微机控制自动装箱系统设计毕业论文.doc

微型机控制自动装箱系统说明书微机控制自动装箱系统设计毕业论文目 录摘要.3 前言.5第一章 微机控制自动装箱系统的概述.6第二章 总统方案设计.91 系统硬件方案的确定.92 系统软件方案的确定.14第三章 单片机最小系统硬件电路及其设计.161 MCS-51单片机主要芯片简介.162 基本型MCS-51单片机最小应用系统简介.163 基本型8051单片机内部结构及其引脚功能.194 时钟电路的设计.225 复位电路的设计.236 外部程序存储器的扩展.247 I/O口扩展电路的设计.258 键盘给定值电路的设计.309 显示电路的设计.32第四章 控制电路及其设计.341 信号检测电路的设计.342 马达控制电路的设计.35第五章 单片机控制软件设计.391 输入给定值中断子程序.402 包装箱计数比较子程序.413 零件数加1子程序.434 包装箱加1子程序.445 包装控制系统子程序.45第六章 系统调试不足及其改进思路.56第七章 结束语.58第八章 参考文献.60第九章 附件1 系统软件流程图2 程序清单3 电气线路图4 包装系统控制线路图5 中英文参考文献6 磁盘一张 第1章 微型机控制自动装箱系统概述传送带1传送带2检测器1检测器2图1-1 产品自动装箱系统原理图在工业生产中，常常需要对产品进行计数、包装。如果用人工完成不但麻烦，而且效率低、劳动强度大。随着微型机控制的普及，特别是单片机的应用，给该系统的设计带来了极大的方便。在这一节里，我将介绍单片机控制包装系统的设计方法。产品自动装箱系统原理图如下示：该系统有两个传送带，即包装箱传送带和产品传送带。包装箱传送带用来传送产品包装箱，其功能是把已经装满的包装箱运走，并用一只空箱来代替。为使空箱恰好对准产品传送带的末端，以便使产品刚好落入包装箱中，在包装箱传送带的中间装一光电控制器1，用以检测包装箱是否到位。产品传送带将产品从生产车间传送到包装箱，当某一产品被送到传送带的末端，会自动落入包装箱内，并由检测器2转换成计数脉冲。产品计数可以由硬件完成（如MCS-51系列单片机中的定时/计数器），也可以用软件来完成。本系统用软件计数方法。系统工作步骤如下：用键盘设置每个包装箱所装的零件数量以及包装箱数，并分别存放在PORTS和BOXES单元中。接通电源，使传送带1马达转动。由程序控制传送带1马达持续运动，当包装箱运行到检测器1的光源和光传感器的中间时，通过检测光电传感器的状态，判断传送带1上的包装箱是否到位。当包装箱到位时，关断马达电源，使传送带1停止运动。启动传送带2马达，使产品沿传送带向前运动，并装入箱内。当产品一个一个地落入时，将产品一系列脉冲信号，用检测器2进行检测。从检测器2来的输出脉冲，由计算机进行计数，并不断地与存在PRESET单元中的给定值进行比较。当零件数值与给定值不相等时，将继续控制传送带2运动，以便继续装入零件；当零件个数与给定值相等时，停止传送带2马达，不再装入零件。再次启动传送带1的马达，使装满零件的箱子继续向前运动，并把存放箱子数的内存单元加1，然后再与给定的箱子数进行比较。如果不够，则带动下一个空箱到达指定位置，继续上述过程。如果箱子数量与给定值相等，将停止包装，等待新的操作命令。当传送带2上的零件和传送带1上的箱子足够多时，这个过程可以继续不断地进行下去。这就是产品自动包装生产线的流程。 必要时，操作人员可以随时通过停止键（STOP）键停止传送带运动，并通过键盘重新设置给定值，然后再启动。第2章 系统方案的总体设计2.1 系统硬件方案的确定2.1.1 包装系统原理图图中，8031、74LS373、2764组成最小系统，8255B口用于给定值或零件计数显示，PA口 读键盘的给定值，C口高4位为输入方式，用于检测光电管和STAT、STOP两个键的状态。C口低4位为输出位，其中PC0控制传送带1的马达，PC1控制传送带2的马达。为提高系统的可靠性及减少误操作，我用PC2、PC3两个I/O口线设计了两个状态指示灯。D1为红色，D2为绿色，当系统么诶有设置给定值时，启动START键，则D1灯亮，提醒操作者注意，需要重新设置参数后再启动。如果系统操作运行正常，则绿灯D2亮。包装原理图如图2-1所示：P2口Y3Y2LED1LED3LED274LS373VccGNDOCG+5VP0口ALEPSEN2764A12A0D7D0OEA0A1PB口74LS37774LS377LED1LED2LED3WRWRD0D7RDRD80318255ACSY0PC3PC2D1+5vD2+5vSTOP+5VSTART+5V&光源2+5V&光源1+5VPC7PC6PC5PC4PA4PA7PC0PC1SSR1M马达1M马达2SSR2EA图2-1 包装系统控制原理图8255Y1Y074LS13874LS3772.1.2 单片机的选择通过前面的分析，为完成上述任务，决定采用8031单片机设计一个最小系统。该机型通用性好、普及率高、熟悉人多、便于推广和维护，有现成的开发系统，不需购置新的开发系统，可节约开发成本，且该机型参考资料多，也给开发带来方便。2.1.3 程序存储器的选择 8031单片机内部没有程序存储器，需要外扩程序存储器EPROM。考虑到开发的方便，选用紫外线可擦除的EPROM存储器，这样对调试和今后小批量生产都比较方便。从程序使用存储器的容量考虑，预计4KB左右就可满足要求。4KB EPROM2732是一个选择，但考虑到留有一定余量，给控制软件的调整留有适当余地，可选用8KB EPROM 2764。由于一片2732和一片2764的价格不相上下，且8KB EPROM 2764还稍便宜一些。因此选用8KB EPROM 2764为宜。在本次系统的设计中，既需要对片外程序存储器的扩展又需要对I/O口芯片的扩展，为了把各自的空间分配给各个芯片，避免地址和数据冲突，就需要对地址空间分配。 单片机对片外扩展的多片存储器个存储单元的选择，包括两个方面，一是选择芯片（即片选），二是选择芯片内的存储单元（即字选）。常用的方法是线选法和译码法。线选法通常是将MCS-51单片机的低位地址线直接接到所有存储器芯片的地址输入端，以实现片内寻址，而将剩余的高位地址线作为存储器（含I/O接口）的片选信号。译码法寻址是MCS-51单片机的低位地址线（其根数p由芯片的存储单元数2的p次方来决定）直接接到所有存储器芯片的地址输入断，以实现片内寻址。将剩余的高位地址线接到译码器的输入断，经译码后输出来控制各个芯片以实现各芯片的选择。本次设计采用译码法寻址，虽然译码法寻址比线选法寻址的接线复杂，但其地址连续，且不浪费空间。线选法虽然接线比译码法简单，但其地址空间不连续，造成地址空间浪费大。单片机系统的硬件电路的设计除了设计一个单片机的最小应用系统外，还必须设计其复位电路，键盘给定电路，显示电路，接口电路，驱动电路，控制电路，检测电路的设计，否则，该单片机应用系统的设计就没有设计的价值，不能和工业生产挂钩。2.1.4 开关量接口 根据上述控制要求，可列出以下控制点一览表： 输入点数 序号 名称 字母代号 1 启动按钮 START 2 停车按钮 STOP 39 键盘 KEYBOARD 10 检测器1 JCQ1 11 检测器2 JCQ2输出点数 序号 名称 字母代号 1 置数灯 D1 2 工作灯 D2 3 计数个位 LED1 4 计数十位 LED2 5 计数百位 LED3 6 马达1 M1 7 马达2 M2在选用开关量接口时，由于可编程并行接口8255输入输出点数较多，有3个8位口共24位，且和8031单片机属于同一系列芯片，总线连接比较简单，逻辑功能能够吻合，且根据实际测算的I/O点数，拟选用1片8255，就可满足要求。考虑到8031单片机在系统扩展时使用了P0口和P2口，尚有P1口的端口线仍可作为开关量I/O来用。故选用1片8255芯片外，加上P1口，使I/O点数有一定余量，以备在设计和调试中增加控制点数的需要。2.1.5 光电耦合的隔离和驱动由于拖动电机功率大，启动频率高，交流接触器接触电流大，易造成拉弧，从而形成电磁干扰等恶劣条件，对控制系统影响大。因此在接口设计中所有输入和输出都增加光电隔离以将单片机电源和接口电源分开。一方面，保证了单片机控制系统的正常运行，防止程序飞出造成控制失灵现象的发生；另一方面，也防止强电对弱电系统的干扰，造成单片机控制系统的损坏。由于整个系统的反应速度不是很高，故选用一般应用的光电耦合器MOC3021或TIL117都可满足要求。2.1.6 驱动电路的设计 由于发光二极管通常需要十几到几十毫安的驱动电流才能正常发光。因此，由单片机发出的显示控制信号必须经过驱动才能是显示器正常工作，现在已经生产出集成电路驱动器，以及带有译码功能的多功能芯片，采用这类的芯片，可同时完成BCD码-七段数码管显示模型的转换和电流驱动工作，使用起来很方便。 本次系统设计的驱动电路我们采用74LS377集成驱动器。2.1.7 控制电路的设计控制电路的设计：包装系统控制电路主要有两部分：其一包含在检测机构的设计里面;再一方面就是传送带马达的控制。为了提高系统抗干扰能力，我们在此次设计采用光电隔离技术。马达的控制可以采用多种方法控制，如固态继电器（SSR），可控硅（SCR）及大功率场效应管等。本次系统设计采用固态继电器（SSR1，SSR2）控制。2.2系统软件方案的确定通过硬件方案的分析可知，本系统键盘的作用主要是输入给定值，当给定值设定后，在包装过程中就没有什么作用了。因此为了提高系统的实时性，系统采用中断方式0作键盘处理，对包装箱是否到位及零件的记数，则采用查询方式。中断服务程序主要用来设定给定值，当给定键盘有键按下时，KEYSTROBL输出高电平，经反向器后向8031申请中断。在中断服务程序中，读入该键盘给定值，一方面存入相应的给定单元（PORTS和BOXES），另一方面送显示，以便操作者检查输入的给定值是否正确。本次程序输入的顺序是先包装箱数（三位，最大999，按百位，十位，个位顺序输入），然后再输入每包装箱的零件数（3位，最大999，输入顺序同包装箱）。零件数和箱数是否满，则通过其检测信号输入计数器进行累加，然后和箱数和零件数的给定值进行比较，比较结束后进行查询看计数器中的数值和给定值是否相等，如果不相等则重复以上过程，如果和给定值相等则停止马达的运行，清显示记数单元中的内容。第3章 单片机控制系统硬件电路及设计3.1 MCS-51系列单片机主要芯片 MCS-51系列单片机有8051/8751/8031、8052/8032、8044/8744、80C51BH/87C51/80C31BH、83C252/87C252/80C252等品种，它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构和应用上有些区别。按结构可以把它们分为： 基本型 如8051/8751/8031 加强型 如8052/8752/8032，其内部ROM扩展到8K，RAM增至256字节，16位定时器增至3个，串行口通信速率提高5倍，ROM中还增加固化BASIC解释程序包。 低功耗 如80C51BH/87C51/80C31BH，均采用CHMOS工艺，功耗很低。 专用型 如8044/8744，它们在8051基础上又增加1个串行口部件，主要用于总线分布式控制系统。 超8位型 如83C252/87C252/80C252，它们介于MCS-51和MCS-96系列之间，不仅具有51系列的全部功能，还具有96系列（16位机）高I/O功能和保密系统、智能化编程系统。3.2 基本型MCS-51单片机最小应用系统简介单片机本来就有芯片集成度高、结构设计紧凑、资源小而全的特点，MCS-51单片机尤其如此，且指令系统功能强、覆盖面广。因此MCS-51单片机在简单的场合下应用，几乎不需要增加其他硬件资源，就可构成一个最小应用系统，使用非常方便，不过在复杂的应用场合，最小应用系统常不能满足要求，必须在片外扩展相应资源。基本型MCS-51单片机提供了片内带程序存储器和片内无程序存储器的两类系统。比较如下： 8051/8751最小应用系统8051/8751属于片内带ROM/EPROM的单片机，用其构成最小系统时，只需接上时钟电路、复位电路，EA引脚接高电平，ALE、PSEN引脚不用，即可加电工作。如图：XTAL1XTAL2EARSTP0P3P2P18888图3-1用这种芯片构成的最小应用系统简单可靠，但由于集成程度的限制，这种最小应用系统只能用作一些小型控制单元，其特点：1) 有大量的I/O线供用户使用；2) 内部存储器容量有限； 8031最小应用系统由于8031是片内无程序存储器的芯片，构成最小应用系统时，必须在片外扩展EPROM，由于EPROM一般不含地址锁存器，故构成的最小应用系统是三芯片系统。这个系统包括8031单片机，2764EPROM和74LS373地址锁存器。系统的时钟电路及复位电路同上，只是EA接地，表明选择片外程序存储器，ALE接373的锁存控制端，PSEN接EPROM的输出允许控制端。其特点如下图： 由于P0、P2口被用作地址数据总线，故不作一般I/O口，但P1、P3不受影响； 由于外接程序存储器，故其容量不受限制，MCS-51外接程序存储器容量为64KB。图3-23.3 基本型8051系列单片机内部结构及引脚功能3.3.1 总体结构以MCS-51系列单片机为例，内部结构框图如下：P0口P2口RAM地址寄存器128B RAMP0驱动器P2驱动器P0锁存器P2锁存器4KBROMPC寄存器缓冲器PC加1PCDPTRB寄存器暂存器1暂存器2ACCSPALUPSW中断、串行口和定时器定时控制指令译码器指令寄存器OSCP3锁存器P1锁存器P1口P3口图3-3从结构图看，其内部结构归纳如下：3.3.2 MCS-51系列引脚及功能MCS-51系列有40个引脚，采用双列直插（DIP）封装型式。8051的引脚如图：图3-4各引脚功能简单介绍如下：电源引脚 Vss：电源接地端。 Vcc：+5V电源端。输入/输出（I/O）口线MCS-51系列单片机有P0、P1、P2、P3共4个端口，每个端口8根I/O线。当系统扩展外部存储器时，P0口用来输出低8位地址和输入输出8位并行数据，P2口用来输出高8位地址。P3口除可用作一个8位双向并行口外，还具有第二功能，各引脚第二功能定义如下：P3。0 RXD：串行数据输入端P3。1 TXD：串行数据输出端P3。2 INT0：外部中断0请求信号输入端P3。3 INT1：外部中断1请求信号输出端P3。4 T0：定时器/计数器0外部输入端P3。5 T1：定时器/计数器1外部输入端P3。6 WR：外部数据存储器写选通P3。7 RD：外部数据存储器读选通。在进行第二功能操作前，对第二功能输出锁存器必须由程序置。信号控制线RST/VPD：复位信号输入引脚。ALE/PROG：ALE是地址锁存允许信号。它的基本作用是把CPU从P0口分时送出的低8位地址锁存在一个外加的锁存器中。PROG用作编程脉冲输入端。PSEN：外部程序存储器读选通信号。EA/Vpp：当EA为高电平且PC值小于0FFFH时，CPU执行内部程序存储器中的程序。时钟信号线时钟是定时的基础。MCS-51系列单片机内有一个由反向放大器构成的晶振电路，XATL1即为振荡电路的输入端，XATL2为晶振电路的输出端。3.4 时钟电路设计时钟是单片机的心脏，各部分都一时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用时钟电路设计方式有内部时钟和外部时钟两种。在本设计里，我决定采用内部时钟方式。利用8031内部一个高增益的反向放大器，把一个晶振体和两个电容器组成自激振荡电路，接于XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）之间。这样振荡器发出的脉冲直接送入内部时钟电路，如图3-5所示。XTAL1XTAL28031至内部时钟电路C2C1晶振图3-5图中晶振体是石英晶体或陶瓷结构，振荡频率一般频率在1.212MHZ之间，单片机常选择6MHZ和12MHZ，电容器C1和C2在30pF左右，对于陶瓷振荡器C1、C2约47pF左右。3.5 复位电路设计单片机在启动或断电后，程序需要从头开始执行，机器内全部寄存器、I/O接口等都必须重新复位。复位方式有自动复位和手动复位两种。当8031的ALE及PSEN两引脚输出高电平，RST引脚高电平到时，单片机复位。图4-2是一个简单的上电复位和按钮复位电路。+CR2R1A+5VVCC8031RST/VPDVSS图3-6 简单上电复位及按钮复位电路图36中，上电时，刚接通电源、电容C相当于瞬间短路，+5V立刻加到了RST/VPD端，该高电平使8031全机复位。若运行过程中，需要程序从头执行，只需按动按钮A即可。按下A， 则直接把+5V加到了RST/VPD端从而复位，这称为手动复位。显然，该电路既可上电复位又能手动复位。复位后，P0P3 4个并行接口全为高电平，其他寄存器全部清零，只有SBUF寄存器状态不定。3.6 程序存储器的扩展由于8031内部没有程序存储器，所以在构成最小系统时，8031外部必须扩展程序存储器。扩展程序存储器常用芯片有EPROM，如2716、2732、2764、27128、27256等，另外还有+5V电擦除E2PROM，如2816、2864等等。从程序使用存储器的容量考虑，预计4KB左右就可满足要求。4KB EPROM2732是一个选择，但考虑到留有一定余量，给控制软件的调整留有适当余地，选用8KB EPROM 2764。图中2764是一片8KB的程序存储器，74LS373是带三态缓冲输出的8D锁存器，与其功能相同的一组芯片还有8282、74LS273等。8031单片机扩展程序存储器电路如图3-7：图3-7地址线图中2764共13根地址线A0A12（213=4KB），低8位A0A7通过74LS373与P0口连接，高五位A8A12直接与P2口的P2.0P2.4连接，P2接口有锁存功能。数据线2764数据线Q0Q7共8位直接与P0口的P0.0P0.7相连。P0口兼作数据线和低8位地址线。控制线CPU对扩展芯片的控制通过控制线实现。图中地址锁存器74LS373的G端与8031的地址锁存允许端ALE连接。ALE作锁存扩展地址低位字节的控制端。2764的OE与8031的PSEN端相连，在 访问片外程序存储器时，只要此端出现负脉冲，即可从2764中读出程序。因为只扩展了一个芯片，片选端接地即可，CE端有低电平表示该芯片被选中。工作原理当单片机从扩展程序存储器2764中读程序时，过程如下：先由CPU送出地址低8位到P0口，当锁存控制信号ALE的下降沿到来时则把低8位地址锁存到74LS373中，通过74LS373的输出端Q7Q0送至2764的低位地址A7A0端；高位地址经P2口的P2.0P2.4送到2764的A8A12，这样所需程序地址被选中。在PSEN端读选通信号（低脉冲）有效期间则把该地址中的程序（指令或数据），经P0口读入单片机内部，准备执行。3.7 8255可编程并行I/O接口扩展与设计8255是一个单片机系统常用的可编程芯片，利用指令设置各口的工作方式。在选用开关量I/O接口时，由于可编程并行接口8255输入输出点数较多，有3个8位口共24位，且和8031单片机属于同一系列芯片，总线连接比较简单，逻辑功能能够吻合，且根据实际测算的I/O点数（共23个）。拟选用一片8255即可满足要求。为了对8255合理设置，灵活应用，有必要了解它的工作原理。3.7.1 8255的引脚功能及内部结构引脚功能8255是一个有40引脚双列直插型可编程芯片，有3个并行 8的位I/O接口，扩展一片8255则可扩展24位并行端口。接口线A、B、C3个I/O接口的引线端分别为：PA0PA7、PB0PB7、PC0PC7共24条端线。3个口均为锁存/缓冲寄存器。A口、B口有锁存功能，C口无锁存功能。A、B、C3口的工作方式由程序设定。A口可设置为输入或输出或双向方式工作。B口只能设置为输入或输出方式，不能双向工作。C口可设置为输入/输出口。它的特点是可分为高、低两个4位使用。上半部PC4PC7与A口组成一组叫A组；下半部PC0PC3与B口组成一组为B组，便于控制。数据线8255是8位芯片，有8位数据线D0D7。数据线接于8031的P0口，用以实现8255与CPU之间 的数据传送。控制线控制线控制8255的读、写、复位及片选等。RD：读入控制线，低电平有效，当其为低电平时CPU对8255进行读操作，此时8255相应口为输入口。WR：输出控制线，低电平有效，当其为低电平时，CPU输出数据或命令到8255端口，此时8255相应口为输出口。RESET：复位端，高电平有效。此端为高电平时，8255内部寄存器全部清零，24条I/O口线为高阻状态。CS：片选线，当CS为低电平时，CPU选中此8255芯片。地址线8255共占用4个口地址，为A、B、C口及控制口地址。这4个地址之间的选择由A0、A1两个端口口线控制。A0、A1通常接于单片机的地址线最低两位P0.0、P0.1，二者组合决定了4个端口地址。8255的内部结构8255有三个并行数据输入/输出口，两个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路，一个8位数据总线缓冲器。各部分功能介绍如下：端口A、B、CA口：是1个8位数据输出锁存器/缓冲器和1个8位数据输入锁存器。B口：是1个8位数据输入/输出锁存器/缓冲器和一个8位输入缓冲器。C口：是1个8位数据输出锁存器/缓冲器和1个8位数据输入缓冲器（输入不锁存）。通常，A、B口 作为数据输入/输出端口；C口作为控制/状态信息端口，它在方式控制字的控制下可分为两个4位锁存器，分别与A口和B口配合使用，作为控制信号输出或状态信息输入端口。只在方式0时C口才用作输入或输出。工作方式控制电路工作方式控制电路有两个，一个是A组控制电路，另一个是B组控制电路。这两组控制电路具有一个控制命令寄存器，用来接收中央处理器发来的控制字，以决定两组端口的工作方式，也可根据控制字 的要求对C口按位清零或者按位置1。总线数据缓冲器总线数据缓冲器是一个三态双向8位缓冲器，作为8255与系统总线之间的接口，用来传送数据、指令、控制命令以及外部状态信息。读/写控制逻辑电路读/写控制逻辑电路接收CPU发来的控制信号RD、WR、RESET、IORQ和地址信号A1A0等，然后根据控制信号 的要求，将端口数据送往CPU，或者将CPU送来的数据写入端口。3.7.2 方式选择8255有3种工作方式：方式0、方式1和方式2。方式0时，A、B、C三口都可作基本 的输入或输出口；方式1时，A、B口可作选通输入或输出，C口部分作专用联络线；方式2时A口为双向口，C口部分为专用联络线，B口无此方式。8255的方式选择由控制字决定。方式控制字是8255内部方式控制寄存器的状态字，它由指令写入。在本设计系统中，我们设置控制字状态为10011001即控制字为99H，表示A组为方式0，A口为输入方式，C口上半部为输入方式；B组方式0中，B口为输出，C口下半部为输入方式。3.7.3 8255扩展电路及地址设置如图3-8所示是8031扩展一片8255的电路图.图中,74LS373时地址锁存器,8255的地址线A1、A0经74LS373接于P0.0、P0.1；片选CS经74LS138与P2.5接通，其他地址线悬空；8255的控制线RD、WR直接接于8031的RD和WR端；数据线D0D7接于P0.0P0.7。 图3-8 8031与8255接口电路图中8255只有3根线接于地址线。片选CS、地址选择端A1、A0分别接于P2.5、P0.1和P0.0，其他全部悬空。显然只要保证Y0输出为低电平时，选中该8255，若P0.1、P0.0再为“00”选中8255的A口，同理P0.1,P0.0为“01”、“10”、“11”分别选中B口、C口、及控制口。若地址口用16位表示，其他无用端全设置为“1”，则8255的A、B、C及控制口地址分别为：1FFCH、1FFDH、1FFEH、1FFFH无用位为“0”则4个地址为:0000H、0001H、0002H、0003H8255初始化使用8255时，首先要对它初始化。所谓初始化就是对8255的3个端口的工作方式预先设置。设置控制字经控制口写入。对于本设计系统，根据原理图，A、B、C口全为输入或输出状态，控制字为95H。程序如下：MOV DPTR，#1FFFH ； 8255控制口地址送DPTR MOV A，#95H ； 控制字送AMOVX DPTR,A ； 控制字写入控制寄存器利用这几条指令对8255初始化后，A、B、C3个口即可满足系统的设计要求。3.8 键盘给定值接口电路设计键盘是人向机器输入数据和对系统进行干预的基本设备。微机键盘有两种：一种是全编码键盘，他的键盘全由硬件提供，这种方式，硬件结构复杂、成本高，但对于键数不多的键盘还是比较方便的；另一种是非编码键盘，这种方式，键盘多采用矩阵方式，利用软件识别键码及完成各种键功能处理。在本系统中，由于给定值一旦确定后，不需要经常更改，按键次数并不多。如果采用扫描方式，无论有无键按下CPU都要定时扫描，如此反复的空扫描，浪费了CPU大量 的时间。为提高CPU的效率，本系统决定采用中断方式。所谓中断方式即当有键按下时发出中断申请，中断响应后转入中断处理程序，再去进行扫描操作，来确定按键位置及执行相应的键功能。键盘输出信号D、C、B、A（BCD码）接到8255的A口PA3PA0，键选通信号KEYSTROBE（高电平有效），经反相器74LS20反向后的下降沿向8031申请中断。8031响应后，读入BCD码值，作为给定值，然后一方面存入相应的给定单元（PORTS或BOXES），另一方面作为给定值送显示，以便操作者检查输入的给定值是否正确。由于系统设计只有三位显示，最多只能给定999。输入顺序为从最高位（百位数）开始。本程序的输入顺序是先输入包装箱数，然后再输入每箱装的零件数。图3-9所示即为本系统 的键盘接口电路。图3-93.9 显示接口电路设计3.9.1 LED显示器的结构LED显示器内部由发光二极管组成。这种显示器又称发光数码管。根据内部二极管连接方式，数码管结构又分为共阴极型和共阳极型。共阳极型，内部发光二极管阳极连在一起接高电平，共阴极型发光二极管阴极连在一起接低电平。数码管内部共有8支发光二极管，7支为字段，可组成字形，另一个为小数点。应当注意的是数码管每个管脚外部必须各接一个限流电阻，不能用一个电阻放在共阴极或共阳极端，否则易引起某段过流而烧坏数码管。另外电阻值只要保证管子正常发光即可，一般各管电流在2030mA较合适。电流太大，耗电量大，电流太小，发光度不够。3.9.2 显示字形与字段码关系在本系统中，我们采用共阳极型数码管，共阳极数码管各引脚哪个输入高电平则哪个二极管亮。每个二极管为一段，不同的发光段亮，可组成不同字形。输入到数码管的二进制码称为字段码，数码管显示 的结果为字形。3.9.3 LED数码显示方式及电路在本系统中，我们采用静态显示。静态显示电路的最大优点是只要不送新的数据，则显示值不变，且单片机不用象动态显示那样不间断地扫描，因而节省了大量的机时，适用于工业过程控制及智能化仪器中。而动态显示则占用机时较多，在一般的工业控制自动化系统中很少采用。本次系统的设计我们采用的是LED静态显示。LED静态显示接口电路有并行接口和串行接口两种. 串行接口静态显示电路与并行接口动态显示电路不同的是串行接口静态显示电路是利用其串行接口，而并行接口静态显示电路则是利用其并行接口。在8031单片机系统中具有4个可编程的并行I/O口，一个可编程的全双工串行口。4个8位并行的I/O口的每个口既可做输入，也可用做输出，而1个全双工串行I/O口主要用做单片机与外围设备之间可实现串行通讯。所以在此次系统的设计中，我们为了以后系统能与外部进行通讯，我们留有可编程全双工串行口，进行以后系统扩张用，故此在本次系统的显示电路的设计中我们采用并行接口静态显示电路。图中利用8255的B口输出字段码，74LS377用来驱动LED显示器。其片选信号由74LS377的CLK端来完成，以选择哪片数码管亮。片选信号接于74LS138的Y1、Y2、Y3，当P2.5、P2.6、P2.7分别为“001”、“010”、“011”时分别选中LED1、LED2、LED3。图3-10 八位LED静态显示电路第4章 控制电路及其设计包装系统控制电路主要有两部分：一是信号检测，光电检测器1判断包装箱是否到位，光电检测器2用于零件计数；再一部分就是传送带马达控制。4.1 信号检测控制电路光电器件有发光器件和光敏器件两大类。给发光器件通以电流，发光器件就会发光。光线照到光敏器件，光敏器件的输出电流就会变化。利用光电器件的这些特性，就做成了各种光电传感器。光电传感器的结构可分为遮断型和反射型两种。它们均由发光元件、受光元件及其相应的电路和机体三部分组成。遮断型传感器的发光元件和受光元件被相对地安装在有一定间隔的机体上，两个元件之间的孔隙为光传播的通道，当空隙中通过物体时，引起受光元件接收到的光产生变化，从而检出物体的存在或判断被检测对象的位置和相位。光探测电路如图4-1所示，其中运算放大器全为LM324，电源电压为+12V。光电探测器用于尘埃环境和温度变化的环境。电路探测物体的有无的比较器电路阈值不固定，而是取没有物体时，光电检测器输出电压的一部分作阈值。+12V被测物体33020K50KIS1588C 0.1UFVR10K1M3M0.001UF3M10K2SC945检出脉冲图4-1 光二极管探测电路电路在没有物体时，电平随时记忆在电容C上，然后再根据比值用可变电阻VR设定判别基准电平。选择电容C的数值，使在检测物体工作时间内峰值保持足够稳定，同时又能追踪温度变化和附着灰尘引起的缓慢变化。在图示电路中，C为0.1UF，峰值保持电路斜率为60mv/s，适合1020次/S的检测进度。在本设计中，我们通过经验计算得C为1UF，则斜率变为mv/s，可用于检测零件和包装箱数。由于，该电容具有峰值保持性能，故应选低损耗电容器。4.2马达控制电路由于拖动电机功率大，启动频率高，交流接触器接触电流大，易造成拉弧，从而形成电磁干扰等恶劣条件，对控制系统影响大。因此在接口设计中所有输入和输出都增加光电隔离以将单片机电源和接口电源分开。一方面，保证了单片机控制系统的正常运行，防止程序飞出造成控制失灵现象的发生；另一方面，也防止强电对弱电系统的干扰，造成单片机控制系统的损坏。为了提高系统的抗干扰能力，我们采用光电隔离技术。马达可以采用多种方法控制，如固态继电器、可控硅、大功率场效应管及晶闸管等。其中用晶闸管或可控硅代替常规继电器的触点开关的器件叫固态继电器（SSR），其在前级把光电隔离器融为一体，因此固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关。由于固态继电器输入控制电流小，输出无触点，所以与电磁式继电器相比，具有体积小、重量轻、无机械噪音、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠等优点。因此，在微机控制系统中得到广泛的应用，大有取代电磁式继电器之式。晶闸管作为一种可靠的控制元件，广泛的被应用作各种控制系统的执行元件。晶闸管是一种大功率的半导体器件，具有弱电控制，强电输出的特点，只需要很小的功率，就可以控制较大的电流。触发信号通常经脉冲变压器或光电耦合器隔离后，加到晶闸管上。这对安全操作特别有利。对于光点耦合器，我们决定采用MOC3021。MOC3021是双向晶闸管输出型的光电耦合器，输出端的额定电压为400V，最大输出电流为1A，最大隔离电压为7500V，输出端控制电流小于15mA。MOC3021的作用是隔离单片机系统合触发外部的双向晶闸管。8255的PC0控制传送带1马达，PC1控制传送带2马达。当启动键按下（START）后，使PC0输出高电平，经反相器后变为低电平，MOC3021的输入端有电流输入，输出端的双向晶闸管导通，触发外部的双向晶闸管KS导通，交流电机通电，使传送带1运动，带动包装箱运动。当包装箱运动到光源与光电检测器1之间时，光源被挡住，从而使光电传感器输出为高电平，当微机检测到此高电平时，PC0输出低电平，经反相器后变为高电平，MOC3021输出端的双向晶闸管关断，外部双向晶闸管KS也关断，传送带马达停止，并同时使传送带2马达通电，带动零件运动，使零件落入包装箱内。当零件经过检测器2的光源与光电传感器之间时，光电传感器输出高电平，当微机检测到此信号后在计数器中加1，并送显示。然后再与给定的零件值进行比较。如果计数值小于给定值，则继续计数；一旦计数值等于给定值，则停止计数；此时关断传送带2的电源，并接通传送带1的电源，让装满零件的箱子移开，同时带动下一个空箱到位，并重复上述过程。电阻R1的作用是限制流过MOC3021输出端的电流不要超过1A。R1的大小由下式计算： R1=VP/IP式中：VP为工作电压的峰值。图4-2 马达控制电路IP为MOC3021输出端 的最大允许电流。当工作电压为220V时： R1=VP/IP=2201.414/1=311R1取300。由于串入电阻R1，使得触发电路有一个最小触发电压，低于这个电压时，外接的晶闸管不导通，直到高于这个电压时，KS才导通。最小触发电压VT由下式计算：VT=R1IGT+VGT+VTM式中：IGT为晶闸管 的最小触发电流VGT为晶闸管 的最小触发电压VTM为MOC3021输出端电压降，取3V设晶闸管的门极触发电流为50mA，触发电压为2V，则最小触发电压为：VT=R1IGT+VGT+VTM=3000.5+2+3=21.5V对应的最小控制角为：=sin-1(VT/VP)=sin-1(21.5/311)=3.96即控制角不能小于3.96度，小于3.96度，也必须等到3.96度时，双向晶闸管才导通。与双向晶闸管KS并联的RC回路用于降低双向晶闸管所受的冲击电压，保护KS及MOC3021。至此，我们完成了本系统整个硬件系统的设计工作。 第5章 单片机控制系统软件设计首先，我们将对一些相关内存单元进行设置。在这里，我们用8031内部RAM的20H单位的00H03H四位分别代表马达1、马达2、报警和正常运行标志单元；用21H单位的08H和09H两位作为零件及包装计数标志单元，当计数值超过给定值时，则此二位标志单元置1，否则为0。一旦此标志单元为1，则产生报警，告知操作人员计数有误，此时系统会自动停下来，等待操作人员处理。该系统内存单元分配如图3-2所示。20H21H22H23H24H25H26H27H28H29H2AH2BH2CH2EH2DHLED1LED2LED3BOX1BOX2BOX3BOXES（百位）（十位）（个位）PARTS（百位）（十位）（个位）PRECNT给定值计数单元零件计数单元包装箱计数单元包装箱给定值单元零件给定值单元图5-1 系统内存单元分配通过硬件和总体方案的分析可知，本系统键盘的作用主要是输入给定值，当给定值设定后，在包装过程中就没有什么作用了。因此为了提高系统的实时性，系统采用中断方式0作键盘处理，对包装箱是否到位及零件的记数，则采用查询方式。在中断服务程序中，读入该键盘给定值，一方面存入相应的给定单元（PORTS和BOXES），另一方面送显示，以便操作者检查输入的给定值是否正确。本次程序输入的顺序是先包装箱数（三位，最大