毕业设计-基于单片机的皮带传输控制系统.doc

本 科 毕 业 设 计 (论 文) 基于单片机的皮带传输控制系统Belt Transmission Control System Based on Single Chip Microcomputer 学 院：专业班级：学生姓名：学 号： 指导教师： 年 月毕业设计（论文）中文摘要基于单片机的皮带传输控制系统摘 要：随着现代社会中物流等产业的飞速发展，传统的人工搬运手段已经不能满足物资爆炸式增长下的输送和复杂条件下运输的需求。皮带传输机由此产生，并快速的发展应用到多个领域，现在已经成为工业生产和社会生活中必不可缺的一部分。基于单片机的皮带传输控制系统用到了硬件由5个模块组成，核心控制器是STC89C52微处理器;以L298N驱动芯片作为核心的电机驱动电路;限位开关作为检测皮带传输机安全的传感器;按键切换电机的模块,以及报警模块。当皮带发生跑偏或断裂时,限位开关闭合,向单片机中断口发出低电平信号。处理器对此外部中断信号执行相应的中断命令,及时的进行声光报警,提示操作人员,并且能够自动的关闭传输机,避免意外的发生,实现系统的智能控制。关键词：限位开关；电机驱动；单片机；智能控制毕业设计（论文）外文摘要Belt Transmission Control System Based on Single Chip MicrocomputerAbstract: With the rapid development of logistics and other industries in modern society, the traditional methods with manual handling cant meet the demand for transportation under the explosive growth and complex transportation conditions. Belt conveyor has been produced, rapid development and application to a number of scopes, becoming an indispensable part in industrial production and social life. The hardware of based on the single-chip belt transmission control system consists of five modules, the core controller is STC89C52 microprocessor; the kernel of motor drive is L298N driver chip; limit switch as a belt conveyors safety sensor; change motor running mode by buttons, and alarm module. When the belt occurs deviation or break in running, the limit switch will close, and issued level low signal to the microcontroller interrupt. The processor executes interrupt command corresponding to the external interrupt signal, and carries out the sound and light alarm in time, prompting operator and being able to automatically turning off the transmission machine to avoid unexpected occurrence, ultimate realization intelligent control at the system.Key words: limit switch; motor drive; single chip; intelligent control目 录1 绪 论11.1 课题的研究背景11.2 课题的研究目的与意义11.3 皮带传输机的发展与现状21.4课题的研究内容22 皮带传输机的总体方案设计42.1系统的功能要求42.2 系统的组成结构42.2.1系统的电源模块42.2.2系统的组成结构53 系统的硬件设计6总体电路63.1 主控电路63.2 限位开关电路的设计93.2.1 限位开关93.2.2 74LS08与门103.3 电机驱动模块电路设计及电机电路113.3.1 电机驱动模块介绍113.3.2 电机电路133.4 声光报警提示电路133.4.1 灯光提示电路133.4.2 声音报警电路143.5 按键电路153.6 指示灯164 系统的软件设计184.1 软件介绍184.1.1 Altium Designer184.1.2 Proteus184.1.3 Keil uvision4194.2 程序设计204.3 系统程序流程图225基于单片机的皮带传输控制系统的测试结果23结 论26致 谢27参 考 文 献281 绪 论1.1 课题的研究背景随着社会经济的飞速发展,古人传统的人搬牛拖的输送方式已经满足不了现代社会物资爆炸式增长下的输送需求以及复杂状况下(如山洞、极端天气等)运输的要求,皮带传输机由此应运而生。第一部带式输送机于1868年出现在英国,应用于多种场合,并发展演化出其他类型的输送机。皮带传输机又称带式输送机,是一种依靠电机运转来带动传送带发生位移,从而将传送带上物体进行传送的装置,现已成为一种通用机械,它既可以运送零碎材料,也能够输送成件产品。皮带传输机不仅局限于材料传递,它还能够与企业生产过程中的工艺流程要求协同工作,构建现代化的自动化生产线。工作中噪音小,而且结构简单,便于维护,此外还有输送量大、成本低、通用性强等不容忽略的优势1。依靠摩擦力的作用,皮带传输机不仅可以在水平方向上输送物资,还可以倾斜传送,已经成为工业生产领域不可缺少的部分。当前,皮带传输机的控制系统主要依靠3种方式实现:第一种是继电器控制系统:继电器有3个引脚,通过控制管脚端的电压来改变引脚的连接位置,已实现类似开关的功能;受材料和设计的影响,其闭合次数有着寿命的限制。作为依靠硬件逻辑连接的控制系统,继电器的可维修度最高,系统中每个器件的故障都可能引发整个系统崩溃,将故障扩大,不易查错。而且继电器的工作频率很低,触点的每次动作要耗时几十毫秒,在开闭时会产生电弧,对触点造成损伤的同时还伴随有机械磨损。综上所述,继电器控制系统使用时间短,工作时可靠性低,不建议使用。（2）第二种是单片机控制系统:单片机又名微处理器,是在半导体晶元上运用超大规模集成技术以激光刻制而成的微型处理器。得益于集成电路技术的出现,单片机虽然很小,但是功能却很完备。它将计算机中的中央处理器CPU,随机存储器RAM,只读存储器ROM都集成到了一起,虽然在运算量上不能与真正的计算机相比,但却有着计算机不可替代的作用。单片机同时将输入输出口集成到了芯片上,可以使外部电路更简单,能实现较复杂的控制,具有较大的灵活性和适应性,而且控制精度高,能进行多机联网。（3）第三种是工业控制计算机控制系统:工业控制计算机作为一种工具的总称,具有对生产步骤及机械装置、工艺设备进行监测和控制的能力。工业控制计算机有着重要的计算机属性和特征,比如包含计算机的中央处理器、硬盘、内存、外设及接口,还有操作系统、控制网络和协议、计算能力以及友好的人机界面2。堪称是功能最强大的控制系统,优势突出，例如：极高的运行速度,强大的运算能力和接口功能、方便的软件环境;同样，缺点也很明显：成本高,体积大,通常只在大型控制系统中使用3。1.2 课题的研究目的与意义单片机控制系统略差于工业控制计算机控制系统，但大大优于继电器控制系统,可以实现大部分的控制方式，而且种类多，价格低，通用性强，便于使用。工程师在选择控制系统的控制器时,要考虑多种方面的因素：选用的控制器功能否满足设计的需要；控制器的价格高低；开发的难度、周期等等,而单片机种类多样，所以通常都被优先考虑。而且,单片机的体积小,重量低,适用于很多小型的控制系统。单片机控制系统的出现，使得皮带传输机的运用不仅仅局限与大型设备和工厂中，小型、移动式的皮带传输机的需求也得到满足，扩大了皮带传输机的应用范围，极大地满足人们和社会发展力的需求，促进经济和社会的发展。此外，单片机控制系统的出现可以避免技术垄断的局面，给人们更多样化、差异化的选择余地。1.3 皮带传输机的发展与现状我国对传送机很早就有了认识，早在唐朝就出现了高转筒车，其后不断发展，但动力主要是由人力、畜力提供，在自动化工业领域应用较晚。后来通过“八五”期间的奋力追赶,我国的皮带传输机发展的水平有了很大的提高，一些涉及功率大、距离长的技术瓶颈被顺利攻克。在国外，皮带输送机技术的发展很快,主要从2个方面表现出来:一是皮带输送机的功能更多样，能满足更多的使用需求，因而应用范围更广阔;另一方面是皮带输送机本身的技术与装备有了巨大的发展,主要的发展方向转向研究制造长距离、大运量、高带速的大型皮带输送机,其核心技术涉及皮带传输机的动态分析与监控技术,用于提高皮带传输机的运行稳定性和可靠性4。目前，其运用的主要技术和设备有下面4个特点5:设备大型化。监控方式上，主要运用的技术有动态分析、计算机监控以及机电一体化,实现了对输送机的实时监测和控制。电机驱动电动运用多级驱动和中间驱动及其功率平衡技术，使传输机输送能力更强。关键部分采用新型、可靠性高的器件，降低传输机的故障率。1.4课题的研究内容单片机控制的皮带传输控制,主要功能是控制皮带传输机的4个直流电机的启停,外加限位开关,实现对传送皮带的跑偏和断裂检测,避免人身和财产的损失。限位开关检测到异常信号,立即通过单片机控制外围的蜂鸣器和LED灯报警,提示操作人员关闭系统。本设计中,电机需要有输送能力,因此对其功率有一定的要求,所以电机的选型需要慎重。此外,电机的驱动和控制系统也要重点研究,能够在传送机发生故障时迅速的切换电机的工作状态,避免人身和财产的损失。该项目的总体设计分为3个部分,分别是:(1)硬件部分:主要涉及单片机型号的选择、监测装置的选择和监测电路的设计、电机驱动模块的设计、皮带传输机的设计、报警电路的设计、元器件参数的选择以及一些数字逻辑电路的设计。(2)软件部分:主要是选择合适的应用软件,用C语言编制单片机的控制程序以及原理图和仿真图的绘制,还有一些原理图库的设计。(3)系统的综合调试与分析完善:在硬件和软件部分的设计都完成以后，将程序编译器生成的文件导入Protues软件的电路图中进行仿真运行,验证设计的正确性,分析系统的不足及原因,重新修改完善，不断往复。2 皮带传输机的总体方案设计本系统的主要功能是实现控制皮带传输机的多种模式切换以及传输机状态的实时检测并能够在传输机的异常状态下自动关闭控制系统的功能,下面对系统的功能要求和实现方案做个简单概述。2.1系统的功能要求基于单片机的皮带传输控制系统需要实现的主要功能如下:(1)模式切换:自动模式:自动模式启动时,4个直流电机由由后向前每隔15秒依次启动,然后再间隔10秒后启动料斗。至此,系统进入完全启动状态。关闭时,首先关闭料斗,10秒后关闭第一个直流电机,然后每隔15秒向程序的堆栈一样,依次关闭剩下的直流电机。若是在发现异常状况,系统还没有完全启动需紧急关闭系统时,系统应该能够判断当前已经启动的部分,不再继续将未启动的部分继续启动,转而将已启动的部分依次关闭。手动模式则是一个复位开关对应一个直流电机,方便查找故障。复位开关按下奇数次是启动,偶数次是关闭。(2)灯光报警功能:当限位开关检测到位置变化,产生的信号变化,被单片机获取分析,驱动蜂鸣器和LED灯对应的单片机端口状态改变,进行灯光报警。同时应该能够检测故障发生的位置,向异常关闭模式状态时,有序的关闭系统。(3)指示功能:每个限位开关、电机和当前的运行模式都用相应的LED指示标明,便于查错。2.2 系统的组成结构2.2.1系统的电源模块本系统的主要目的是用单片机控制皮带传输机,首要功能就是能够使皮带传输机的电机正常运转,而单片机自身的供电系统远不能满足电机运转的需要,所以需要在电机的驱动系统中外加电源。因为电机是作为皮带传输机的动力装置，只需要能够在负载下正常运转即可，对于转速的变化等没有要求，所以本设计中选用直流电机，用直流电为电机提供能量。我们正常使用的市电都是220V的交流电，需要将其转化为电机需要的直流电，如图2.1所示的整流稳压电路很好的解决了这个问题，而且可以为单片机提供电源，仅仅只需在输出端并接稳压二极管和负载即可。改变稳压二极管的耐压值，就可以为负载提供不同的电位的直流电源。图2.1 直流稳压电路2.2.2系统的组成结构本系统中使用的主要模块有限位开关、单片机及其复位和晶振模块、声光报警电路、L298N电机驱动模块、按键控制模块、LED指示灯以及控制程序等。系统的组成结构如下：单片机声光报警模块复位电路晶振电路LED指示灯按键模块电机驱动模块限位开关3 系统的硬件设计总体电路图3.1 基于单片机控制的皮带传输系统硬件电路图上图是Altium Designer软件绘制的电路总体电路图,包含了1个主控电路、2个电机驱动模块和4个直流电机、8个带独立指示灯的限位开关、模式指示灯、6个复位开关，1个作手动开关，一个作关闭自动模式开关，剩下4个对应手动模式下的电机，其中1个复用作自动模式开启开关。3.1 主控电路本设计中共使用了26个I/O口，包括两个中断口外部中断0和外部中断1，因此选用的微处理器的并行口必须要大于20个，并具有中断控制功能。其产量应该高，这样价格低，被大众熟悉，稳定性有保障，便于大规模生产、维护，成本低。因此，选用STC89C52单片机最合适不过。STC89C52作为一种功耗低、性能高的CMOS8位单片机,采用经典的MCS-51内核。STC公司在MCS-51内核的基础上进行了优化加强，使得STC89C52芯片的功能得到进一步的延伸，有着比MCS-51更多的功能。表1列举了两款微处理器的区别。表3-1:STC89C52和MCS-51微处理器参数微处理器型号STC89C52MCS-51程序存储器8KB4KB数据存储器512B128B输入输出口32个32个看门狗有无EEPROM4KB无定时计数器3个2个外部中断4个2个中断结构7向量4级（兼容51的）5向量2级全双工串行口有有并行口P0P3接口的功能如下:5STC89C52单片机共有32根输入输出口,分为P0、P1、P2、P3，共4组，每组8根。P0口具有双重功能:一、8位双向I/O口,此时带负载能力较弱,通常在外部另接一组上拉电阻解决此问题;二、还能作为低8位地址/数据总线的接口连接外接存储器。P1口单一接口功能，8位准双向I/O口。 P2口具有双重功能:一、8位准双向I/O口;二、作为单片机高8位地址的地址总线接口连接外接存储器,与P0口的低8位地址总线一起组成16位地址总线。P3口双重功能：一、8位准双向I/O口；二、作为第二功能使用，每一位功能定义如表3-2所示。表3-2：P3口的第二功能端口引脚第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（串行输入）TXD（串行输出）INT0（低电平有效，外部中断0）INT1（低电平有效，外部中断1）T0（定时器0/外部计数器）T1（定时器1/外部计数器）WR（低电平有效，外部数据存取器写选通信号）RD（低电平有效，外部数据存取器读选通信号） 图3.2 STC89C52 DIP封装图STC89C52的中断技术概述:中断技术主要用于实时监测与控制,要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求,并作出快速响应、及时处理6。单片机的中断分为外部中断和内部中断两种，外部中断通常需要与单片机的外部中断口相配合，内部中断由单片机的定时计数器产生。当微处理器检测到中断信号产生,会判断是否满足中断要求，一切条件都满足时，单片机就暂时中止当前正在执行的任务,跳入中断服务程序处理中断服务请求7。在中断服务任务执行完毕后,再跳回原来任务的终止处,继续执行原来未执行完的任务。中断也有中断优先级之分,外部中断0 定时计数器0 外部中断1定时/计数器1串行中断。图3.3 中断的响应和处理过程中断技术极大地提高了单片机的工作效率和实时性，去除了单片机在查询方式中的等待现象，是单片机在进行多线程任务时经常使用的方式。3.2 限位开关电路的设计图3.4 限位开关电路如图3.4所示，在这个电路中，不仅仅有限位开关，还有LED指示灯。在传输节的每节传送带上都配两个限位开关，一个检测皮带的跑偏，另一个检测皮带的断裂。每个限位开关都可以单独工作，一旦开关闭合，即表示皮带发生故障，此时电路导通，对应限位开关的LED指示灯开始发光，这样便于查找故障，节省时间。3.2.1 限位开关限位开关又称行程开关,可以安装在静止或运动的物体上。与继电器的工作方式类似，当运动的物体靠近静止的物体时,开关的连杆驱动开关将原本闭合的开关打开或将打开的开关闭合，改变电路的导通状态去控制电路8。如图3.5所示图3.5 限位开关限位开关按接触方式分为接触式和非接触式两种。和字面意思一样，接触式就是限位开关与物体有着直接的接触，通过碰触改变限位开关的状态，达到控制的目的。非接触式就是借助各种不需接触就能传递信号的物质改变当前的限位开关电路的参数，以实现开关开闭的功能，比如能够被感应的射频，半导体的光电效应等。在本设计中选用接触式的限位开关,因为其价格更低,精度更高,不容易出现故障。限位开关按照开关触点闭合和断开频率的不同,分为以下2种9。(1)缓动开关:此类开关的闭合和断开运转切换的时间与开关的操作频率有关,操作的频率越快,开关的切换也越快，灵敏度高。(2)速度开关:此类开关的闭合和断开的运转转换的时间为一常数，它与开关被操作的频率无关,只要开关触点移动到一定位置时,开关就会闭合或断开,此过程耗费的时间一般为弹簧弹跳所必须的时间。此设计中选用速度开关，因为此设计中并没有对开关的操作频率有要求，只有皮带出现故障的时候才要求限位开关闭合，符合速度型限位开关的要求。由于限位开关的复杂特性，电路图中选用闭合开关代替限位开关。3.2.2 74LS08与门图3.6是用74LS08连接成的与逻辑门电路。图3.6 与门逻辑电路与门的逻辑值如表3所示。表3-3：与门的逻辑值ABQ000010100111任意一个限位开关闭合后，端口电压即置低，结合上表可知，输出端K也随之置低。输出端K与外部中断1口连接，当端口信号为低时，中断程序启动，运行声光报警模块，启动声光报警器，完成报警功能。3.3 电机驱动模块电路设计及电机电路3.3.1 电机驱动模块介绍本设计中，电机驱动模块是以2块L298N芯片为核心，每个芯片配备8个IN4007二极管构成的保护电路共同组成，能够驱动100W以下的电机运转。驱动电路如图3.7所示图3.7 L298N电机驱动模块L298N是SGS公司的产品,内部包含4通道逻辑驱动电路,可以根据需要两两组合，驱动两个直流电机。直接调节电源VSS端口的电压值就可改变输出电压值，输出最高可达50V;L298N芯片的输入口可直接连接单片机输入输出口;输出端接上保护电路就可直接连接电机,使用方便。L298接受数字逻辑电平信号，芯片的工作电压在5V左右。芯片的12脚VS接电源电压,电压调节范围在+2.5至46 V之间，VS值越大，电机的带负载能力越强，但不可超过上限，以免芯片被烧毁。芯片的输出电流最高可达2.5 A,可驱动电感性负载。L298N芯片的内部逻辑图如图3.8所示图3.8 L298N内部逻辑图L298有多种型号,此设计中采用芯片型,共有20个引脚。其中INPUT1、INPUT2、INPUT3、INPUT4端口连接单片机,控制电机的运行模式;OUT1、OUT2通过二极管组成的保护电路后连接电机1,OUT3、OUT4通过二极管组成的保护电路后连接电机2;ENA、ENB是L298N芯片的使能端,用于控制电机的启停,还可以连接单片机的PWM口,改变占空比实现调节电机转速的功能。传送带系统中均已电机作传送带的动力源,根据需要，本系统中电机无需改变电机转速,故而全部连接+5V高电平,电机也只需要正转和停止模式两种。L298N的引脚状态功能如表4所示表3-4：L298N功能模块ENAIN1IN2运行状态01111X1010X0110停止正转反转刹停停止在每根输出线上都加上2个反接的二极管是用于保护L298,因为电机作为感性负载，在运转过程中两边会产生反电势,冲击L298芯片,极易烧毁芯片。其原理是:当反电势为正,大于电源电压0.7V以上时,上端的二极管被导通,此时输出线电压就被限制在电源的电压+0.7V间,不会大于这个数值；当反电势为负,低于-0.7V时,下端的二极管被导通,此时输出线电压就被限制位在-0.7V上,不会低于-0.7V了10。这两个二极管的功能就将输出线上电压被箝位在-0.7V+Vcc+0.7V之间，保护电路的正常工作。3.3.2 电机电路图3.9 电机电路如图3.9所示的电机电路,由4个单独的电机电路组成。每个电机电路中有1个直流电机，1个电阻以及一个发光二极管。直流电机在L298N驱动模块的操控下实现启停操作,但是电机的启动和停止都需要时间,在刚开始时不好凭肉眼观测,但是LED灯点亮不需要等待,这时可根据LED灯的亮灭判断电机的启停，因为本设计中电机的两端电压大，所以需要在LED灯的前端加入保护电阻。由于本系统中电机不存在反向运转,所以只需要1个LED灯即可，若是电机存在正反向运转，可以同原有的LED灯一样反向的加入电路中。3.4 声光报警提示电路3.4.1 灯光提示电路图3.10灯光提示电路LED全名发光二极管,也是单向导通，它是利用电场直接将电转换成光，与原来的白炽灯、节能灯利用三基色粉发光的原理都不同，效率高而且亮度强。LED产生的光是冷光，热度低、节能、功耗低、亮度高、寿命长而且辐射低，与传统的白炽灯、节能灯相比，优势极其明显，已成为全球最受瞩目的新一代光源，已被广泛的应用于家庭照明、汽车大灯、低温照明等各种场合，是21世纪最有发展前景的绿色照明光源10。本设计就是采用LED灯作为声光报警的灯光提示部分。LED灯左端连接单片机P2.5口，定义为LED口，电阻右端连接+5V电源。平时，LED口电压为高，LED灯两端都是高电平，不能导通，所以不能发光。当限位开关被触发后，单片机将LED口电压置低，此时LED灯两端形成压降，导通发光。程序中可以将LED端口的电压设计成高低往复的，使得LED灯变成闪烁的，更引人注目。此处LED灯作报警使用，所以选择红色，红色LED灯的导通压降在2V左右，导通电流在20mA左右，顾选择精度为1的金属膜标称电阻，值为150。3.4.2 声音报警电路图3.11声音报警电路蜂鸣器作为一种小电流驱动的发声设备，广泛的应用于单片机系统的设计中，作为报警或提示使用。一般分为有源和无源两种,有源蜂鸣器采用直流电供电，无源蜂鸣器则是采用方波供电。单片机端口的输出电流一般只有5mA,达不到使蜂鸣器工作的阀值，所以通常在需要使用驱动电路使得蜂鸣器进入正常工作状态。驱动电路一般使用三极管放大电路，包含以下3个部分:一个三极管、一个+5V电源、一个限流电阻，三极管的基极连接单片机的beep端口。此设计中选用NPN型9013三极管和有源蜂鸣器。平时,单片机的beep口置低,三极管的基极和发射集之间导通电压不足,三极管CE端不能导通,此时蜂鸣器两端无电动势，不工作。当限位开关被触发后,beep口电压置高,三极管BE集导通,则CE端导通，蜂鸣器两端电压电势差约为3V，开始工作。另外,三极管在此电路中不仅仅充当开关的作用,它还有放大电流的作用。此设计中,BE集的导通压降约为0.7V,蜂鸣器的额定电压在3V,额定电流仅有几毫安,三极管的放大倍数在50以上,所以综合考虑,选用误差在1%的金属膜电阻,阻值为2.2K。3.5 按键电路图3.12按键电路本设计中按键电路的功能是控制传送带的工作模式，通过上拉电阻和接地实现键值的变化，比单纯的接地更稳定。电路模块由6个复位按键组成，如图3.12所示复位按键S1S4分别对应手动模式下电机1电机4的控制，此外复位按键S1还具备在系统上电后，启动自动模式运行的功能。按键S5的功能是关闭自动运行模式，S6则是在自动系统关闭后手动模式的启动按钮。单片机的键盘有独立键盘和矩阵式键盘两种形式，独立按键通常是一个按键对应一个端口，简洁，而且程序设计部分不复杂；矩阵键盘的优点是节省端口，在按键很多的设计中尤为使用。矩阵键盘是把按键按照宫格的方式排列，单片机的端口一部分作行检测，一部分做列检测，当行列同时满足条件，才能确定此按键按下。例如P0口有8个端口，4个作行检测，4个作列检测，这样可以排布16个按键，比独立式多了一倍。但是本设计中一共只用到了6个按键,单片机的剩余端口大于按键值,所以本设计中选用独立键盘,方便程序的编写。独立式键盘的实现方法很简单，只要单片机读取I/O口的端电压结合硬件电路就能判定按键是否按下，因为开关的一端接在单片机端口和电源和负载端，另一端接地。开关断开时，单片机端口与电源端短接，而且单片机端口内部采用上拉电阻的方式，保证此时单片机端口的电压为高电平，但是一旦开关闭合后，单片机端口将与地短接，此时端口电平为低。这样只需在程序中检测此时单片机端口的电平状态就能够判定此时按键的开闭情况。按键防抖动是微处理器按键处理模块的一个重要内容。研究发现在某些需要按键控制的系统中，会出现按键按下后，系统没反应或者反应过激的情况，甚至在某些有干扰的场合自动的跳转，这都是未进行按键去抖动的原因。按键的防抖动分为两种，一种是硬件去抖动，另一种就是软件去抖动，两种都能降低了系统误触发的可能性。硬件去抖动一般是在按键两端并上电容，滤除杂波，稳定波形。软件去抖动也比较方便，就是在判定按键是否被按下的过程中加入一个延时程序，然后再次判定。单片机的时钟晶振运作次数每秒千万级，延时时间设置为20毫秒，使微处理器有充分的时间判定，可以有效降低因抖动带来的按键控制系统误触发的问题。3.6 指示灯图3.13 指示灯 如图3.13所示，此设计中单独使用了4个LED灯作指示用途，其中LD指示灯是蓝色LED灯；报警指示灯是红色LED灯；自动和手动模式指示灯都是绿色的。LED灯的导通电压的工作电流如表5所示表3-5：各颜色、型号LED灯的导通电压和工作电流型号颜色导通电压工作电流直插式红2.0-2.2V约20mA黄1.82.0V蓝3.03.6V绿3.03.2V贴片式红1.82-1.88V5-8mA橙1.7-1.8V3-5mA兰3.1-3.3V8-10mA绿1.75-1.82V3-5mA白3-3.2V10-15mA贴片式LED灯体积太小，不易焊接，所以本设计中全部采用直插式LED灯，由上表的LED灯工作参数，结合欧姆定律和KVL定理，选择合适的保护电阻值，分别是100、150、100、100。4 系统的软件设计为了出色的完成设计，共使用了3种软件，分别是绘制原理图的Altium Designer、进行仿真验证的Proteus、程序编制的Keil uvision4，下面分别对这些软件进行简单的介绍。4.1 软件介绍4.1.1 Altium DesignerAltium Designer 是绘制原理图，制作PCB版图常用的软件之一，以前叫做Protel，有个经典的版本Protel 99SE，是原Protel软件开发商Altium公司基于Windows操作系统推出的一体化的电子产品开发系统，集结了原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等多种使用功能,而且可以根据使用需要，自行设计原理图库文件，方便实用，广受电子设计人员的喜爱,是电子设计人员必不可缺的应用软件之一11。图4.1 Altium Designer原理图绘制界面4.1.2 ProteusProteus软件的主要功能是进行仿真，而且仿真的结果很接近实物，是电子设计人员验证产品不可或缺的应用软件之一。它由英国Lab Center Electronics公司推出,也是基于Windows操作系统，具有其它EDA工具软件所不具备的仿真单片机及其外围器件的能力,使用简单，是目前单片机方向非常好的一款仿真工具。把原理图设计、代码调试到单片机和外围电路统一运作,真正实现了从概念到产品的完整设计，是目前世界上唯一能将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持多种单片机的仿真运行，包含8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等等,本设计中用到的就是8051系列的单片机12。图4.2 Proteus仿真运行界面4.1.3 Keil uvision4C语言作为一种面向过程的高级语言，也包含了许多低级语言的特点，功能丰富、表达能力强、使用灵活方便、可移植性好，适用于嵌入式程序的编写13。和C语言相比,汇编是上一代的语言，更贴近硬件，但是在可读性、可维护性上都不如C语言，因此本设计的程序代码选用C语言编写。图4.3 Keil uvision4软件界面Keil uVision4是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件的第4代开发系统，全Windows界面，包含MDK-ARM,C51,C166和C251共4种,本设计中用到的是Keil C51。Keil C51完美支持C语言代码，编译效率高，免去了使用汇编语言带来的尴尬局面，让对硬件了解不是很深的人也有机会进行产品设计。程序设计完成进行仿真验证时，一定要注意的，代码在编译时必须要像图4.4一样，勾选出创建.HEX文件（FLASH-Configure Flash Tools-Output）。与普通模拟硬件电路图不同，Proteus仿真图中包含有单片机时必须要有对应的.HEX文件，这是编译器生成的机器码，没有它，单片机的端口状态就不会发生改变，仿真就无法模拟运行。图4.4 创建.hex文件 4.2 程序设计在软件的设计过程中，遇见了几个较为棘手的问题。第一个是程序的优先级问题：本设计中，要求在传输机工作过程中，限位开关能够实时的检测皮带的状态，在发生异常状况时迅速报警，并能够按照要求，从料斗处迅速关闭系统。所以在程序设计中，声光报警模块的优先级要高于电机运转程序；还有系统的关闭模式，一旦关闭按键按下后，系统就要按照要求迅速执行，不再执行其他的任何程序，所以系统关闭模块应具备高于声光报警模块的优先级。最终经过资料查阅，反复验证，选定采用单片机定时器方案。定时器中断不同于外部中断对电路的依赖，方便实用。T0的优先级高于T1，所以关闭按键放在T0中，报警及自动关闭放在T1中。第二个问题是中断程序与关闭系统程序的连接问题：如图4.5所示的程序中，在中断信号产生后，中断系统启动。这时的仿真运行显示报警模块可按要求工作，但是关闭系统出现故障，将会暂停一段时间后继续将系统完全启动，这时候再关闭系统。经过查改发现，这时因为中断的中断点设置不当造成的。通过不断的测试发现，可以将自动开启模块的程序适当修改，由原来的一体化改为前置条件判定的方式，延时函数插在条件中间，使中断点处于延时函数中，成功解决此问题。图4.5 中断设计4.3 系统程序流程图 开始单片机初始化等待按键控制启动限位开关闭合报警电机运行结束YYNN 5基于单片机的皮带传输控制系统的测试结果调试工作是个漫长细致的过程，一步步的由简入繁，在简单系统的结构上不断添加外围电路，并一一验证的过程。由于本设计没有实物，所以调试工作都以Proteus软件仿真实现的结果为准，当Proteus的运行过程与设计的要求一致，即认为调试成功，调试结果以图片方式显示。调试是软、硬件联动的过程，本设计采用的是分步调试的方法，一点点的添加修改。如图5.1所示，一开始只有最简单的单片机及其附属模块，用LED灯代替驱动模块和电机电路，附加控制按键，进行设计思路和程序逻辑能否满足设计要求的验证。这个时候的思路还不完善，限位开关仅用2个表示，还没有想到使用外部中断来进行程序优化，仅能实现指示灯在按键的控制下按照规定的方式亮灭。图5.1 初步设计图5.2是在验证程序的逻辑思路正确无误后开始对电路图进行修改的设计。在经过导师的指点后，填补上了电机驱动模块和电机，电路图显得更为丰满。将LED灯的控制系统改为了电机的控制系统，实现了电机的运转。这个时候的设计实现了电机的模式运转，限位开关的实时监测报警功能，按键控制模块的代码也得到优化。图5.2 初步完成图5.3 优化设计图最后就是优化电路结构，如图5.3所示，例如将原来的仅有的两个限位开关补充到8个，确保每节传送带上都有跑偏检测和断裂检测，并将这些限位开关通过74LS08与门连接，上端加入拉LED灯，这样只要哪个限位开关闭合，对应的LED指示灯就会点亮，这样就能很方便判定故障的位置。将原有的5个复位按键开关扩展到6个，优化控制模块的程序。另外，把单片机的P1口用作反馈口，用以检测P0口和限位开关的状态。由于P0口只有4个端口有状态改变，所以只检测这4个端口即可；限位开关也有8个，但此时P1口只剩下4个端口，所以需要使用74LS148编码器，将限位开关的状态进行编码，这样只需3个端口，此时P1口就被完美利用了。平时使用时要注意74LS148编码器的真值表，以7到0由大到小排列，74LS148编码器编码时从高到低依次检测，一旦发现低电平，就不再检测下面的端口状态，直接默认为低电平状态，编译。在本设计中，靠后的皮带节发生故障，前面的传输机要先关闭，所以74LS148编码器正适合本设计中的需求，但在一些各端口值都要判定，互不干扰的情况下，就要慎用此芯片了。软件部分则是将原来的开启部分分散在主程序中,通过条件判定查询的方式实现。条件是并列存在，延时置于两条件之间，使得中断点不再条件之内，从而使得中断服务函数执行之后条件变化，进入等待模式。结 论传送带作为推进生产力发展，促进物资流通的重要生产工具，必须要充分的利用。但由于传统的皮带传输机大多是大型化设备，成本高，不利于小工厂或某些生活领域的应用，特意设计了此款基于单片机设计的皮带传输控制系统。填补传统皮带传输机不能小型化应用的不足，同时优化产品设计，更适应现代社会发展的需要。本文在参考了国内外大量资料的基础上，针对传统的一系列基于继电器控制的皮带传输