基于单片机控制的自动加料机毕业设计.docx
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基于单片机控制的自动加料机毕业设计
基于单片机控制的自动加料机——毕业设计
毕业设计（论文）
题目：
基于单片机控制的自动加料机
学生姓名：
朱咏琴
学号：
2010010601
所在学院：
机械与电子工程学院
专业班级：
电气工程及其自动化1002班
届别：
2014届
指导教师：
王威立卢承领
皖西学院本科毕业设计（论文）创作诚信承诺书
1.本人郑重承诺：
所提交的毕业设计（论文），题目《基于单片机控制的自动加料机》是本人在指导教师指导下独立完成的，没有弄虚作假，没有抄袭、剽窃别人的内容；
2.毕业设计（论文）所使用的相关资料、数据、观点等均真实可靠，文中所有引用的他人观点、材料、数据、图表均已标注说明来源；
3.毕业设计（论文）中无抄袭、剽窃或不正当引用他人学术观点、思想和学术成果，伪造、篡改数据的情况；
4.本人已被告知并清楚：
学校对毕业设计（论文）中的抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为将严肃处理，并可能导致毕业设计（论文）成绩不合格，无法正常毕业、取消学士学位资格或注销并追回已发放的毕业证书、学士学位证书等严重后果；
5.若在省教育厅、学校组织的毕业设计（论文）检查、评比中，被发现有抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为，本人愿意接受学校按有关规定给予的处理，并承担相应责任。
学生（签名）：
日期：
年月日
基于单片机控制的自动加料机
学生：
朱咏琴（指导老师：
王威立、卢承领）
（皖西学院机械与电子工程学院）
摘要：
在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起着愈来愈重要的作用。
并且，随着生产和科学技术的发展，自动化水平也越来越高。
自动控制利用控制装置使被控对象的某个参数自动地按照预定的规律运行，大大提高了工作的效率，使整个生产过程又快又稳。
本设计主要是研究基于单片机的自动加料机控制系统，控制系统的控制器由单片机AT89C51及其扩展电路组成，单片机控制LCD显示器以及控制电机等执行机构来实现整个控制系统的工作。
这个控制系统可以根据送料工艺的需要，设计两条生产线的满料、送料、排料等整个加工流程的参数值。
这样大大的提高了控制系统和电机的工作效率，从而实现自动化加料。
关键词：
单片机；LCD显示器；料位传感器
AutomaticFeederBasedonSingleChipMicrocomputer
Student:
ZhuYongqin（FacultyAdviser:
WangWeili,LuChengling）
（CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,WestAnhuiUniversity）
Abstract：
Inmanyfieldsofmodernscienceandtechnology,automationtechnologyplaysamoreandmoreimportantrole.Andwiththedevelopmentofscienceandtechnology,automationlevelisalsomoreandmorehigh.Automaticcontrolofacertainparametertheobjectusingthecontroldeviceautomaticallyaccordingtopredeterminedrulesofoperation,greatlyimprovedworkefficiency,sothatthewholeproduction.
ThisdesignismainresearchautomaticallyfeedingmachinecontrolsystemthatbasedonsinglechipmicrocomputerofcontrolsystemofcontrollerbysinglechipmicrocomputerofAT89C51andextendedcircuitcomposition.ThesinglechipmicrocomputercontrolLCDmonitorandmotor,implementationinstitutionsofnormalmovementtoimplementationentirecontrolsystemofperfectwork.Thiscontrolsystembasedonthefeedingprocessneeds,setthetwoproductionlinesfullofmaterial,feeding,dischargingthewholeprocessparameters.Thiswillgreatlyimprovingtheefficiencyofcontrolsystemsandelectricalefficiency,torealizeautomaticfeeding.
Keywords：
Singlechipmicrocomputer;LCDmonitor;materiallevelsensor
1绪论
1.1课题背景
随着信息技术的迅猛发展、市场经济的发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，尤其是随着高新技术日新月异，产品的类型、工艺外形越来越复杂，精度要求越来越高，再加上企业经营与发展必会面对劳工的短缺、人工成本上要省力化、合理化的发展趋势！
传统的手工加料不仅费时费力、工作效率低，且其安全状况令人堪忧，因此已不能满足社会发展的要求。
于是机械加料机就应运而生。
机械加料机是借助于机器运动的作用力加力于材料，对材料进行运送运输，相对于传统人工手动加料，省去了大部分人力用于材料的运送运输，大大提高了工作效率。
但其控制与监测却还是需要花费大量的人力，安全性能较传统手工加料而言反而更低，一旦发生事故，造成的后果更为严重。
在变化中求发展、在发展中求变化是一个企业长久稳定发展的秘诀。
自动加料机伴随着工业生产的规模扩大和对产品质量的更高追求不断发展，企业为追求更大的效益和更高的产品竞争能力也促进了自动控制技术的发展，国外第一套自动化生产设备是上世纪70年代在欧洲国家出现，自从它已出现人们就察觉到它巨大价值，自动化控制得到了飞速的发展，到目前为止已经经历了三个不同的发展阶段：
（1）连续自动生产阶段：
这个阶段是自动化生产控制系统的萌芽阶段主要是运用模拟量PID调节等控制技术和自动逻辑控制技术，这些技术甚至是在二战时期就已经被被简单应用，只不过在那个时候没有给系统的结合起来。
该阶段主要采用继电逻辑控制技术进行生产过程控制和工业二次仪表进行状态监测，由于控制系统可靠性不高控制技术落后，在工艺方面产品状态参数监测方面也不够精细，加之检测手段落后，在生产过程还需要大量人力去参与去控制大部分单元，表面上省事，但是生产的稳定性和产品质量都没有办法得到有效的控制。
（2）基于PLC控制的自动化生产阶段：
随着计算机技术水平不断的发展，简单的PID控制理论发展到了模糊PID控制这就为技术革新创造了有力的条件，在这样的大环境下面基于PLC控制的自动化生产系统就诞生了。
这样的控制系统比着原有自动化柔性系统进步了很多，很多处理工作就不需要认为的参与了；同时计算机技术也促进了检测技术的发展，因此在这个阶段自动化控制系统能够提高生产效率也能够对产品的质量进行保障。
（3）计算机技术控制的自动化生产阶段：
数字互联网时代，一个小的电脑或者平板就可以对车间的生产进行控制操作，这是因为计算机技术以及更多的通讯技术都加入到了控制技术里面。
不得不说的是现在的传感器技术也发展非常迅速，在这样的情况下我们自动化设备需要的人力就更少了，生产效率也大幅度提高，关键是生产产品的质量也更加优良。
而现在我国自动化程度仍然不高，生产速率依然较低。
这一方面是由于我国人口众多、劳动力便宜，很多企业不愿意将有限的资金投入到无限的自动化研究更新中去；另一方面也是由于自动化研制成本较高、适用面窄，国内很多企业虽有需求但是由于资金不足而不能投入。
但是随着我国对外贸易的日益增加和市场经济体制的完善，国内外竞争越来越激烈，企业对自动化的需求也必定会日趋增长。
我国企业由于引进国外的先进的设备价格又过于昂贵，因此要发挥自己的主观能动性尽自己的能力自主研发或者引进消化吸收的基础上创新研发出能自己使用的自动加料机，现在国内已经有很多家厂家可以生产这个自动加料的装置，且价格公道，具有很大的市场发展潜力，必定会得到一定的发展。
1.2课题意义
随着单片机和传感器技术的迅速发展，自动加料机领域也得到了很好的发展，自动加料机的发展使传统的手工操作面临严峻的挑战。
从加工生产率来看，手工加料过程大多属于劳动密集型，生产率在很大程度上取决于生产过程对人的依赖性，它是工人执行某一具体操作所花费时间的函数，其劳动量在产品制造总劳动量中占有相当高的比例。
随着国际竞争的日益激烈，产品生产周期不断的缩短、种类的日益增加、质量的要求更高、相应的要求产品交货时间越来越短短、劳动成本的增加。
人类手工操作，已经不能与当前的社会经济条件相适应。
在生产中作为一个生产元素的出现，手工操作不具备判断准确、灵巧，并赋以较大作用力的这些特性，又不能保证工作的一致性和稳定性，另一方面，从市场经济的现实出发，人工操作与加工功能可靠、质量一致性好、价格合理的要求也极不相适应。
这就对企业提出了高要求，即：
生产率和产品质量高、稳定，生产加工成本不断降低。
所以，加料系统的自动化是生产制造过程中需要解决的关键技术。
加料自动化的重要性还在于促进产品制造系统的整体优化，生产率得以全面提高。
自动加料不会因为工人的疲劳、疏忽、情绪、技术不熟练等因素的影响而造成产品质量缺陷或不稳定。
有些操作需要洁净空气、惰性气体、真空等特殊环境；有些操作人类难
以接近。
因此，从工人劳动保护方面考虑，发展自动加料技术尤为重要，也是满足社会、市场及技术发展过程中产品不断更新的需要。
特别是目前操作过程中的防静电、操作疲劳、协调作业等因素使得手工作业存在了很大的局限性，如容易发生误操作，生产不合格等等，使得生产率大大下降，所以对于加料自动化的改造将会大大提高产品的生产效率以及产品的成品率及公司的竞争能力，同时降低公司的生产成本，对于公司发展具有重大意义。
同时，研究本课题对于个人也有很重要的意义。
它需要重点学习单片机的应用知识，掌握C语言及汇编语言用于编程，然后将之前所学其他专业课如《传感器与检测技术》的知识综合在一起。
从原理设计到方案论证再到选材、硬件设计和软件设计，每一步都需要查阅大量资料，不断地发现问题、分析问题和解决问题。
该课题的研究不仅能巩固以前所学的专业知识，而且能锻炼我收集资料、解决问题及实际动手的能力，更重要的是能够学以致用，为我步入社会走上工作岗位打下坚实的基础。
1.3课题内容
本次设计主要做了如下几方面的工作：
一是确定系统的总体功能设计方案；二是进行系统的硬件电路和软件系统的设计；三是单片机及通信接口的硬件电路及软件系统设计；四是对连接单片机的上位管理计算机软件系统的设计思路、工作原理和实现方法进行了阐述。
本文将传感器技术、LCD显示技术及信息处理技术等相互融合，将自动加料的多种参数检测和单片机控制理论相结合，提出一种切实可行的自动加料机控制系统，可以全面、实时、自动地对系统数据进行自动记录、存储和处理，并将有关信息根据现场实际情况，采用最有效方式送入计算机进行处理，并可对加料系统进行远程控制。
满足了对加料工业生产实行全面、实时、长期检测的要求。
与传统技术相比，本系统具有以下优点：
（1）单片机的设计提高了系统的可控性、可靠性及实时性；
（2）本设计用一台电机就可以控制两条生产线提高了劳动生产率；
（3）可对生产线各种状态的时间进行设置，实用性更强。
2方案选择
2.1方案选择
在进行系统设计的时候重心放在加料机的自动化上，要想实现这个目标再结合自己大学期间所学知识想到了基于51单片机的方案与基于PLC控制的方案。
下面对两种方案进行说明比较。
PLC即可编程逻辑控制器，是工业控制计算机。
采用梯形图、助记符、功能图等编程语言，完成逻辑运算、顺序控制、记数、定时、计算及模拟量处理等功能。
单片机由最简单的输出/输入构成。
如输出用LED，输入用开关。
并且能实现最基本的运行条件，如应有供电、时钟附属电路等。
两种方案有如下区别：
（1）PLC比单片机更加复杂，它是在单片机的基础上集成许多其他控制单元组成的；
（2）单片机在在在简易自动化研究系统里面更容易实现而且成本比较小；
（3）现在大部分PLC方案里面封装好了大量的可执行程序，不利于自己在做毕业设计过程中中进行创新设计；
（4）自己在大学期间学习了大量的单片机知识，个人认为利用单片机的方案可以做出更加成熟的设计。
因此决定选用单片机做此次设计。
2.2单片机选型
2.2.1单片机概述
近年来，随着超大规模集成电路的出现，单片微型计算机发展异常迅猛。
在电子应用技术领域，如果说60年代面临的是晶体管技术；70年代面临的是集成电路技术；80年代面临的是单板机技术的话，那么可以讲，单片机技术无疑将是90年代最活跃的新一代电子应用技术。
在当前以应用电子技术为代表的高新技术改造系统工业方面，在机电一体化领域，单片机技术必将显示出强大的生命力。
单片机功能强、体积小、使用方便、性价比高等优点，获得很大的应用，通用的8位单片机而言，就有50多个系列数百种品种，目前世界上比较著名的部分8位单片机生产厂家和部分机型如下：
Intel（美国英特尔）公司：
MCS－51/96及其增强系列
NS（美国国家半导体）公司：
NS8070系列
RCA（美国无线电）公司：
CDP1800系列
TI（美国得克萨斯仪器仪表）公司：
TMS700系列
Cypress（美国Cypress半导体）公司：
CYXX系列
Rockwell（美国洛克威尔）公司：
6500系列
Motorola（美国摩托罗拉）公司：
6805系列
Fairchild（美国仙童）公司：
FS系列及3870系列
Zilog（美国齐洛格）公司：
Z8系列及SUPER8系列
Atmel（美国Atmel）公司：
AT89系列
National（日本松下）公司：
MN6800系列
Hitachi（日本日立）公司：
HD6301、HD65L05、HD6305系列
NEC（日本电气）公司：
UCOM87、（UPD7800）系列
Philips（荷兰菲利浦）公司：
P89C51XX系列
尽管单片机的种类很多但是在我国使用最多并且最广泛的还是51核系列的单片机如Intel公司的MCS－51和美国的89C51。
MCS－51系列单片机包括基本型8031/8051/8751，由于8031片内没有程序存储器；8051是一个程序不超过4KB的小系统而8751是用4KB的EPROM取代了8051的4KBROM作为程序存储器但还是太小了因此均不选用。
与MCS-51系列相比AT89C51/AT89S51单片机片内的4KB的Flash存储器取代了4KB的EPROM可重复编程，功能强大性价比较高且价格较低，因此本设计就选用AT89C51。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4KBYTES的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128BYTES的随机存取数据存储器（ROM），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，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。
功能强大AT89C51单片机符合上述选择原则，可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域[1]。
2.2.2AT89C51单片机
（1）AT89C51功能特性概述
AT89C51内部结构框图如图1所示。
AT89C51提供以下标准功能：
4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/0口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可将至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续它的工作。
掉电方式时保存RAM中的全部内容，但振荡器禁止其他所有部件工作并停止工作直到下一个硬件复位[1]。
P0.0~P0.7P2.0~P2.7
Vcc
GND
PSEN
ALE/PROG
EA/Vpp
RST
P1.0~P1.7P3.0~P3.7
图1AT89C51内部结构框图
（2）AT89C51引脚功能介绍
AT89C51单片机为40引脚双列直插式封装。
其引脚排列和逻辑符号如图2所示。
引脚功能简单介绍如下：
PDIP
P1.0Vcc
P1.1P0.0
P1.2P0.1
P1.3P0.2
P1.4P0.3
P1.5P0.4
P1.6P0.5
P1.7P0.6
RSTP0.7
P3.0EA/Vpp
P3.1ALE/PROG
P3.2PSEN
P3.3P2.7
P3.4P2.6
P3.5P2.5
P3.6P2.4
P3.7P2.3
XTAL2P2.2
XTAL1P2.1
GNDP2.0
图2AT89C51封装图
Vcc（40引脚）：
接+5V电源正端。
Vss（20引脚）：
接+5V电源地端。
P0口（39-32引脚）：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O，也即地址/数据总线复用口。
对端口写“1”可作为高阻抗输入端用及在访问外部数据存储器或程序存储器时，作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路。
这组口线在访问期间激活内部上拉电阻，分时转换地址（低8位）和数据总线复用[2]。
P1口（1-8引脚）：
P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”的时候，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，然后此时可作输入口。
因为内部存在上拉电阻，作输入口使用时，某个引脚被外部信号校验期间，P1接收低8位地址[2]。
P2口（21-28引脚）：
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，此时可作输入口，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平。
同时在访问外部程序存储器或16位外部数据存储器的地址（例如执行MOVE@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区总R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变[2]。
P3口（10-17引脚）：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口[2]。
同时更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：
表1P3口第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外中断0）
P3,3
（外中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器1）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
RST（9引脚）：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将单片机复位。
ALE/
（30引脚）：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器。
ALE仍一时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
但要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲[2]。
（29引脚）：
程序存储允许（
）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次
有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的
信号不出现[2]。
EA/Vpp（29引脚）：
外部访问允许，使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H--FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需要注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部会锁存EA端状态[2]。
XTAL1、XTAL2（19、18引脚）：
当使用单片机内部振荡电路时，用来接石英晶体和微调电容。
当采用外部时钟时，XTAL2引脚接地，XTAL1接片外振荡脉冲输入（带上拉电阻）[2]。
2.3物位传感器的选择
物位是指贮存容器里密度不同的物体形成的分界面,物位是保证生产安全和设备安全的重要系数。
它可以确定容器中的贮料数量，以保证连续生产的需要或经济核算；其次为了监视或控制容器的物位，使它保持在规定的范围内；最后可以对它的上下极限位置进行报警，以保证生产安全、正常运行。
同时考虑到粉尘的类型、尺寸、是否振动有无粘性等，因此要特别注意选择物位传感器的类型。
2.3.1电容式物位传感器
原理是当罐内放入被测物料时,由于被测物料介电常数的影响,传感器的电容量将发生变化,电容量变化的大小与被测物料在罐内高度有关,且成比例变化。
检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。
利用电容式物位传感器，当环境温度、湿度变化时，它们的介电常数随之改变，产生误差。
这种误差虽可用后续电路加以补偿（如采用与测量电桥相并联的补偿电桥），但无法完全消除。
而且传感器内电极表面不便经常清洗，应加以密封，用以防尘、防潮。
若在电极表面镀以极薄的惰性金属（如铑等）层，则可代替密封件起保护作用，可防尘、防湿、防腐蚀，并在高温下可减少表面损耗、降低温度系数，但成本较高。
传感器要密封以防止水分侵入内部而引起电容值变化和绝缘性能下降。
传感器的壳体刚性要好，以免安装时变形且需用高频电路。
同时也比较麻烦，因此不予选用。
2.3.2浮力式物位传感器
利用漂浮于液面上的浮标或浸没于液体中的浮筒对液位进行测量的。
当液位变化时，前者（恒浮力式）产生相应的位移，而所受到的浮力维持不变，后者（变浮力式）则发生浮力的变化。
因此，只要检测出浮标的位移或浮筒所受到的浮力的变化，就可以知道液位的高低。
但是由于其比较适用于液体的检测，如果是固体，半固体就不是很好用了，适用范围较窄因此不选用这种。
2.3.3阻力式物位传感器
阻力式物位传感器是利用物料对机械运动所呈现的阻挡力的特点来构成各种料位传感器。
（1）重锤探测法：
传感器放置仓顶，重锤由电机通过不锈钢带或钢丝绳牵引吊入在仓内，仪表控制传感自动定时对料位进行探测，每次测量时重锤从仓顶起始位置开始下降，碰到料面立即返回到仓顶等待下一次测量。
仪表通过对重锤下降过程传感信号的处理可得到仓顶到料面的距离hl，仓高H是由用户预置的，这样用仓高H减去hl便可得出料位高度h=H-hl，仪表直接显示料位高度（h）。
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