基于单片机的自动还书箱控制系统的设计.doc

2014届 分类号：TP311 单位代码：10452 毕业论文 (设计)基于单片机的自动还书箱控制系统的设计 姓 名 于长永 学 号 201203910802 年 级 2012级 专 业 机械设计制造及其自动化 系（院） 机械工程学院 指导教师 杨瑞宁 2014年3月30日临沂大学机械工程学院2014届本科毕业设计摘 要在现今高校图书馆，城市图书馆中，图书的借阅量逐年提升，对图书进行分类和对图书的信息汇总变得更加繁琐。还书箱能够方便读者24小时还书，但是普通的还书箱由于构造简单，功能单一，只能够完成储藏图书这一功能，通过它还书既不能迅速的清除借阅记录，又由于图书再放入书箱时会相互叠加，碰撞，对图书的破坏较严重，而且还会加大工作人员的工作量。所以一个能够完成对图书进行储藏，保护，清除借阅记录的还书箱是现代图书馆所必备的设施之一。本次设计主要完成了单片机对分类电动机和控制书架高度的电动机的顺序控制，设计主要分为硬件设计和软件设计两部分。其硬件设计中利用了单片机8031、8255A芯片、电动机、读码器、传感器等组成了硬件控制电路。在软件设计中，首先设计好程序流程图，编写程序，然后结合硬件进行调试。该系统实现对2类不同的图书进行分类、清除借阅记录达到预期的设计要求。关键词：单片机；借阅记录；分类；自动控制I临沂大学机械工程学院2014届本科毕业设计AbstractIn the current university library, the city library, books circulation increase year by year, classifying books and books information summary becomes more complicated. Book drop can make it easier for readers to return the book for 24 hours, but the ordinary book drop because of its simple structure, single function, can only be completed books that a function of storage, can neither quickly through it also book borrowed record, and because of the book. In the case when the superimposition, collision, and serious damage to the books, but also will increase the workload of staff. So a able to finish the book storage, protection, remove borrowed record book drop is one of the essential qualities of modern library facilities.This design mainly completed the single chip microcomputer for classification of motor and control the shelf height of sequence control, design is mainly divided into two parts, hardware design and software design. Using the single chip microcomputer 8031, 8255 in the design of its hardware, motor, reading a chip decoder hardware control circuit, sensor, etc. Good program flow chart in software design, the first design, program, and then combined with the hardware debugging. The system implemented the two different types of book classification, clear borrowed record the desired design requirementsKeywords：Single chip microcomputer; Borrowed record; Classification; The automatic control30目 录1 绪 论11.1 课题背景11.2 自动还书箱设计的目的和意义12 单片机控制系统介绍22.1 自动还书箱的总体设计方案23 硬件系统的设计43.1 硬件总体设计43.2 单片机控制系统的硬件构成43.3 主控芯片80C3143.4 并行 I/O 接口电路73.4.1 8255A简介73.4.2 8255A特性93.4.3 8255A引脚功能93.5 串行EPROM103.5.1 2716芯片的内部结构103.5.2 2716芯片的外部结构113.5.3 2716的工作方式与操作时序113.6 单片机控制系统连接图123.7 图书分类控制系统133.7.1 V520-R221FH/SH的额定值及性能143.7.2 V520-R221FH/SH的内部结构153.7.3 V520-R221FH/SH的读码原理163.7.4计算机与8255A连接图173.7.5 电磁继电器与功放的连接图173.8 书架高度控制系统183.8.1位置传感器183.8.2 超声波传感器183.8.3 超声波传感器的工作原理183.8.4 超声波传感器与8255A连接图193.8.5 继电器与功放的连接图203.9 执行系统204 系统软件设计224.1软件功能概述224.2系统应用程序流程图设计224.3 系统应用程序设计24结 论27附 录28参 考 文 献29谢 辞301 绪 论1.1 课题背景在现今的大型图书馆中，每天都要有大量的图书被借阅和归还，如果这些工作都由图书管理员来做的话，其工作量大，过程繁琐，将会给工作人员带来很多的麻烦。除此之外，通过人工管理图书，速度慢，效率低，特别是在借阅和还书的时候，往往会有很多人排队等候。所以为了减轻图书管理员的工作量，提高还书的效率，使图书馆更加人性化，一个能够对图书进行简单分类和对图书的借阅记录进行清除的还书箱控制系统势必会成为摆在我们眼前一大课题。目前大多数图书馆所配置的还书箱还停留在箱的层面上，只是用来储藏图书的工具，它不能够对图书进行做任何的处理。其缺点很明显：第一，通过该还书箱还书时，对书籍的破坏比较严重。首先，还书时，书籍在书箱中混乱的叠放；其次,从还书口到还书箱的底部，有一米左右的落差，书籍放入时，很容易将书翻开并叠落在一起。第二，该还书箱会给图书管理人员添加很多麻烦，从还书箱中整理书籍很费时间。第三，还书箱没法对书箱中的书籍量进行反馈，有时还书箱中的书籍已经盛满，无法还书，有时书箱中只有很少的书籍，管理员还要开箱整理书籍,浪费时间精力。第四，该设计还能提高学生借书的效率，普通的还书箱每天只开一次，借书系统中的结束记录不能迅速的清除，达到图书的借阅上限后会影响学生的借书。随着计算机技术的发展，在自动化已经广泛的应用于我们生活的各个方面。现今图书馆中的还书箱已经不能适应现代人生活步伐。1.2 自动还书箱设计的目的和意义本设计的主要研究范围及要求达到的技术参数有(1)使还书箱能够对图书进行简单的分类和对借书记录进行清除；(2)满足还书箱的各项技术要求；(3)具体内容包括对图书的分类和盛书架高度控制方案的设计、软硬件电路的设计、常见故障分析等等。本课题应解决的主要问题是如何使单片机在图书分类和书架高度调整中实现控制功能，正确选用参数进行系统控制，来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。2 单片机控制系统介绍2.1 自动还书箱的总体设计方案12本设计以两类图书分类为例，设计出以单片机为核心的图书分类和书架高度调整自动控制系统。自动还书箱示意如图1。该还书箱对两类不同的图书进行分类，从放书口放入要归还的图书，每次放一本，通过读吗器自动读取图书的信息，然后微机自动做还书处理。微机通过图书的信息发出不同信号到单片机，再由单片机控制电动机1的转向，正传或反转，使图书进入左边或右边的书架中。盛书架随着还书量的增加，书的总体厚度也会增加，位置传感器1,2会将不同的高度信号传到单片机中，通过单片机控制电动机2，3对盛书架的高度进行控制，使左右书架上的图书高度和放书口口处的高度保持一定落差。 图1 自动还书箱示意图具体操作顺序如下: 首先从放书口放入所要归还的图书，使带有条形码的书面朝上正对读码器放入还书箱。通过读码器读取图书的信息，微机对读码器所读取的信息做处理，将处理后的信号传到单片机中，单片机再对所接收的信号进行处理，控制电动机1转动，由于所还的图书分为两大类，所以单片机对不同的信号控制电动机1的转向，使图书分别进入两边的书架。又由于要是书架上图书的高度和放书口处的高度保持一定的落差，位置传感器1,2将把不同的位置信号传到单片机，单片机对信号进行处理，控制电动机2,3的运转使书的高度和还书口处的高度保持一定。当图书的条形码无法识别时或者图书已超出借阅时间的图书，微机会将这个信号传到单片机中，单片机再控制报警器提醒读者将未识别的图书取走，到图书馆中由工作人员进行处理。图2 自动还书箱示意图3 硬件系统的设计3.1 硬件总体设计驱动电路读码器位置传感器信号处理电路A/D转换器单片机故障复位LED设定位值电动机计算机图3 硬件设计总体示意图由此可以看出自动还书箱控制系统由以下几部分组成：（1）单片机控制系统。对整机进行控制。它是仪器的控制核心部件，（2）读码器扫描控制系统。实时扫描图书信息，以此来判断图书种类以及清除借书记录。（3）书架位置控制系统。检测书架高度。（4）执行系统。控制电动机运转，对两类图书进行分类和书架位置调整。3.2 单片机控制系统的硬件构成本设计需同时满足下列两个要求:(1) 接收经计算机处理后的读码器扫描信息和位置传感器的检测信号。(2）控制分类电动机1，书架位置控制电动机2、3的启动和停止，LED指示灯的亮和灭。为实现上述控制功能，设计如下。在本设计中，采用80C31单片机，外扩一片8255A可编程接口实现开关量的输入与输出，外部扩展一片2716作为程序存储器。为提高系统的抗干扰性能，开关量的输入与输出均采用光耦合器进行隔离。自动还书箱控制系统主要有主控芯片、并行I/O接口电路、串行EPROM、开关量输入输出电路与光耦合电路、驱动电路组成。下面将分别介绍。3.3 主控芯片3本次设计中的单片机选择的是MCS-51单片机80C31型。在HMOS技术大发展的背景下，Intel公司在MCS-48系列的基础上,于1980年推出了8位MCS-51系列单片机。它与以前的机型相比，功能增强了许多，就其指令和运行速度而言，超过了INTEL8085的CPU和Z80的CPU，成为工业控制系统中较为理想的机种。51系列是基本型，包括8051、8751、80C31、8951。这四个机种区别，仅在于片内程序储存器。 其中，80C31性价比较高，又易于开发，目前应用面广泛。80C31特点80C31引脚图如下：图4 80C31引脚P0.0P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的3932号端子）。P1.0P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的18号端子）。P2.0P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的2128号端子）。 P3.0P3.7 P3口8位双向口线（在引脚的1017号端子）。（1）P1口有单个功能：A 外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的D0D7为数据总线接口）B 外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0A7为地址总线接口）C 不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。（2）P2口有两个功能：A 扩展外部存储器时，当作地址总线使用；B 做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻；（3）P3口有两个功能：除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。（4）单片机的备用电源：当外接电源下降到下限值时，备用电源就会经第二功能的方式由第9脚（即RST/VPD）引入，以保护内部RAM中的信息不会丢失。（5）单片机的上拉电阻：当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。（6）ALE/PROG 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。（在后面关于扩展的课程中我们就会看到8051扩展 EEPROM电路，在图中ALE与74LS373锁存器的G相连接，当CPU对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即P0口输出。ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。关于锁存器的内容，我们稍后也会介绍。在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。从这里我们可以看到，当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。（7）EA/VPP 访问和序存储器控制信号接高电平时：CPU读取内部程序存储器（ROM）。扩展外部ROM：当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。80C31单片机内部是没有ROM的，那么应用80C31单片机时，这个脚是一直接低电平的。8751烧写内部EPROM时：利用此脚输入21V的烧写电压。（8）RST 复位信号：当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。（9）XTAL1和XTAL2 外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。（10）VCC：电源+5V输入。VSS：GND接地。3.4 并行 I/O 接口电路四液自动混合搅拌控制系统需要对一些信号进行控制，需要的口线较多，CPU的端口不够使用，故需扩展I/O端口，在本系统中采用较为常用的芯片8255A，它具有3个8位的并行I/O，具有三种工作方式，可通过程序改变其功能，作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。8255A的端口用来作为系统的加热丝、搅拌电动机，电磁阀等外部信号的控制信号。3.4.1 8255A简介8255A是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255A可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。8255A作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255A可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255A内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。（1）与CPU连接部分根据定义，8255A能并行传送8位数据，所以其数据线为8根D0D7。由于8255A具有3个通道A、B、C，所以只要两根地址线就能寻址A、B、C口及控制寄存器，故地址线为两根A0A1。此外CPU要对8255A进行读、写与片选操作，所以控制线为片选、复位、读、写信号。各信号的引脚编号如下：数据总线DB：编号为D0D7，用于8255A与CPU传送8位数据。地址总线AB：编号为A0A1，用于选择A、B、C口与控制寄存器。控制总线CB：片选信号、复位信号RST、写信号、读信号。当CPU要对8255A进行读、写操作时，必须先向8255A发片选信号选中8255A芯片，然后发读信号或写信号对8255A进行读或写数据的操作。（2）与外设接口部分根据定义，8255A有3个通道A、B、C与外设连接，每个通道又有8根线与外设连接，所以8255A可以用24根线与外设连接，若进行开关量控制，则8255A可同时控制24路开关。各通道的引脚编号如下：A口：编号为PA0PA7，用于8255A向外设输入输出8位并行数据。B口：编号为PB0PB7，用于8255A向外设输入输出8位并行数据。C口：编号为PC0PC7，用于8255A向外设输入输出8位并行数据，当8255A工作于应答I/O方式时，C口用于应答信号的通信。（3）控制器8255A将3个通道分为两组，即PA0PA7与PC4PC7组成A组，PB0PB7与PC0PC3组成B组。如图7.5所示，相应的控制器也分为A组控制器与B组控制器，各组控制器的作用如下：A组控制器：控制A口与上C口的输入与输出。B组控制器：控制B口与下C口的输入与输出。图5 8255A引脚3.4.2 8255A特性(1)一个并行输入/输出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作为CPU总线与外围的接口.(2)具有24个可编程设置的I/O口,即3组8位的I/O口为PA口,PB口和PC口.它们又可分为两组12位的I/O口,A组包括A口及C口(高4位,PC4PC7),B组包括B口及C口(低4位,PC0PC3).A组可设置为基本的I/O口,闪控(STROBE)的I/O闪控式,双向I/O3种模式;B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式,而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定。3.4.3 8255A引脚功能RESET:复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255A与CPU进行通讯;/CS=1时,8255A无法与CPU做数据传输.RD:读信号线，当这个输入引脚为低跳变沿时,即/RD产生一个低脉冲且/CS=0时,允许8255A通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255A读取信息或数据。WR:写入信号，当这个输入引脚为低跳变沿时,即/WR产生一个低脉冲且/CS=0时,允许CPU将数据或控制字写入8255A。D0D7:三态双向数据总线，8255A与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。8255A具有3个相互独立的输入/输出通道端口，用+5V单电源供电，能在以下三种方式下工作。方式0基本输入输出方式；方式1选通输入/出方式；方式2双向选通输入/输出方式。PA0PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入锁存器。 工作于三种方式中的任何一种。PB0PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。不能工作于方式二。PC0PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。不能工作于方式一或二。A1,A0:地址选择线,用来选择8255A的PA口,PB口,PC口和控制寄存器。当A1=0,A0=0时,PA口被选择；当A1=0,A0=1时,PB口被选择；当A1=1,A0=0时,PC口被选择；当A1=1.A0=1时,控制寄存器被选择。3.5 串行EPROMIntel2716是一种2K8的EPROM存储器芯片，双列直插式封装，24个引脚，3.5.1 2716芯片的内部结构4Intel2716存储器芯片的内部结构框图如图6所示，其主要组成部分包括：(a) 引脚分配图 (b) 内部结构框图图6 Intel 2716的内部结构及引脚分配存储阵列；Intel2716存储器芯片的存储阵列由2K8个带有浮动栅的MOS管构成，共可保存2K8位二进制信息；X译码器：又称为行译码器，可对7位行地址进行译码；Y译码器：又称为列译码器，可对4位列地址进行译码；输出允许、片选和编程逻辑：实现片选及控制信息的读/写；数据输出缓冲器：实现对输出数据的缓冲。3.5.2 2716芯片的外部结构Intel2716具有24个引脚，其引脚分配如图5所示，各引脚的功能如下： Al0A0：地址信号输入引脚，可寻址芯片的2K个存储单元； O7O0： 双向数据信号输入输出引脚； ：片选信号输入引脚，低电平有效，只有当该引脚转入低电平时，才能对相应的芯片进行操作； ：数据输出允许控制信号引脚，输入，低电平有效，用以允许数据输出； Vcc：+5v电源，用于在线的读操作； VPP：+25v电源，用于在专用装置上进行写操作； GND：地。3.5.3 2716的工作方式与操作时序 读方式这是Intel2716连接在微机系统中的主要工作方式。在读操作时，片选信号 应为低电平，输出允许控制信号 也为低电平其时序波形如图6所示。读周期由地址有效开始，经时间tACC后，所选中单元的内容就可由存储阵列中读出，但能否送至外部的数据总线，还取决于片选信号 和输出允许信号 。时序中规定，必须从 有效经过tCS时间以及从有效经过时间tOE，芯片的输出三态门才能完全打开，数据才能送到数据总线。图7 Intel2716读时序波形禁止方式；备用方式；写入方式；校核方式； 编程。3.6 单片机控制系统连接图6对于8255A，PA口定义为方式0输出，PA0PA5分别控制分类电动机1，控制书架高度的电动机2、3及三个LED指示灯，高水平有效。PB口定义为方式0输入，PB0-PB2用来接收计算机的控制信号和两个传感器的检测信号。PC口定义为方式0输入，PC0PC1用来发出2个超声波信号。8255A的A0和A1分别接到80C31的低位地址线A0、A1，CS接A7的反相输出线（地址线经锁存器输出），因此，8255A各端口的地址为：PA口地址：80HPB口地址：81HPC口地址: 82H控制口地址：83H图7 单片机控制系统连接图3.7 图书分类控制系统自动还书箱的关键是读码器，读码器所识别的码有一维码和二维码，一维码又称条形码是按照一定编码规则排列，用以表达一组信息的图形标示符。读码器可通过扫描图书上所粘贴的条形码信息通过微机处理传给单片机。其内部包含照明、摄像头、处理器和通信元件。其具有以下三个特点:第一，能自动读取图书上一维码的相关信息，适配各种微控制器（MCU）；第二，能以最简方式构成高性价比、多功能的智能化还书控制系统；第三，它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。图8 读码器与计算机的连接图本次设计中的读码器选用V520-R221FH/SH系列。它是欧姆龙（OMRON）公司推出的一种固定式读码器。它具有三大特点，其一，采用1DMax+算法与Hotbars技术相结合可以比以往更加快速的读取受损的一维条形码。第二，采用灵活的照明和光学元件，现场可换的可控红色照明模块可为图书创造最佳的照明条件，以确保DPM码的最高读取率。第三，部署简单，智能调节可自动调整集成照明装备的设置，为图书提供最佳的照明设置。V520-R221FH/SH的通信套件支持工业协议也支持RS-232与传统系统相集成。3.7.1 V520-R221FH/SH的额定值及性能78表1 读码器的性能表项目符号V520-R221FH/SH通用条形码种类JAN/EAN/UPC、CODE39、NW7、TTF、CODE128、CODE93、STF位数MAX32位（但是TTF为432位偶数，STF为332位读取性能分辨能0.125mmPCS值0.3以上（底色反射率80%以上）读取范围80mm读取距离4012.5mm扫描数500扫描/s标签移动速度50m/min工作模式 外部触发器输入（无电压接点或者晶体管） 主机触发器RS 232C接口RS 232C功能设定方法菜单表读取方式以及主机命令方式输入输出连接器DIN 8pin电源电压+5v5%消耗电流140mA200mA3.7.2 V520-R221FH/SH的内部结构V520-R221FH/SH内部结构主要由四部分组成：照明、摄像头、处理器和通信元件四部分组成。灵活的照明和光学元件，现场可换的可控红色照明模块可为图书创造最佳的照明条件，以确保DPM码的最高读取率。摄像头的读取性能，分解能0.125mm,PCS值0.3以上的条形码，处理器将所扫描的信息进行处理后由通信原件传到CPU。图9 V520-R221FH/SH引脚功能如下： （1）单线接口，只有一根信号线与CPU连接，线路简单，体积小；（2）不需要备份电源，可通过信号线供电，电源电压范围：3.35 V；3.7.3 V520-R221FH/SH的读码原理为了识别条形码所代表的信息，需要一套完整的条形码识别系统，它由条形码读码器、放大整形电路、译码接口电路和计算机系统等部分组成。不同颜色的物体，其反射的可见光波长不同，譬如，白色物体能反射各种波长的可见光，黑色物体则吸收各种波长的可见光，所以当条形码识读器广元发出的光经光栅及凸透镜1照射到反射率不同的条和空上后，形成波长不一样的反射光。这些反射光经凸透镜2聚焦后，照射到光电转换器上，于是光电转换器接收到了强弱不等的反射光信号，并转换成相应的电信号输出到放大整形电路。条、空的宽度不同，相应的电信号持续时间长短也不同。但是，由光电转换器输出的与条和空相应的电信号一般仅10mV左右，不能直接使用，因而先要将光电转换器输出的电信号放大，放大后的电信号仍然是一个模拟信号，为了避免条码中的疵点和污点导致错误信号，再放大电路后需要加一整形电路，把模拟信号转换成数字信号，以便计算机系统能准确判读。整形电路的脉冲数字信号经译码器译成数字、字符信息。它通过识别起始、终止字符来判别出条形码符号的码制及扫描方向；通过测量脉冲数字电信号0、1的数目来判别出条和空的数目。通过0、1信号持续的时间来判别条和空的宽度。这样便得到了被辩读的条码符号的条和空的数目及相应的宽度和所用的码制，根据码制所对应的编码规则，便可将条形码换成相应的数字、字符信息，通过接口电路送给计算机系统进项数据处理与管理，便完成了条形码识度的全过程。3.7.4计算机与8255A连接图图10 读码器与计算机的连接示意图通过计算机对读码器所扫描的信息进行处理，判断所还图书是否已超过节约期限并且将控制信号传到单片机以控制分类电动机的正反转或LED指示灯的亮和灭。3.7.5 电磁继电器与功放的连接图9输入信号通过光电耦合器进入功率放大器，通过功率放大器对输入信号进行放大，从而获得较大的输出功率来驱动电磁阀的运行。电磁继电器指电路中触点受电磁力控制开关。该系统所用电磁阀为常开触点，当线圈断电时，可动铁心由于受到弹簧的作用与固定铁芯脱离，触点处于关闭状态。当线圈通电时，可动铁心克服弹簧作用力而与固定铁芯吸合，触点处于打开状态。这样就控制了线路的通断。图11 电磁继电器与功放的连接图3.8 书架高度控制系统10113.8.1位置传感器控制书架位置的关键是位置传感器。位置传感器可分为两种，直线位移传感器和角位移传感器。其中直线位移传感器常用的有直线位移定位器等，具有工作原理简单、测量精度高、可靠性强的特点；角位移传感器则可选旋转式电位器，具有可靠性高、成本低的优点。角位移器还可使用光电编码器，有增量式和绝对式两种形式。其中增量式码盘在机器人控制系统中得到了广泛的应用。其中直线位移传感器有电磁式、声波式、光电式等，考虑到自动还书箱要求对位置控制的精度较高、控制可靠、工作效率高等特点，所以选用超声波测距传感器。3.8.2 超声波传感器5 超声波传感器（T40、R40）主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成接收器和发送器。3.8.3 超声波传感器的工作原理当40KH的脉冲电信号由两引线输入后，由压电陶瓷激励器和谐振片转换成机械振动，经锥形辐射器将超声振动信号向外发射出去。发射出的超声波向空中四面八方直线传播，遇有障碍物后它可以发生反射。 接收器在收到由发射器传来的超声波后，使内部的谐振片谐振，通过声电转换作用将声能转换为电脉冲信号，然后输入信号放大器，最后驱动执行器使电路动作它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-16，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。本设计采用的就是发送超声波传感器T40及接收超声波传感器R40。3.8.4 超声波传感器与8255A连接图超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头的型号选用T40（其中心频率为40KHz）。通过输出引脚输入至驱动器，经过驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但是需要设计一个驱动电流为100mA以上的驱动电路。可以产生40KHz的超声波信号。单片机P1.0端口输出的40KHz方波信号一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反相器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波发射强度。输出端采用两个反向器并联，可以提高驱动能力。上位电阻R3、R4一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力；另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，以缩短其自由振荡的时间。图12 超声波感器与8255A的连接超声波接收部分采用集成芯片CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片。接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅值；再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号；最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路，实现准确的计时。当CX20106A 接收到40KHz 的信号时，会在第7 脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入。3.8.5 继电器与功放的连接图下图为固态继电器（SSR）是有集成电路、晶体管、光电耦合器、可控硅等电子元件组成的。它是一种新型的无触点开关，能够驱动各个工作电动机的迅速的接通和断开。图13 继电器与功放的连接图3.9 执行系统12电动机本系统通过继电器控制，该继电器的核心元件是晶闸管，具有通断大电流的功能，所用电动机为鼠笼式异步交流电动机，其结构简单、制造方便、且比较经济。除此之外交流电动机还能获得较大的功率，为该系统提供足够的动力。图14 电动机连接图4 系统软件设计4.1软件功能概述在课题中，除了设计硬件电路外，软件设计是分类电动机1和书架高度控制电动机2、3能否正常工作的重要环节。系统软件是还书箱控制系统的核心，它的正确与否直接影响整个搅拌混合系统能否正常运转，软件的稳定性也直接影响了整个系统的稳定性。在该系统中，程序存储在可编程控制器2716之中，所以可以直接对2716编程即可。4.2系统应用程序流程图设计13程序启动方式采用开关启动，程序启动按钮QA接到80C31的INT1输入端。对输入信号采用查询方式，当程序查询到该端口线上出现一个从高到低的电平跳变，CPU便启动控制程序，开始对图书的扫描的过程。系统的程序流程图如图15所示。YNN1NY开始图书可识别赋初值电动机1反转电动机1正传图书类别延时3s 关电动机1左侧高度5cm右侧高度5cm启动电动机2启动电动机3延时3s关电动机2延时3s关电动机3结束开LED2指示灯2Y延时3s 关LED1开LED1指示灯延时3s 关LED2图15 系统的程序流程图4.3 系统应用程序设计2根据系统的程序流程图，设计程序如下MAIN: ORG 0000H AJMP MAIN MOV A,#82H ；送8255A方式控制字 MOV R0,#83H MOVX R0，A MOV A,#OFFH ；使PA口、PB口全为1 MOV R0，#80H MOV R0，#81H MOVX R0，A MOVX R0，AWAIT0: JB P3.3，WAIT0 ；等待启动信号 LCALL DALY1 ；软延时消抖BEG0: JB P3.3 WAIT0 MOV A,#03H ；打开阀1、阀2 MOVX R0，A LCALL DALY2WAIT1： MOVX A,R1 ；图书可识别 JB ACC.0，BEG1 MOV A,#22H ；开启LED2 MOVX R0, A LCALL DALY2 AJMP WAIT1BEG1： LCALL DALY1 MOV A,#23H ；1开LED1 MOVX R0, A LCALL DALY2WAIT2: MOVX A,R1 ；1类图书? JB ACC.1，BEG2 AJMP BEG2BEG2： LCALL DALY1 MOV A,#2CH ；分类电动机左转 MOVX R0，A LCALL DALY2BEG3： LCALL DALY1 MOV A,#2CH ；分类电动机右转 MOVX R0，A LCALL DALY2WAIT3: MOVX A,R1 ；左侧书面高度5? JNB ACC.2，BEG4 AJMP WAIT3BEG4； LCALL DALY1 MOV A,#0E0H ；开启电动机2 MOVX R0，A LCALL DALY2WAIT4： MOVX A,R1 JNB ACC.3，BEG5 ；右侧书面高度5? AJMP WAIT4BEG5： LCALL DALY1 MOV A,#10H ；开启电动机3 MOVX R0，A LCALL DALY2DALY1： MOV R4，#0AH