机械毕业设计（论文）-扎啤桶清洗设备设计【全套图纸SW三维优】 .pdf

内蒙古科技大学 本科生毕业设计说明书（毕业论文） 题 目：扎啤桶清洗设备设计 学生姓名： 学 号：0604134124 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级：机械 2006-1 班 指导教师： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） i 扎啤桶清洗设备设计扎啤桶清洗设备设计 摘摘 要要 在如今的啤酒市场来看，扎啤由于价格便宜，口感好，很受消费者的喜爱，所以占 有一定的市场份额。然而扎啤桶的清洗尤为重要，是因为它关系到扎啤的质量，并且设 计相应的有关的清洗设备是必要。 扎啤桶的清洗设备是随着扎啤酒逐渐被消费者接受所研制开发的。早年由于扎啤酒 未被遍及，所以相应的设备也比较简单落后。以致使扎啤桶的清洗成为一件难事，大大 限制了扎啤的推广，相应的限制了扎啤清洗设备的研制开发。现有设备只能清洗桶的内 壁，外壁还需人工清洗。 本次设计的设备所要突出的特点是可以清洗 5l、10l、15l、20l 四种型号的桶。采 用单片机编程控制。整个清洗设备的清洗是半自动化的，内外壁清洗是自动化的，桶的 拆卸是人工的。外壁的清洗采用超声波清洗技术，这样提高了桶的清洗效果。 关键词：关键词：扎啤桶；清洗机；单片机；可编程序控制；超声波 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） ii kegs cleaning equipment design abstract in view of todays beer market, draft beer as cheap and good taste, very popular with consumers, so a certain share of the market. however, cleaning of draft beer barrel is particularly important because it relates to the quality of draft beer, and the appropriate design of the cleaning equipment is necessary. washing barrel is a set of electrical controlled installations.it was made as the barreled beer was choiced by consumers.barrelled beer was not widespreaded in a long time ago. so the proportional equipment was not advanced and it was a difficule to wash .there fore the barreled beer was limited for the reason.at the same time the washing and pouring barrell equipment was not made in a long time. existing equipment can clean the inside of a barrel, the outer wall need for manual cleaning. the design of the device features to be highlighted is clean 5l, 10l, 15l, 20l of four types of barrels. it is controlled by microcontroller programming. the cleaning equipment is a semi- automatic cleaning, cleaning inside and outside wall is automated, the demolition of a barrel is artificial. wall cleaning using ultrasonic cleaning techniques, which enhance the cleaning effect of the barrel. key words: kegs; washing machine; single chip micyoco; programmable control; ultrasonic 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） iii 目 录 摘 要 . i abstract ii 第一章 前 言 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 现有产品 . 2 1.3 本设备概述 . 6 第二章 单片机概述 8 2.1 单片机及其发展概况 . 8 2.2 单片机的结构特点 . 11 2.3 单片机应用综述 . 13 2.3.1 单片机的优点 . 13 2.3.2 单片机的应用领域 . 14 2.3.3 单片机的选择 . 15 2.3.4 单片机发展趋势 . 15 第三章 设备本体设计 18 3.1 设备总体方案 . 18 3.2 旋转桶托支架设计 . 19 3.2.1 扎啤桶桶托设计 19 3.2.2 扎啤桶桶托支架的设计 20 3.3 清洗头与其托架的设计 . 21 3.3.1 清洗头 21 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） iv 3.3.2 清洗头托架设计 24 3.4 轴的设计 . 25 3.5 机架的设计 . 25 3.6 清洗槽设计 . 26 3.6.1 清洗槽设计 26 3.6.2 清洗槽支架设计 26 3.7 管路原理设计 . 28 3.8 气动系统设计 . 29 第四章 有关配件的选择及计算 31 4.1 泵及匹配电机的选择 . 31 4.1.1 泵的选择 31 4.1.2 电机的选择 31 4.2 空气压缩机的选择 . 32 4.3 管道的选择 . 33 4.3.1 金属管的选择 33 4.3.2 软管的选择 34 4.3.3 管道附件的选择 35 4.3.4 气动系统输气管的选择 36 4.4 气缸的选择与安装 . 36 4.4.1 气缸的选择计算 36 4.4.2 气缸的安装 37 4.5 气动阀的选择 . 37 4.5.1 气动阀的原理及结构说明 37 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） v 4.5.2 阀体的设计计算 38 4.5.3 阀体的密封 39 4.6 旋转桶托支架的驱动电机的选择 . 39 4.7 传感器的选用 . 40 4.8 电磁换向阀的选择 . 43 4.9 超声波发生器的选择与安装 . 43 4.9.1 超声波发生器的选择 43 4.9.2 超声波发生器的安装 45 第五章 电路设计 47 5.1 电路工作原理说明 . 47 5.2 电气元件的选择 . 47 5.2.1 单片机的选择 47 5.2.2 按钮的选择 48 5.2.3 接触器的选择 49 5.2.4 熔断器的计算 49 5.2.5 热继电器的选择计算 49 5.2.6 电容器的选择 50 5.2.7 光电耦合器的选择 50 5.2.8 三极管的选择 50 5.2.9 电阻的选择 50 5.2.10 稳压块的选择 50 第六章 单片机程序设计 51 6.1 控制要求 . 51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） vi 6.2 c8051f021 单片机简介 52 6.3 管脚分配 . 53 6.4 程序编写 . 54 结束语 55 参考文献 56 附录：c 语言编程计算 58 致 谢 63 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 1 第一章第一章 前前 言言 1.1 研究背景研究背景 近二十年来，我国啤酒工业正从高速发展阶段逐步走向稳步增长阶段，各级行业主 管部门组织了多项重大技术装备的联合科研攻关和在引进、消化、吸收基础上的技术创 新，使我国酿酒机械装备行业的技术水平和制造能力提高到了一个新阶段。一个个各具 特色的以自我开发为主体的科研基地和装备制造中心正在形成。我国啤酒行业一些资金 雄厚、市场销售好的大企业、大集团都在以品牌为龙头，通过各种方式借鉴国内外先进 经验，提高企业的酿造装备水平和建立完善的技术创新体系。企业酿酒技术和设备技术 水平的提高有力地促进了产品质量的提高，有些企业的产品已接近和达到国际先进水平 标准，并进入国际市场。 当前激烈的市场环境下，企业生产销售工作的好坏直接关系到企业的生存和发展， 拥有高质量的合格产品也成为众多成功企业的共性。在新经济条件先，企业在产品市场 的竞争已经逐渐演变成产品的研发。在这种情况下，对原有扎啤桶的清洗方法提出改进 很有意义。 扎啤桶的清洗设备是随着扎啤逐渐被消费者所认可而研制开发的。早年由于扎啤未 普及，所以相应的设备也比较简单落后。以致扎啤桶的清洗成为一件难事，大大限制了 扎啤的推广，相应的限制了扎啤桶清洗设备的研制开发。随着改革开放的深入，人们已 经逐步使用并在扎啤的消费也逐年提高。 相应的扎啤桶的清洗设备成为急需解决的问题， 近几年扎啤桶的清洗设备比之前有所改进，但仍有些问题需进一步完善，以前老化落后 的设备要进行改良和完善。国外的扎啤生产、清洗很早就实现了自动化。伴随着我国进 入 wto，外国的啤酒行业对我国的啤酒产业产生冲击，因此我国的啤酒行业必须进行 相应的改革，提高市场竞争意识，加大改革的步伐，基于此点，我们对原有的设备进行 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 2 改革，提高自动化程度，用可编程控制器进行改造，因为它不受外界干扰，体积小，内 部功能强，系统扩展方便，具有很强大的系统调试和辅助设计的手段，适应温度范围宽， 在各种恶劣的环境下，容易采取对系统进行电磁屏蔽等措施，可靠性比一般的微机系统 高的多，这样应用极为方便，大大的缩短了系统研制的周期，使整个系统的效率和可靠 性大为提高。 原来的生产是人工手动控制，比较浪费时间和劳动力，生产效率很低，为了提高劳 动的生产效率和产量，充分利用劳动力，我们决定采用半自动化的生产模式，因为中国 的劳动力价格便宜，而技术水平较低，如果采用全自动模式，那样生产成本太高，不适 合，而人工手动控制，由于有很多人为因素，会使生产效率不会太高，因此我们采用了 单片机控制，用一到二人就可以了，充分利用了劳动力，我们把事先编好的程序输入单 片机，工人只需按说操作就可了，对工人的技术水平要求不高，只要对机器进行按时维 修就可以了，机器的使用寿命很长，大约有 10 至 20 年，维修也相当方便快捷，不会耽 误生产和使用，采用 220v 民用电源就可以，通过电控制阀，以阀控制气，以气控制阀， 从而实现了半自动化生产。 今后的设计发展将会向更高的技术水平迈进，科技含量越来越高，自动化程度也越 来越高，对工人的要求也会相应的提高，工厂也会向大型化、集约化迈进。因为只有在 大批量、全自动化的生产线上，生产成本才会大幅度的降低，市场竞争中才会立于不败 之地。将来国内市场发展格局就是朝着这个方向发展。总体上来说，中国的啤酒市场潜 力很大，对以后的企业和研究单位更是一个严峻的挑战，只有放眼未来的目标，才能使 我们更能适应这个社会的进步和发展。 1.2 现有产品现有产品 现有的产品结构形式单一，下面就简单列举几种产品如下： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 3 山东工大机械公司生产的单头啤酒桶清洗机、双头啤酒桶清洗机两种型号；青岛仁 成啤酒设备有限公司生产的 qx- 型啤酒桶清洗机、qx-型啤酒桶清洗机、rc- 1 型啤 酒桶清洗机；青岛金酉科技有限售公司生产的 jy- e 型保鲜容器清洗机、jy- f 型保鲜容 器清洗机；青岛华英啤酒设备有限公司生产的双工位啤酒桶全自动清洗机、四工位啤酒 桶全自动清洗机、hy- s 无酒茅啤酒桶清洗机系列；青岛海志包装设备有限公司生产的 qb1 型清洗机、qz- 2l- 12 型啤酒桶自动清洗机、qj1 型啤酒桶自动清洗机、qj2 型啤酒 桶自动清洗机、q2 型啤酒桶自动清洗机、q3 型啤酒桶自动清洗机、q4 型啤酒桶自动清 洗机、qb1 型啤酒桶自动清洗机、qk6 型啤酒桶自动清洗机；青岛派特啤酒器具有限责 任公司生产的 pt型啤酒保险容器自动清洗机；沈阳新科实业发展公司生产的 xkqj-b 型扎啤清洗机。 本人在燕京啤酒（包头雪鹿）股份有限公司进行生产实习时，扎啤生产车间放有三 台扎啤桶清洗机，分别是青岛海志包装设备有限公司生产的 q2 型啤酒桶自动清洗机、 青岛派特啤酒器具有限责任公司生产的 pt型啤酒保险容器自动清洗机； 沈阳新科实业 发展公司生产的 xkqj-b 型扎啤清洗机， 并且本人主要对该三家产品进行了实地的研 究。 青岛海志包装设备有限公司生产的 q2 型啤酒桶自动清洗机： 1.特点： (1)可编程控制器全过程自动控制； (2)所有参数可不停机修改； (3)管道优化设计，冲刷力大； (4)气路管路主要部分采用刚性连接，无泄漏，寿命长； (5)设有 co2备压功能； (6)全部采用气控双动角座阀，动作灵敏可靠。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 4 2.技术参数： (1)外形参数：1200mm1350mm1900mm (2)清水箱箱容积： 3 0.12m (3)消毒水箱箱容积： 3 0.12m (4)净重：175kg (5)适用桶范围：5l- 50l (6)生产能力：120 桶/小时(20l) (7)设备总功率：950w (8)供电电压：220vac 50hz 3. 工作程序（该工作程序可据用户要求更改） ： 压紧排残液清水清洗消毒液清洗清水清洗无菌水清洗co2 备压取 桶 4.主要配件品牌：德国 simens、法国 schneider、台湾 airtac 图 1.1 q2 型啤酒桶自动清洗机 沈阳新科实业发展公司生产的 xkqj-b 型扎啤清洗机： 1. 设备特点 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 5 (1)全自动过程控制。 (2)单独手动排残酒功能。 (3)左右桶不合格酒矛分别自动报警。 （不包括无酒矛管或密封不严） (4)以气动角座阀代替电磁阀，不怕潮湿。 (5)各工序时间任意可调。 (6)每班工作量及总清洗桶数查询。 (7)井式、板式酒矛通用。 2. 工艺过程 压桶开酒矛排空进清水排空进消毒液回消毒液最后排空闭酒矛 抬起 3. 设备配置 (1)日本进口欧姆龙可编程控制器（单片机） 。 (2)不锈钢气控角座阀。 (3)韩国进口压力传感器。 4. 主要参数 (1)工作效率：120 桶/小时 (2)压缩空气：大于 0.4mpa (3)电源：ac220v、50hz (4)工作电压：dc24v 图 1.2 xkqj-b 型扎啤清洗机 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 1.3 本设备概述本设备概述 本次设计所要突出的重点是该设备只对材料为塑料的扎啤桶（如图 1.3）设计的。因 为本人在燕京啤酒（包头雪鹿）股份有限公司进行生产实习时，了解到现在生产扎啤时 所用的扎啤桶基本是塑料的桶。由于塑料的扎啤桶保温结构使得它的保温性要比不锈钢 扎啤桶的好。在夏天的时候塑料式的扎啤桶更使扎啤保持在较低的温度。在实习中遇到 的问题也在该设计中也得到了相应的解决。 图 1.3 扎啤桶 该设备可以清洗 5l、10l、15l、20l 四种型号的桶，对此设计了相应的桶托架和夹 具。在清洗不同桶型的时候，只要更换与桶相匹配的桶托架和夹具即可。桶的内壁清洗 采用气缸推动清洗头连同其托架顶开酒茅清洗，即现行的清洗方式。桶外壁的清洗则采 用超声波清洗技术， 解决了桶外壁清洗的难题。 从效率上来看， 现有设备的效率在 60- 120 桶/小时，但在实际生产中这些设备的清洗能力也只能达到说明书所说的 75%左右。根据 清洗工艺的要求， 压紧桶 2s、开桶 1s、排残酒（根据压力传感器确定）约 3s、进清水 4s、排清水 7s、进热碱水 3s、回热碱水 6s、进消毒水 4s、回消毒水 7s、co2备压 6s， 所以整个过程大约需要 45s。由于该设备的桶托架采用旋转机构，电机带动桶托架旋转 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 90到指定位置（由位置传感器控制）需 2s。每次有 8 个桶在清洗，4 个在上方清洗内 壁，另外 4 个清洗外壁，清洗工作同时进行。清洗完清洗头下降需 2s，即 47s 可以洗完 四个桶。再加上人工拆卸桶的时间，最快每分钟可洗 4 个桶，那么一小时做多可洗 240 桶。 考虑到实际操作受到其他方面的影响， 此清洗机的清洗能力可达每小时 200240 桶。 这样的清洗效率对提高生产效率是不言而喻的。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 第二章第二章 单片机概述单片机概述 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力 的中央处理器 cpu 随机存储器 ram、只读存储器 rom、多种 i/o 口和中断系统、定时 器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、a/d 转 换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 。 2.1 单片机及其发展概况单片机及其发展概况 1 众所周知，近二十多年来微型计算机的发展极为迅猛，其发展方向主要有两个：其 一是不断推出高性能的通用微机系统，这类计算机主要用于科学计算、企事业管理、数 据处理等场合；其二是大量生产和广泛应用单片机(亦称微控制器 mcu)，它是在一个芯 片上集成了一个完整的微型计算机，即在一个硅片上集成了 cpu、数据存储器 ram、 程序存储器 rom 或 eprom、定时器/计数器以及各种 i/o 接口。 由于单片机的体积小、功能强、价格低、可靠性高，特别适用于智能仪器仪表、工 业测控领域。在机电一体化、智能化电子产品、广播通讯、汽车工业、机器人工程、飞 机、火箭以及家用电器等各个领域都有着极其广泛的应用。据不完全统计，现已问世的 单片机有几十个系列、上千个品种。单片机的产量占整个微机产量的 80%以上。 我们可以把单片机的发展划分为四个阶段： 第一阶段：单片机初级阶段。因受工艺限制，单片机采用双片的形式，而且功能比 较简单，如仙童公司的 f8 实际上只包括了 8 位 cpu、64 字节 ram 和 2 个并行 i/o 口， 因此，还需加一块 3851(由 ik rom、定时器/计数器和 2 个并行 i/o 构成)才能组成一台 完整的微型计算机。 第二阶段：低性能单片机阶段。以 intel 公司的 mcs48 为例，采用了单片结构， 即在一块芯片内就含有 8 位 cpu、并行 i/o 口、8 位定时器/计数器、ram 和 rom 等， 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 但无串行 i/o，中断处理也较简单，片内 ram 和 rom 容量较小，且寻址范围有限，一 般都不大于 4k 字节。 第三阶段：高性能单片机阶段。这一类单片机带有串行 i/o，有多级中断处理，定 时器/计数器为 16 位，片内的 ram 和 rom 相对增大，且寻址范围可达 64k 字节，有 的片内还带有 a/d 转换接口。这类单片机有 intel 公司的 mcs51，motor01a 公司的 6801 和 zilog 公司 z8 等。由于这类单片机应用的领域较广，目前还正在不断改进和发 展着。 第四阶段： 16 位单片机阶段。 16 位单片机除了 cpu 为 16 位外， 片内 ram 和 rom 容量进一步增大， 实时处理的能力更强。 如 intel 公司的 mcs96， 其集成度巳为 120000 管子/片，主振为 l 2mh2，片内 ram 为 232 字节，rom 为 8k 字节，中断处理为八级， 而且片内带有多通道10位a/d转换和高速输入/输出部件(hsio)， 实时处理的能力很强。 若从单片机的结构和功能来看，可以说单片机经历了三代： 第一代单片机，只是将 cpu 及 ram、rom、i/o 口、ctc 等计算机功能单元集成 在同一个芯片上，其典型产品为 intel 公司的 mcs48 系列单片机。 第二代单片机的重要技术指标特征是：在特殊功能寄存器 sfr 管理下的模块结构， 标淮的外部三总线(ab、 db、 cb)结构， 和用于多机和网络系统的通用异步收发器 uart 全双工串行接口。其典型产品为 intel 公司的 mcs51 系列单片机。 前两代单片机基本上属于微计算机的范畴。 新一代单片机即第三代单片机，则大力发展控制功能，提高系统运行的可靠性，逐 步将测控系统要求的外部接口电路，如高速 i/o、adc、pwm、wdt 纳入片内，朝着 真正实现控制器所应具有的功能为目标迈进。这一目标首先在 intel 公司的 16 位单片机 mcs96 单片机中得到体现。随后许多大公司积极配合，在第三代单片机中迅速普及这 些技术。新一代单片机以飞利浦公司与 intel 公司 mcs5l 单片机完全兼容的 80c5l 系 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 列最为典型。 新一代单片机的技术特点： (1)普遍采用 cmos 工艺，通常都能与 ttl 电路兼容。大力发展低电压、低功耗专 用系列，以满足某些应用需要，如 80cl3l、80cl51、83cl410，83cl410 的电压可低至 1.8v。新一代单片机大都设置了闲置方式(cpu 停止工作，但 ram、ctc、串行口 sio、 中断系统仍起作用)和掉电方式(只保存 ram 的内容、 振荡器停振、 关闭芯片的所有其他 功能)，通常工作时耗电 15、6ma，闲置时仅 1020a，在掉电方式下可降低 la。 (2)提供不同类型的存储器，并不断扩展存储容量。 单片机中程序存储器和数据存储器是严格分开的，第二、三代单片机寻址范围一般 都是 64k 字节程序存储器和 64k 字节数据存储器， 片内容量有限， 若不够用可在片外扩 展。新一代单片机片内程序存储器的类型多样，有 rom、prom(otp)、eprom、 2 e prom、perom(闪烁存储器 flash memory)等，容量已达到 32k 字节。 新一代 80c51 系列单片机的命名规则约定 8xcxxx 中第一个 x 为程序存储器的配置 代号： “0” 无 rom， “3” rom， “7” epromotp， “8” 2 e prom， “9”perom。 (3)大力提高运行速度， 主要措施时提高时钟频率， 大多数时钟频率达到 1624mhz， 有的可达到 33mh2；另外指令中大部分为单周期指令。 (4)努力扩大接口功能： 扩展 i/o 口的数量，如 8xc451 有 7 个 8 位准双向口。 增加外部中断源，如 80cl31、80cl51、80cl410、83cl410 有 10 个外部中断源。 设置高速 i/o(也称捕捉输入/定时输出)， 其功能是捕捉外部实时事件(一般指外部 输入电平上跳、下跳或上、下跳)发生的时刻，精确地定时输出控制信号，这在实时控制 系统中非常有用。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 把 adc 和 pwm 纳入片内， 如 83c552 有 8 路 10 位 adc 和 2 路 pwm。 pwm(脉 宽调制)输出可直接控制直流电机的转速，也可通过外部滤波电路得到平均模拟电压信 号，作为 d/a 转换器使用。 (5)采用多种措施，提高芯片及系统工作的可靠性，许多单片机中都设置了监视定时 器 wdt(也称看门狗)， 它可在系统工作不正常时使系统自动复位(自动恢复到正常状态)， 并可触发外接的报警器报警。有些单片机还设置电源监测、时钟监测功能。 (6)不断发展和完善串行总线，在第二代单片机全双工串行接口的基础上进一步增 强，增加了帧错误检测和自动地址识别功能，并有多规程、高性能的串行通讯接口。新 一代单片机中还出现了 2 i c bus(即器件与器件或 ic 与比之间串行通讯总线)及 can bus(设备间总线)。飞利浦公司还推出了不少带有 2 i c bus 的外围芯片，如 ram、 2 e prom、i/o 口、a/d、d/a、lkd/ 2 i cd 驱动器等，对系统的结构设计将产生重大 影响。 2.2 单片机的结构特点单片机的结构特点 2 单片机有两种结构：兼容型单片和独立型单片机。所谓兼容型单片机，即与相应的 微处理器相兼容，也就是把该系列的接口芯片都集成在一块芯片上。如 mntorola 公司的 6801 可以看作由mc6800 系列的6875(时钟)+6800(up)+68lo(128字节ram)+6830(1k字 节 r()m)+l/2* 6821(并行 i/o)+l/3*6840(定时器)+6850(串行 i/o)所组成。 大多数单片机采用独立型结构，为适合控制之用，指令被设计为面向控制的高效控 制指令。为了提高实时执行的速度，片内 ram 的存取类同于寄存器问的数据传送。如 intel 公司的 mcs48，ti 公司的 tms7000 和 gi 公司的 ficl650 等。这类单片机比兼 容型结构紧凑，执行的效率也要高得多。 单片机的典型结构如图 21 所示，它采用 harvard 的结构，即数据存储器与程序存 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 12 储器相互分离开来(harvard aiken 在 l 994 年为 ibm 公司推出的 mark l， 提出了该结构思 想)。 这同目前常用的数据和程序合用同一存储空间的结构有所不同。 如 intel 公司的 mcs 51，把数据存储空间与程序存储空间分离开来，采用不同的寻址方式，并用了两个不 同的存储器地址指针，pc 指向程序存储空间，dptr 则指向数据存储空间。采用这种方 式主要是考虑到控制应用的特点，即需要较大程序存储空间和较小的随机存取数据存储 空间。 图 2.1 单片机的典型结构 单片机可以归纳为以下几个特点： (1)在一块芯片上集成了构成一台微型计算机所需的 cpu、存储器和输入输出部 件，br 块芯片就是一台完整的微型计算机。 (2)片内的 ram 采用寄存器结构形式，这样可提高随机存取的速度。 (3)指令采用紧凑的格式，尽可能以单字节的形式出现。如 intel 公司的 mcs48 的 70指令长度仅为一个字节，且 50%以上的指令为单周期指令。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 13 (4)片内有完善的输入/输出部件。 根据这些特点，兼容型的还称不上是真正的单片机，它仅仅是把原有的微处理器系 列中几块芯片集成在一块芯片内，因此，真正的单片机是指独立型的结构，这类单片机 因而也称为微控制器。 单片机的工艺多数采用 nmos， 目前正转向 cmos 化， 这就增强了单片机的应用活 力。片内的 ram 从早期 64 字节增大到 256 字节以上；片内 rom 也越来越大，已达 8k 字节，rom 的形式也多样化，可为片内掩模式 rom 或 eprom，也可外接 eprom 方 式，有的单片机还采用 piggyback 形式(芯片背上带有 eprom 的插座)，这实际上是把片 内 eprom 与外接 eprom 的形式结合起来， 使应用更为方便。 片内的输入/输出部件的 功能也越来越强，从早期的只带并行 i/o 发展到可带有串行 i/o 和 a/d 转换等接口， 在 16 位单片机中开始引入了通道的概念。 在芯片的结构上，各公司开始采用 ti 公司提出了“条状芯片”scat 结构(strip chiparchiteture)，控制单元、寄存器、存储器和 i/o 都为独立的条状硅片模块，然后再 按用户要求封装在一块芯片内，这样很容易设计出各种专用单片机。这种结构首先在 ti 公司的 tms7000 单片机实施，并取得较好的效果。 单片机实际上是将软件进行硬化， 这似乎兜了一个圈子， 又回到早期的计算机结构， 但不同的是现在全部都集成在一块芯片上，这是计算机发展的又一个飞跃。 2.3 单片机应用综述单片机应用综述 2.3.1 单片机的优点单片机的优点 微机应用可采用 pc 机、单板机或单片机，在控制应用领域中，采用单片机有如下 一些优点： (1)小巧、灵活、成本低，易于产品化，它能方便地组装成各种智能式控制设备和仪 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 14 器，做到机、电、仪一体化。 (2)面向控制，能针对性地解决从简单复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能 价格比。 (3)抗干扰能力强，适应温度范围宽。在各种恶劣的环境下都能可靠地工作。这是其 他的微机机种无法比拟的。 (4)可以方便地实现多机、分布式的集散控制。使整个控制系统的效率和可靠性大大 地得到提高。 2.3.2 单片机的应用领域单片机的应用领域 单片机的应用领域非常广泛，大致可以分成如下几类： (1)单片机特别适用于机、电、仅一体化的智能产品 单片机体积小，功耗低，控制 功能强，把它装到产品内部，实现不同程度的智能化，这是其他任何计算机无法比拟的。 日常生活中含单片机的电子产品：如电子秤、缝纫机、录音机芯、医疗仪器、高 级玩具以及电冰箱、彩电、洗衣机、照相机、录像机等都用单片机来控制实现自动化、 智能化。 计算机的外部设备，如打印机、软盘驱动器、硬盘驱动器、ascii 码键盘和 crt 显示器也都采用单片机控制。 在各类仪器仪表中，如温度计、流量计、流速计，以及电压、频率、功率、长度、 厚度测量仪等引入单片机后实现了智能化，功能大大增强，这是单片机应用最多最活跃 的领域。 (2)单片机在工业测控中的应用 单片机的 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，例如自动生产线、过程控制、电机控制、工业机器人、智能传感 器及汽车工业中的点火控制、变速器控制、防滑刹车、排气控制等。 (3)军事上导航、控制方面的应用 如导弹控制、鱼雷制导控制、智能武器装置、航 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 15 天导航系统等。 (4)单片机在计算机网络和通信技术中的应用 比较高档的单片机都具有通信接口， 为这一应用创造了很好的条件，如在通信机中完成频率合成、系统监控、信道检索及自 动调谐等任务。 2.3.3 单片机的选择单片机的选择 单片机的种类很多，选用时首先要了解各种单片机的不同性能。 (1)程序存储器的类型 一般有三种形式。 片内程序存储器为 rom 型，适用于大批量生产的产品。 片内程序存储器为可编程非易失性存储器，如 eprom、prom(otp)、e2prom、 perom，这类单片机使用方便，要考虑价格。 片内无程序存储器，需外接 bprom 为程序存储器。 (2)存储器容量 单片机内部已有一定数量的程序存储器和数据存储器，设计系统时 要充分估计所需的存储器的容量，当然如果不够用还可外扩。 (3)接口能力 对任何应用系统，接口能力都是至关重要的。具体说就是看单片机有 几个并行口、串行口、定时器/计数器、中断源、有无 a/d 转换器等。 (4)指令系统功能 应使应用系统的软件设计较为容易。 (5)功耗的考虑 单片机的功耗并不多，但有些应用场合，尤其是野外应用或便携式 应用系统，需用电池供电，要求低功耗的宜采用 cmos 或 chmos 单片机芯片，最好选 择具有省电方式的单片机。 (6)考虑有无相应的开发系统无开发能力。 2.3.4 单片机发展趋势单片机发展趋势 目前市场上提供的单片机主要有 4 位机、8 位机和 16 位机。在 u83 年前，单片机的 市场主要是 4 位机；到 1985 年，8 位机的销售量已经与 4 位机不相上下了；16 位单片机 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 16 在 1986 年才开始打开市场， 20 世纪 80 年代到 90 年代， 8 位单片机一直占领着主要市场。 预计单片机的发展趋势将是朝着大容量、高性能化，小容量、低价格化和外围电路 内装化三个方向发展。 (1)大容量、高性能化 片内存储器大容量化，以往的单片机片内的 rom 为 l4k 字节，ram 为 64128 字节。因此，在需要复杂控制的场合，存储容量不够，不得不 外接扩充。为了适应这种领域的要求，运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前， 单片机片内的 rom 可为 816k 字节以上，ram 可达 128256 字节。 由于 nmos 自身发热的因素，不大可能提高片内元器件的集成度，今后大容量的单 片机主要是采用 cmos 工艺。芯片的引脚多为 64 脚。 单片机的高性能化，主要是加快指令运行的速度和提高系统控制的可靠性。指令的 速度已达 1 冲，并加强了位处理的功能，充实了中断和定时控制的能力。同时，为了提 高可靠性，片内装有时间监视定时器和低电压检出电路。时间监视器用于检出因干扰等 原因使程序乱套的一种计数器；低电压检出电路则用来保证单片机不因掉电或电源电压 下降而使整个系统崩溃。 (2)小容量、低价格化 与上述的相反，以 4 位机为中心的小容量、低价格化也是最 近发展动向之一。这类产品片内 rom 容量只有 0.5lk 字节，芯片引脚为 1628 脚。 这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化。 由于单片机占用的空间缩小，而且只需变更相应的软件就可适应不同的应用要求。 所以，为了降低价格，即使采用了功能有限的单片机，借助于软件的灵活性，也可以得 到广泛的应用。 (3)外围电路内装化 这也是单片机发展主要的动向。把液晶显示或荧光显示的驱动 器装入 4 位机早已产品化。把外围电路装入单片机内，降低系统成本，也是目前单片机 发展动态之一。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 17 作为通用的单片机，已把 a/d 转换器和 d/a 转换器集成到片内；对专用的单片机， 把电话用的双音多频发生器，彩电、磁带录像机用的锁相电路也已装入片内。 随着集成工艺的不断发展，能装入片内的外围电路也可能是大规模的。这样，在应 用时，可把该应用所需的外围电路全部装入单片机内。系统的单片化倾向预计今后将会 进一步发展。 我国推广应用单片机已有十余年的历史， 在这期间单片机有了长足的发展， 世界著名的芯片制造商纷纷推出自己的单片机系列产品，其中市场占有率最高的仍是 8 位单片机，在众多的 8 位机中，以 8051 为核心的单片机发展尤为迅速，intel 公司已推 出 mcs51 系列的 10 多类近 60 个型号的产品， philips， siemens， amd， atmel， nec， harris， dallas 等公司也在以 8051 为核心的基础上发展了各有特色的系列产品， 如 philips 公司推出的以 80c51 为核心的单片机达 30 余类 70 多个型号。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 18 第三章第三章 设备本体设计设备本体设计 3.1 设备总体方案设备总体方案 现有的清洗设备的清洗过程基本都是人工放置扎啤桶、压紧桶、开桶、排残酒、进 清水、排清水、进热碱水、回热碱水、进消毒水、回消毒水、co2备压、放开桶、拆扎 啤桶这样的一个过程。整个清洗过程是在一个清洗头上完成，清洗效率取决于一个清洗 机有几个清洗工位，清洗头越多，清洗机的清洗能力越高。 本设备的为了解决现有设备效率低的问题，在清洗头数量上，该设备有四个清洗头 来清洗桶的内壁，即四个桶同时完成相同的清洗过程，从而提高效率至 23 倍。在整体 结构的设计上，采用旋转鼠笼式结构，四个桶托支架相互正交。桶托支架由交流异步电 机使其围绕轴转动，转动的角度由单片机控制。最上端的位置是采用清洗桶内壁，最下 端是用来清洗桶的外壁，水平位置的前端用来装卸桶，后端的位置用来静置桶。具体结 构如图 3.1 所示。 本设备的清洗过程为，当位置传感器测到桶托到指定位置，由清洗工作人员将未清 洗的扎啤桶放在桶托上，然后用夹具夹紧。当安放在桶托上的压力传感器测到扎啤桶， 开始进行下一步操作，电机带动桶托支架转动 90后扎啤桶被送往清洗槽内，清洗槽下 有超声波发生器，在超声波和清洗剂的作用下清洗扎啤桶外壁。清洗完的扎啤桶随桶托 支架再转动 90到静置位置，目的是让扎啤桶的外壁的清洗液空干净。空干的桶再转 90到最上端清洗内壁位置。位置传感器检测到扎啤桶，清洗头在气缸的带动下向上顶 开酒茅，然后排残酒，清水泵开始工作，用清水清洗桶内壁。接着热碱水泵工作，用热 碱水清洗桶内壁。紧接着是消毒水泵工作，用消毒水清洗桶内壁。最后 co2气泵工作， 使桶备压。内壁清洗完后，就转到工作人员的前面，由工作人员卸下清洗完的桶，再装 上脏桶。整个清洗过程有 16 个桶在清洗机上。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 19 图 3.1 设备总体结构图 1.扎啤桶托架 2.夹具 3.清洗头 4.清洗头托架 5.气缸 6.轴 7.联轴器 8.减速电机 9.支架 1 10.清洗槽支架 11.清洗槽 12.支架 2 13.扎啤桶桶托旋转支架 3.2 旋转桶托支架设计旋转桶托支架设计 3.2.1 扎啤桶桶托设计扎啤桶桶托设计 根据扎啤桶的外形结构和尺寸，在扎啤桶上端有两个手柄，如图 3.2 所示。结合这 个结构特点，设计相应的结构如图 3.3（按 20l 桶型设计） 。将扎啤桶对应的放在桶托的 槽内，槽起到定位作用，在桶托的两端装有夹具。将夹具推入手柄内，使其将手柄卡住， 这样就能将扎啤桶固定在桶托架上。此结构的优点在于它省去了现有设备上端压紧桶用 的气缸。整个桶托架全长为 2400mm。扎啤桶与桶托的安装示意图如图 3.4。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 20 图 3.2 扎啤桶 图 3.4 安装示意图 图 3.3 扎啤桶桶托架 3.2.2 扎啤桶桶托支架的设计扎啤桶桶托支架的设计 桶托支架的设计结构如图 3.5 所示，其中图 3.5a 与图 3.5b 分别为轴的两端，结构不 同。图 3.5a 的一端有 56mm 的伸出端是用来连接联轴器，在另一侧的断面成十字型， 在十字型支架伸出端末端有深 80mm 的深槽，深槽有两个螺栓孔与图 3.3 桶托架的两端 的螺栓孔配合。图 3.5b 的结构基本和图 3.5a 的结构尺寸相似，在一侧是十字型结构，用 来支撑桶托支架，中间与轴配合是扎啤桶围绕轴转动。 支架深槽的作用是为了与扎啤桶捅托架配合。 由于该清洗设备要清洗 5l、 10l、 15l、 20l 四种桶型的桶。清洗机为了符合清洗不同桶型的要求，需要换取不同的扎啤桶桶托 以配合清洗。在清洗时，工作人员根据不同的桶装卸桶托架，此过程需两个人便可以操 作。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 21 a b 图 3.5 扎啤桶桶托支架 3.3 清洗头与其托架的设计清洗头与其托架的设计 3.3.1 清洗头清洗头 清洗头作为清洗设备最重要的一个部件，它的结构决定着清洗效果的好坏。清洗头 的要实现的功能是随着气缸的上升将酒茅顶开，清洗液和 co2经过中心管道喷入扎啤桶 内，清洗完的液体需从清洗中心外侧管道流出。具体的结构需根据酒茅来设计。 酒茅有两种结构，一种是井式酒茅，如图 3.6a；一种是平板式酒茅，如图 3.6b。井 式酒茅常用在不锈钢扎啤桶上，而平板式酒茅用在塑料扎啤桶上 18。了解酒茅的结构和 尺寸，再结合现有设备的清洗头的结构进行设计。 平板式酒茅（如图 3.7）在工作的时候，以进高压清水为例，清洗头顶开盖芯高压清 水经缝二进入，进行冲洗；出清水时，当盖芯是被顶起来的，从缝二进压力气体，从缝 一出水。 设计时应注意要将清水与回的脏水分开，以免二次污染扎啤桶。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 22 a 井式酒茅 b 平板式酒茅 图 3.6 酒茅结构 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 23 图 3.7 扎啤桶酒茅 结合上述，本清洗设备主要由四部分组成：清洗头盖、密封圈、清洗头芯和清洗头 底座。它们的三维立体图形分别为图 3.8、图 3.9、图 3.10 和图 3.11。 图 3.8 清洗头盖 图 3.9 密封圈 图 3.10 清洗头芯 图 3.11 清洗头底座 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 24 将上述四个零件装配起来就成一个完整的清洗头，清洗头芯内部的孔进液体（或压 力气体） ，而底座侧面的孔出液体，这两个孔均与管接头螺纹连接。清洗头装配图如图 3.12 所示。 图 3.12 清洗头 3.3.2 清洗头托架设计清洗头托架设计 清洗头托架是用来安放和支撑四个清洗头的。架上除了安装清洗头外，在下面还要 安装气缸所需的附件。其结构为长方形铁板，全长为 2000mm，厚度为 15mm。上面有 四个直径为 40mm 的孔用于管道与清洗头连接，在其周围有四个直径为 10mm 的螺栓孔 用于安装清洗头时固定清洗头用， 。在托架的下面有四个螺纹孔用来安装固定清洗头用。 三维实体图如图 3.13。 图 3.13 清洗头托架 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 25 3.4 轴的设计轴的设计 轴的功能是让桶托支架在减速电机的带动下能够围绕轴转动。 轴的全长为 2700mm， 并且为空心轴，壁厚为 20mm，其目的是用来安放管道。在轴上有四个凸台，每个凸台 上有直径为 76mm 的槽，用于安装气缸用。在每一个凸台的一侧有一个孔，是用来将 管道从轴中引出的出口，目的是让管道与清洗头连接。在距离轴的两端 250mm 处各有 一个 100mm 长的轴环，是用来定位桶托支架的，如图 3.14 所示。 图 3.14 轴 3.5 机架的设计机架的设计 机架是用来支撑整个设备主体，所有的零部件须有它的支撑才能运转，所以它的结 构和强度对整个设备至关重要。出于对机器稳定性的考虑，分离式两端对称结构，即机 架由两部分组成，如图 3.15 所示。 从图中看到机架有一个空心的圆柱， 用于与轴配合。 圆柱的下端用三角形结构支撑。 为了使支架有更好的稳定性，在下端的每个支撑腿上再伸出两个支撑腿。图 3.15b 中的 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 26 伸出平台用来安装减速电机。 a b 图 3.15 支架 3.6 清洗槽设计清洗槽设计 3.6.1 清洗槽设计清洗槽设计 扎啤桶的外壁采用超声波清洗技术， 所以需要设计一个清洗槽。 以 20l 的桶来设计， 这样就可以满足其它桶型的清洗要求。 如图 3.16 所示，清洗槽为长方型，槽内长 2440mm，宽 2000mm，深 480mm，壁厚 10mm。在一侧上端有进液孔，对应一侧的斜下端有排液孔。清洗槽下端装有超声波发 生器，超声波发生器的选取将在下一章介绍。 3.6.2 清洗槽支架设计清洗槽支架设计 对应清洗槽有清洗槽支架，如图 3.17 所示。清洗槽的上端四周有伸出边