自动装箱控制系统设计(最终版1)

1、存档日期：存档日期： 存档编号：存档编号： 本科生毕业设计（论文）本科生毕业设计（论文）论论 文文 题题 目：目：姓姓 名：名： 张明礼 学学 院：院： 电气工程及自动化学院 专专 业：业： 自动化 班班 级级 、 学学 号号： 10电51 10285016 指指 导导 教教 师：师： 包建华 江苏师范大学教务处印制江苏师范大学教务处印制自动装箱控制系统设计 I摘摘 要要自上世纪以来,人类的科技水平进入了全面发展的时期，尤其是在电子技术领域，自动化已经遍布我们的生活。自动化技术的提升能大幅度的提高国民经济，这在包装行业中表现的特别突出。现如今,在一些大型工厂、企业中，包装生产线早已实现了包装自

2、动化。随着生产线上的控制系统，监测系统的不断发展，包装生产线上的故障率不断降低，产品损耗也不断降低。自动化生产的高速发展，使得企业的生产效率成倍提高，可以说生产线上的自动化水平越高，为企业和社会带来的现实的经济利益越可观。本文研究的就是包装生产线上的自动装箱控制系统,对系统的各个部分将进行详细的介绍,包括系统各部分的方案的选择,所用到的元器件的功能和使用方法等。 在本文中，首先会先介绍一下论文设计的整体思路。然后，围绕着系统的设计要求，对各部分做个详细的阐述，最后完成整个系统的构建。构成系统的主要部分是两条皮带，包装箱体的传送皮带和待装产品的传送皮带。在自动装箱控制系统中我们选用电子电路中最常

3、用的光电传感器作为产品的计数器。 自动装箱控制系统的主电路部分是采用 AT89C52 单片机以及 74LS373 等芯片所构成的一个简单的微机系统。为了方便读取键盘的给定参数，完成产品的检测和对系统的控制，在系统设计中，专门使用一个 8255A 做单片机的扩展 I/O 接口。在论文中将对自动装箱控制系统进行较详细的阐述，以及提供具体的系统设计。在系统的编程控制部分，结合软件和硬件来进行程序的设计，最终达到自动装箱控制系统的设计要求。 关关键键词词 ：装箱 光电传感器 AT89C52 8255A 工业自动化IIAbstractSince the last century, the level o

4、f human technology into the comprehensive development period, especially in the fields of electronic technology, automation has been in our life.Promotion of automation technology can greatly contributed to the national economy. In the packaging industry show special highlights. Nowadays, in some la

5、rge factories, enterprises and packaging lines have long been packaged automation. With the control system of production line, continuous development of monitoring system, decreasing failure rates of packaging product line and product losses have been reduced. The rapid development of automated prod

6、uction that results in doubling production efficiency, can be said that the higher level of automation production line, bring real economic benefits for businesses and society is considerable. Automatic packing machine control system in this paper is the study of thepackaging production line, on the

7、 various parts of the system will beintroduced in detail, including the selection of each part of the system, thecomponents of the function and the method of use.In this paper, we will first to profile the papers overall design philosophy. T Then, around the system design requirements, make a detail

8、ed description of each part of the construction, the final completion of the whole system. The main part of the system design is the two belt, transmission belt packing box and the transmission belt to be installed products. Photoelectric sensor is used as the product of the counter in the automatic

9、 packing control IIIsystem.Automatic packing control system of main circuit used in the AT89C52 MCU and 74LS373 chip posed by a computer system. In order to facilitate reading the keyboard of the given parameters, detection and control of finished product, system design, specially made using a 8255A

10、 extension of the single-chip I/O interfaces. This article comprehensively presented for automatic packing control system, as well as the detailed systems design.The system control part, combined with the realization of software and hardware, finally achieve the design requirement of automatic packi

11、ng machine control system.Key words: Boxing AT89C52 8255A Industrial AutomationIV目目 录录摘摘 要要.IABSTRACT.II1 1 绪绪 论论.11.1 研究背景及目的.11.2 工业自动化的研究现状.11.3 自动装箱控制系统的设计意义.21.4 设计内容及功能要求.22 2 系统的控制方案论证系统的控制方案论证.52.1 控制方案列举分析及确定.52.1.1 机械式的顺序控制 .52.1.2 继电器顺序控制(RLC) .52.1.3 二极管矩阵式顺序控制器 .62.1.4 计算机的顺序控制 .62.1.5

12、可编程序的顺序控制器 .62.1.6 单片机实现的顺序控制 .72.2 自动装箱系统配置方案.72.2.1 单片机的选型及相应芯片、总线的选择 .72.2.2 传感器的选择及工作原理 .82.2.3 输入输出设备的选择 .82.2.4 电机的选型及控制方案的选择 .92.2.5 供电方案的选择 .103 3 控制系统硬件设计控制系统硬件设计.123.1 系统的硬件设计.123.2 控制电路的设计.123.2.1 信号的识别与检测电路（数据采集电路） .123.2.2 电机的控制电路设计 .123.2.3 显示电路设计 .123.2.4 音频报警电路设计 .123.2.5 给定参数（输入）电路设

13、计 .124 4 软件设计软件设计.124.1 系统的程序流程图.124.1.1 系统的主程序设计及其流程图 .124.1.2 数码管动态显示的子程序流程图 .12V4.1.3 系统的中断子程序流程图 .124.1.4 音频报警子程序设计 .124.2 系统的内存单元分配.12结结 论论.12附附 录录 一：一： 自自动装箱控制系统硬件接线图动装箱控制系统硬件接线图.12附附录录二二：自自动动装装箱箱控控制制系系统统程程序序设设计计.12致致 谢谢.12 参参考考文文献献 .12 江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计11 绪 论1.1 研究背景及目的现代工业的生产过程中,常常要统计

14、生产线上的产品数，并对产品进行包装，通常采取的方式是手工逐个计数。但由于人工的自身缺陷，采取这种方式很容易出错，不是漏掉就是计错，而且效率也比较低，成本高。在本系统的设计中，采用 ATMEL公司的 MCS-51 单片机 AT89C52 为装箱系统的控制核心,可以对包装工厂的生产过程中进行正确的装箱处理和产品确切的计数。工业自动化技术综合了自动控制原理、计算机应用技术、仪器与仪表技术等技术，对工业现场的流水线，实现产品监测、生产线的控制与优化、调度以及管理和决策，最终达到提高生产效率、减少损耗的目的，同时也提高了生产安全。工业自动化技术是 20 世纪制造领域中的最重要的技术之一，它主要提高了工业

15、生产过程中的工作效率。工业自动化系统本身不会创造生产效益，只是对于改善工业生产中的工作效率，作用是显而易见的。IPC（工业控制计算机）,又叫产业 PC，在工业自动化系统中，IPC 起着很重要的作用。一般认为，工业控制计算机主要用在工业生产现场的测量、管理、控制。但随着现在科技水平的不断发展，IPC 的应用范围不仅仅局限于此了，已经远超出工业自动化控制的过程。1.2 工业自动化的研究现状如今，很多工厂，企业，为了实现生产过程中的控制与管理一体化，大多采用的是 PLC，集散控制，现场总线等作为工业控制的主要方式。进入 21 世纪， “新型自动化控制系统”逐渐流行起来，工业控制慢慢有了向智能化方向发

16、展的趋势。随着科学技术水平的提高和发展，集散控制系统(DCS)在工业生产中的应用更加广泛。DCS 技术是将计算机技术应用在了生产过程控制当中，用 CRT 来表示系统的各个参数,计算机软件组成了各种功能模块,两者通过通信网络构成一个完备的系统。所以 DCS 技术的一个主要的特点是，各生产过程现场的控制分别由现场控制站来进行分散控制,然后，各个现场的控制信息汇总到管理站进行集中管理,同时根据生产工艺要求管理站对现场控制站进行集中控制,即信息和操作管理集中化而控制分散化。近年来，DCS 技术的发展势头很猛，在工业生产过程中的应用更加广泛。未来江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计2DCS

17、还将拥有更广阔的发展前景。顺序逻辑控制从继电器到数字逻辑顺序控制系统的一步步发展,最终形成了现在的可编程逻辑控制器,即我们常说的 PLC。PLC 采用梯形图、布尔代数控制程序。PLC 具有体积小,可以无火花运行,故障率低，安全可靠等优点,可以较方便的进行现场调试。从上世纪的 80 年代后期开始,PLC 制造商开始为了满足市场的需求，在 PLC 中加入了模拟量的采集和控制,并与控制和传输匹配,绝大多数情况下都是基于单一设备的销售,系统最终的集成由用户（或工程公司）自己完成。现场总线是开放的工业自动化控制系统,用于连接在生产现场的仪表与控制室内的控制设备进行通信的网络系统。现场总线技术是一种高层次

18、、高难度的工业数据总线,是工业自动化系统的重要组成部分，对工业各个领域的发展都将起到非常重要的作用。1.3 自动装箱控制系统的设计意义随着在制造业中的自动化水平的不断提高，应用范围不断扩大。包装的自动化操作，对整个包装行业的改变是巨大的，这彻底改变了传统装箱过程中的包装方法和加工方式。自动装箱控制系统显著的提高了工厂的生产效率和产品品质，减少了包装过程中由于工人的误操作而造成的产品损失，降低了资源消耗，同时也减轻了包装工人的劳动强度。自动装箱控制系统的设计关键是能够设计出一个实现完全自动控制的控制方案。显然，自动装置(或工业机器人)的需求和特点取决于工艺的选择。根据定义，那么自动装置就是实现自

19、动化控制或者通过远程遥控可以完成某个任务的机械装置或机构。它可以很简单，也可以很复杂。当代的自动化革命浪潮，正在改变着包括包装行业在内的各个行业的生产规则。自动装箱控制系统具有的高效率，提高了整个生产过程中的工作效率和产品的质量。当然对于减少资源损耗，降低劳动强度，改善加工误差，也起到了非常重要的作用。尤其是在电子、饮料、食品、药品等行业，这点都是至关重要的。从长远来看，自动装置最终将得到更加广泛的应用。1.4 设计内容及功能要求分析了以上论述，我们对于自动装箱控制系统有了大致的了解。结合本系统的一些功能要求，我们设计出了一个自动装箱控制系统，装箱原理图如图 1-1 所示。江苏师范大学本科生毕

20、业设计 自动装箱控制系统设计3图 1-1 自动装箱控制系统原理图在图 1-1 中，该系统有两个传送带，箱体传送皮带和产品传送皮带。箱体传送皮带是用来提供产品包装箱，其功能是提供一个空箱用于产品的装箱，同时运走装满的包装箱。为了便于产品正好掉落在箱子中，空箱子必须处于正确的位置，恰好对准传送皮带 2。那么这就需要在箱体传送皮带上装一个检测传感器 1，以检查包装箱是否到达指定位置。产品传送皮带是将产品从一端传送到包装箱中，完成产品的装箱。当产品行进到传送带的尽头时，自动掉落在包装箱内，同时传感器 2 检测到一个产品，产生脉冲，并转化成计数脉冲。产品计数可以由软件完成，也可以用硬件(如 51 单片机

21、中的定时器/计数器)来完成。本系统采用软件计数方法。系统工作步骤如下：(1)先用键盘给点设定的单个箱子产品数，以及所需的包装箱数，分别存放在PARTS 和 BOXES 单元当中。(2)接通系统总电源，箱体传送皮带 1 运动，空包装箱随着皮带向前运动。根据设定的程序，当箱子运行到传感器 1 处时，单片机读取检测传感器的状态，可以知道传送皮带 1 上的箱子有没有到达指定位置。(3)当包装箱到位后，关闭电机 1 上的电源，传送皮带 1 停止。(4)同时启动皮带 2 的电机，产品沿着皮带向前运动，最后掉落在包装箱内。(5)当产品一个个的掉落时，通过检测传感器 2 的检测，将产生一系列脉冲信号。传感器

22、2传感器 1传送带 1传送带 2江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计4(6)从检测传感器 2 来的输出脉冲，由计算机计数并不断和预设单位中的给定的值进行比较。(7)如果包装箱内的产品数与给定的不相等，那么皮带 2 将继续运行，直到两者相等的时候，此时，立即停止传送皮带 2 上的电机，停止装入产品。(8)再一次的启动传送皮带 1，装满产品的箱子继续向前运动，箱子数量加 1，并存入相应的内存单元中，然后与给定值作比较。如果少于设定的箱数，则继续搬来一个空箱，重复上面的过程。若当前箱数与给定值两者相等，生产线上的皮带全部停止，等待下一个操作命令。操作人员可以通过编码键盘重置给定参数，在包

23、装过程中，操作人员可以随时按下停止键，暂停当前工作，也可以按下开始键，重新启动电机工作。江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计52 系统的控制方案论证2.1 控制方案列举分析及确定在本课题中,对自动装箱控制系统的要求分析中可知:两个传送皮带是按照程序中已经确定的顺序，不停地关闭和重启,这种控制我们一般称为顺序控制。一般来说顺序控制有下列几种控制方法：2.1.1 机械式的顺序控制机械式的顺序控制是采用分配轴上的凸块去控制电器的开关，从而实现的一种控制方法。但这种控制方法也有局限性，如无法控制执行器的位置，只能利用限位开关来进行定位等。现在，凸轮控制的多点开关，对简单控制仍很普遍适用。但

24、该控制方法由于体积较大，陈套老旧，精度低，成本高，不适于本控制系统，所以不予考虑。 2.1.2 继电器顺序控制(RLC)继电器顺序控制是一种采用继电器组成的顺序控制(又称 RLC)，RLC 具有下列多个优点：(1)线路设计简洁，要求低，发挥空间大。(2)成本低。(3)使用继电器可以扩展节点数量，提高开关电流容易。(4)很容易就可以通过输出电流产生电磁并最终转化为机械力。(5)如采用时间继电器，可以很好的实现定时。(6)对维护技术要求低。RLC 的缺点是：(1)系统自动化程度越高，RLC 线路越复杂，工作量越大，维修难度越大。(2)频繁开关触点，产生电磁干扰信号，降低了使用寿命，可靠性降低。(3

25、)由于不能多次利用，所以在不同的系统中，采用这种控制方式都要重新设计和制造线路板，阻碍了技术和生产的发展。本系统自动化程度较高，很显然 RLC 也不适于本系统。江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计62.1.3 二极管矩阵式顺序控制器二极管矩阵式顺序控制器是由输入，输出和矩阵组合在一起的一种组合逻辑电路。如果改变了矩阵上插入二极管的位置，就相应的改变控制器的逻辑关系。二极管矩阵顺序控制器有下列优点：(1)原理简单，容易掌握。(2)设定控制程序时，无需专门的技术和装置。(3)更改程序容易，只需改变带二极管插入的位置即可。(4)逻辑处理采用并列处理，没有时间延迟现象。(5)电路的复杂程度

26、靠二极管去完成，成本较低。该系统易于实现，但由于功能少，达不到系统的要求，故也不予采纳。2.1.4 计算机的顺序控制80 年代末 90 年代初，计算机获得更大的发展，人们开始把计算机应用在工业控制领域当中。计算机的功能齐全，有很强的灵活性和通用性，但需要更多的外围设备，价格昂贵，这大大限制了它的使用范围。此外，计算机原理复杂，在使用和维护方面存在很大的困难，所以，推广较为缓慢。虽然它可以完全用于顺序控制，但是我们的自动装箱控制系统只需要简单的控制就可以了，所以它也不适合本系统。2.1.5 可编程序的顺序控制器可编程的控制器结合了计算机的通用灵活性和继电器的简单控制、操作方便等优点。可编程控制器

27、，简称 PLC。PLC 的优点是：(1)PLC 采用面向操作的逻辑语言。(2)指令数较少，编写和修改比较容易。(3)程序执行动作的监控和修改方便。(4)安装环境和条件没有特殊要求。(5)可靠性高。(7)可以与计算机直接相连，应用前景很大。江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计72.1.6 单片机实现的顺序控制单片机具有下面一些特性：体积小：单片机内部拥有作为一个计算机工作所需的所有基本组成部分，所以单片机构成的系统较为简单，体积也小。可靠性高：单片机中的存储器和传输线大多数在内部，不易受到外界的干扰；单片机在环境条件差的时候，会对系统采取电磁屏蔽。所以单片机系统的可靠性一般较高。性价

28、比高：目前单片机已经实现了批量生产，成本低，功能却不断增加,使单片机的性能价格比较高。控制功能强：单片机的 CPU 可以直接操控 I/O 口进行工作，提高了系统的运算速度。使用方便：单片机功能强，扩展方便，应用中所需的硬件设计也简单。目前市场中有很多的单片机开发工具，使单片机的应用变得更方便。低功耗：单片机系统集成度高，功耗相比其他设备要低很多。单片机以上的优势，缩短了系统开发周期，使研究结果可以迅速转化为生产力。通过对以上各种控制方案的分析比较，结合本系统的实际情况、功能要求，我们决定采用单片机控制方法来实现本系统的自动控制要求。2.22.2 自动装箱系统配置方案自动装箱系统配置方案2.2.

29、1 单片机的选型及相应芯片、总线的选择单片机的选择：本系统（自动装箱控制系统）相对较为简单，可以选择价格低廉、应用广泛、性能出色的 8 位 AT89C52 单片机。作为 ATMEL 公司生产的这款AT89C52 单片机属于 MCS-51 系列单片机。另外，本系统需要较多的 I/O 接口，因此必须进行接口扩展。8255A 较之 8155 的扩展 I/O 口更多，更能满足我们的自动装箱控制系统的设计需求。因此，这里我们将选用的是 8255A 芯片。总线：本系统采用标准总线，标准总线具有良好的兼容性，因为标准总线有严格的定义，不同的生产厂家的产品兼容性都很好。在由不同模块构成的系统中，扩江苏师范大学

30、本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计8展相对容易，设计也比较简单。在工业控制中，大多选用的是 STD 总线，它直接面向 I/O 口、可靠性高。本系统将选择 STD 总线作为系统总线。2.2.2 传感器的选择及工作原理选择传感器前我们应先了解本系统所需的检测对象：(1)检测空箱是否到达指定位置。本系统中，采用传感器来判断空箱是否到位，通常可选择光电传感器和红外传感器两种传感器。红外传感器的检测原理：当红外线的发射端与接收端之间有障碍物（包装箱）时，此时接收端收不到发射端发射的光信号，传感器将产生一个信号，可以判断出箱子已经到达指定位置，由于红外传感器是利用物体的辐射来接收信号的，所以信号强度较弱

31、不精确，而且价格贵、易干扰、成本高。光电传感器的检测原理：它的检测元件是光电元件。先将被测量的变化转换成为光信号，然后利用光电元件再将光信号转换成电信号。较之红外传感器，光电传感器的精度更高、响应速度更快等，内部构造也简单。因此，光电传感器的应用很广泛。综合所述，本系统采用光电传感器进行检测比较好。(2)判断箱子的装载产品数是否达到设定要求。判断箱子的装载数是否达到设定要求的方法有：对装载产品计数：当装载数达到给定要求时，判断箱子是否装满。通常的计数也是采用红外照射计数和光敏电阻计数两种方法。对箱子进行称重：当箱重满足预先给定好的重量时，表明这个箱子已装满，该重量就是相应数量产品的总重，这里将

32、用到压力传感器，但是采用这种方法的缺点就是有较大误差，且压力传感器不好安装。所以这里还是选择采用光电传感器来进行检测。2.2.3 输入输出设备的选择系统输入输出设备是提供系统与人机间进行对话的一种设备。(1)输入设备的选择江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计9输入设备一般采用开关、按钮、键盘等，本系统不但需要开关，而且还需要输入设定数据，所以可采用键盘（包含开始、停止命令键，还有数字键等）来作为输入设备。(2)输出（显示）设备的选择在一个系统中，可选择的输出显示设备很多，而本系统等所需的小型简单的显示器通常采用发光二极管显示器（即 LED）显示以及液晶显示器（即 LCD）显示两种。

33、LED 结构简单，价格廉价，是应用最广泛的显示器。显示清晰但不精细、性能也比较稳定；LCD 功耗小、体积小、重量轻，但价格较高，常用于小型仪表和功耗低的系统中。本系统中，为了显示清晰，同时考虑到功耗，产品成本等，所以采用发光二极管显示器显示。2.2.4 电机的选型及控制方案的选择电机分为直流电机和交流电机两种。直流电机调速性能较好、启动转矩大，尤其是其调速性能比交流电机更加出色。因此，直流电机在对电机的启动性能、调速性能要求高的生产现场中来进行拖动。但直流电机同时也有很多的缺陷，如生产过程复杂，制造成本高。另外直流电机的维护也比较困难。所以在如今的工业电力拖动系统中，直流电机与交流电机都有其不

34、同的应用场合。如果再将交流电机分类，可划分为交流异步电机和交流同步电机两种。交流异步电机不能实现平滑调速，经济不划算，而且必须在电网中获取励磁电流，这就改变并污染了电网中的功率因数。但其也具有制造简便、结构简单、运行稳定、价格廉价等等优点。交流同步电机中的电机转速与电网频率间存在着固定的关系。由于开关量作为控制输入信号来控制电机，不需要大的传动功率，且自动装箱控制系统对传送箱子和传输产品都需要一个非常精确的定位，所以本系统的电机部分我们采用的是用开关量控制的同步伺服电机。而且本系统不需可逆调速，我们选择交流电机，分析本系统的功能要求可知，传送带传送过程中需要精确定位来实现产品的自动装箱，这就要

35、求电机能迅速停止。综合上面的要求我们最终选择 220V 交流伺服同步电机。传送带的电机需要交流大电压来控制，但我们的单片机控制部分输出的开关量江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计10为直流低电压，因此不能用来直接驱动电机，同时也为了提高系统的抗干扰能力，我们将采用光电隔离技术进行强弱电隔离。电机的控制也有很多种方法，如继电器、固态继电器(SSR)、电磁阀、可控硅(SCR)及大功率的场效应管等等。继电器是电气控制中最常用的方式，相比其他几种方式结构简单、体积小、重量轻、成本较低。本系统相比电机的选择对电机控制没有过高的要求因此这里我们采用继电器进行控制即可。 2.2.5 供电方案的选

36、择微机系统大多采用交流电供电，系统电源一般来自于稳压电路。稳压电路由两种类型可以提供所需的各档电压。一种是通用的线性电源，主要组成是变压器、整流器、滤波器、稳压器等等。这种电源设计结构简单，成本低，精度不高但也能满足一般的系统需要。缺点就是体积大，散热较差。另一种是开关电源，这样电源在微机系统中应用广泛。现在开关电源的发展向着高效化、小型化方向不断发展，已经成为电子设备的主流电源，现在的微型机系统或者输入输出设备中大概有 90%以上都是采用得开关电源供电。开关电源的工作原理是采用 PWM（脉宽调制技术）原理，精度高，小巧轻便，可靠性高。由于本系统对电源没有特别高的要求，而且电源部分也不是本系统

37、的主要内容，为了方便使用，我们将采用开关电源作为系统的供电，电源只要达到下面的要求即可：(1)电源供应的功率很充足，以避免在满荷或超荷运行时出现严重的发热现象，导致电压的精度降低。(2)具有良好的抗干扰能力，稳压效果好。(3)要求能提供包括+5V 等多档的直流电压。综上分析可知：采用 ATMEL 公司的 AT89C52 单片机以及 8255A 等芯片作为自动装箱控制系统的控制部分。采用 STD 总线作为自动装箱控制系统的总线。采用光电式传感器作为自动装箱控制系统的检测部分。江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计11采用编码键盘作为自动装箱控制系统的输入部分。采用 LED 显示器作为自

38、动装箱控制系统的显示部分。采用 220V 交流同步伺服电机进行传送，电机的控制则采用光电隔离接口的继电器进行控制。采用开关电源作为自动装箱控制系统的电源部分。江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计123 3 控制系统硬件设计控制系统硬件设计3.13.1 系统的硬件设计系统的硬件设计根据自动装箱控制系统的设计要求，我们以 AT89C52 单片机为核心，设计一个最小系统。扩展一个 8255A 可编程接口，用于外扩检测接口和控制接口，同时也方便读取给定参数。采用 74LS373 作为锁存器和驱动器，扩展 8255A 的 PB 口用于给定参数或计数的显示。自动装箱控制系统原理图如附录 1 所

39、示。AT89C52 单片机，8255A 芯片和 74LS373 芯片组成自动装箱控制系统的最小系统。其中各芯片及引脚说明如下：(1)AT89C52: 图 3-1 是 AT89C52 单片机的引脚图。P101P112P123P134P145P156P167P178RESET9P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P36/WR16P37/RD17X218X119GND20VCC40P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732EA/VP31ALE30PSEN29P2728P2627P2526P2

40、425P2324P2223P2122P2021U1AT89C52下面对 AT89C52 单片机做一个基本介绍：面向控制的 8 位 CPU；256x8bit 内部 RAM；3 个 16 位可编程定时器/计数器；32 条双向 I/O 口；一个可编程全双工串行口；图 3-1 AT89C52 引脚图江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计132 个外部中断源，共 6 个中断源；(2)8255A:8255A 的引脚图如图 3-2 所示D034D133D232D331D430D529D628D727PA04PA13PA22PA31PA440PA539PA638PA7378255APB018PB11

41、9PB220PB321PB422PB523PB624PB725PC014PC115PC216PC317PC413PC512PC611PC710A08A19RD5WR36CS68255A 的 基本特性：1.8255A 芯片中的 PA 和 PB 口是两个 8 位 IO 接口，PC 的高低 4 位是两个 4 位并行输入输出端口的接口。2.能满足在 CPU 与 I/O 接口之间的数据传输的多种传输要求；3.8255A 执行能力很强，有两个命令字(方式字和控制字)，可以由 8255A 构成不同的接口电路配合外部条件使用，可以提供给更加方便的编程环境给用户使用。 4.8255A 的 PC 口使用的比较特殊

42、，除了用作数据口传送数据外，还可以当做状态口来进行按位控制等；(3)74LS373:D03D14D27D38D413D514D617D718A02A15A26A39A412A515A616A71974LS373LE11OC2174LS373图 3-3 74LS373 引脚图图 3-2 8255A 引脚图江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计148 位输入与输出锁存器，引脚功能如下：D0D7 数据输入端OC 三态允许控制端（低电平有效）LE 锁存允许端Q0Q7 输出端；同时 74LS373 也可以用作显示驱动器，提供较大的驱动电流，使数码管的显示效果更好。 (4)开关电源： 开关电源选

43、用+12V 的 ATX 电源。在开关的接通过程中，电源不断大的向负载提供能量；断开开关电源的开关后，开关电源的输入电源中断对负载能量的控制，因此开关电源提供的能量是离散的。(6)光电传感器：采用光电传感器作为检测器件。其检测范围大大超过电感传感器、电容传感器和超声波传感器。体积小也是光电传感器的一大优点，外部机壳可以有很多样式，几乎可以用在任何地方。光电传感器的原理图如图 3-4 所示：振荡器放大器信号转换电路恒电压电路V VD DD DV Vo ou ut t数数字字地地模模拟拟地地恒恒光光源源与与接接收收部部分分检检测测3.23.2 控制电路的设计控制电路的设计3.2.1 信号的识别与检测

44、电路（数据采集电路）自动装箱控制系统的数据采集电路主要是将光电传感器与单片机结合在一起，图 3-5 所示其检测原理图。在本系统中利用单片机对电源进行控制。由用户设定参图 3-4 光电传感器原理图江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计15数，并输入控制器中，单片机将自动生成一系列脉冲信号，这是用来控制半导体激光器。这样半导体激光器发射的激光形成了一系列激光脉冲波，这串激光脉冲就是包含用户信息的一串信号波。当光电传感器检测到此信号波时，再将其转化成一串连续的脉冲信号。但此时的信号是非常微弱、无序没有规则的，且含有外部杂波等干扰信号。在通过前置放大电路的除噪和放大处理后，此时的信号就可以用

45、来提供单片机工作了，完成相应的译码和判别工作。然后通过比较鉴别，单片机就知道了要执行何种任务，并生成相应的控制信号来控制本系统相应的设备 。半导体激光器光电检测器前置放大器受控设备1受控设备1.n单片机控制调制电信号编码电源单片机译码判别处理上面的原理图可能会较为复杂，在我们的论证之后，还可以省略一些部分。分析可知，光电脉冲转换电路可以如图 3-6 中所示的那样，当光照射到 BG1（光敏二极管）时，将生成光电流， 电阻 R1 上的压降迅速增大，晶体管 BG2 导通。BG3 和BG4 组成射极耦合触发器是电路中的触发部分，将 U0 置于高位。否则，将 U0 置于低位。U0 将脉冲信号送到系统的计

46、数电路中进行计数。图 3-5 检测原理框图江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计163.2.2 电机的控制电路设计自动装箱控制系统的控制电路有两部分：一个是信号检测电路，即光电传感器1 判断箱体是否到达指定位置，光电传感器 2 用于装箱产品的计数。另一部分就是传送皮带的电机控制。以下主要是介绍传送皮带的电机控制。在图 3-7 中，AT89C52 中的 P16 口控制传送皮带 1 的电机，P12 口控制传送皮带 2 的电机。当工作人员按下 START 键(启动键)后， 单片机开始工作，根据程序设定，P16 口将输出高电平，经 74LS373 增大输出电流，使发光二极管工作，继而导通复合

47、三极管，使继电器开始工作，开关闭合，交流电机 1 通电，传送皮带 1 运动，带动箱体运动。空箱随传送带运动到光电传感器 1 的发射与接收端之间时，接收端接收不到发射光，则传感器 1 将输出高电平。单片机接收到是传感器 1 的高电平后，P16 口输出低电平，传送皮带的电机又停止。此时单片机 P12 口输出高电平，启动传送皮带 2 的电机，带动产品继续不停的运动，使产品掉落在空的包装箱内。当一个个的产品经过传感器 2 的光源与光电传感器时，光电传感器输出为高电平。当单片机检测到该信号后，在计数器中加 1，并送到 LED 显示。与给定的产品数进行比较。如果此时的计数值小于给定的产品数，系统继续工作；

48、当此时的计数值等于给定的产品数时，则系统停止工作。BG1BG3R1R3R6R4R5R7R8BG2BG4+E+U0R2光照图 3-6 电脉冲转换电路江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计17切断传送皮带 2 电机上的电源，接通传送皮带 1 电机上的电源，使装满产品的包装箱继续传输，同时，下一个空箱继续传输到达指定位置，重复上述过程。3.2.3 显示电路设计本系统的显示部分采用的是 LED 数码管显示，发光二极管（即 LED）是一个通电后发光的半导体元器件，具有和普通二极管相同的导电特性。数码管显示器是由多个发光二极管组合而成的一种显示器件，在单片机系统中应用非常普遍。数码管是有 8 个

49、发光二极管，它们组成的字符可以作为显示器件。显示字符的有 7 个 LED，我们可以命名为，A,B,C,D,E,F,G。还有一个，用作显示数字的小数点，我们命名为 G。因此有时候我们也称之为 7 段发光二极管数码管显示器。发光二极管有共阳极和共阴极两种接法，这是按照其内部结构不同而划分的，对应的是高电平有效和低电平有效。图 3-8 是两种接法的示意图。AT89C52P16P1274LS37374LS3735V5V5V5VKA12VAC 220VMAC 220VMKA12V图 3-7 电机控制电路GABCDEFGDPGABCDEFGDP共阴极共阳极江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计1

50、8如果要显示某个数字，就需要点亮相应的段，这就用到了译码。而译码又分为硬件译码和软件译码。硬件译码时，电路设计中，在数码管与总线之间，需要添加锁存器，同时提供相应的译码器。译码器将电路中提供的 1 位十六进制数或 BCD 码转换为相应的显示段码送给数码管显示（数码管 LED 需要有驱动器提供较大的电流用于显示） 。这种方法只需要用 1 条输出指令，便可以进行 LED 的显示。在电路较为复杂的硬件电路中，采用硬件译码就有一定的局限性。因此，硬件译码多用在显示的位数较多或亮度较高要求的场合。在软件译码时，主要方法是用软件查表的方法来代替硬件译码，在硬件上不仅省去了译码器，而且，还能显示更多的字符，

51、同时它的译码逻辑也可以根据编程设定，而不必受到硬件译码逻辑的限制。本系统采用的是以软件译码为主的 LED 数码管接口电路。用软件进行译码，电路图如图 3-9 所示。(发光二极管一般需要十几到二十几毫安的驱动电流，因此需要在数码管前加上驱动器，因为单纯靠接口提供不了那么大的电流供数码管显示器使用，本系统采用的是 74LS373 进行驱动)。本系统的 LED 接口电路采用软件译码。由于每个数码管的 LED 显示段是并联的，因此同时刻不同数码管仅能显示出同个字符，无法显示多个字符。因此为了显示多个字符，我们可以采用 LED 的动态显示方法，逐个循环点亮每位数码管，各位显示PB7PB6PB5PB482

52、55APB3PB2PB1PB0dpgfedcba驱驱动动器器7 74 4L LS S3 37 73 3图 3-9 LED 数码管接口电路图 3-8 8 段 LED 数码管的两种接法江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计19的时间为 1ms 左右，因为人自身存在着视觉暂留效应，这就让人看着好像是在同时显示不同的字符一样。我们为了实现对 LED 数码管的动态扫描显示，除了要给数码管提供显示的段码以外，还要对 LED 数码管进行位选，这就是我们通常所说的“段选”和“位选” 。所以对于拥有多位的 LED 数码管的显示电路来说，就需要有两个输出口，一个用于输出显示的段码；另外一个则用于输出位选

53、信号。 “位选”实际上是对 LED 数码管的公共段进行控制，位选信号的数量与数码管的位数相同。这里的显示器位数为 3 位，因此位选信号需要有 3 个。3.2.4 音频报警电路设计本系统的报警电路的设计比较简单，采用压电蜂鸣器作为报警电路中的发音部分。压电蜂鸣器结构简单，在两根引线上加上 5V 左右的直流电压，就能产生频率约为 3kHz 左右的尖锐报警声音。和电磁式蜂鸣器相比，压电蜂鸣器不仅结构简单，而且耗电也少，在单片机系统中更为常见。压电式蜂鸣器正常工作必须满足 10 毫安左右的驱动电流，而电路中无法提供这么大的电流，需要用特定的芯片来进行低电平的驱动，三极管同样可以作为驱动器来驱动。驱动电

54、路如图 3-10 所示：如图所示，音频报警电路中的驱动芯片的一端接 AT89C52 单片机的 P1.0 脚，当P1.01A VCC1BCJ0451GND 1YKAAT89C52图 3-10 音频报警电路江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计20单片机引脚输出高电平时，芯片的 1Y 引脚则输出为低电平，继电器工作使开关闭合，从而压电蜂鸣器的引线获得约 5V 的电压，蜂鸣器产生蜂鸣音响。当 P1.0 口输出低电平“0”时，引脚 1Y 的输出端电压升高到约+5V，这时，继电器不工作，开关处于断开状态，压电蜂鸣器两端的电压降至 0V，此时，蜂鸣器停止发声。CJ0451 驱动器CJ0451 的

55、外部引脚与内部电路框图如图 3-11 所示由上面的图可以看出，如果用 CJ0451 不仅可以减少从导通转为截止状态时产生瞬态电流，而且还可以减少导通转为截止状态时，在三极管集电极上产生的反冲电压，从而更有效的保护了输出晶体管。3.2.5 给定参数（输入）电路设计为了自动装箱控制系统的结构更简单，我们设计了一个矩阵二极管输入键盘（编码键盘） 。图 3-12 是编码键盘的原理图。0123456789BCD码ABCD+5v1A1B1YGNDVcc2B2A2Y图 3-11 CJ0451 外部引脚与内部电路框图图 3-12 编码键盘原理图江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计218255A 芯

56、片的 PA0-PA3 口与图中按键的输出信号 A、B、C、D 相连，键的选通信号是 KEYSTROBE，经反向器接到单片机的 INT0（P32 口）中断管脚上。键盘工作的原理是：当某一个按键接通时，K EYST ROBE 是高电平，反相之后的下降边沿开始向单片机申请 中断。单片机响应后，读取相应的 BCD 码，作为给定参数，并送到数码管显示。本系统设计的是三位数码管显示，其显示范围是 0-999，输入数据时，从百位开始给定参数。所有按键的输出端初始都为高电平。如果按下接通一个按键，那么该键所对应的 BCD 码将在输出线上显示出来。比如，按下的是“8”的按键，那么在按键 8 上连接的两个二极管导

57、通。所以 A、B、C 输出的是低电平，所以输出的 BCD 编码为1000。其余各个数字根据以上类推。不管哪一个按键按下，都将会向单片机申请中断响应。江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计224 4 软件设计软件设计4.14.1 系统的程序流程图系统的程序流程图4.1.1 系统的主程序设计及其流程图分析上面的硬件设计可知，自动装箱控制系统的键盘主要是用来在生产开始前输入给定参数。但在整个生产过程中，按键没有任何作用。自动装箱控制系统的按键的处理是采用中断方式；用查询的方式分析箱体是否到位和产品计数。图 4-1 就是自动装箱控制系统的总流程图。系统的中断程序是用来输入 给定参数的，当键盘

58、中有某个按键按下接通时，KEYSTROBE 输出高电平，然后，向 AT89C52 单片机申请中断。在中断的服务程序中，读取该键盘的给定参数，一方面存到相应给地的地址单元(PARTS 和 BOXES)，另一方面则送去数码管显示，便于工作人员检查输入的给定参数是否正确。根据程序可知，系统的输入应该是先输入包装箱的个数，其次是再输入单位箱子的产品个数。为了完成以上任务，我们将设计中断服务的流程图。图 4.1 是中断服务程序的流程图。在设计主程序和子程序前，应该先进行内存 单元的分 配设置。将交流电机 1、交流 电机 2、报 警状态和正 常运行状态分配给 AT89C52 单片机 RA M 里的 20H

59、 单元中的 00H 到 03H 四位；包装好的箱子和产品的计数用 21H 单中的 08H 和 09H 两位。如果当前的计数值与事先的给定值相等，那么，将标志单元置为 1；如果当前的计数值小于事先的给定值时，标志单元置 0。当某一时刻的标志单元为 1 时，系统将停止计数，同时运走装好产品的包装箱，并再运来一个空的包装箱到指定位置；如果包装箱的数量达到设定值，那么重复下一轮的包装生产过程。如果当前的计数值大于预先的给定值时，电路中将会产生报警，压电式蜂鸣器将发出急促的蜂鸣警告，此时自动装箱控制系统将会自动停下来。此时，工作人员发现报警信号，将会进行故障的处理，然后发出重新启动的指令。主程序装箱数单

60、元和零件数单元清零设8255A工作方式清显示单元，指示灯设中断方式开中断启动电机1给定值参数输入完吗？空箱到位了吗？停止电机1，启动电机2，计数单元清零有一个产品装入吗？计数单元加1送显示此箱装满了吗？箱数加1所有箱子都装满了吗？停止电机1,2清包装箱计数单元重新启动吗？NNNNNNYYYYYY图 4-1 自动装箱控制系统主程序框图江苏师范大学本科生毕业设计 自动装箱控制系统设计234.1.2 数码管动态显示的子程序流程图在自动装箱控制系统中，我们用的是软件对数码管进行译码处理。子程序流程图如图 4-2 所示。动态显示子程序显示缓冲区首地址R0DPTR-8255A的PA口地址取出要显示的数据送