传感器课程设计--自动工件检验计数器设计.doc

课 程 设 计设计题目： 自动工件检验计数器设计 系 别 班级 学生姓名 学号 指导教师 职称 讲师 起止日期：2014年 3 月 3 日起至 2014 年 3 月14 日止 课程设计任务书课程设计题目： 自动工件检验计数器设计 系别 班级 学生姓名 学号 指导教师 职称 讲师 课程设计进行地点： 任 务 下 达 时 间： 2014 年 3 月3日起止日期：2014 年 3 月3日起至 2014年 3 月14日止教研室主任 年 月 日批准自动工件检验计数器设计1 设计主要内容及要求1.1 设计目的：1、了解自动工件检验计数器的基本知识以及相关电工电子学、单片机、传感器等技术，通过设计加深对电子电路方面知识的理解；2、能够熟悉传感器的检测以及应用电路，加深对于光电元件的了解，学会应用光电元件进行实际检测和应用。1.2 基本要求1、利用光电元件设计自动工件检验计数器；2、通过该传感器可以给自动生产线上的工件产品自动贴商品标签，同时对贴好标签的工件产品自动计数。3、画出你所设计的自动工件检验计数器的电路原理图并予以说明；4、给出你所选择的元件明细表；简要说明你所设计的传感器的测量特点。5、要有相应的控制算法（软件流程图）。1.3 发挥部分：可以增加其它的功能。 2 设计过程及论文的基本要求：2.1 设计过程的基本要求1基本部分必须完成，发挥部分可任选；2符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份；3设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。2.2 课程设计论文的基本要求1参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。2装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。3 时间进度安排顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注12014.3.3讲解主要设计内容，查阅相关资料。打分22014.3.4检查资料查阅情况，听取学生方案。打分32014.3.5检查学生初步方案的合理性，针对存在的问题予以解决打分42014.3.6指导学生进行设计框图的设计打分52014.3.7检查并指导学生进行传感器和主要元器件的选取打分12014.3.10检查并指导学生进行原理图的设计打分22014.3.11检查框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误打分32014.3.12检查逻辑图并指出错误及纠正；讲解原理图绘制及报告书写打分42014.3.13继续修正逻辑图，指导原理图绘制方法，布置答辩打分52014.3.14答辩、修改上交报告打分沈 阳 工 程 学 院传感器 课程设计成绩评定表系（部）： 班级： 学生姓名： 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分 中文摘要传感与检测技术是一门知识面广、综合程度高、实用性很强的专业课程。它从传感器的基本理论入手，着重讲叙传感器的结构与感测原理，传感器是一个二端口的装置，不同的传感器输入-输出特性不同，同一传感器适应不同的被测信号呈现的特性也有所不同。尤其当被测信号为静态信号时两种状态下，传感器的输入-输出特性完全不同。感测技术在许多新技术、新器件里都有应用，在课程安排上，以信息的传感、转换、处理为核心，从基本物理概念入手，阐述热工量、机械量、几何量等参数的测量原理及方法。电子计数器是指能完成频率测量、时间测量、计数等功能的所有电子测量仪器的通称。频率和时间是电子测量仪器技术领域中最基本的参量，因此电子计数器是一类重要的电子测量技术仪器，使仪器在小型化、耗电、可靠性，等方面都大为改善。尤其是与微处理器的结合它体现了智能化，使得这类仪器的原理与设计发生了重大的变化。电子计数器有通用计数器的专用计数器之分。红外线计数器是一种专用的电子计数器，是利用加密、解码红外线发射、接收模块作计数传感器,当有物体通过时光被遮挡住,接收模块输出一个高电平脉冲,对此脉冲进行计数,就可实现对产品的统计.基于这种光电检测原理,配合二合一组合集成电路,设计了反射式红外线计数器.实践证明,该装置抗干扰能力强,工作稳定,计数准确.计数器在人们生活领域的应用非常广泛，例如工厂的流水线中的产品计数器 。计数器常用于生产上进行工件计数工作，但却经常会发生计数错误的情况，尤其是此数量被记录到批记录时，一旦有误差产生会导致整批产品发生偏差或误判断，造成不必要的人力、物力浪费，因此，必须保证计数的零误差。本文所研究的是在工件流水线上计数器的使用，其过程是工件从灯检结束到贴签过程中，运用传送带将药瓶传送到另一个工序，且在传送过程中使用光电计数统计工件数量。关键字 电子计数器 光电传感器 红外线检测 单片机目录中文摘要V1.设计主要内容及要求12.设计思路23.设计框图34.各部分电路内容设计及过程分析44.1系统工作原理44.2各部分工作原理及过程44.2.1光电转换模块44.2.2 单片机计数模块64.2.3 LCD显示模块75.元器件清单86各元器件介绍96.1 单片机AT80C5296.2 晶振106.3 光敏三极管116.4 晶体三极管136.5 LCD液晶显示14小结16致谢17参考文献18附录191. 设计主要内容及要求1.1 设计目的：（1）、了解自动工件检验计数器的基本知识以及相关电工电子学、单片机、传感器等技术，通过设计加深对电子电路方面知识的理解。（2）、能够熟悉传感器的检测以及应用电路，加深对于光电元件的了解，学会应用光电元件进行实际检测和应用。1.2 基本要求：（1）、利用光电元件设计自动工件检验计数器。（2）、通过该传感器可以给自动生产线上的工件产品自动贴商品标签，同时对贴好标签的工件产品自动计数。（3）、画出你所设计的自动工件检验计数器的电路原理图并予以说明。（4）、给出你所选择的元件明细表，简要说明你所设计的传感器的测量特点。（5）、要有相应的控制算法（软件流程图）。1.3 发挥部分：可以增加其它的功能。2.设计思路 计数的过程其实是获取脉冲源的过程，当有物体穿越光路时，接收头输出为高电平，反之则为低电平，接收头的电平信号经由电压比较器反相后送入CPU当传送带将被测物体传送到检测点时，物体将探头发送的红外线调制信号反射给探头，探头接收器产生的信号送到单片机P32口，启动计数器开始计数，每次红外线的阻断都将转化成电信号被单片机芯片获取，在原来的数值上加1，并将计数后所得的数据送给LED显示. 为了充分实现实时在线工业检测，在处理过程中采用中断方式进行计数 发射电路始终发射红外信号，当传送带将物体送进入口时，将信号挡住，即将红外信号变为脉冲信号，此时中断响宜计数器记录进料数量并设定时中断为lms，如果在进口中有其它异物通过时，它在设定的时间内不能长期保持有效因此，中断不响应，计数器不记录异物通过，这样可防止外界的干扰 最后则是对软测量效果的评价 由于工业生产过程中要求具有很高的精确性因此对软测量效果的评价是很重要的。根据软测量的效果确定模型是否需要进行修正，哪些参数需要调整等。一旦发现软测量的效果不能满足于实际应用的需求，就必须考虑重新考虑构造软测量模型，即重新构造出新的软件的设计思路，设计出满足实践需要的软测量系统。2设计框图光电转换单稳态电路显示方波发生器&译码计数单稳态电路驱动LED灯亮贴标签上电和手动清零4.各部分电路内容设计及过程分析4.1系统工作原理检测部分使用红外对管：发射管和接收管。计数的过程其实是获取脉冲源的过程，当有物体穿越光路时，接收头输出为高电平，反之则为低电平，接收头的电平信号经由电压比较器反相后送入CPU当传送带将被测物体传送到检测点时，物体将探头发送的红外线调制信号反射给探头，探头接收器产生的信号送到单片机P32口，启动计数器开始计数，每次红外线的阻断都将转化成电信号被单片机芯片获取，在原来的数值上加1，并将计数后所得的数据送给LED显示。系统的原理图如下：红外线接收端红外线发射端LCD显示C8051单片机贴标签LED每一个物品过生产线C8051单片机记一次数，LED灯亮一次，自动给商品贴上标签。4.2各部分工作原理及过程4.2.1光电转换模块红外对管和R1，R2组成的光电检测电路，负责把被检测的数量转换成电压脉冲信号。工作时红外发光管发出的红外光线投射到光敏三极管上，光敏三极管导通，集电极输出低电平；当红外光线被检测物遮断时，光敏三极管截止，集电极输出高电平。遮断一次输出一个脉冲，因此脉冲的个数就是被检测物的数量。红外对管中红外发光管的正向电流为50mA，在环境温度为25C时，它的最大耗散功率100mW，正向压降1.5V。当环境温度上升时，允许的正向工作电流还要减小。为了留有一定的欲量，取它的工作电流为20mA。则R1=175 ，取R1=200，其中5V是电源电压，1.5V是红外发光管的正向压降。根据红外对管的计数手册可知：使红外发光管的正向电流为20mA,当有遮挡时，光敏三极管Iceo=100nA；无遮挡时，光敏三极管的Ic=0.7mA.为了使光敏三极管能工作在开关状态，则R2=6.7K。取R2=10K，其中5V是电源电压，0.4V是光敏三极管的饱和压降。红外对管的输出脉冲信号加到一个迟滞比较器（或者称作施密特触发器）。它有两个门限电压，分别称作上门限电压V1和下门限电压V2，两者的差值称为门限宽度获迟滞宽度，即：V=V1-V2在实际应用中，利用迟滞比较器可以有效的克服噪声和干扰的影响，利用迟滞比较器，只要噪声和干扰的大小处在迟滞宽度内，就不会引起错误的阶跃。因此，当被测物每遮挡一次红外对管时，施密特触发器输出一个宽度为Tw的脉冲，该脉冲送到计数器去计数和显示。C4是滤波电容，可提高单稳态触发器的工作稳定性。 图4.1光电转换模块4.2.2 单片机计数模块 在光电计数系统中，设计软件可实现技术初始值为999，在生产流水线中有产品通过时，红外线被阻断，红外接收器没有收到发射器的红外信号，输出高电平 。将此信号送人到AT89C2051单片机的P32口使单片机系统开始工作。由软件实现计数值加一，并且每计数100，用灯闪烁2S指示一下。我们把打断单片机正常工作的外部信号接到单片机的INT0引脚，经过软件对有关寄存器的设置，单片机就可知道外界信号的变化，从而中断主程序的。当系统接侧到信号由高到低的负跳变时引发中断，中断过程中不产生计数，对于外部中断源的撤除，当外部中断采用边延触发方式时，CPU响应中断后，由硬件自动清除其中的中断标志位IE0或IE1，无需采取其他措施。当外部中断源采用电平触发方式时，CPU响应中断后不会自动清除中断请求标志位IE0或IE1，同时也不能用软件清除，当CPU执行完中断程序后返回主程序，发现外部中断源位于低电平时，仍会响应低电平。即外部中断源位于低电平时，则中断标志IE0或IE1就会为“1”。在实际应用过程中根据实际情况采取软硬件配合使用的方法。图4.2 AT80C52单片机计数模块4.2.3 LCD显示模块当向P3.2口输入低电平时，经内部程序运算后进行加法处理，其结果通过三个数码管显示出来。 图4.3 LCD显示模块5.元器件清单序号符号名称数量1AT89C52单片机计数器12R电阻193VSP光敏三极管14CRYSTAL晶振15PNP三极管36C电容37LED发光二极管18LCD数码管19NOT与非门110PC324运算放大器16各元器件介绍6.1 单片机AT80C52 图6.1 AT80C52引脚AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。1.主要性能参数：与MCS-51产品指令和引脚完全兼容8k字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：0Hz24MHz三级加密程序存储器2568字节内部RAM32个可编程IO口线3个16位定时计数器8个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式2.功能特性概述：AT89C52提供以下标准功能：8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个IO口线，3个16位定时计数器，一个6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，AT89C52可降至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。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。6.2 晶振晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振，较高的频率为并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。一般的晶振的负载电容为15p或12.5p，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。 功能作用:晶振在应用具体起到的作用，微控制器的时钟源可以分为两类：基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷谐振槽路；RC（电阻、电容）振荡器。一种是皮尔斯振荡器配置，适用于晶振和陶瓷谐振槽路。另一种为简单的分立RC振荡器。基于晶振与陶瓷谐振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。RC振荡器能够快速启动，成本也比较低，但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差，会在标称输出频率的5%至50%范围内变化。但其性能受环境条件和电路元件选择的影响。需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。在使用时，陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化。具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感，但在过驱动时很容易产生频率漂移（甚至可能损坏）。影响振荡器工作的环境因素有：电磁干扰（EMI）、机械震动与冲击、湿度和温度。这些因素会增大输出频率的变化，增加不稳定性，并且在有些情况下，还会造成振荡器停振。上述大部分问题都可以通过使用振荡器模块避免。这些模块自带振荡器、提供低阻方波输出，并且能够在一定条件下保证运行。最常用的两种类型是晶振模块和集成RC振荡器（硅振荡器）。晶振模块提供与分立晶振相同的精度。硅振荡器的精度要比分立RC振荡器高，多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度。 图6.2晶振等效电路 6.3 光敏三极管光敏三极管的结构及工作原理：光敏三极管与普通半导体三极管一样，是采用半导体制作工艺制成的具有NPN或PNP结构的半导体管。它在结构上与半导体三极管相似，它的引出电极通常只有两个，也有三个的。光敏三极管的结构如图所示。为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收。和光敏二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片上。将光敏三极管接在图所示的电路中，光敏三极管的集电极接正电位，其发射极接负电位。当无光照射时，流过光敏三极管的电流，就是正常情况下光敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流Iceo它也是光敏三极管的暗电流，其大小为Iceo=(1+hFE)I。式中:Icbo-集电极与基极间的饱和电流;hFE-共发射极直流放大系数。当有光照射在基区时，激发产生的电子-空穴对增加了少数载流子的浓度，使集电结反向饱和电流大大增加，这就是光敏三极管集电结的光生电流。该电流注入发射结进行放大，成为光敏三极管集电极与发射极间电流，它就是光敏三极管的光电流。可以看出，光敏三极管利用普通半导体三极管的放大作用，将光敏二极管的光电流放大了(I+hFE)倍。所以，光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度6.4 晶体三极管三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管,晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号， 也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。工作原理：晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。 图6.3 晶体三极管结构图图6.4 三极管的符号6.5 LCD液晶显示LCD （ Liquid Crystal Display 的简称）液晶显示器。LCD 的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置TFT（薄膜晶体管），上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。现在LCD已经替代CRT成为主流，价格也已经下降了很多，并已充分的普及。1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极图6.6 LCD引脚图 图6.7 LCD实物图小结通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关传感器电子线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获龋最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可!课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试;熟悉了常用仪器、仪表;了解了电路的连线方法;以及如何提高电路的性能等等。我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的