基于单片机的生产线成品计数器设计

基于单片机的生产线成品计数器设计摘要：基于单片机设计的计数器具有计数直观，准确，稳定等优点，已经广泛运用在各行各业。本次设计采用的检测装置为红外对射式，其能适应较为复杂的工作环境，能够精确、可靠、稳定的检测生产线上的成品数量。本设计所用的原理是通过红外对射式的检测装置来检测生产线上是否有成品通过，而当有成品通过遮挡住红外线时，红外接收电路产生脉冲信号，在经过功率放大后，将该信号通过外部中断的方式输入单片机，经过单片机的控制后通过过驱动电路使LED显示，最后得到需要统计的成品数量。关键词：计数器，红外对射式，单片机，LEDIProductCounterDesignBasedontheSCMProductionLineAbstract：ThecounterthatdesignedbasedonSCMhastheadvantagesofintuition,accuracy,stabilityandsoon,whichhasbeenwidelyusedinallwalksoflife.ThedesignadoptsPhotoelectricBeamDetector.Itcanadaptcomplicatedworkenvironment,whichalsocandetecttheproductsontheproductionlinesaccurately,reliablyandsteadily.ThetheoryofthiscounteristhatusingPhotoelectricBeamDetectortotestifthereisproductcrosstheproductionlines.Whenthereisaproductpassingby,theinfraredlightwillgeneratepulsesignal.ThesignalwillinputSCMafteramplifyingpower.Throughdrivingcircuits,theLEDshowstheproductamountsundertheSCMcontrol.KeyWords：Counter,InfraredontheRadio,SCM,LEDII目录1前言.11.1选题背景和意义.11.2国内外的研究概况.21.3研究的主要内容以及存在的问题.22系统总体设计.32.1方案论证和选择.32.2系统的总体框图及原理.53系统硬件设计.73.1电源供电部分.73.2红外对射检测电路.73.2.1红外线发射部分.73.2.2红外线接收部分.83.2.3红外线装置检测原理及系统.93.3计数、显示及辅助电路设计.103.3.1单片机系统.103.3.274HC573芯片.163.3.3LED显示.184系统软件设计.204.1Proteus软件.204.2Keil软件.204.3程序流程图.215结论.23参考文献.24致谢.25附录电路图.26附录源程序.2701前言1.1选题背景和意义电子计数器发展至今已有30多年，在其发展的的早期阶段，生产厂家需要得到日产量，总产量等生产数据，而这些数据有些是比较大的，所以要求计数器的计数范围广，故而往往需要对计数器进行扩展。到了中期阶段，设计师利用现代的电子技术可以轻松的将计数上限扩展到所需要的范围，此时设计的计数器所遇到的问题在于计数过程中，控制装置发生突然死机或者产生误动作，影响计数的精度与稳定度。设计师需要在实时、精确、稳定等方面做的更加协调，而随着技术革新，衡量电子计数器的计数水平和影响价格高低的精度和稳定度等基本技术日臻完善，成熟，能够得到满足生产线的电子计数设备。发展至当今，由于单片机技术的快速发展，通过单片机来控制设计的各种计数设备更加广泛的应用于工业测控系统，仪器仪表等行业。结合具有高速运算、数据分析与处理能力以及大规模容量存储的单片机所构成的计数器大大的提高了生产技术水平。无论计数器生产厂家还是买家都急切需要能够应用单片机技术进行设计开发新产品或新功能的高级技术人才。单片机所具有的性价比高的特点可以给生产厂家节省大量的成本，而且其功能性强，可靠性高是提高工业测控、仪器仪表和机电一体化产品的重要手段。对于设计者来说，电子计数器并没有发展到头，还需要做许多的工作，并且围绕不同的环境，工作条件需要设计出专用的计数器设备，从而满足飞速发展的工业领域所遇到的各种不同的问题。如今的电子计数器是基于单片机开发的一种多功能的电子测量仪器，不但能够实现所需要计数的功能，而且可以加入不同的辅助电路实现其他的功能。总的来说，电子计数器的发展越来越多样化，集成化，能够更加稳定，可靠的满足生产线计数的要求。其是结合了电子学原理、控制原理和显示原理等所生产的一种机电一体化产品，用来实现生产线的成品计数要求。如今计数器技术在不断进步，计数器所要求的功能也不断发展，种类越来越多，而不同行业也有了更加广泛的应用。厂家所需要的的生产线成品计数器也不断地进行技术改进，如何对生产线上的产品进行实时的、高效的、精确的自动计数是广大厂家特别关注的问题。传统的机械式或电子式计数器（主要由数字电路组成）电路结构复杂，并且经常出现各种问题，维护起来也很不方便，1而且如果需要设置预定的数值等，使用起来不方便，而且应用范围不太广。但是以单片机为核心控制的计数器能实现实时、精确、可靠、稳定等计数优点是广大厂家优先选择的自动计数装置。1.2国内外的研究概况如今的生产线成品计数器大多采用非接触式的计数触发方式。而目前基于单片机早就开发出了多种型号的专用检测芯片。而利用AT89C51为控制单元、辅以多种外围硬件搭配而成的计数装置已成为现在成品自动计数应用领域的潮流。国内外生产厂家研究的主要课题是如何提高自动计数器的实时性、抗干扰能力、稳定性。成品计数器主要用于工厂的流水线上检测成品的数量，而生产线的环境往往比较恶劣，计数器这种环境中并不能实时、准确、稳定的完成计数，经常会出现误动作或者死机等情况。MCS-51系列单片机构成的生产线成品计数器在这种环境中工作时也出现硬件或者软件等方面的问题。例如若外部中断和内部中断的优先发生冲突时，容易发生程序跑飞或者死循环。故而基于单片机的计数器这些方面也是有比较重大的缺陷，需要设计人员能够有更好的解决办法。1.3研究的主要内容以及存在的问题基于单片机构成的产品自动计数器研究的主要内容包括：怎样构成检测装置来采集所需要的脉冲信号、外部信号输入后单片机怎样来完成控制功能、显示驱动或者锁存器的选择、以及选择显示的相关电子元件。在本次设计中所遇到的问题是，硬件选型该如何选择，还有围绕单片机的外围电路怎么设计，以及如何提高单片机的抗干扰能力。22系统总体设计2.1方案论证和选择方案一、如下图：图2.1方案一原理：专用检测芯片可以产生计数脉冲，脉冲信号可以通过中断的方式输入控制单元AT89C51单片机并通过对其片内进行计数处理，最后在显示驱动的作用下让显示元件进行计数显示。单片机保护专用芯片X25045P是一块有电源电压监控、EEPROM和看门狗定时器电路三种功能于一体的芯片,它能够保证在电源接通、关断、瞬间电源电压不稳时，不会造成系统死机、数据误写或误动作，大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力。数据保护芯片HT7044A则能保证单片机设备在突然断电后保护数据，更有力的提高了单片机系统的稳定性。最后再对AT89C51进行编程处理，便可顺利进行计数了。电源供电电路则都是采用市电通过降压，稳压，滤波处理后得到单片机与显示元件所需的电压。3方案二、如图二：图2.2方案二原理：红外发射电路（以NE555芯片为核心）和红外接收电路（由LM567芯片为核心）构成红外检测部分并产生电平信号，从而形成计数脉冲、经过功率放大后信号通过外部中断的方式输入给AT89C51单片机进行计数控制，最后在显示驱动芯片的作用下让显示元件完成计数显示，也需要编程处理。通过W7805稳压芯片后形成电源供电电路，为单片机和显示元件提供需要的电压。方案三、如图三：图2.3方案三4原理：该方案的计数显示电路采用了计数显示专用芯片CL102，其能够译码、驱动、锁存、显示，可以说十分集成化。而信号检测系统与方案二相同，都采用红外对射式来获取脉冲信号。同时其电源供电电路也与方案二相同。其最大的特点便是计数显示集成化。以上三个方案各自的优缺点如下：方案一既能够很完美的实现成品的自动计数功能，也能够在系统处于异常状态时通过相关的外围专用芯片解决遇到的问题，故而抗干扰能力不错。其外围电路设计相对简单、应用于市场其是高端的自动计数产品。但是其有一个比较突出的问题：性价比较低，价格过高并不适宜应用在传统的流水线上。该方案在进行设计时，通过了解各种专用芯片的引脚功能和外围的连接方式便能够实现自动计数要求。并不适宜与达到本次设计的意义。虽然该方案比较完美的解决了计数中遇到的稳定性和可靠性等要求，故而该方案舍弃。方案三也是一个比较简单的产品自动计数器。其价格低廉，但是由于使用的是专用的计数显示芯片，故而其不适合处在较异常的工作环境，此时稳定性不好，故而在生产线的成品计数器市场中是淘汰产品。可用于计数要求不高，环境适宜的场合中。该方案设计的计数器过于简单，故而舍弃。.方案二为本次毕业设计所选用的方案。选用该方案主要是由于能够更深的了解以单片机为核心的计数装置的优缺，也是通过该方案设计的计数器能够广泛的应用在生产线上，实现实时，稳定，精确的计数要求。该方案存在的缺点是其整个系统的抗干扰能力较弱，没有掉电保护功能，而且系统异常时经常容易发生误动作或者程序的跑飞，死循环等问题。本此设计中围绕硬件设计与软件设计着重解决这些问题，使设计的能够更加广泛的应用在生产线的成品计数中。2.2系统的总体框图及原理通过方案比较，设计的系统总体框图，如图2.4所示：5图2.4系统总体框图原理：电路的指导思想是利用红外发光管发射红外线，红外接收管接收此红外线后形成计数脉冲并将其功率放大，在经过整流滤波后形成电平信号。当生产线的成品挡住了红外光时，红外接收管没有接收到红外信号，所以产生变化，此时红外接收管没有持续产生高电平信号，故而将输出低电平信号。这个便是外部计数脉冲信号。通过软件程序设置单片机内部寄存器，当红外对射装置产生高低脉冲后被单片机接收到，单片机产生中断，此中断为外部中断，产生后通过设置了的中断服务程序进行计数控制。然后再通过单片机内部的定时器中断来将计数信息通过P1口输出到显示驱动中，最后LED的显示驱动使LED显示生产线的成品数量。当计数达到计数器上限时进行报警，便于计数更准确。手动模拟计数用于测试计数器是否可以正常工作。63系统硬件设计3.1电源供电部分图3.1电源供电电路如上图3.1所示为电源供电部分：电路首先用变压器将220V的交流电降压为9V的交流电输出，然后通过桥式整流、电容器滤波以及三端稳压器7805稳压后输出为5V的电压对单片机和显示驱动等进行供电。电源是将220V交流民用电经TR1变压器降压变为9V交流电，再通过运用桥式连接的四个整流二极管（D1D4）所组成的整流电路将原来的交流电变为直流电，再通过C1滤波后送入7805芯片稳压为5V直流电源供AT89C51、红外对射式电路、LED显示等供电。3.2红外对射检测电路3.2.1红外线发射部分如图3.2所示，其为红外发射电路，其中主要是围绕时钟定时集成芯片NE555再加上其他的电子元件构成了红外发射电路。其内部含有两个电压比较器，一个分压器，一个RS触发器，一个放电晶体管和一个功率输出级构成一个多谐振荡器。可以产生一个频率在91kHz至130kHz的脉冲波(这是理论值。由于元件偏差,以实际测量为准)，通过3脚输出脉冲波，由红外线发光二极管(D1)发射出去。频率计算方法：7F=1.443/(R1+2R2)C1因此根据公式计算我们知道此设计中红外线发光二极管的发射频率为12.4KHZ94.5kHZ。发射的是脉冲波。图3.2红外线发射电路3.2.2红外线接收部分如下图3.3所示为红外线接收电路：图3.3红外线接收电路8其是围绕锁相环集成芯片LM567为核心，再加上其他的辅助电路构成一个频率检波器。如图3.3所示，红外线接收二极管可以将红外发射电路发射的脉冲信号接收，然后通过电容C1到三极管组成的放大电路可以把脉冲信号放大数倍最后送给LM567的3脚，由该锁相环集成芯片实现鉴频。8脚用来输出电平信号，一般处于高电平状态，而若接收脉冲信号可以被该芯片的带宽捕捉，那么该脚输出低电平信号。其中5脚的电容与6脚上的电阻用来决定内部压控晶体振荡器的中心频率，当f=f1（f1=1/1.1R4C5）时锁相环集成芯片开始工作，也就是说红外接收电路开始工作接收脉冲信号，输出电平信号。1脚和2脚的电容在接地后构成了输出滤波网络和低通滤波网络，通过设置两个电容之间的比值大小，可以调节滤波的频率范围。对于整个检测电路的灵敏度和自然光等背景光干扰的消除便主要是通过该锁相环解码芯片来改变的，故其提高了整个检测电路的抗干扰能力。如果在对射管（接收管和发射管）外加滤光片便可以更好的提高抗干扰能力。我们知道单片机的晶振频率fx一般为12MHZ，而单片机的正常工作频率为f=fx/24.，即处于0500KHZ的范围内。而该锁相环解码芯片的8脚输出的计数脉冲频率在12.4KHZ94.5kHZ的范围，故而此电路的设计不但可以很好的满足单片机的控制要求，而且可以看出利用该芯片构成的检测单元存在浪费现象。3.2.3红外线装置检测原理及系统如下图3.4所示为红外线装置检测原理图：9图3.4检测原理图如图3.4所示，四只管子处于同一平面，发射管A、B分别与接收管A、B相对应。计数器内设置一标志。生产线的成品未进入发射管A，接收管A之间时，两束红外光均被接受，管A、B均导通，标志置1；当成品继续向前运动直至遮挡住发射管A的红外光线时，标志并不发生改变：当同时遮挡住了发射管A、B的两束红外光线时，相对应的接收管A、没有接收到电平信号，故而此时标志才置0；当成品慢慢离开时，又由于两束红外光都未遮挡，此时标志置1。当成品进入了传感区域（即发射管A、B和接收管A、B之间的平面区域）只有一束红外光线被遮挡时，并不会影响标志，即成品在此区域发生抖动并不会影响结果，从而可以保证准确的进行计数。计数测量装置系统由信号的采集处理部分、AT89C51控制部分、LED显示驱动的LED模块、以及程序编程组成。其中信号的采集处理部分包含了信号放大电路和滤波电路。对被测信号进行放大处理主要是为了降低对被测信号的幅度范围要求；而滤波电路则是把经过放大处理的信号转换成可被单片机所接收的TTL信号；通过对单片机接收外部的中断，然后其内部定时器T0可以对输入的电平信号进行计数，然后通过驱动显示电路来驱动LED显示，当然也通过所需要的主程序与中断程序编程输入控制单片机工作。3.3计数、显示及辅助电路设计3.3.1单片机系统（1）AT89C51简介10单片机是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）的简称，是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器以及串行和并行I/O接口等部件，构成一个完整的微型计算机。AT89C51是美国ATMEL公司生产的有着强大功能的单片机，可应用在各种控制领域以及高性价比的产品设备。图3.5为其结构框图，其主要性能参数：与MCS-51产品指令系统完全兼容4k字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：0Hz24MHz1288字节内部RAM32个可编程IO口线2个16位定时计数器6个中断源图3.5单片机结构框图（2）AT89C51的晶振电路11图3.6晶振电路如图3.6，即为AT89C51的晶振电路，其中，x1、x2分别与单片机的XTAL1、XTAL2引脚相连。单片机系统里都具晶振电路，其主要作用为系统提供基本的时钟信号。单片机的运行速度与其晶振电路结合单片机内部电路的时钟频率有关，当时钟频率越高，那么单片机的运行速度也就越快，当然单片机所执行的指令程序也就越快。外晶体震荡器在产生震荡信号后输入内部时钟电路，而其晶体的震荡频率一般在1.2MHz12MHz之间。通常一个系统共用一个晶振，在本系统中也只用一个晶振，便于保持各部分的保持同步。其中对应单片机的外接晶体引脚的作用：XTAL11:接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内震荡器。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部震荡信号的输入端。XTAL22:接外部石英晶体的另一端。在单片机内部，接至片内震荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部震荡信号的输入端；对于CHMOS单片机，该引脚悬空不接。（3）AT89C51的复位电路如下图3.7（a）、（b）,其中（a）为上电复位电路，（b）为手动复位电路。12图3.7（a）上电复位电路（b）手动复位电路如图3.7（a）的上电复位电路中，线路中RST与单片机的RST引脚相连，上电复位要求接通电源后，单片机恢复初始状态，即表示LED显示也重置为0，表示此时处于复位状态。单片机上电复位通过电容C1充电来实现。其中对应单片机的复位引脚作用：RST3：RST即为RESET，该引脚为单片机的上电复位端。当单片机震荡器.工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机恢复初始状态。如图3.7（b）的手动复位电路中，其可与单片机的P0、P1、P2、P3口相连接，在本电路中与P3口相连接。手动复位是在系统处于供电状态中，而单片机也处于工作状态，通过按钮操作实现复位，即此时按键之后，LED同时也显示为0。如上图，手动按键在按键后将电阻R1与VCC接通，便实现了复位。本电路中，用于计数清零。（4）蜂鸣器电路部分13图3.8蜂鸣器电路如图3.8为蜂鸣器驱动电路，蜂鸣器一端接地，另一端通过三极管和电阻R4接P1.0口，P1.0口开始处于高电平，当程序控制P1.0口为低电平时，三极管导通，蜂鸣器开始工作。蜂鸣器电路的作用是当到达了程序设计的计数上限后便于报警。然后获取所需要的计数结果。其中对应的单片机的外接引脚的作用：P1：其是8位准双向输入输出端口，其只可以作为通用的I/O口使用。（5）单片机的计数与控制计数是由单片机AT89C51控制完成。基本原理为当成品通过流水线被红外对射电路检测电路检测到后，红外接收电路会通过电压比较器后输出一个低电平信号，而这个信号将供给单片机进行计数控制。将这个计数信号输入单片机系统有三种方法：T0或T1计数器脉冲统计、查询法、外部中断。T0或T1计数器主要作用是在一定时间内计数脉冲的个数，本次设计中并没有要求显示在一定的时间内的成品数量，要求的是能够实时、精确、稳定的在显示当前的计数值，所以在本次计数中不采用T0或T1计数器的方式。查询法是处理单元在一个时间段内或是不停的查询计数脉冲是否产生。处理单元即CPU每次查询需要一个脉冲信号需要用一个机器周期，即12个震荡周期。大概用时为1。可知对于单片机的程序处理速度或者运行速度来说，s14生产线的成品传输速度太过缓慢，若不停的运用查询法统计成品数量，对单片机的时间资源来说特别浪费。我们知道，对于单片机产品的设计来说，时间与空间资源异常珍贵，不可轻易的浪费，查询法对于计数器设备来说不适合。外部中断法是利用的是P3.2口的第二功能，INT0中断，此时，每当有一个低电平产生，单片机将自动转入中断服务程序。对其外部的信号进行中断处理。为了防止外部的干扰，或者经过的成品特性造成中断不停的触发，造成误计，重计等问题，即防止此处的抖动问题。我们采用了副边沿触发方式，不再是电平触发，此时，只有当产生一个完整的脉冲信号，才会有副边沿的产生。根据上述的分析总结，最合理的方法便是采用外部中断方式来计数。下图3.9（a）、（b）为模拟产品经过的电路和实际接收红外装置信号连接：图3.9（a）模拟产品经过电路（b）实际接收红外信号电路如上图（a）、（b）为了便于仿真，原本单片机用来接收红外对射装置INPUT的OUTPUT被模拟按键替代。第一个好处是能够减少仿真难度，并且比较容易的实现计数器的设计，且可以保障计数的准确性。第二是在实际的计数产品检测中用来检验产品的正品率。实际应用只需要换成红外对射装置的OUTPUT即可。在上面图中运用了单片机P3口的第二功能，此引脚作用：P3口:该口作为一个8位双向口，有两种功能，第一为基本输入/输出；而第二功能如图3.10，本次设计只使用了其P3.2口和P3.3口。15图3.10单片机P3口引脚第二功能单片机来控制LED显示，也有两种方法，其中一种是查询法，而另一种为中断法，此处中断是通过给单片机内部的定时器设置一定的时间，然后产生定时中断，来控制LED显示，与上述的外部中断不一样。查询法与上述所说的脉冲查询法相似，主要是主程序不停的查询LED的每个数码管是否处于点亮状态。在每个数码管之间需要插入延时程序，通过延时程序不停的循环查询每个数码管。在实际的运用中此种方法大大的浪费了单片机的时间和空间资源。故而在计数产品的设计中一般不采用此方法。中断法则是根据计算机内部的溢出设定，可以用来计数和定时。如此便可以在某个时刻或者所需要的时刻来准确的进行相应的功能。本次设计中，是对LED数码管每过1ms进行循环扫描，然后点亮对应的数码管。根据上述分析，我们知道了在计数程序和显示程序中，都采用的中断法来进行控制，但是若两者同时进入了中断问题，便会导致单片机发生死机，还有程序跑飞等情况。若发生这种情况，显然所设计的计数器是失败的，为了避免这样的问题，设定中断的优先级便可以解决。为了得到准确和稳定的计数，此处我们设定外部脉冲中断处于优先级。163.3.274HC573芯片在本次所用的六段八位数码管上，为了让一个数据的在LED数码管进行持续的显示，就必须要不断地快速的刷新。若需要在人类可接受的频率范围不断地刷新，在30ms刷新一次即可。但是若如此做则不断地占用了CPU的处理时间，消耗了CPU的处理能力，造成了CPU的功耗浪费。锁存器的使用可以很大的缓解CPU由于这种快速刷新所带来的压力。当CPU将电平信号输入到锁存器后，锁存器可以把该电平信号进行锁存，其输出引脚可以把此电平信号的状态一直保持，直到下一次锁存新的电平信号为止。即保持数码管的显示内容不变，CPU的处理时间以及I/O引脚便便可以处于空闲状态。从上面可以看到，当加入了锁存器，CPU只处理显示内容发生变化的时间段。这个时间就整个显示时间来说只是非常少的一部分，而CPU就拥有了更多的时间处理其他任务。时间仅限于显示内容发生变化的时候，这在整个显示时间上只是非常少的一个部分。这便是锁存器运用在LED和数码管显示方面的重要作用，为单片机节省更多的时间。74HC573芯片做为