基于光信息特征纸张检测系统单片机控制设计毕业论文.doc

江苏大学本科毕业设计说明书基于光信息特征纸张检测系统单片机控制设计毕业论文课题依据：现代造纸业对于纸张的质量要求很高,大都需要对纸张质量进行更为严格、快速、准确的检测。我们所熟悉的纸张检测手段大多是人工质量检测,其方法简单,但是效率低,质量也不行,且不能实现生产的自动化。所以现在急需一种能实现机械自动化检测纸张质量的系统。近些年, 单片机的发展迅速，它的体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，使其被广泛应用于各种仪器仪表中。将单片机与光信息特征识别技术结合起来，可以构成方便的纸张表面的数据采集及控制系统，对产品质量进行实时监测、动态测量、自动按品质分级。这种技术在意义上可以解决纸张检测方面的难题，能够给我们现代化生产提供很多帮助。本毕业设计将要求研发一种基于光信息特征识别技术的纸张检测单片机控制系统。任务要求要求：设计研发一种基于光信息特征识别技术的纸张检测系统，要求具有高精度、易测量、性能稳定、结构简单等优点.(可识别，精度调研后方可确定）（1）去图书馆查找有关资料，相关文献等，做到对原理的熟悉和运用。（2）设计一种采用单片机控制的基于光信息特征识别技术的纸张检测系统装置（控制部分）。（3）操作方便，易懂，结构简单，维护方便，结构稳定。任务：（1） 完成毕业设计说明书一份（设计说明书8000汉字以上）（2） 调研报告一份（不少于1000汉字）（3） 综述报告一份（不少于2000汉字）（4）设计图纸一套（折合O号图纸1-2张、至少一张以上CAD图）（5） 完成英文翻译一份（译文4000汉字以上）（6） 相关硬件制作（视具体情况确定）毕业设计（论文）进度计划：起 讫 日 期工 作 内 容备 注第8周 第10周第11周第11周第12周第13周第14周第15周第16周第17周第18周第18周调研了解市场信息、收集文献等英文翻译、文献阅读、初步方案的探讨、初步方案的确定详细设计（结构设计、软硬件制作等）详细设计（结构设计、软硬件制作、调试、修改等）详细设计（结构设计、软硬件制作、调试、修改等）论文撰写总结、论文答辩准备等备 注硬件制作视具体情况目 录摘要7Abstract 8引言10第一章 整体构造13第二章CCD图像传感器的选择与系统光学部分的设计与计算142.1 选择CCD图像传感器的原则 142.2本次设计中选择CCD方法和所选CCD器件的型号14 2.3 光学系统成像的基本公式和计算 15 2.4 照明电路的设计162.4.1照明光源的选择162.4.2照明方式的选择172.5面阵CCD摄像机光学镜头的类型选择 17第三章 系统硬件部分的设计与计算 183.1 初始信号处理电路的设计 183.1.1 信号二值化处理电路设计 183.1.2 信号量化处理193.1.3 信号对外输出电路-译码电路的设计 193.2 图像数据采集卡功能和选择203.2.1 图像数据采集卡的基础功能 203.2.2 基于PCI总线图像数据采集卡的原理 213.2.3 图像数据采集卡的选择 213.3 PC机的要求，选择和接口设计 22 3.3.1 PC机的要求和选择 223.3.2 PC机与外部设备的接口设计233.4 换纸机构中步进电动机的参数要求及选择233.4.1 步进电机的动作 233.4.2 步进电机的选择 243.5 机械换纸自动分流机构的设计25第四章 系统自动控制部分的设计 274.1设计方案论证 274.2继电器的工作原理和特性 29 4.3 比较器LM339 304.4 四输入或门74LS32 324.5六输入非门74LS04 324.6电路原理及其实现 33结论 36致谢 37参考文献 38附录A（系统框图）40附录B（调研报告）41附录C（综述） 43附录D（翻译译文）46附录E（英文原文）56引言当前在中国加工制造业能力普遍过剩的状况下，造纸工业是为数不多的需求不断扩张的行业之一，大力发展现代造纸工业，显然可以成为中国新的经济增长点，势必对中国国民经济的增长产生有力的拉动作用。 纸张是人们日常生产，生活的重要用品。造纸业是我国重要的轻工产业，我国也是世界上的造纸大国，同时也是纸张使用量最大的国家。在日常的办公学习中，我们经常接触到的是国家标准的A3（420mm297mm）和A4（297mm210mm）纸。造纸企业非常重视纸张的产品质量，但我国现在的实际情况是：少数大中型国有或外资企业引进或拥有了成套纸张检测设备，并制定了相关的企业标准，效率高成本低；相对应的是，大量的中小型造纸企业或乡镇企业在纸张检测方面没有足够的资金投入采用现代化自动控制设备，仍然采用传统的手工分纸，或者采用化学方法分析。手工分纸效率低成本高；化学方法过程复杂、成本高，同时会产生环境污染。如何帮助这些企业提高纸张检测效率，已成为一项课题。本文将研究一种利用CCD技术的纸张检测系统，并结合本科所学自动控制知识，提出一种基于单片机控制的纸张检测自动控制设备。其结构简单、便于控制、非接触、精度高、测量速度快、性能稳定可靠等优点，整套设备造价较低，且优于目前小造纸厂传统检测方法，能够有效提升小型造纸厂的检测水准，保证其纸张检测质量符合现在的高标准。1、造纸工业现状和社会调研情况：通过网上调研知道近年来，一些造纸企业通过污染治理，观念发生了改变，逐步认识到不是环保影响了造纸企业的发展，而是市场淘汰了落后的造纸生产，环保提升了我国造纸工业的水平。这些企业优化技术结构，通过高强度、高得率、低污染的生产技术，向低定员、高任务，低消耗、高效率的造纸生产迈进。当前环境、资源等的制约，对造纸行业既是严峻的考验，又是产业结构调整的最好时机。加大推行造纸行业全面结构调整力度，不仅涉及规模和布局的调整，也要优化产品结构、技术结构和市场结构等，压缩低档产品的生产，生产高附加值的产品，从根本上解决污染。造纸行业和企业要以市场为导向，以提高企业竞争力为核心，结合实际情况，做到有进有退、有抑有扬、关小扶大、扶优汰劣、走资源消耗低、环境污染少、科技含量高、经济效益好、行业可持续发展之路。金光集团镇江市金东纸业由于进口了芬兰和德国的先进生产设备，制定了相关的企业标准，全套台湾企业化管理，纸张检测采用全自动化在线检测，成本低、员工待遇好、劳动强度低.因此，企业效益很好。2、主要研究内容：本设计的内容主要为纸张检测系统的单片机控制部分，此外，还涉及以下相关的内容：一、 CCD的应用 本设计利用CCD的图像采集功能对纸张进行非接触在线检测，从而实现纸张监测的自动化。从而实现CCD检测系统的快速化、自动化、集成化及标准化。二、 图像数据采集 CCD摄像头配备有与其匹配的图像数据采集卡，随着计算机PCI总线的发现和完善，图像采集卡的结构大大简化。此系统的图像数据读入部分是基于PCI总线的图像采集系统。可将图像卡插在计算机的PCI插槽内，与计算机内存、CPU、显卡等之间形成高速数据传递。三、机械换纸机构 纸张分流的难点在于如何设定速度，要考虑CCD检测系统的帧转移速度，程序处理速度和机械换纸速度三者的综合。分流速度要与检测速度匹配，同时要很好的与计算机配合。3、本设计整体方案： 系统的工作情况如图1所示。图 1 系统工作简图4、主要技术：本系统研究的主要技术是：1、纸张图像信号的读取； 2、检测数据的处理；3、换纸机构设计； 4、单片机对整个系统的控制第一章 整体构造CCD纸张检测部分主要有：信息采集、图像处理、数据存储、纸张分流和单片机自动控制部分。信息采集主要流程：纸张信息从CCD器件-图像信息采集卡-计算机内存采集-图像传输过程；图像处理是对纸张图像信息进行处理、分析。并得出纸张缺陷信息和纸张分级信息。信息存储功能是将图像处理后的信息进行分类存储，以及基于数据库技术的人机交互界面以及添加、删除、更新等功能。纸张自动分流机械机构主要完成将纸张按照计算机给出的判断分类自动摆放。自动控制部分是使整套设备处于自动控制状态，可以避免人为误差，包括：选择纸张检测类型，自动上料机构和利用计算机分类结论来控制自动分流机械机构。第二章 CCD图像传感器的选择与系统光学部分的设计与计算2.1 CCD图像传感器的选择现代科学研究和高技术的需要，生产电荷耦合器件（CCD）阵列的厂家越来越多，因此应选择更适合应用上特殊需要的CCD，选用时主要考虑：CCD阵列的尺寸、光谱响应、动态范围以及扫描速率等。必须经过谨慎的比较，最终选出经济又实用的CCD阵列。在本设计中，可以选用光注入式线阵CCD和面阵CCD。2.2本设计中选择CCD方法和所选CCD器件的型号 选择面阵CCD主要看其是否能达到测量要求的CCD的分辨率。本次设计主要检测平时学习办公常见的国家标准A3和A4纸。为了简化设计、降低成本，故采用一个光学镜头（凸透镜）检测两种类型的纸张。A3纸的面积是A4纸的两倍，只要满足A3纸的最低设计要求，A4纸定能满足。依据国内大型纸张企业如金东纸业生产A3纸的要求，最小分辨面积为8，用于采用的检测方法的限制，最小分辨面积在CCD表面的投影至少覆盖4个像素，所以每一个像素对应的纸张面积最小应为84=2。对应在每一个像敏元长度上的纸张长度为=1.414mm。那么所需的CCD器件在长度方向上应该有4201.414=297.03=298个像敏元。在宽度方向上应该有：2971.414=210.04=211个像敏元。为了保持系统的精度，在原有的精度方面添加一个1.4的精度系数，那么CCD器件的图像阵列大小应为（2981.4）(2111.4)=417.2295.4=418(H)296(V)。此为A3纸对于CCD阵列的要求。同时验算A4纸是否满足。A4纸的最小分辨面积应该更高，为4,所以每一个像素对应的纸张面积最小为44=1。对应在每一个像敏元长度上的纸张长度为=1mm。那么所需的CCD器件在长度方向上应该有2971=297=297个像敏元。在宽度方向上应该有：2101=210=210个像敏元。同样，添加一个1.4的精度系数，那么CCD器件的图像阵列大小应为（2971.4）(2101.4)=415.8294=416(H)294(V)。相对于A3纸，阵列需求变化不大。在这里选用TCD5130AC帧转移型面阵像敏CCD，它的有效像素为754583。像素单元尺寸（长高）为12.0m11.5m。像敏面积大小为9.05mm6.70mm.具体参数见表2.1。如果追求更高的分辨率，则需要CCD器件的像敏元个数更多，如果纸张不变，换成IA-D-1024型CCD器件，分辨率高达0.351mm.如果换更高像敏数的器件，则分辨率更高。符号特性参数最小值典型值最大值单位R响应度6580mV/lxV饱和输出电压600900mVV暗信号电压12mVRFT复位脉冲反馈中心400700mVSMR图像 像晕-120-110dBI输出三极管电流10mALAGd电压降0.11mVZ输出阻抗250300表1 TCD5130AC的特性参数23 光学系统成像的基本公式和计算光学系统的作用是把物体或待处理的图像成像（投影）到CCD器件上。因此在确定原理方案时，要进行光学系统的外形尺寸计算。在本设计中，光学系统的外形尺寸计算是根据理想光学系统的牛顿公式来计算的。该公式的图像表示如图2.3所示。图2.3 通过凸透镜成像示意图选用CCD像敏面积大小为9.05mm6.70mm。但考虑到后续凸透镜的选择，保守确定像敏面积大小为4.83.6mm。物镜焦距公式（牛顿公式）为：其中 -垂直放大率 y-像高 x -为牛顿公式描述的物距 y -物高 x-为牛顿公式描述的像距f -物方焦距 f-像方焦距被测对象为国家标准A3（420mm297mm）和A4（297mm210mm）纸。纸张的长边尺寸为420mm和297mm。为了使光学系统的设计尽量简单化，设像距为一定值，即设x=0.1mm。这样的设计保证了CCD传感器与凸透镜之间的距离，透镜焦距的变化可以使用变焦镜头来完成，设备维护方便。计算得A3纸, =4.8420=0.01143倍；f=f=8.75mm；x=765.4mm计算得A4纸, =4.8297=0.01616倍; f=f=6.2mm；x=382.9mm得出主要参数焦距f的变化范围为6.2mm-8.75mm。2.4 照明电路的设计2.4.1照明光源的选择检测系统一般有两种：一种是通过测量备件物体的空间频谱分布来确定被检测物体的某些特征参数，这种选择激光照明，因为它能满足单色性好，相干性好，光束准直精度高等要求;另外一种是通过测量物体的像来测量被检物体的某些特征参数，这种检测只要选择白炽灯或者碘钨灯作为照明光源就可以了。本设计采用的光源属于后一种。在这里检测的一般是白纸，所以对照明的要求并不是很高，而且系统采用的是CCD器件，该类型CCD器件的最低照度为0.003Lux，最大照度为130Lux，只要CCD表面的光照度保持在上述照度之间，就能在CCD表面形成清晰的影像，所以在本系统中采用白纸灯照明即可。2.4.2照明方式的选择 照明系统包括光源和聚光镜，前面已经对光源和凸透镜镜头作出了选择，照明的作用是为了使目标物得到更充分的照明，使得像平面有足够的照明。 照明方式有：临界照明和柯拉照明，临界照明的特点是会使物体表面照度不均匀，导致接收器上的光能量分布不均匀，影响成像质量和测量精度，不适合在这里应用。柯拉照明正好弥补了临界照明的弱点，它把光源均匀照明了的聚光镜成像在物平面上，可以使物体得到均匀的照明，本次设计对成像质量和测量精度都较高，故采用柯拉照明。 2.5面阵CCD摄像机光学镜头的类型选择格式接口焦距f（mm）孔径(F) 像敏面积(mm)视场角（）CS6-60F1.2-22C4.83.644.0-4.7CCD的不同应用就要有各种各样的光学镜头，当前除了C和CS接口镜头外，由于单板CCD摄像机的大规模产业化，不仅使得CCD摄像机所需的小光学镜头越来越多样化，同时使得该行业制定了相应的标准，用户可以根据不同的型号自主选择型号。在这里本次设计中选择电动变焦镜头，CS接口，具体参数见表2。表2 CCD电动变焦镜头参数第三章 系统硬件部分的设计与计算3.1 初始信号处理电路的设计3.1.1 信号二值化处理电路设计这里由于对灰度没有具体要求，因此为了提高处理速度，降低处理成本，采用二值化处理方法。二值化处理的目的是把CCD视频信号中的图像尺寸信息与背景分离成二值电平。二值化处理的就是把图像和背景作为分离的（0，1）区分对待。光学系统把被测对象成像在CCD的像敏面上。由于被测物与背景在光强分布上的变化反映在CCD的输出视频信号上，对应输出电压会产生较大变化，即图像尺寸在边界处会有明显变化。二值化处理图像数据的方法包括：固定阈值法，浮动阈值法和微分法等。由于浮动阈值法可以根据光源及背景光的影响进行适当调整，自动想办法找到CCD视频信号中被测物体像的边界二值化特征，故本系统采用浮动阈值法处理数据，在浮动阈值法中，阈值电压的确定是通过采样/保持器采得CCD在一个周期内输出的背景信号，并保持这个周期。随后跟随器输出信号通过电位器送到电压比较器，提供阈值。电路中用到的各类元器件如采样/保持器、跟随器的选择根据具体纸张参数要求确定。本系统采用硬件二值化数据采集电路，其原理如图3.1所示，它由门电路、二进制计数器、锁存器和显示器构成。这类数据采集电路适用于对物体外形尺寸的测量，能够采集二值化脉冲的宽度，符合本系统的要求。图3.1 原理图3.1.2 信号量化处理CCD器件作为光电传感器，在进行光谱探测、光学图像测量和光强分布测量时，需要测出CCD每个像敏单元的光照强度值，在这里即光强分布的I(x,y)值。CCD的输出为周期时序电压信号，在这种情况下需要对视频信号进行量化处理和A/D转换，并对转化后的数字信号做后续处理。如图3.2所示，CCD视频输出的脉冲调制信号经过低通滤波器滤波后，变成时间上的连续模拟信号。采样/保持电路对连续的视频信号在时间上进行间隔采样，变成离散的模拟信号，再由A/D转换器将其转化为数字量送入计算机。图3.2 量化过程3.1.3 译码电路的设计 设计译码电路可以使现场人员能够实施监控CCD数据的传输情况，由于信号量化处理后的数据为八位二进制数据，故这里的译码电路采用C302型BCD-8段译码器，把输入的八位二进制数据分为高四位和低四位，通过译码由2个8位字段LED显示器对外输出。该译码器的真值图如表3.1所示。输入端输出端B C D A0 1 2 3 4 5 6 7 8 90 0 0 0 1 - - - - - - - - -0 0 0 1- 1 - - - - - - - -0 0 1 0- - 1 - - - - - - -0 0 1 1- - - 1 - - - - - -0 1 0 0- - - - 1 - - - - -0 1 0 1- - - - - 1 - - - -0 1 1 0- - - - - - 1 - - -0 1 1 1- - - - - - - 1 - -1 0 0 0- - - - - - - - 1 -1 0 0 1- - - - - - - - - 1表3.1 C302BCD-8段译码器真值图3.2 图像信息采集卡的功能与选择3.2.1 图像信息采集卡的功能图像采集卡的本质是以帧存储器为核心的系统，其原理框图如图3.3；面阵CCD的输出信号一般是具有行、场同步的全同步信号，又成为视频信号。图像输入设备的主要任务是将模拟的图像信息转换为运算处理所需要的数字信号。图像处理设备视处理方法的不同而采用不同的计算机。图3.3 图像采集卡框图3.2.2 基于PCI总线图像信息采集卡的原理由于计算机PCI总线的发现和完善，图像采集卡的结构可大大地简化。而且由于PCI总线的高速度，使A/D转换以后的数字视频信号只需经过一个简单的缓存器即可直接存到计算机内存，供计算机进行图像处理；也可将采集到内存的图像信号传送到计算机显示卡显示；甚至可将A/D输出的数字视频信号经PCI总线直接送到显示卡，在计算机所终端上实时显示活动图像。基于PCI总线的图像采集卡系统如图3.4所示。图3.4 基于PCI总线的图像采集卡系统3.2.3 图像信息采集卡的选择 该系统采用基于PCI总线的OK-M20高分辨率黑白图像采集卡。这类采集卡可采集标准和非标准逐行和隔行视频信号，以及信号和同步分离的信号源。其主要功能与特点为：1、输入的视频信号电压幅度可适应0.2-3V峰-峰值，0点调整可适应1.5V的变化范围。具有足够宽的A/D前亮度与对比度的可调范围。软件可调。2、输入行频从7.5-64KHz的标准与非标准视频信号及信号与同步分离的视频源，具有自动检测、自动适应或软件调整行频、场频、帧频、隔行或逐行等视频个性的能力。3、高速8位A/D转换，采样主频率在4-65MHz范围自动调节，具有细调功能，保证在不同的行频和帧频下获得方形或任意比例的矩形采样点阵。4、具有4路视频输入软件切换选择的功能。5、能采集单场、单帧、间隔几帧和连续帧图像，精确到每一场。6、采集点阵从480480到20481020可调，具有44到20481020和12801020的开窗功能。7、传输速度最高可达132Mb/s。在标准视频源时，采集图像总线占用时间与CPU和其他资源可使用总线时间之比为1/8的分享总线技术，适用于图像实时处理。3.3 PC机的要求、选择和接口设计 3.3.1 PC机的要求和选择 此设计所用的PC机的要求只需满足PCI总线对系统配置的要求即可。具体要求如下：1、正确安装的Windows XP系统。2、正确安装显示卡的驱动程序，确保系统没有被病毒感染。3、计算机主机选用586或高于586性能的机器。4、主机板至少带有一个符合PC12.1标准的PCI插槽。5、内存应在32MB以上；硬盘应有20MB以上的剩余空间。3.3.2 PC机与外部设备的接口设计 PC机CPU与外部通信的方式包括：串行通信和并行通信，在设计中，并行通信由于距离较近的地方，至少有8位数据同时从一个设备传送到另一个设备。为了提高传输效率，方便控制，故选择并行通信。上述PC机并行输出通讯口使用的是标准的25芯连接器与外部相连，25芯分成数据、控制和状态端口。一般PC机并行接收和输出的逻辑电平都是TTL电平，对应接口电源为5V.。3.4 换纸机构中步进电机的参数要求及选择3.4.1 步进电机的运行方式此设计采用四相永磁感应子式步进电机，其运行方式有三种：四相单四拍、四相双四拍和四相八拍。A、B、C、D各相驱动电路的输入端分别用PC机并口的D0、D1、D2、D3个位来控制，规定其高电平有效。其中，步进电机在四相单四拍和四相双四拍的运行方式下运行时步距角为。此设计采用的运行方式是四相单四拍方式。其运行方式所对应的数据表如表3.2所示：DCBA 励磁状态D3D2D1D00011AB0110BC1100CD1001DA表3.2 步进电机四相单四拍运行方式 3.4.2 步进电机的选择 在本系统中，为了方便控制及简化控制电路，系统采用同一种步进电机。本设计以最大静转矩作为选择步进电机的主要参数，步进电机的最大静转矩一定要能够满足工作的需要。 步进电机的步距角的大小与通电方式和转子齿数有关，其大小可以用下列公式来表示： 在该式中，z表示转子齿数，m表示运行拍数，通常等于相数或者相数的整数倍。为了方便计算转速，设计时选用步距角为。通过计算可以得到，等效到电机轴上的转矩主要是由于工作台相对于轴中心线产生的转矩，其大小约为80Kg.cm。根据这一数据选择步进电机的型号为110BYG450A-01，该电机为永磁感应子式步进电机。其具体参数如下：步 距 角：0.9/1.8 DEG 绝缘电阻：500V DC 100 M绝缘强度：500V AC 1 Minute温升：65K 环境温度：-10+55 绝缘等级：B电压：4V 电流：4.8A电阻：4 电感：1.2mH静转矩：80Kg.cm 机身长：165mm出轴长：56mm步进电机的接线图如图3.5所示图3.5 步进电机接线图在上图中，黑白接线头为中心抽头，其中，红线、绿线共用白色中心抽头，黄线、蓝线共用黑色中心抽头。红线表示A相，黄线表示B相，绿线表示C相，蓝线表示D相。其运行方式为A-B-C-D-A3.5换纸机构的设计纸张检测系统的机械部分主要就是机械换纸机构的设计，机械换纸机构要求达到的功能是高速实现对已经检测完毕的纸张进行分类摆放。其总体方案如图3.6所示。图3.6 纸张分流机构设计方案 在该系统中，计算机与步进电机在前面已经作出了选择，在这里主要考虑分流机构的设计。已经检测过的纸张需要将其分类为合格纸和废纸，即需要一个传送机构将已检纸张从初始位置存放到对应的纸箱中。该系统主要组成部分为基座、传送台(工作台)、摩擦滚轮和丝杠。示意图如图3.7所示。图3.7 机械分流机构示意图 在其中，主要是丝杠的设计。为了方便设计和制作硬件，把步进电机、工作台、丝杠和摩擦滚轮设计成同一样式。在这里，因为工作台要摆放A3和A4纸，设计工作台台面面积为450mm300mm。假设纸张传送的距离为1m,即1000mm,则将丝杠上螺纹的长度设计成1300mm。螺纹制成公称直径M20，螺距p=2。则根据公式，一个脉冲前进的距离为，则步进电机需要发送的脉冲数为100000个。要求工作台在2s的时间内从起始位置到中止位置，所以步进电机的频率为200KHz。第四章 系统自动控制部分的设计4.1设计方案论证：20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投放市场的产品就有50多个系列，数百个品种。目前世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型如下：美国Intel公司：MCS51系列及其增强型系列美国Motorola公司：6801系列和6805系列美国Atmel公司：89C51等单片机美国Zilog公司：Z8系列及SUPER8美国Fairchild公司：F8系列和3870系列美国Rockwell公司：6500/1系列美国TI（德克萨司仪器仪表）公司：TMS7000系列NS（美国国家半导体）公司：NS8070系列 等等。尽管单片机的品种很多，但是在我国使用最多的还是Intel公司的MCS51系列单片机和美国Atmel公司的89C51单片机。MCS51系列单片机包括三个基本型8031、8051、87518031内部包括一个8位CPU、128个字节RAM，21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口、2个16位定时器/计数器，但片内无程序存储器，需外扩EPROM芯片。比较麻烦，不予采用8051是在8031的基础上，片内集成有4K ROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。所以8051适合与应用在程序已定，且批量大的单片机产品中。也不予采用。8751是在8031基础上，增加了4K字节的EPROM，它构成了一个程序小于4KB的小系统。用户可以将程序固化在EPROM中，可以反复修改程序。但其价格相对8031较贵。8031外扩一片4KB EPROM的就相当与8751，它的最大优点是价格低。随着大规模集成电路技术的不断发展，能装入片内的外围接口电路也可以是大规模的。也不予采用。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（ROM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。此设计就采用AT89C51。在本系统控制部分，选用的LM399的电压温度系数为最低，性能最佳。它属于四端器件，可等效于带恒温器的稳压二极管。其中的恒温器，能将芯片温度自动调节到90。普通稳压管是在半导体的表面产生齐纳击穿的，因此噪声电压高，稳定性差。次表面隐埋技术则是在半导体内部的次表面上发生齐纳击穿的，使器件的噪声电压显著降低，稳定性大为提高。LM399的基准电压，就是采用次表面隐埋技术制成的齐纳稳压管来提供的，具有长期稳定性好、噪声电压低等优点。此外它还具有恒温特性，只要环境温度TA90，就能消除温度变化对基准电压的影响，使T0.3106/（典型值），这是其他基准电压源难以达到的指标。由于本系统要能满足许多中小型企业的要求，故在设计时充分考虑到了其低成本，电路设计简单的因素。AT89C51 功能特性概述AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/0 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可将至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。实验器材 红外发射器接收器一对（TLP104,TLN104）； 四输入比较器LM339一片； 四输入或门74LS32一片； 六输入非门74LS04一片；LED灯一个；三极管3DG130两个；数码管一个；继电器一个；电阻若干；电源5V。4.2继电器的工作原理和特性 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器的工作原理和特性 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。如图是继电器的结构： 图4.1继电器工作原理图继电器“34”端平时是断开的，当“12”端 之间加上电压以后(此例中为+12V），通过线圈coil了就会把开关switch打开，此时“34”就是导通的。因此，“12”端所起到的作用，只是一个控制开关而已。继电器本身就是一个开关。4.3 比较器LM339LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1） 失调电压小，典型值为2mV；2） 电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；3） 对比较信号源的内阻限制较宽；4） 共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；5） 差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6） 输出端电位可灵活方便地选用。 图4.2LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。下图给出了一个基本单限比较器，正如我们实验中所用到的。输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。当输入电压UinUr时，输出为高电平UOH。图b为其传输特性。图4.34.4 四输入或门74LS32下图4.4为其中一组输入输出，实验电路图中为了清晰地表示逻辑，也采用这种表示方法。其芯片的表示和管脚图如图4所示：图4.445六输入非门74LS04图4.5为单对输入输出，图6为芯片管脚图：图4.546电路原理及其实现 本电路用于实现纸张的检测功能。整个电路由以下三个部分组成：1. 传感器部分：备用纸张、红外发射接收管，传感光信号，并进行光电信号的转换，是电路“灵敏的嗅觉器”。2. 比较部分：主要由LM339进行比较。负责对输入的电信号进行判断，承接后面的数字部分，是电路的功能实现核心。3. 显示部分：由数字逻辑芯片74LS32，74LS04，7段数码管、LED灯，继电器等构成。把从比较器输出的电平进行逻辑判断，分流到数码管的各个管脚，LED灯接在继电器常开触点上，和数码管一起实现结果的显示。该继电器的加入可使该电路拥有后续控制功能。方案的实现原理一、当无纸状态时，数码管显示“0”。当红外管之间没有纸张时，红外发射管发射的红外线无阻碍地被红外接收管接收，呈阻值极低的近导线工作状态，经过上拉电阻R2和R3并联后小于6欧姆的保护分压电阻，比较器A、B的动态输入端（即U1A的反向输入端和U1B的反向输入端）的电压较低，小于预先设置的阈值电压U1，U2，两比较器均输入高电平，经过逻辑电路判断（先非后与），7段数码管得四周六个段（a,b,c,d,e）均能得到高电平而发光显示，组成一个数字“0”的形状。继电器的触点位于常闭位置，因而LED灯不在工作状态。二、有超过厚度的纸张出于红外管之间时，数码管显示“”，表示出错，LED灯发光。张纸的厚度大于正常时候，红外接收管收到的光照强度十分弱小，于是接收器呈现高阻抗状态，分压后造成比较器的动态输入端的电压值是三种状态中最高的，大于两个比较器的阈值电压，因而比较器输出低电平，经数字电路逻辑判断（或门和非门）只有g这个数字段位高电压。比较器电压通过第一个三极管使之截至输出高电平，从而使第二个三极管出于导通状态输出低电平，继而使继电器得电，开关跳闸，常开触点吸合，使LED得电发光。三、当正常厚度的张纸处于红外管之间时，数码管不显示任何数字和符号。红外发射管的光强的部分被接受管接接收，呈现低阻抗状态，此时比较器输入端的电压处于前面过两种情况的过渡过程中，即小于超范围厚度纸片的阻值而大于无纸片时的阻值。经过比较器时，出现了两种情况：该电压大于UI1 而小于UIB，则U1A输出低电平而UIB输出高电平。另外一种情况恰恰相反，该电压小于UIA而大于UIB，则UIA输出高电平而UIB输出低电平。无论是哪一种情况，经过逻辑判断后数码管的所有引脚都得到低电平，因而数码管无显示。由于两个通往继电器的三极管为数码管g管脚电平的取反，因而以第一级三极管导通，它的集电极、低压导致第二级三极管截至，继电器开关打向常闭触点，LED不亮。电路参数470+27=497K 5*470/497=4.72V 66+27=93K 5*66/93=3.55V可调的2比较器阈值电压分别为04.72V及03.55V以下是实验原理图结 论： 历时十周的毕业设计已接近尾声了，在此设计中，由于设计者本人的知识有限以及时间的关系，在理解了前人的关于此设计的信息采集、图像处理、数据存储、纸张分流等部分的基础上主要完成了系统的控制部分（单片机控制）。该系统具有广泛的适应性，只需根据要求改变系统中的参数，就能满足不同的需要。其结构简单、便于控制、非接触、精度高、测量速度快、性能稳定可靠等优点，以及整套设备造价较低，且优于目前小造纸厂传统检测方法，相信能够保证其纸张检测质量符合现在的高标准，有效提升小型造纸厂的检测水准。由于本系统要能满足许多中小型企业的要求，故在设计时充分考虑到了其低成本，电路设计简单的因素。因为本人的能力有限，其中涉及的将控制部分与硬件部分连接的接口使用软件部分并未给出，可以用VB编程和Matlab来实现。通过这次毕业设计我学到了许多东西，首先是理论与实际的结合，我对自己的理论学习比较有信心，可是直到这次设计，我发现了自己的很多不足，例如以前只是大约了解原理，对于细节的学习是没有的，当要确定具体的电路和参数时，我发现这是很难的，需要查找许多的文章和书籍，而且我通过这次设计，我提高了自己自学和检索知识的能力。还有就是做事情必需坚持不懈，有恒心。在这次设计中，我能够为了一个目的，专心于自己的工作，对于自己所需的理论能够找到，学会，应用，在最短的时间掌握所用的知识。致 谢：在整个毕业设计过程中，导师杨平教授在思想方法上给我指明了方向，在理论探讨上给我提出了大量宝贵意见，解答了相关的疑难，在说明书及论文的写作中给予了大量指导。杨老师给出的毕业设计题目有很强的实际性，不是一些理论的检验性设计，当我接到设计时有些茫然，但杨老师给出了部分的指导，指出设计的重点和方向，给我后面的设计带来很大的帮助。杨老师是一位很负责的老师，与一些老师不同，他是定时对我们进行指导，采用大家讨论的方法。导师科学严谨的态度也使我在此次设计中受益匪浅。对此，我对我尊敬的导师致以衷心的感谢！参考文献：1王庆友.CCD应用技术M.天津:天津大学出版社,1993.17-43.2陈岳林.CCD动态细丝测量系统的设计及误差分析J.传感器世界,:.3刘志敏 杨杰.数学形态学的图象分割算法J.计算机工程与科学,:.4孙宁 谭立国 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