到生产线的扩建会需要更多的电机和检测元件,AT89S52单片机的I/O口数量远不能完成所有的检测和输出控制工作。

结合生产控制流程，本设计的硬件控制结构图如图5所示。

图5硬件控制结构图

其中E1、E2、E3、E4、E5分别是：

光电传感器１、光电传感器２、光电传感器３、光电传感器４、光电传感器S1、S2、S3、S4、S5、S6分别是：

装基质开关、压穴推杆开关、压穴开关、播种开关、覆基质开关、浇水推杆开关；K1、K2、K3、K4分别是：

电机参数调节按键、时间调节按键、加按键和减按键。

下面对所用主要器件进行介绍。

（1）AT89S52芯片：

AT89S52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程序存储器，256字节RAM数据存储器，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，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，片内晶振及时钟电路[8]。

另外，AT89S52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[9]。

本文中用它作为整个控制电路的总控制器件。

其引脚功能如图6所示

图6AT89S52引脚功能图

（2）8255A芯片：

8255A是可编程并行I/Ｏ接口芯片，它具有３个８位的并行I/O口，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。

在本设计中，通过8255A芯片的PA口和PC口控制生产线上电机的正反转。

其引脚功能如图7所示。

图78255A引脚功能图

（3）YXD-1602A型LCD：

该LCD为5×7点阵显示，总共可显示2×16个字符。

本设计中使用它来显示生产线运行的时间以及显示电机的调整参数。

（4）74LS07驱动器：

74LS07芯片是集电极开路输出、六缓冲／同相驱动器，用于提高电路的驱动能力。

其输出口须接一定阻值的上拉电阻才能正常工作，它的输出管耐压为30V，吸收电流可达40mA左右[10-12]。

所以在本控制设计中用它来驱动继电器动作。

（5）74LS373锁存器：

74LS373是一种带有三态门的8D锁存器[13].本设计中用于锁存8255Ａ的低位地址。

（6）HK4100F-DC5V-SH继电器：

HK4100F继电器为电磁式继电器，内部有一个常开触点和一个常闭触点。

线圈的驱动电流为35mA，负载端电流、电压为3A-30V-DC，3A-220V-AC[14,15]。

在设计中使用它来启动和停止生产线上的电机。

3总控制电路及工作原理

图8为总的控制电路原理图，下面对其进行说明。

图8总的控制电路原理图

本控制电路，以AT89S52单片机为核心，通过Ｐ０口与8255A可编程I/O接口芯片连接，把8255A作为一个外部数据存储器进行访问，P0.7、P0.1、P0.0经锁存器74LS373的Q7、Q1和Q0端分别与8255A的选通信号线：

/CS和地址线A1,A0相连，8255A的读、写控制线/RD、/WR直接与AT89S52的/RD、/WR连接，当/CS为低电平时8255A被选中，

当A1A0为00时，选中8255Ａ的PA口，同理A1A0为01、10、11时分别选中PB口、PC口和命令控制口。

AT89S52的Ｐ０口接上10K的上拉电阻后与LCD的D0～D7相连，完成与LCD的数据传输，P2.7、P2.6、P2.5分别与LCD的控制线：

EN、RW、RS相连，实现对LCD的读写及命令寄存器的选择控制，其中当EN为１，RS为０时，选中LCD的命令寄存器，当ENO和RS均为１时，选中LCD的数据寄存器。

AT89S52的P1口与P2.0、P2.1组成一个2×8的行列矩阵，将按键及外部光电位移传感器和触动开关连接在行列矩阵上，当有按键按下时或外部检测信号有变化时，通过行列扫描将信号输入单片机。

由于外部检测开关与传感器不同与一般的按键开关，它们可以同时为高电平或低电平，而且高、低电平持续的时间可以任意长，如果开关、传感器和按键组成的行列矩阵采用外部中断工作方式进行检测开关量的变化，如图9所示，

图9行列矩阵中断扫描

当有两个检测开关或传感器位于同一列时，其中一个先为低电平，持续一段时间以后另一个再为低电平，则外部中断无论是采用低电平触发方式还是跳沿触发方式都不能检测到第二个开关或传感器的变化。

例如，图中S1、S2为P20列，S3、S4为P21列，P10、P11输出高电平，P20、P21输出低电平，在S1和S3断开之前，无论S2闭合或S3断开，INT0均不能检测到它们的变化，因为此时P10、P11均被S1、S4拉低。

所以只能采用定时扫描工作方式来检测是否有开关、传感器的变化以及是否有按键按下。

图中E1～E5、S1～S3行线分别与P1.7～P1.0相连，列线与P2.1连接，S4～S6、K1～K4的行线也分别与P1.0～P1.7相连，列线则与P2.0相连。

各个检测开关、传感器及按键开关的地址分配如表1，总控制电路如表1所示。

表1　检测、开关元件地址分配

P1.7

P1.6

P1.5

P1.4

P1.3

P1.2

P1.1

P1.0

P2.0=0,P2.1=1

E1

E2

E3

E4

E5

S1

S2

S3

P2.0=1,P2.1=0

S4

S5

S6

Km

Kt

Pos

Neg

8255A的PA口和PC口的高4位经三片74LS07六缓冲／驱动器与12个继电器相连，实现对生产线上电机的停止及正反转进行控制。

图中M1～M4分别是：

装基质电机、压穴推杆电机、覆基质电机和浇水推杆电机，M5～M8分别是：

压穴电机、播种电机、浇水电机和传送带电机。

其中74LS07由于内部是集电极开路输出，所以需接一定阻值的上拉电阻才能正常工作，在设计中使用1KΩ的上拉电阻。

各个电机与8255A各个输出口的关系见表2

M1正转

M1反转

M2正转

M2反转

M3正转

M3反转

M4正转

M4反转

M5正转

M6正转

M7正转

M8正转

PA0

PA1

PA2

PA3

PA4

PA5

PA6

PA7

PC7

PC6

PC5

PC4

3.3　软件的实现

从生产控制流程和总控制电路中可知，整个生产线上可以分为装基质、压穴、播种、覆基质和浇水五个控制部分，只要对这五个部分分别进行实时检测与控制便可完成整个生产线的统一管理控制了。

但是每一部分的输出控制都是先由检测开关或光电传感器的变化经单片机检测、处理后才产生的，所以对每一个开关或传感器的检测就显得犹为重要。

从上面的硬件控制原理图可知，开关、传感器和调节按键所组成的行列矩阵只能以定时扫描方式工作，所以可以设置单片机的内部定时器T0定时一定的时间后产生中断，在中断程序里对行列矩阵进行扫描，检测出有变化的开关、传感器或调节按键并返回其值，每一个开关、传感器或调节按键在主程序里面都设有自己相应的子程序。

只要其值为真则主程序便调用该子程序完成它特定的功能。

下面分别介绍这五个部分的软件设计。

3.3.1　装基质软件设计

装基质部分主要完成的功能是：

当光电传感器１（即E1）检测到有育苗盘到达装基质箱下料口时，就为输出一个低电平，在定时器T0延时8ms溢出（因为机械按键开关的消抖时间通常为10ms左右,这里选用8ms以便于清除看门狗定时器），进入中断处理程序后，初始化T0，喂狗，然后执行中断中所需要完成的指令便开始扫描整个行列矩阵，将这次扫描到的E1值与“E1稳定值”作比较，如果这两个值不相等，则说明E1有变化，但不能确定E1真的变化了，因为中间可能产生某些干扰，于是记录下这次扫描的值称为“记录值”。

当T0第二次溢出中断后，将再一次扫描整个行列矩阵，如果这一次扫描得到的值与上次的“记录值”不等，说明上一次“记录值”是干扰信号，E1并没有变化。

如果这一次扫描值与上次“记录值”相等，而与“E1最终变化值”不相等，则说明E1真的有变化，于是把这次的扫描值赋给“记录值”和“E1最终变化值”作为下一次评判的标准。

主程序调用E1的子程序控制装基质电机正转2秒往育苗盘填充一定量的基质再反转电机复位。

但因每个育苗盘里有2×2个盘穴，而装基质箱下料口只有2个，所以装基质电机在第一次复位完成后还需要重新打开，完成后面2个盘穴的基质装盘过程。

其中，每个检测开关和光电传感器完成自成特定的功能。

所以进行软件设计时，分为几个开关和传感器模块分别进行设计，下面几个部分的软件设计也与上面相同。

图9是装基质部分的软件设计流程图。

其中，FlagE1、FlagS1分别为E1、S1的中断扫描标志位，FlagM1为M1第二次启动正转的标志位。

3.3.2　压穴部分软件设计

压穴部分需要完成两个功能：

１、当光电传感器2（即E2）检测到有育苗盘进入压穴部分后，压穴推杆电机（M2）推动育苗盘进行定位。

2、定位完成后，压穴电机（M5）带动压穴器进行压穴。

当T0溢出进入中断服务子程序，对E2进行检测，检测的原理与E1相同，当确信E2有变化时，跳出中断服务程序，主程序调用E2的子程序控制M2正转，此时位于推杆后面的压穴推杆开关（S2）打开，当T0扫描到S2确是打开后，启动延时函数delay（）延时1S，当delay（）执行完后，M2停止，启动M5正转，此时位于M5上面的压穴开关（S3）打开，当T0确信S3打开后，又启动M2正转，现时启动延时函数delay（）延时3S，让M2推动育苗盘进入播种部分。

当delay（）函数执行完后，启动M2反转，当M2接触到开关S2后，S2闭合，当T0检测到S2确实闭合后才停止电机M2,这样压穴过程就完成了。

结合控制原理图，压穴部分的软件设计流程如图10所示。

图中，FlagE2、FlagS2、FlagS3分别为E2、E2、S3的中断扫描确认标志位。

3.3.3播种部分软件的实现

播种部分主要完成在育苗盘的四个盘穴里播撒一定数量的种子，播种的数量在程序中设定，这一部分的控制较简单。

当光电传感器３（即E3）检测到有育苗盘到达播种部分时，经T0确认后返回主程序，由主程序调用E3的子程序控制播种电机（即M6）正转，播种电机上的齿轮每转动一周就播种一粒，同时与齿轮接触的播种开关（即S4）就闭合、断开一次。

在E3子程序里面记录播种开关的开、闭次数，与设定的值进行比较，如果相等就停M6,如果不相等则继续正转M6。

结合控制电路，播种部分的软件设计流程如图11所示。

图中FlagE3为E3的中断扫描确认标志位。

3.3.4　覆基质部分软件的实现

覆基质部分的工作原理与装基质部分相同，所要完成的功能也一样，即往育苗盘里播撒一定量的基质，只是这里检测育苗盘到来的是光电传感器４（即E4）覆基质开关为S5,覆基质电机为M3详细情况工作原理请看装基质部分，这里不再赘述，。

结合控制电路，覆基质部分的软件设计流程图如图12所示。

3.3.5浇水部分软件的实现

浇水部分的功能是：

当光电传感器５（即E5）检测到育苗盘进入浇水部分后，经T0确认再返回给主程序，主程序调用E5子程序控制浇水推杆电机（即M4）正转，此时位于推杆后面的浇水推杆开关（即S6）被断开，经T0确认后启动延时函数delay（）延时3S，delay（）执行完后停止M4，启动M7正转，此时育苗盘正好处于浇水管下面进行浇水,同时再一次启动延时函数delay（）延时2S。

由于浇水管为2个，而育苗盘有2×2个盘穴，按要求都需要浇足一定量的水，当delay（）执行完后，为了能对后面一排盘穴浇水，还需要再次启动M4正转把育苗盘的后一排盘穴对准浇水管，这时又调动delay（）函数延时1S，结束后停止M4,启动M7对后一排盘穴进行浇水，delay（）再一次延时2S，延时时间到后，停止M7浇水，启动M4正转把育苗盘推到育苗生产线出口，因为浇水管离出口有一段距离，所以再一次调用delay（）函数延时3S，当延时时间到后，M4反转,当推杆闭合浇水推杆开关S6并经T0确认后，M4停止，这样