装配流水线的模拟设计论文

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1、 本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：装配流水线的模拟论文（设计）题目：装配流水线的模拟控制系统设计控制系统设计学学 院：院：职业技术学院职业技术学院 专专 业：业： 自动化自动化 班班 级：级： 自动化自动化 041 学学 号：号：PB041357013 学生姓名：学生姓名： 向勇向勇 指导教师：指导教师： 熊小萍熊小萍2008 年 5 月 20 日贵州大学本科毕业论文（设计）贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均

2、已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 I 页目 录摘要.IVABSTRCT.V前言.1第一章 装配流水线的模拟控制系统总体设计和主要特点.21.1 基本概念 .21.2 设计思路与电路原理方框图 .21.2.1 设计思路.21.2.2 原理方框图.3第二章 控制系统的硬件设计.42.1 AT89C51 简介.42.1.1 AT89C51 的功能描述.42.1.2 AT89C51 的主要特性.52.1.3 主要管脚说明.52.2 时钟电路的设计与工作原理分析.72.2.1 振荡器特性.72.2.2 时钟电路的设计.82.2.3 单片机的基本

3、时序单位.82.3 单片机复位电路的设计与分析 .92.3.1 单片机复位电路的设计.92.3.2 单片机复位后的状态的分析.102.4 电源电路的设计与分析 .112.4.1 电源电路的设计.112.4.2 电源电路分析.122.5 数显示电路分析与设计 .132.6 电机控制电路分析与设计 .142.6.1 步进电机的基本原理.14贵州大学本科毕业论文(设计) 第 II 页2.6.2 电机控制电路的设计.152.7 检测电路的设计 .16第三章 控制系统的软件设计.183.1 主程序设计 .183.1.1 主程序的起始地址.183.1.2 主程序的初始化内容.183.1.3 代码转换程序.

4、193.1.4 主程序设计框图.193.2 LED 动态显示程序模块的设计 .193.2.1 动态扫描延时的实现方式.193.2.2 延时程序的相关初值计算.193.2.3 动态显示程序模块结构图.213.3 中断服务程序 .223.3.1 工序操作中断服务程序的设计.223.3.2 计数中断程序的设计.233.4 系统总程序设计 .23第四章 系统的 PCB 板设计制作.254.1 电路图的绘制 .254.2 PCB 板的制作.254.2.1 打印.254.2.2 转印.264.2.3 蚀刻.264.2.4 钻孔.27第五章 系统的安装与调试.285.1 元件的识辩与检测 .285.2 元器

5、件安装的基本要求与原则 .285.2.1 元器件的安装要求.285.2.2 元器件的安装原则.29贵州大学本科毕业论文(设计) 第 III 页5.3 元器件的焊接 .295.3.1 对焊点的基本要求.295.3.2 焊接前的准备.305.3.3 焊接操作.305.4 系统调试与分析 .31设计总结.32参考文献.33致谢.34附录.35附录一 程序清单 .35附录二 装配流水线的模拟控制系统原理图 .44附录三 控制系统的 PCB 图.45附录四 元器件安装图 .46贵州大学本科毕业论文(设计) 第 IV 页装配流水线的模拟控制系统设计摘要本论文介绍了装配流水线的模拟控制系统的设计与制作全过程

6、。文章首先论述了设计装配流水线模拟控制系统的意义及思路，然后分析和设计了系统硬件的各单元电路，其内容包括：复位电路，电源电路、显示电路、电机驱动电路等，最后对系统的软件进行分析与设计。整个系统以 AT89C51 单片机为中央控制器件，用红外传感器实现对生产操作工序和产品计件的检测，用软件方法实现对步进电机的转停、加速、减速，从而实现对生产装配流水线的模拟控制。完成了传感技术和现代控制技术在此装配流水线中的应用。设计基本可以完成各种生产所需的逻辑控制，并可根据实际工业情况灵活软件升级。关键词：装配流水线,单片机,传感器,步进电机贵州大学本科毕业论文(设计) 第 V 页The Design of

7、Analog Control System of the Assembly Line Abstrct This paper introduced the entire process of the design and production of analog control system of the assembly line. First, the article discusses the significance and ideas of the design of assembly line analog control system, and the analysis and d

8、esign of the system hardware module circuit, its contents include: reset circuits, power supply circuits, display circuit, stepper motor drive circuit, finally carries on the analysis and the design of systems software. The overall system takes AT89C51 MCU as the central control component, using the

9、 infrared sensor to examine the process of producing operation and Product Piece, using the software to control stepper motors extension to stop, the acceleration and the deceleration, and then, we get the analog control of the assembly line and Complete the application of sensing technology and con

10、trol technology in the modern assembly line. Designs basically may complete the logical control which each kind of production needs, and may promote the use of the software flexibly according to the actual industry situation. Keywords: Assembly Line, MCU, Sensors, Stepper Motor贵州大学本科毕业论文(设计) 第 1 页 前

11、言在社会快速发展、竞争激烈的今天，提高生产效率、降低工艺流程成本、最大限度地满足生产要求将直接决定各企业工厂能否紧跟社会脚步、赢得时间、占得市场，甚至将决定着企业的生死存亡。为此，企业工厂自动化无疑扮演着一个重要的角色。生产装配流水线自动化作为工业自动化的一部分，能提高生产效率、降低工艺流程成本、最大限度地适应产品变化、提高产品质量，而采用计算机仿真技术后，大大缩短了包装机械的设计周期及新产品开发周期，满足现代化生产过程中的需要。它是现代化生产控制系统中重要的组成部分。现代电子产品正在以前所未有的速度革新，向着功能多样化、体积最小化，功耗最低化的方向迅速发展，它与传统电子产品在设计上的显著区别

12、，一是大量使用大规模可编写芯片，以提高产品性能，缩小产品体积，降低产品功耗；二是广泛运用现代计算机技术，以提高电子产品设计的自动化程度，缩短开发周期，提高产品的竞争力。单片机的微小体积和极低的成本，可广泛地嵌入到电子系统，自动化、舰船、个人信息终端及通信产品等方方面面，成为现代控制系统中最重要的智能化工具。将现代控制技术合理运用于工业与生产是人们一直追求的目标。在科技高度发达的当今社会，对于生产流水线的控制完全由人工来完成，必将成为历史一去不复返，而现代控制技术特别是计算机控制技术来进行控制管理是现代化生产的标志，所以，我们设计出一个利用单片机实现的装配流水线模拟控制系统。利用完全自动化的操作

13、方式，实现装配流水线自动控制生产中的电机转停及产品的计数。同时，根据实际特殊情况下的需要，设置有加速，减速、停止按键。在控制过程中，我们利用单片机强大的编程技术，经过对现场生产装配流水线进行模拟控制。它具有微功耗、全集成化、智能化、高精度、高性能、高可靠性和低价格等优点。如在电机控制输出时加入继电器还可应用于工厂的现场控制。总的来说是一个可行的方案。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 2 页第一章 装配流水线的模拟控制系统总体设计和主要特点本章重点阐述装配流水线的模拟控制系统的基本概念、设计思路、系统电路的原理框图。 1.1 基本概念在大量生产中，为提高生产效率，保证产品质量，改善劳动条件，不仅

14、要求机床能自动地对工件进行加工，而且要求工件的装卸、工序间的输送、加工精度的检测、废品的剔除等都能自动地进行。因此，把设备按工件的加工工序依次排列，用自动输送装置将它们联成一个体，并用控制系统将各个部分的动作协调起来，使其按照规定的动作自动地进行工作，这种自动化的加工系统就称为自动化生产流水线。1.2 设计思路与电路原理方框图1.2.1 设计思路根据设计要求，初步设计思路如下：1）整个控制系统采用 MCS-51 系列单片机作为控制核心。2）装配流水线上的各工序操作请求信号和计数请求信号的采集用红外传感器开关完成，操作工序用延时模拟。3）流水线的计数显示采用四位一体的七段 LED 数码管，动态扫

15、描方式。动态扫描的时间，由软件实现。4）各工序操作请求和记数请求采用中断响应。其中对第一、第二工序操作占用外部中断，而对第三工序操作、计数响应由定时器计数中断。5）LED 数码管的段选码输入，由并行端口 P0 低四位产生；LED 数码管的位选码输入，由并行端口 P0 的高四位产生。6）电机的转速调整及系统功能的切换由按键控制，程序实现，信号从 P1 口输入。7）电机的控制信号由 P2 口输出。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 3 页系统中所用的单片机 AT89C51，是一种性能优良的集成可编程的单片机，其功能十分的强大。它把 CPU、存储器、及 I/O 集成到一个芯片上，只要外加少许电子零件便

16、可以构成一套简易的控制系统。这样可以降低设计出来的产品的硬件成本，通过编程实现对装配流水线的模拟控制。1.2.2 原理方框图根据设计要求和设计思路，确定该系统的设计方案。如图 1.1 为该系统设计方案的硬件设计框图。硬件电路主要由控制单元、计数显示单元、检测部分、接口单元电路等组成。复位电路 四路检 测单元图 1.1 系统结构框图时钟电路系统电源段码驱动单元位码驱动单元电机驱动单元步进电机单 片 机图图图按键电路图图单图图显 示 单 元贵州大学本科毕业论文(设计) 第 4 页第二章 控制系统的硬件设计为使装配流水线控制系统能够具有更好的实用性，并且具有更高的性能，需对该系统的硬件进行完整的设计

17、。该系统的硬件设计采用了模块化的设计方法。按实现的功能来分，可分为以下几个单元部分。其中，AT89C51 单片机是整个电路的核心，它控制其他模块来完成各种复杂的操作。附录二就是装配流水线控制系统总电路图。在本章下面的几个小节中，我们根据附录二所示的硬件设计图，对各个模块的主要的一些电路进行详细的设计和分析。2.1 AT89C51 简介2.1.1 AT89C51 的功能描述AT89C51 是一种低损耗、高性能、CMOS 八位微处理器，片内有 4k 字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除 1000 次，数据保存时间为十年。它与 MCS-51 系列单片机在指令系统和引脚

18、上完全兼容，不仅可完全代替 MCS-51 系列单片机，而且能使系统具有许多 MCS-51 系列产品没有的功能。AT89C51 可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于 4K，四个 I/O 口全部提供给用户。可用12V 电压编程,而且擦写时间仅需 10 毫秒，仅为 8751/87C51 的擦除时间的百分之一,与 8751/87C51 的擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽（2.7V6V），全静态工作，工作频率宽在 0Hz24MHz 之间，比 8751/87C51 等 51 系列

19、的 6MHz12MHz 更具有灵活性,系统能快能慢。AT89C51 芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。P0 口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图 2.1 所示贵州大学本科毕业论文(设计) 第 5 页图 2.1 AT89C51 引脚排列图图图图图2.1.2 AT89C51 的主要特性 AT89C51 主要具有以下几个特点：1）AT89C51 与 MCS-51 系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；2）内

20、有 4k 字节在线可重复编程快擦写程序存储器；3）静态工作,工作范围:0Hz24MHz；4）1288 位内部 RAM；5）32 位双向输入输出线；6）两个十六位定时器/计数器7）5 个中断源,两级中断优先级；8）1 个全双工的异步串行口；9）闲置和掉电两种工作方式。10）内振荡器和时钟电路2.1.3 主要管脚说明AT89C51 的主要管脚说明如下：1）VCC：供电电压。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 6 页2）GND：工作地。3）P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序

21、数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。4）P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 5）P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“

22、1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。6）P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P

23、3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如表 2.1 所示。7）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。8）：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PROGALE /址的地位字节。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。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR 的 8EH 地址上置 0。

24、此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 7 页表 2.1 P3 口各管脚功能图图图图端口引脚各个功能P3.0RXD (串行口输入端)P3.1TXD (串行口输出端)P3.2TNT0 (外部中断 0 请求输入端，低电平有效)P3.3TNT1 （外部中断 1 请求输入端，低电平有效）P3.4T0 （定时器/计数器 0 脉冲输入端）P3.5T1 （定时器/计数器 1 脉冲输入端）P3.6WR （外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P3.7RD （外部

25、数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）9）：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PSEN机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。10）：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-VPPEA/EAFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引EA脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）。11）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。12）XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.

26、2 时钟电路的设计与工作原理分析2.2.1 振荡器特性XTAL1 和 XTAL2 分别为反相放大器的输入和输出。该反相放大器可以配置为片内振荡器,石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2贵州大学本科毕业论文(设计) 第 8 页应悬空不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.2.2 时钟电路的设计8031/8051 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片

27、机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如下图 2.2 所示。图中，电容器 C1，C2 起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在3050pF。晶振频率的典型值为 12MHz，采用 6MHz 的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式的外部电路如下图 2.2 所示。图 2.2 时钟振荡方式由上图可见，XTAL1 接地，外部振荡信号由 XTAL2 引入。为了提高输入电路的驱动能力，通常将外部

28、信号经过一个带有上拉电阻的 TTL 反相门后接入XTAL2。2.2.3 单片机的基本时序单位单片机以晶体振荡器的振荡周期(或外部引入的时钟周期)为最小的时序单位，片内的各种微操作都以此周期为时序基准。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 9 页振荡频率二分频后形成状态周期或称 S 周期，所以，1 个状态周期包含有 2 个振荡周期。振荡频率 fosc l2 分频后形成机器周期 MC。所以，1 个机器周期包含有6 个状态周期或 12 个振荡周期。1 个到 4 个机器周期确定一条指令的执行时间，这个时间就是指令周期。MCS-51 系列单片机指令系统中，各条指令的执行时间都在1 个到 4 个机器周期之间。

29、4 种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其它时间值(例如，波特率、定时器的定时时间等)的基本时序单位。单片机外接晶振频率 12MHZ 时的时序单位的大小：振荡周期1/fosc=1/12MHZ=0.0833us2.3 单片机复位电路的设计与分析2.3.1 单片机复位电路的设计 在 51 系列单片机中，在振荡器运行时，RST 引脚上保持到少两个机器周期的高电平输入信号，复位过程即可完成。为响应这一不定期程，CPU 发出内部复位信号。内部复位操作是在发现 RST 为高电平后的第二个周期进行的，并且此后每个周期都重复进行复位操作，直到 RST 变成低电平为止。针对复位电路对时间的需要，我们对

30、上电复位电路进行设计。一般来讲，Vcc 电源的上升时间不超过 1ms，片内振荡器启动时间在 10ms 之内。在这种情况下，把 RST 引脚通 10uF 电容接到 Vcc 并同时经过 10K 电阻和地相连，就可获得上电自动复位的结果。其具体的复位电路如图2.3 所示。 图 2.3 复位电路2R110K C210uFS1VCCRST贵州大学本科毕业论文(设计) 第 10 页接通电源后，Vcc 便对电容通过电阻进行充电。RST 脚的电压等于 Vcc 与电容两端电压之差。在充电过程中，随着电容电压逐步趋于 Vcc，RST 引脚上之电压最终将接近于 0。此过渡过程之长短取决于电阻和电容值的大小。10uF

31、 电容足可使RST 脚上的电压在振荡器启振后尚有两个机器周期以上的时间保持高于施密特触发器的低门槛电平，从而使整个复位过程得以完成。2.3.2 单片机复位后的状态的分析单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC0000H，这表明程序从 0000H 地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM 为随机值，运行中的复位操作不改变片内 RAM 区中的内容，21 个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见下表 2.2。值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。说明：表中符号*为随机状态；特殊功能寄存器初始状态

32、特殊功能寄存器初始状态PSW00HTH000HP0P3FFHSBUF不定IP*00000BSCON00HIE0*00000BPCON0*BA00HTMOD00HB00HTCON00HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HPSW=00H，表明选寄存器 0 组为工作寄存器组；表 2.2 特殊功能寄存器与初始状态表贵州大学本科毕业论文(设计) 第 11 页SP07H，表明堆栈指针指向片内 RAM 07H 字节单元，根据堆栈操作的先加后进法则，第一个被压入的内容写入到 08H 单元中；PoP3FFH，表明已向各端口线写入 1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出；IP*

33、00000B，表明各个中断源处于低优先级；IE0*00000B，表明各个中断均被关断；A00H，表明累加器已被清零；MCS-51 系列单片机的复位是由 RESET 引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过 24 个振荡周期后，51 单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到 RESET 引脚转成低电平后，才检查 EA 引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。MCS-51 系列单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于内部 RAM 内部的数据则不变。AT89C51 是由美国 Atmel 公司生产的高性能八位单片机。该

34、芯片采用 FLASH 存储技术，内部具有 2KB 字节快闪存存储器，采用 DIP 封装，是目前在中小系统中应用最为普及的单片机。2.4 电源电路的设计与分析2.4.1 电源电路的设计稳压电源的输出电压 UO（或电压可调范围 UOmin UOmax）和最大输出电流 IOmax是它的特性指标，这两个指标决定了该电源的适用范围，同时也决定了稳压器的特性指标以及如何选择变压器、整流管和滤波电容。而输出电阻、纹波电压、温度系数是稳压电源的质量指标，它们决定了稳压器的稳压系数、输出阻抗、温度系数和滤波电容的选择。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 12 页图 2.4 系统电源电路1144223355T1TR

35、AN S4AC2V-1V+3AC4D11KAB20+ C1CAP+ C2CAPC3104C4104C5104Vin1GND2Vout3U17812Vin1GND2Vout3U2780512J112V12J25VR11KR21K1A2KD01LE D1A2KD02LE D因为系统是由单片机直接控制处理，其稳定的电压对但片机来说是十分重要的，如图 2.4 所示我们设计的稳压电源，使系统能正常的工作。为了改善波纹特性,在稳压电源的输入端加接电容 C2；在其输出端加接电容 C4，C5，目的是为了改善负载的瞬态响应、防止自激振荡和减少高频噪声。2.4.2 电源电路分析三脚稳压块选择：该装置中的稳压块选用

36、 LM7805 和 LM7812 集成稳压块。下面介绍 LM7805 的技术，LM7812 系列集成稳压块主要技术参数和工作原理与LM7805 的类似，这里就不再叙述。LM7805 系列集成稳压块主要技术参数：输入电压：DC3V35V；最大输出电流：1.5A。LM7805 系列稳压块封装：1 脚为输入端 ，2 脚为公共端 ，3 脚为输出端。注意事项：引脚不能接错，公共端不能悬空；为防止过热应安装散热片，其内部原理图如图 2.5 所示，按图我们来分析其原理：在本设计中应输出电压为Vo=5V，则当 Vo5V 时，T2 的 b 极电压上升，进而 T2 的 c 极电压下降，进而 T1的 b 极电压下降

37、,进而 T1 的 Vce 极电压上升，进而 Vo 趋于 5V；反之当 Vo5V 时亦然。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 13 页图 2.5 三端稳压电源内部电路图否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否2.5 数显示电路分析与设计为了对生产加工的产品进行统计，设计了产品计数显示电路，电路如图 2.6 所示。EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2

38、223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE /P30TXD11RXD10U18051A7B1C2D6LT3BI/RBO4RBI5a13b12c11d10e9f15g14U27448123456789J3CON9IN11IN22IN33IN44IN55IN66IN77OUT710OUT611OUT512OUT413OUT314OUT215OUT116CAL9COM8U3ULN2003a11d2dot3c4g5com16b7e1f10com28com39com412DISP7L ED-4VCCVCCA1A2A3A4A5A6A7A8A1A2A3A4A5A6A7A8A1

39、A2A3A4A5A6A7A812345678J?CON8B1B2B3B4B5B6B7B1B2B3B4B5B6B7B8B1B2B3B4B5B6B7VCCC1C2C3C4C1C2C3C4、8x10k、7x470图 2.6 显示驱动单元贵州大学本科毕业论文(设计) 第 14 页从实际生产出发，我们对四位数码管的显示采用了动态扫描的方式进行控制。当要显示千位时，在数据线上送出所要显示的数据，同时开通千位数码管的模拟开关，千位数码开关得电工作，显示数据，通过计算机程序的控制，让该位点亮一段时间，然后关断千位；显示百位时，在数据线上送出所要显示的数据，同时开通百位数码管的模拟开关，百位数码开关得电工作，显

40、示数据，通过计算机程序的控制，让该位点亮一段时间，然后关断百位；显示十位时，在数据线上送出所要显示的数据，同时开通十位数码管的模拟开关，十位数码开关得电工作，显示数据，通过计算机程序的控制，让该位点亮一段时间，然后关断十位；接着数据线上送出个位所要显示的数据，同时选通控制个位的模拟开关，也让这个延时显示一段时间，这样交替地扫描显示，由于发光管的辉光效应，只要扫描的频率足够高，肉眼看上去就是稳定的四位数据显示。2.6 电机控制电路分析与设计本设计中采用步进电机作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增

41、，在各个国民经济领域都有应用。2.6.1 步进电机的基本原理步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等

42、。 步进电机的一些特点： 1）一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。 2）步进电机外表允许的最高温度。 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 15 页步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 8090 度完全正常。 3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电

43、流减小，从而导致力矩下降。 4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。2.6.2 电机控制电路的设计由于 MC

44、S-51 系列单片机输出只能驱动 4 个标准 TTL 电平的门电路，灌电流较大，能吸收 20mA 的灌电流，当输出负载较小时可以直接由单片机进行驱动，当输出控制设计成输出低电平驱动时，相对的带负载能力要强。而在这里，我们所接为感性负载步进电动机，因此不能直接由单片机进行直接驱动。选用 L293 芯片，L293 是著名的 SGS 公司的产品，内部包含 4 通道逻辑驱动电路。其后缀有B、D、E 等，除 L293E 为 20 脚外，其它均为 16 引脚。其额定工作电流为 1A，最大可达 1.5A，VCC 电压最小 4.5V，最大可达 36V；VDD 电压最大值也是 36V 其工作电流在 2A 以内，

45、因此，为了与外接负载的匹配，设计电路如图 2.7 所示。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 16 页12345J6CON5EN11IN12OUT1 3END 4END 5OUT26IN27VDD8EN29IN310OUT311END12END13OUT414IN415VCC16U4L293VCCVDD、 、EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P

46、2526P2627P2728PSEN29ALE /P30TXD11RXD10U18051图 2.7 电机控制电路如表 2.3 所示是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。EN A（B）IN1（IN3）IN2（IN4）电机运行情况HHL正转HLH反转H同IN2（IN4）同IN1（IN3）快速停止LXX停止2.7 检测电路的设计本设计采用 TX05D 型反射开关，实际上是一种一体化的红外线发射，接收器件。它内部包含红外线发射，接收及信号放大与处理电路，能够以非接触形式检测出前方一定范围内的人体或物体，并转换成高(低)电平信号输出。由于 TX05D 内部采用了低功耗器件和抗干扰电路，所以工作稳定可靠

47、，性能优良，可广泛应用于各种自动检测，自动报警和自动控制等装置中。如：光电计数器，接近式照明开关，自动干手器，自控水龙头，感应门铃，倒车告警电路。表 2.3 L293D 引脚逻辑关系贵州大学本科毕业论文(设计) 第 17 页TX05D 的外形和引线见图 1，本器件属模块化产品，全部电路焊装在一只 46x32x17mm（不包括安装支架）的塑料盒内。盒的侧面设有状态指示和灵敏度调节孔，一只红色发光管用来指示开关的工作状态，平时熄灭，有反射物时发光。灵敏度调节孔用来调节反射检测距离，顺时针调距离增大，逆时针调距离减小。TX05D 通过一条 1.5 米的双芯屏蔽线做为输出引线，其中红色线为电源正极，白

48、色线为输出端，铜网接电源负极。白色线静态时为低电平，有反射物时输出高电平。实际应用时，如需加长引出线，可选用相同材质的双芯屏蔽线即可。TX05D 的电参数：工作电压 512V，极限电压 15V，工作电流 520mA，最大 30mA，对应检测距离为 0120，当工作电压 12V 时，输出最大灌电流大于50mA，最大输出电流大于 3mA。TX05D 的输出端内部电路见图 2，由于考虑器件的通用性和输出保护措施，加入了限流保护电路，当外接负载超过额定值时启动保护，自动减小电流输出，以保护组件和外部负载的安全。当 TX05D 接通电源后，即从模块内部的红外线发射管向前方发射 38KHZ 的调制红外线，

49、一旦有物体或人体进入有效范围内时，红外线就会有一部分被反射回来，被与发射管同排安装的光敏接收管收到并转换成同频率的电信号后，由模块内部电路进行放大，解调，整形，比较处理后，在输出端给出高电平信号。模块的红外线发射能力与工作电压有关。工作电压越高，红外线发射功率越强，检测距离就越远；反之，电压低，检测距离就相对较近。 由于 TX05D 使用了调制技术和采用进口带补偿的抗干扰器件，在一定程度上解决了抗干扰的问题，如白天黑夜的灵敏度基本保持一致，这是其它产品所不能比拟的，但由于未加入密码电路，故在离频闪的日光灯较近距离时（2 米以内）TX05D会有同步的输出，使用时请注意回避正对日光灯（不包括用电子

50、变压器启动的日光灯）。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 18 页本设计系统中用四个 TX05D 对装配流水线上的三个生产包装工序及一个计数进仓工序进行知道检测。VCC 接 5V 电源，输出信号线接单片机 AT89C51 的 1215 脚，即单片机的 INT0、INT1、T0、T1 四个中断端口。综合上面各个单元电路设计，得整个控制系统的原理图，见附录二。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 19 页第三章 控制系统的软件设计 系统软件的设计包括主程序的设计、LED 动态显示模块程序设计、电机转速设置程序设计、各中断服务程序设计组成。3.1 主程序设计 主程序的内容一般包括：主程序的起始地址，中断服

51、务程序的起始地址，有关内存单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等等。3.1.1 主程序的起始地址MCS-51 系列单片机复位后，（PC）=0000H，而 0003H002BH 分别为各中断源的入口地址。所以，编程时应在 0000H 处写一条跳转指令。当 CPU 接收到中断请求信号并予以响应后，CPU 把当前的 PC 内容压入堆栈中进行保护，然后转入相应的中断服务程序入口处执行。一般应在相应的中断服务程序入口处写一条跳转指令，并以跳转指令的目标地址作为中断服务程序的其实地址进行编程。3.1.2 主程序的初始化内容所谓初始化，是对将要用到的 MCS-51 系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作

52、状态设定。MCS-51 系列单片机复位后，除 SP 为 07H，P0P3 口为 FFH 外，其余给内存单元内容均为 00H，所以应对 IE、IP 进行初始化编程，以开放 CPU 中断，允许某些中断源中断和设置中断优先级等。在本系统设计中，使用了四个中断，即 T0、T1、/INT0、/INT1。其中：1）T0 中断：采用记数溢出中断工作方式，完成对工序操作 1 的延时响应。2）T1 中断：采用记数溢出中断工作方式，完成对工序操作 2 的延时响应。3）/INT0 中断：采用外部中断工作方式，完成对工序操作 3 的延时响应。4）/INT1 中断：采用外部中断工作方式，完成对记数请求的响应。同时还要对

53、一些存储单元进行初始化，这些内容都需要在初始化程序中完成。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 20 页3.1.3 代码转换程序人们日常习惯使用十进制数，而计算机的键盘输入、输出以及显示常采用二进制编码的十进制数（即 BCD 码）或 ASCII 码。因此，在程序设计中经常要进行代码转换。各种代码之间的转换十分有用，除了硬件逻辑转换之外，程序设计中采用算法处理和查表方式。3.1.4 主程序设计框图主程序设计框图如图 3.1 所示。3.2 LED 动态显示程序模块的设计3.2.1 动态扫描延时的实现方式在采用动态扫描显示方式时，要使得 LED 显示得比较均匀，又有足够的亮度，需要设置适当的扫描频率。当

54、扫描频率在 70Hz 左右时，能够产生足够的图形和较好的显示效果。一般可以采用间隔 10ms 对 LED 进行动态扫描一次，每一位 LED 的显示时间为 1ms。在单片机中，定时功能可以由硬件（定时/记数器）实现，也可以通过软件定时程序实现。硬件定时是利用单片机片内定时器定时，启动定时器可与 CPU 并行工作，不占用 CPU 的时间，是 CPU 有较高的工作效率；软件延时程序占用 CPU 的时间，因此，它一定程度上降低了 CPU 的工作效率。本设计中，由于定时器已作为中断工作方式占用，故采用软件延时方式。3.2.2 延时程序的相关初值计算要实现 1ms 的延时可以采用单重循环实现。而本设计单片

55、机时钟频率采用12MHz 晶振提供，可得单片机的时钟周期为 1/12 us，而它的机器周期为: 12*1/12=1us。因此可以编写以下源程序实现： MOV R0, #0FAHDL1: NOP NOP贵州大学本科毕业论文(设计) 第 21 页主程序流程图设置外部中断信号的触发形式设置中断优先级及开中断定时器初始化并设置显示缓冲区相关寄存器清零并设置堆栈指针是停止或转速设置否？判断是否转速设置？调用转速设置程序电机运行、记数显示停止或转速设置启动定时器设置各中断服务程序的入口地址转速设置完否？是否是否图 3.1 系统程序设计主流程图是否 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 22 页 DJNZ R0

56、, DL1该段延时程序的精确延时时间应该为： 1s1+(1+1+2)s250=1001s3.2.3 动态显示程序模块结构图动态显示程序模块结构图如图 3.2 所示。显示程序流程图设置段码缓冲区指针设置位码缓冲区指针设置显示位数将位码和段码值送到 P0 口显示某位、延时 1ms修改显示缓冲区指针显示位数减 1位码、段码缓冲区指针加 1返回显示完否？否是图 3.2 显示模块程序流程图贵州大学本科毕业论文(设计) 第 23 页3.3 中断服务程序中断服务程序是一种具有特定功能的独立程序段。它为中断源的特定要求服务，以中断返回指令结束。由于工序操作和计数请求响应采用中断处理方式，所以中断服务程序设计成

57、了本系统软件设计的核心。在中断响应过程中，断点的保护与恢复主要由单片机内部电路来实现。对用户来说，在编写中断服务程序时，主要须考虑是否有需要保护的现场，即指在主程序中用到的寄存器、存储单元等，在中断程序中也使用了。如果有，则应注意不要遗漏；在恢复现场时，要注意压栈与出栈指令必须成队使用，先入栈的内容应该后弹出。另外，还要及时清除需要用软件清除的中断标志。3.3.1 工序操作中断服务程序的设计工序操作中断服务程序中用延时表示工序操作的处理过程。其程序流程图如图3.3 所示。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 24 页工序操作处理流程图关中断否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否

58、否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否保护现场否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否工序延时、显示（产品件数）否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否中断返回（RET）否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否恢复现场否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否开中断否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否图 3.3 工序操作程序流程图否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否

59、否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否3.3.2 计数中断程序的设计计数中断程序的设计思路为，但产生中断求情后，在中断服务程序中对存储产品数的内存单元中的内容加 1。为保证四个计数单元的值实现累加，在每一位加 1后，用 DA A 指令处理使各位之间成十进制累进。计数中断服务程序的结构框图如图 3.4 所示。3.4 系统总程序设计系统总程序设计清单见附录一。贵州大学本科毕业论文(设计) 第 25 页计数中断程序流程图保护现场关中断否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否位指针加 1否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否

60、否否否否否中断返回（RET）否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否指针指向位内容加 1否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否设置位数、设置位指针否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否恢复现场、开中断否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否大于 9 否？否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否十进制调整否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否位数减 1 等于0 否否否否否否否否否否否否

61、否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否是否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否是否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否图 3.4 计数中断程序流程图否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否贵州大学本科毕业论文(设计) 第 26 页第四章 系统的 PCB 板设计

62、制作4.1 电路图的绘制 电路原理图的绘制分以下几个步骤：1）在 Protel99 软件中先新建一个文档，把所需要的元件载入到文档里面。2）再按照系统电路图绘制导线，把元件连接好。3）通过电气检查如果没有错误，那么系统的电路图就绘制完成。4.2 PCB 板的制作用 Protel99 设计好 PCB 板，认真检查正确无误以后就开始制作电路板其过程包括打印、转印、蚀刻和钻孔四个主要制作工序。下面分别叙述制作过程。4.2.1 打印打印是一项非常重要的工序，直接关系着 PCB 板的质量，所以务必要认真做好这一工序。把准备好的热转印纸放入打印中，一定要注意光滑的一面向上。打开用Protel 99 设计的

63、 EDA 文件中的 PCB 文件，单击菜单栏中的“文件”，“打印设置”。弹出打印设置对话框，选择你已安装好的打印机型号，带“Final”的选项，表示分层打印。后带“Composite”的选项是组合打印。在这里我们选择“Final”分层打印选项，在打印设置对话框下面有三个按钮：“Print”、“options”、“Layers”。首先单击“options”按钮，弹出打印设置选项对话框，勾上“Show hole”选项显示焊盘孔。再单击“Setup”按钮，在大小选项中选择 A4。在“来源”选项中，如果只装有一台打印机，可选用自动选择默盒。如安装有多台打印机的话就要选择你所想要打印的打印机纸盒。要是打

64、印图纸是长方形的，而且比较大，可在方向选项中选择横向打印。设置好了“options”对话框之后单击确定即可。然后选择“Layers”板层选项，在这里我们制作的是单层板，所以在“Signal Layers”信号层选项中只选择“Bottom Layer”项。再选择“Mid Layer pads”项中的“Include unconnent”包含没有连接选项，设置好后单击确定。注意，由于考虑到打印机的原理，为了打印出更好质量的 PCB 图，在打印之前可以先打印一张废纸，使打印机已均匀地加热，要贵州大学本科毕业论文(设计) 第 27 页是打印两面板时，两面的图形要一起打，不要等到打印机停一会再，这样由于

65、打印机的热胀冷缩原理，使打出来的图形不太对称。再有打印双面板时，顶层要镜像。全部打印设置好后，打印出电路图。4.2.2 转印按设计好的 PCB 板大小裁板，这里要裁一块 110mm85mm 的敷铜板，先用画笔按尺寸在敷铜板上画好边框。再用锯跟着画好的线路锯板。裁好后用水磨沙布把敷铜板的敷铜面打磨干净，冲洗干净，晾干。接上热转印机的电源，打开热转印机，将转印温度设置成 150 度。这样转印机开始慢慢加热。把打印好的转印纸光滑的一面对上敷铜板的敷铜面，要注意四边留出的边宽度一样，对好后把要送进转印机转印的开头的一边打折。当热转印机的温度上升到 150 摄氏度的时候，小心把打了折的一面慢慢送进热转印

66、机开始转印，手慢慢的用力往里推，要推到敷铜板确定已以进去的时候才放开手。转印好后，要等铜板上温度降低以后才能撕掉转印纸，否则将会使打印在上面的线条一并撕掉，但温度也不要太低，温度太低敷铜板和纸就帖得比较紧，很难撕掉，效果也明显不好。4.2.3 蚀刻转印好的线路板必须经过检查、修板，直至确认无误后便可以进行腐蚀了。蚀刻，有人亦叫“烂板”。这是指通过化学物质，把经过印刷的敷铜板的非保护部分的铜箔腐蚀掉。蚀刻可以通过一份固体三氯化铁兑两份水配置而成进行腐蚀。步骤如下：首先，配置腐蚀液，可以用三氯化铁和水 1：2 左右配置而成。可以用塑料盆或陶瓷盆盛腐蚀液，把要腐蚀的线路板浸没在溶液之中，来回晃动线路板以加快腐蚀速度。腐蚀操作时要特别注意掌握蚀刻时间。时间太长，腐蚀过久会把线路板的线条弄细甚至全部腐掉，造成废品。这点在蚀刻的线条较细时尤为重要。但是，如果蚀刻时间太短，则有些应该烂掉的铜箔还没有完全蚀刻掉也会影响线路板的质量，增加修板的工作量。一般来说，新配置的腐蚀液的蚀刻时间约 25 分钟左右。较陈旧的溶液须延长，但若腐蚀时间超过 2 小时，则必需更换新液。其次，要用清水冲洗，彻底把三氯化铁溶