机械设计制造及其自动化专业毕业论文基于STC89C52单片机的自动加料机控制器设计.docx
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机械设计制造及其自动化专业毕业论文基于STC89C52单片机的自动加料机控制器设计
基于STC89C52单片机的自动加料机控制器设计
摘要
本文主要研究了以单片机为基础的自动加料机控制器的设计。
自动加料机就是能把物料从贮料仓或其它贮料设备中均匀或定量的供给到受料设备中的装置,是实行流水作业自动化的必备设备。
本设计就是采用STC89C52单片机为主要控制芯片，通过霍尔以及红外感应当前物体通过各个测试点通过的物料数量，利用时钟芯片和存储芯片实现定时记忆控制，并通过电机模拟传送带的运行，同时系统检测当前的运行温度。
系统采用了LCD1602显示技术分别检测数量、温度，并且在温度过高时提供声光报警，从而实现物料的自动控制输送，大大提高了工作效率，使整个过程又快又稳。
本文重点阐述了系统的工作原理、硬件构成、各部分的主要功能以及软件的结构和实现。
【关键词】加料机控制器；单片机；红外感应
【Abstract】
Thispaperstudiesthemicrocontroller-baseddesignofanautomaticfeedingmachinecontroller.Automaticfeedingmachineisabletomaterialsfromthestoragesiloorotherstoragedeviceuniformityorquantitativematerialsupplytothedevicebythefeedingequipmentisessentialtoimplementanautomatedassemblylineequipment.
ThisdesignisusedasthemaincontrolchipmicrocontrollerSTC89C52byHallandinfraredsensorscurrentlytheobjectofeachtestpointbythenumberofmaterialsthroughtheuseoftheclockchipandmemorychiptimedmemorycontrol,andsimulationoftheconveyorbeltrunningthroughthemotor,whilethesystemdetectsThecurrentoperatingtemperature.LCD1602displaysystemusesanumberweredetected,thetemperatureandthetemperatureistoohightoprovidesoundandlightalarm,inordertoachieveautomaticcontrolofmaterialtransport,greatlyimprovingefficiency,sothatthewholeprocessfastandstable.
Thisarticlefocusesontheprincipleofthesystem,hardwareconfiguration,themainfunctionofeachpartandthesoftwarearchitectureandimplementation.
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【Keywords】feedingmachinecontroller;MCU;fraredsensors
2.3自动加料机控制器系统的构成6
3.12流量检测电路14
5.3.1调试结果20
5.3.2展望20
附录1原理图
附录2部分程序
附录3作品照片
1．绪论
1.1概论
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。
自动化控制技术广泛应用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。
采用自动化控制不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。
因此，自动化控制是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。
自动加料机是根据市场需求，自主创新、研发的一种新型产品。
自动加料机控制系统就是采用自动控制技术来实现功能的。
在设计的控制系统中，以单片机为核心，通过传感器对物料数量进行检测；当发现物料不足时，单片机经过处理产生控制信号，通过启动继电器进行物料增加。
当发现生产线的工作温度过高时，单片机经过处理产生声光报警。
这样就大大提高了工作的效率，使整个过程又快又稳。
1.2发展趋势
自动控制是机械化、电气化与自动控制相结合的结果，处理的对象是离散工件。
早期的机械制造自动化是采用机械或电气部件的单机自动化或是简单的自动生产线。
20世纪60年代以后，由于电子计算机的应用，出现了数控机床、加工中心、机器人、计算机辅助设计、计算机辅助制造、自动化仓库等。
研制出适应多品种、小批量生产型式的柔性制造系统（FMS）。
以柔性制造系统为基础的自动化车间，加上信息管理、生产管理自动化，出现了采用计算机集成制造系统（CIMS）的工厂自动化控制系统。
自动控制利用控制装置使被控对象的某个参数自动的按照预定的规律运行。
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，主要解决生产效率与一致性问题。
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。
我国工业控制自动化的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。
目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展。
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，国外自20世纪60年代出现第一套工业过程控制系统以来，已经历3个主要发展阶段：
（1）工业生产线自动逻辑控制和模拟量PID调节等控制技术的应用，实现了工业生产线的连续自动生产。
该阶段主要采用继电逻辑控制技术和工业二次仪表，由于控制技术落后，控制系统可靠性不高，工艺参数调节精度不高，加之检测手段落后，生产过程必须有大量的人工参与，生产效率和产品质量无法保证。
（2）随着计算机技术的发展，出现了可编程序控制器（PLC）。
由于采用了计算机技术，可以应用算法复杂的模糊控制技术等先进控制理论，控制软件取代了大部分硬件功能，控制系统的设计、制造、调试、更改和维护大大简化；同时计算机技术也促进了检测技术的发展，因此控制系统的可靠性和工艺参数调节精度大大提高。
（3）计算机技术、通讯技术、控制技术的发展，便于集中管理的集中监控技术日趋成熟并得到广泛应用，控制系统更向全数字化、全分散式、全开放可互操作和开放式互联网络的新一代现场总线控制系统（FCS）发展。
单片机，一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分，它的诞生使众多自动化控制系统得以实现。
单片机以它功能强大，设计简单，制造廉价，支持指令集较多。
所以应用到众多系统开发中。
因此，基于单片机的自动加料控制器研究有着重要的意义。
广泛使用在冶金、煤炭、电子、机械、化工、建材、轻工、粮食等行业中，在生产流程中，给料机（喂料机）用于把块状、颗粒状、粉状物料从贮料仓或漏斗中定量、均匀、连续地给到受料装置中去。
1.3本课题的研究任务
本设计的由单片机控制的自动加料机控制器系统是与料斗式干燥机配套的加料系统。
根据加料工艺要求，其工作原理是：
在设计的控制系统中，以单片机为核心，通过传感器对物料数量进行检测；当发现物料不足时，单片机经过处理产生控制信号，通过启动继电器进行物料增加。
当发现生产线的工作温度过高时，单片机经过处理产生声光报警。
根据需求分析的结果设计自动加料机，具体要求：
红外对射：
用于物体的检测，保证物体通过后，系统可以对应的进行计数。
按键部分：
设定报警温度及物料的加减控制及控制对象的选择。
显示部分：
显示时间和日期，以及温度和物料数量。
继电器部分：
用于控制电机的转动，模拟传送带的运行物料的传送。
2.自动加料机控制器系统设计方案
2.1单片机发展综述
单片机的诞生是计算机发展史上一个重要的里程碑，标志着计算机在控制领域形成了一个独立的分支——嵌入式系统，从此计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支齐头并进的时代。
从其诞生至今的30年，单片机已发展形成上百种系列的近千机种。
以领跑的Inter公司MCS系列单片机为主线来看，单片机的发展大致经历了以下几个阶段：
1976-1979年为单片机的探索阶段。
1976年Inter公司推出MCS-48系列单片机，将CPU和计算机基本功能部件集成到一个芯片上，SCM一词即由此而来。
第一代8位通用单片机的诞生，开创了嵌入式系统与通用计算机完全不同的独立发展道路，表明Inter在工控领域的创新探索获得成功。
1979-1982年为单片机完善阶段。
1980年Intel公司在MCS-48基础上推出了MCD-51系列高性能8位单片机，开始配备串行通信接口（UART），并奠定了典型的通用总线型的单片机架构。
单片机发展到了一个全新阶段，应用领域更加广泛。
1982-1990年为16位单片机更进一步发展阶段。
1983年Inter公司推出了MCS-96系列单片机，将A\D、PWM、WDT等用于测控系统的部件内装在芯片中，体现了单片机的微控制器特征。
嵌入式计算机系统走上了单芯片化发展道路。
1989年以来为控制器的全面发展阶段，单片机正朝着高性能和多品种的方向发展。
一方面，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位、16位、32位通用型单片机。
1989年Inter公司推出的i80860，采用0.8µm核心技术，晶体管数量为255万个，一度是世界上最快的超级单片机（RISC处理器）。
另一方面，出现了小型廉价的专用型单片机。
随着超大规模集成电路（VLSI）工艺技术发展，有可能把所需的外围电路全部装入单片机内，这种芯片称为系统级芯片。
专用单片机的发展呈SoC化趋势是目前单片机的发展热点之一。
此后，引领单片机发展的Inter公司忙着开发其个人计算机微处理器，将其80C51内核使用权转让给Atmel、Philips、NEC、SST、Winbond等著名IC制造商。
众多IC制造商竞相研制和开发与80C51单片机兼容的各具增强特色的单片机，如Atmel公司的89C51和89S51、Philip公司的P89C51、Winbond公司的W78E51B以及Hyundai公司的GMS97C51等。
单片机园地里品种异彩纷呈，争奇斗艳。
80C51变成有众多IC制造商支持并开发出上百个机种的大家族，先统一称其为新一代的80C51。
2.2红外技术发展综述
红外技术发展的先导是红外探测器的发展。
1800年，F·W·赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。
1830年以后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。
在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。
19世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。
它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。
20世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。
30年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。
40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。
50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。
到60年初期，对于1～3、3～5和8～13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。
在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。
60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。
在红外技术的发展中，需要特别指出的是：
60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。
在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。
另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。
其中的红外对射技术也逐渐兴起，并发展迅速。
2.3自动加料机控制器系统的构成
2.3.1系统需求
自动加料机控制器是根据市场需求，自主创新、研发的一种新型产品。
自动加料机控制系统就是采用自动控制技术来实现功能的。
在设计的控制系统中，系统需要单片机作为中心处理器，利用传感器进行物料检测和温度采集，利用按键进行数据设置，通过显示模块表示出工作状态。
选用stc89c52单片机实现自动加料控制器的主控，主要采用独立按键对所需的数据进行设置与调用（包括时间、温度、数量或质量、调用数据等），采用红外和霍尔和触碰开关分别对数量、质量、满料信息进行检测，使用DS1302进行时钟的产生，使用24C08储存模块对单片机进行外部容量扩展与保存实时数据，24C08断电后数据仍然可以保存使其数据安全性等到保证，显示采用LCD1602模块。
这样就大大提高了工作的效率，使整个过程又快又稳。
2.3.2实现原理
系统采用51单片机作为中心处理器，以红外传感器和霍尔传感器作为自动加料机数量和质量的检测将等到的信号从单片机I/O口输入，同时采用系统内部T0/T1口进行计数，由温度传感器来检测物料的温度并将信号通过I/O传送给单片机，当物料加满容器后碰到触碰开关或者加到由按键所预设的数量或质量时由单片机发出控制信号给继电器模块（再由继电器控制电机停止工作）并控制声光报警系统工作，由DS1302时钟模块提供实时时间并将当天的数据通过单片机存储到24C08储存模块上，并由按键可以进行设置数量、温度和调用查看数据等。
将所有数据显示到LCD1602上。
系统由电源模块进行供电。
整体运行从而实现了控制系统自动加料功能。
2.3.3系统总方框图
图2-1系统总方框图
各模块简单介绍：
按键输入：
设定报警温度、物料的加减控制和控制对象的选择
计数模块：
利用红外发射接收电路和霍尔传感器进行数量和流量计数。
温度检测模块：
进行温度采集。
触碰开关：
模拟满料状态。
显示模块：
显示时间和日期，以及温度和物料数量。
时钟模块：
时间显示，时钟产生，使数据产生具有实时性。
存储模块：
存储传输的物料数，断电后数据仍然可以保存。
报警模块：
温度过高进行报警。
电机控制模块：
用继电器控制电机转动，模拟传送带进行物料的传送。
电源模块：
对整个系统进行供电。
3.自动加料机的硬件设计
本文的自动加料机系统的硬件结构主要是由以下几个部分组成的:
1）STC89C52单片机系统;2）温度传感器;3）稳压电路；4）LCD1602显示电路;5）按键输入电路；6）红外对射计数电路；7）继电器电路；8）声光报警电路。
9）霍尔传感器；10）触碰开关电路。
3.1CPU的选择与应用
3.1.1单片机选择
采用STC89C52单片机作为系统核心，STC89C52单片机共有40个引脚。
由4组I/O口分别对外围电路进行控制与交流。
由第18、19脚连接12M晶振提供晶振信号是单片机进行工作，由第9脚连接复位电路，进行整个单片机的复位实现。
主要用到由14、15脚分别为T0、T1脚进行对外围电路进行计数。
并有优点：
I/O口较多、编程可以采用汇编或者C语音进行编程比较容易编程和修改、而且价格比较低、易于安装、调试简单、比较常见、价格低廉。
STC89C52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存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，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。
另外，STC89C52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。
超强抗干扰——高抗静电（ESD保护）；经2KV/4KV快速脉冲干扰（EFT）测试；宽电压供电，不怕电源抖动；I/O口、内部时钟电路、复位电路、看门狗电路经特殊处理。
超低功耗——掉电模式下典型功耗<0.1μA；空闲模式下典型功耗2mA；正常工作模式下典型功耗4~7mA。
通过外部中断可唤醒掉电模式。
因而特别适合用于电池供电的场合。
针对STC89C52RC芯片的在线下载操作非常简单。
前提是，先用串行电缆连接PC机COM口和实验主板上的RS-232串口，然后在PC机端运行STC-ISP程序，在断电情况下将40脚DIP封装的芯片直接插入实验板的CPU插座，即可进行应用程序的下载，从而完全省去对编程器的使用。
其芯片引脚图如图3-1所示。
图3-1STC89C52芯片引脚结构图
主要引脚介绍：
VCC（40）：
＋5V。
GND（20）：
接地。
P0口（39－32）：
P0口为8位漏极开路双向I/O口，每引脚可吸收8个TTL门电流。
P1口（1－8）：
P1口是从内部提供上拉电阻器的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收和输出4个TTL门电流。
P2口（21－28）：
P2口为内部上拉电阻器的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收和输出4个TTL门电流。
P3口（10－17）：
P3口是8个带内部上拉电阻器的双向I/O口，可接收和输出4个TTL门电流，P3口也可作为AT89C51的特殊功能口。
RST（9）：
复位输入。
当振荡器复位时，要保持RST引脚2个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG（30）：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节，在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过1个ALE脉冲。
PSEN（29）：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期2次PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的PSEN信号将不出现。
EA/VPP（31）：
当EA保持低电平时，外部程序存储器地址为（0000H－FFFFH）不管是否有内部程序存储器。
FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1（19）：
反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2（18）：
来自反向振荡器的输出。
3.1.2单片机最小系统
单片机最小系统如图3-2所示
图3-2最小系统原理图
在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。
考虑本设计结构简单，干扰小，采用按键复位。
按键电平复位通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的
复位电路的功能是：
系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位信号。
为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
该设计采用含有电阻的复位电路，复位电路可以有效的解决电源毛刺和电源缓慢下降（电池电压不足）等引起的问题，在电源电压瞬间下降时可以使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在惟一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
该时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器组成。
X1是接外部晶体管的一个引脚。
在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。
输出端为引脚X2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。
电路中的C1和C2一般取30PF左右，本电路中取22PF，而晶体震荡器的频率范围通常是1.2~12MHZ,而电路中采用12MHZ，晶体振荡器的频率越高，振荡频率就越高。
3.2温度模块方案的设计
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活方便；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。
分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。
DS18B20使电压特性有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。
DS18B20的测温原理如图3-3所示，图中，低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，主要用于产生固定频率的脉冲信号并送给减法计数器1，高温度系数晶振在温度变化时，其振荡频率有明显改变，它所产生的信号可作为减法计数器2的脉冲输入，图中隐含着的计数门打开时，DS18B20即对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成信号采集。
图3-3DS18B20的测温原理
在DS18B20中，DQ为数字信号输人／输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。
图3-4是DS18B20的引脚排列图。
图3-4DS18B20的引脚排列图
DS18B20在光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
系统原理图如3-5所示。
图3-518B20温度检测原理图
有两种方法可确保DS18B20在有效转换期内得到足够的电源电流。
第一种方法是在温度变换时，在I／O口接一个强的上拉。
第二种是将其连到VCC外部电源，这样就不用在I／O口接强上拉，也可在温度变换期间使口线保持高电平
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