单片机；电感式传感器；自动检测；滚珠分选

PAGEPAGE13哈尔滨工业大学毕业设计（论文）I-摘要随着我国精密制造技术的不断发展，滚珠已广泛应用于滚动轴承、滚珠丝杆等精密传动部件中。滚珠的生产也已经实现了高精度、大批量的生产模式。但是由于生产过程中存在的加工误差及各项加工环节中产生的其它误差，即使在使用同一批次生产出来的滚珠也需要进行筛选，而大多数情况下，这些筛选工作都是由人工完成的，劳动强度太大、误差率较高。根据目前滚珠筛选的现状经结合单片机和传感器技术，设计一种基于单片机的滚珠分选器，通过分选器可以实现对滚珠的自动检测和识别。首先通过控制机械装置对滚珠进行送料，将滚珠排成一列，然后通过电感式传感器对滚珠的直径进行测量，并配合人机交互系统进行尺寸的设定和系统信息的显示，实现对滚珠的自动筛选，大大提高了滚珠筛选的效率，降低了人工成本，通过这种控制技术和传感器技术的结合，实现了对传统方法的创新，提高效率的同时，也很好的将单片机技术与传统滚珠分选行业相结合，可见对于滚珠轴承的自动分选的研究有非常重大的意义。关键词：单片机；电感式传感器；自动检测；滚珠分选AbstractWiththecontinuousdevelopmentofprecisionmanufacturingtechnologyinChina,ballshavebeenwidelyusedinprecisiontransmissionpartssuchasrollingbearingsandballscrew.Ballproductionhasalsoachievedahigh-precision,massproductionmode.However,duetotheprocessingerrorsintheproductionprocessandothererrorsinvariousprocessinglinks,eveniftheballsproducedinthesamebatchneedtobescreened,andinmostcases,thesescreeningworkisdonebymanual,laborintensityistoolarge,errorrateishigh.Accordingtothecurrentsituationofballsscreening,aballsSorterBasedonsingle-chipcomputerisdesignedbycombiningsingle-chipcomputerandsensortechnology.Theballscanbeautomaticallydetectedandidentifiedbythesorter.Firstly,theballsarefedbycontrollingthemechanicaldevice,andtheballsarearrangedinarow.Thenthediameteroftheballsismeasuredbyinductancesensor,andthesizeoftheballsissetandthesysteminformationisdisplayedwiththehuman-computerinteractionsystem.Theautomaticscreeningoftheballsisrealized,whichgreatlyimprovestheefficiencyofballsscreeningandreducesthelaborcost.Throughthiscontroltechnologyandsensor,theefficiencyofballsscreeningisgreatlyimproved.Thecombinationoftechnologynotonlyrealizestheinnovationoftraditionalmethodsandimprovesefficiency,butalsocombinesMCUtechnologywithtraditionalballsortingindustry.Itisobviousthattheresearchonautomaticsortingofballbearingsisofgreatsignificance.Keywords：SingleChipMicrocomputer;InductiveSensor;AutomaticDetection;BallSorting

目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1课题背景及意义 11.2国内外研究现状 21.3课题的设计目标 21.4课题研究的主要内容 3第2章系统设计与方案论证 42.1系统总体方案设计 42.2主控芯片的选择 52.3直径测量传感器的选择 62.4AD转换器的选择 72.5显示模块的选择 82.6通信方式的选择 92.7驱动模块的选择 102.8系统电源的选择 11本章小结 11第3章系统硬件电路设计 133.1处理器最小系统设计 133.2直径检测电路设计 143.3模数转换电路设计 143.4显示电路设计 153.5通信电路设计 163.6电机驱动电路设计 173.7按键电路设计 183.8电源电路设计 18本章小结 19第4章系统的软件设计 204.1系统主程序设计 204.2模数转换子程序设计 214.3电机控制子程序设计 224.4显示子程序设计 23本章小结 23第5章系统实物调试 245.1系统调试 24本章小结 25结论 26致谢 27参考文献 28附录一系统电路图 29附录二程序部分源码 30第1章绪论1.1课题背景及意义随着我国工业的进步和制造能力的提高，可以加工高精度的零件，同时机械化的水平也不断的在提高，这些都是科技发展的结果。我国的滚珠一直以来都是靠日本进口，他们的设备更先进一些，生产出来的滚珠的精度更高一些，但是经过多年的努力，我国也在这种高精度设备上有了很大的提高，不大能生产滚珠，钢笔尖等，还可以实现高精度的车铣刨磨等操作，但是无论生产机器的精度有多高，总会有一些残次品混入到其中，这是误差积累导致的，由于重力的影响，滚珠都是相对圆形的，实际上每个滚珠都是椭圆的，只有在无重力的环境下才有可能生产出绝对圆的滚珠，而精度不高的滚珠又会对轴承产生影响，影响轴承的寿命，轴承的游隙如果较大，则会导致冲击大，而滚珠的直径以及直径的精度决定了游隙的大小，因此，高精度的滚珠有利于系统的运行。传统的滚珠加工过程中，由于外界的因素会影响滚珠的精度，导致滚珠的直径在一定的范围内，从而影响滚珠的直径的不一致性，而滚珠精度的变化将直接影响轴承的动态特性。因此，在将滚珠安装到对应的轴承之前，需要通过进行直径尺寸的精度测量和筛选。传统的滚珠筛选的方式是通过人工筛选的方法，但是缺点是效率低，出错率高，同时，由于滚珠比较小，大量的滚珠无法通过人工来进行筛选，既费时效率又低，分选出的滚珠的良品率也比较低。因此为了解决这话总问题，一方面工厂增加加工精度，另一方面通过严格的筛选选出直径合格的滚珠。在使用同一种生产工具来进行滚珠的加工，会产生不同直径精度的滚珠，而为了保证滚珠的精度和轴承等使用滚珠的部位能够稳定的运行，因此有必要对滚珠的直径进行筛选，提高生产机器的精度是问题的根本所在男士机器的成本很高，且需要一定的周期才能够完成设备的更新换代，因此通过筛选装置来对直径不合格的滚珠进行剔除，保证滚珠的良品率，在一个公差范围内进行筛选，并结合轴承等使用滚珠的结构装置进行直径的确定，这样就可以在不更换设备的前提下对滚珠的直径进行筛选。滚珠分选的传统方法往往使用人工分选。这种分选方法主要弊端是劳动强度大、分选效率低、分选速度慢、分选质量差等等。因此，需要更加精准快速的装置来进行滚珠的分类。可见对于滚珠轴承的自动分选的研究有非常重大的意义。1.2国内外研究现状国外对滚珠等加工件的分选装置的研究比较早，针对滚珠生产装置的次品率问题进行有效的筛选，配合生产设备完成对加工件的筛选，它是生产加工行业的重要装置。对于滚珠分选和检测的研究，早在美国、日本、前苏联等国家已经开始研究，并研发出了滚珠检测仪器，通过仪器可以自动的对滚珠直径进行分类，其中设备分选效果最好的是捷克的SOMET公司研发的AVIK0系列钢球自动检测分选仪，很多国家使用这种型号的检测仪器。日本的大旺钢球株式会社也对滚珠分选装置进行了深入的研究，并推出了AVIK0系列钢球直径自动检测仪，这种仪器的主要原理是通过光电、振动以及电涡流传感器进行检测。这些国家对滚珠分选的研究都比较早，并在各个国家的加工系统中使用，具体的技术一直被封锁，导致很多分选设备只能够进口。我国对滚珠分选装置的研究开始于19世纪60年代，为了提高滚珠的生产质量，我国的科研人员自主研发设计了滚珠分选设备，重庆大学最开始对设备进行研究，并取得了初步的成果，哈尔滨轴承厂、哈尔滨工业大学等也进行了相关的研究，并逐步的向生产的实用性转化，其中哈尔滨工业大学的潘共平博士研究了钢球分选检测体系评价，山东大学的徐淑琼等人通过超声波的方式对滚珠的直径进行检测和筛选，这种方法的好处是对钢球的表面及本身没有任何的损伤和影响，同时可以准确的检测滚珠的直径。并随着科技的发展，一些公司也开始对滚珠分选装置的研究，例如从众机械公司研发的ZW钢球分选机，可实现快速大量的滚珠分选。我国的滚珠分选装置研究较晚，相对于国外的设备还需要技术和效率的提高。1.3课题的设计目标传统的滚珠直径筛选是通过人工来进行的，速度慢，效率低，因此需要结合机械装置和嵌入式系统来实现滚珠直径的自动分选，通过传感器和控制芯结合的方式来对装置进行研究，实现对滚珠的自动入料，滚珠直径的筛选，以及筛选后滚珠的的品质分类，通过这种装置可以提高检测的精度和速度，代替传统的手工检测，只需要对装置进行设置就可以实现对滚珠直径的筛选，通过滚珠筛选装置实现滚珠的进料、筛选、分类，系统将自动把不在公差带内的滚珠筛选出来，并通过人工的方式将合格的滚珠打包。经过分析和调研，基于单片机的滚珠分选装置前景很深远而且发展空间也比较大，因此，对于这项技术，我们有必要对其进行深入的学习和应用，传感器技术已经很成熟，可以精确的将所需的物理量转化成模拟量，再经过模数转换芯片的转换将其转换成微处理器能接收的数字量，实现一次数据的采集，本课题所设计的系统正式基于此类系统，将传感器技术、微处理器技术、通信技术结合起来，实现一种高效，快速，可控的滚珠分选系统，实现对滚珠的快速分选，并提高分选的精度和良品率。1.4课题研究的主要内容本次课题是通过分选装置来对滚珠的直径进行分选，分选器从整体可以分为机械部分和控制部分，控制部分包括微处理器，电机的控制装置，传感器模块，显示装置，人机交互部分等，测量部分使用的是电感传感器，由于电感传感器输出的是电压信号，因此需要信号转换电路来实现对模拟量的转换，微处理器在对信号进行处理，得到滚珠直径的数据。系统的控制部分由4台减速直流电机组成，通过电机来控制滚珠的送料和分选等，而微处理器无法单独控制电机，因此需要通过驱动电路来控制电机的运行，电机在单片机和驱动电路的信号控制下实现滚珠送料和出料，当被加测的滚珠进入到传感器检测的通道后，根据电感传感器的数据来判断滚珠的直径是否在公差带之间，如果在则留下，否则通过电机来投放到不同的存储槽中，使滚珠经过不同的阀门进入到不同的料箱中储存，从而完成对滚珠直径的自动测量与分选，人机交互部分是系统显示系统数据以及检测直径公差带的设置，通过系统的各个模块完成滚珠直径的分选。软件部分，本设计拟采用矩阵键盘对系统进行参数设置，拟采用STC89C5单片机进行数据处理和控制分选，用LCD12864进行数据显示。系统可分为以下几点功能。1.通过微处理器的控制将物料送入到检测传感器中；2.通过电感式传感器来对滚珠的直径进行检测；3.测量后的滚珠要按照一定的尺寸进行分级存放；4.通过液晶显示系统检测的直径等数据；5.通过控制电路实现对滚珠后续的运行，分级等。第2章系统设计与方案论证首先确定系统的硬件结构和功能，再通过方案论证来对系统中所需的器件和模块进行选型，通过方案的对比选择合适的型号和模块，并对其性能和电路进行分析，调节参数使其符合设计要求融合在系统中。2.1系统总体方案设计基于单片机的滚珠分选器将实现对滚珠直径的检测和分来，通过单片机和外围模块的组合，高效快速的对滚珠的直径进行筛选，通过前端的电感传感器来采集信号，电感传感器的原理是在滚珠通过传感器时，传感器可以检测到微弱的变化量，并将这种变化量的信号放大，然后通过信号量来计算滚珠实际的直径大小，由于滚珠直径的差别很小，需要通过转换电路和放大电路来对信号进行检测和放大，从而转换成数字量，使用电感传感器相对于传感器灵敏度更高，分辨速度块，性能稳定，可以将滚珠的直径数据转换成模拟量，然后在通过AD电路转换模拟量，AD转换电路要采用高精度的转换电路，且转换的速度较快，因此选用高分辨率的AD转换电路，这样就完成了从前端传感器和微处理器的设计，核心微处理器采用单片机进行数据处理和控制，系统硬件结构框图如图1所示。图1系统硬件结构框图基于单片机的滚珠分选器采用模块化的方案，系统包括送料部分，检测部分，主控电路，人机操作部分，以及上位机控制等几部分，系统的主控部分采用STC89C52单片机，单片机的内部集成了串口通讯、定时器和计数器，实时时钟等基本的外围设备，通过程序运算可实现对模数转换电路的数字量的接收和控制指令的发送；利用电感式传感器内部的线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测，当不同直径的滚珠经过传感器时，能够通过微弱的变化检测出直径的不同；电感式传感器输出的是模拟量，而单片机的内部没有可以用来转换的AD电路，因此需要连接外部的转换电路，通过ADC对电感式传感器的输出进行检测，通过按键可以对滚珠的检测直径进行设定，设定好数值后，系统会对符合要求的滚珠进行收集，不符合的则排除在外，通过L298N驱动模块来控制系统的机械部分，通过单片机的控制信号来控制驱动模块，驱动电路负责对系统的机械结构进行控制，在系统中共使用2个驱动模块，分别对传送带、分选器进行控制，使系统的自动化更高。系统通过LCD1602对检测的数据，系统状态进行显示，其可显示2行字符及汉字，完全满足系统要求；用户可以通过显示液晶来了解系统的状态，通信电路是滚珠分选器与上位机连接的纽带，通过通信电路可以实现远程的控制和上位机对其进行控制和设定。2.2主控芯片的选择主控芯片作为系统的控制核心，负责处理系统中的输入信号，并根据系统所需功能，输出开关量，主控芯片的选择方案如下：方案一：采用STC89C52单片机作为主控芯片。它常用于简单的嵌入式系统中，可以满足大部分中低端设备的要求，它有2个内部定时器，一个串口，可以存256K字节的程序，还有复用功能的I/O口，在众多产品中脱颖而出，相对其他系列的单片机而言，STC89C52单片机的运行稳定，性价比高，开发难度小。方案二：采用MEGA168单片机。这种单片机是8位的单片机，而且芯片内配置8位寄存器，相对于其他类型的单片机来讲，性价比很高，内部有32个通用寄存器，16K的Flash，可以通过ISP的方式下载程序，操作简单，同时AVR单片机的处理能力也增强了很多，但是相对来讲，开发的周期较。方案三：采用STM32系列单片机。STM32系列单片机片内资源丰富，功能强大，自带内部ADC，常用于嵌入式开发，它的引脚众多，供电为3.3V，I/O资源丰富，程序的存储空间大，可以实现IIC通信和SPI通信，节省了很多的外部电路资源。但是缺点是价格较高，开发难度较大。基于单片机的滚珠分选装置在于检测精度，检测精度与控制芯片无关，因此选用STC89C52单片机既可满足系统的要求，它是一款比较常用的单片机，虽然内部资源没有其他单片机丰富，但是经过市场的长时间检验，其稳定性得到了肯定，而本设计中使用单片机作为系统的主控芯片，因此从成本和维护的角度来考虑，STC89C52单片机更适合本系统，开发难度也较小，可以实现本课题的所有要求。1.单片机特性：STC89C52单片机内部的存储器有4K字节的空间，而且可编程、擦除，电压低、性能好，采用CMOS电平，是现在流行的8位微处理器。它的内部的只读存储器连续擦除后，只能擦除100次左右。不同作用的功能电路被集成在8位的CPU内部，而且内部还带有存储器，存储器被嵌入到芯片中。STC89C52是效率很高的8位的微型控制器。STC89C52的性价比较高，适合嵌入式系统。2.性能简介：单片机内部有通用的51内核，4KB的FLASH存储器，可以反复擦写程序次数达1000次，内部数据可长时间保留。标准的工作电压：4.0-5.5V之间均可以。完全的静态稳定工作的频率范围：0HZ-33MHz。内部有128×8B的RAM，4×8个I/O口，T0和T1两个16位的定时器/计数器，而且内部还带有5个中断。空闲工作状态和掉电工作状态：单片机使用的是内部的振荡器和时钟计数电路。3.引脚说明：VCC：供电电压；GND：接地；I/O口：单片机一共有4组IO口包括P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7；RST：复位引脚。ALE/PROG：锁存端；PSEN：单片机连接外部EEPROM；EA/VDD：控制端；X1X2：晶振引脚。2.3直径测量传感器的选择通过传感器对滚珠的直径进行检测，传感器探头的重要组成部分，也是能否成功将不合格滚珠检测出来的关键器件，因此，需要选择高精度的检测传感器。方案一：采用CCD等光学感应器件对于被测量进行分选，由于光学感应器件有速度快，误差小，功能多等优势，光学感应器件大多都用于精度要求不高的场合，如水果分选等。方案二：采用M18电感式位移传感器对于被测量进行筛选，利用传感器内部的线圈的自感应来产生变化量，它的阻抗小，抗干扰能力强，分辨率高，可以快速产生变化的电感量，使用互感式的传感器可以对直径进行测量。方案三：采用M12电容传感器对滚珠进行检测，电容传感器是通过电容量的变化来检测滚珠直径的变化，然后再将电容变化的量进行转换，它具有灵敏度高、线性范围宽、稳定性高等特点。在基于单片机的滚珠分选装置中，电容传感器的精度很高，适用于高精度的系统中，而CCD等光学感应器适用于精度较低的系统，因此，我们选择M18电感式传感器对滚珠进行检测。1.传感器性能指标：（1）传感器的组成简单稳定，可实现长时间的运行；（2）检测精度高，可达到0.01CM；（3）输出电压模拟量，误差±0.1%；（4）可快速测量。（5）适用的量程比较小，且在公差范围内精度高。2.4AD转换器的选择模数转换芯片负责对电感式传感器的输出进行转换，使其能够把信号传递给单片机，单片机再根据信号来进行直径范围的判断。方案一：使用ADC0809转换芯片，它可以支持8路模拟量的输入，并对输入口逐个的进行检测和转换，它的精度可以达到1/256的单位电压，单片机通过8个数据口与转换芯片相连接，且输入的电压不能超过5V，在AD芯片中，ADC0809的输入通道可以满足大部分的系统。方案二：使用TLC2543转换芯片，它通过单片机来实现对模拟量的转换，控制精准，可以分辨10mV的模拟电压，转换速度快，精度高，有很高的采样和转换速度，耐高温高压等特点。方案三：ADC0832也是8位的模拟转换芯片，相比于其他转换芯片，它占用的单片机的IO资源比较少，有两路的模拟量输入，通过IIC的方式很大偏激相连接，可以输入单个模拟量也可以实现模拟量的差分输入，根据不同的情况进行选择，使用方式比较灵活。根据滚珠分选系统的功能要求，我们使用ADC0832，它的体积小，有两路的模拟量输入，在系统各种可以对两路的电感式传感器的输出量进行检测和转换，且价格便宜，与单片机进行IIC通信。1.芯片主要特性：（1）可以检测到1/256单位电压；两个输入端；（2）与单片机可以实现电平兼容；（3）直流5V电压供电；（4）最小转换时间32us；（5）可以实现差分输入；（6）工作电感转换的模拟量0-70℃。2.芯片引脚说明：（2）CS：通过低电平控制芯片工作；（3）CH0：信号输入0，可输入0-5V电压；（4）CH1：信号输入1，可输入0-5V电压；（5）DI：通过该引脚控制输入通道；（6）DO：转换结果输出。2.5显示模块的选择数据显示部分是通过显示模块来对系统中的滚珠分选过程的检测，通过接收单片机发送的数据和指令来实时的进行显示，实现了人机交互的功能，显示模块的选择方案如下：方案一：采用LCD1602，它可以显示两行的字符或数字，它可以通过并行串口或者串行串口来进行数据的接收，有的液晶的内部还会自带字库，通过程序可以直接在屏幕能上显示汉字等，利用灵活的接口方式和方便的操作指令，可以设计成全中文的人机交互界面，同时它的功耗低，可以显示图形或者汉字，硬件结构简单，背光可调。方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列发光二级管组成，在很多场合可以看到这种显示方式，但是在电子中显示时间这一块不合适，以来点阵显示在文字上有优势，但显示数字存在一定的劣势，以来不够直观，二来显得有点浪费。综合考虑各种因素排除这种方案。方案三：采用OLED液晶显示屏，这种屏幕体积小，没有视觉死角，可以通过IIC和SPI的方式进行数据的传递，可以显示汉子，字符等信息，动态性能比较好，响应速度快，功耗低，同时还可以通过指令控制OLED的亮度，对比度，开关升压等，操作方便，功能丰富，但是相对来说，大尺寸的OLED价格较贵。在滚珠分选系统中，可以将分选的数量和合格数量显示在液晶上，因此可以选择LCD1602来进行信息的显示，通过液晶直观的显示出滚珠的检测数量以及合格率。LCD1602可以显示多种字符，带有背光，刷新频率快数据而不会出现乱码的现象，编程和控制也相对容易，性价比较高。1.模块主要特性：（1）显示容量：16×2个字符；（2）芯片工作电压：4.5~5.5V；（3）工作电流：2.0mA（5.0V）；（4）模块最佳工作电压：5.0V。2.引脚说明：（1）VSS：模块电源输出；（2）VDD：模块电源输入；（3）VL：调节液晶的对比度；（4）RS：读命令的控制；（5）R/W：读模式或者写模式的切换；（6）EN：模块的使能；（7）7~14D0~D7：数据的传递；（8）15BLA和BLK背光控制。2.6通信方式的选择在系统中，可以通过通讯电路是用来传递数据，发送指令的数据，实现对下位机的控制，使系统更加灵活。方案一：采用CAN总线，CAN总线支持分布式控制和实时控制，是一种串行通信网络，工作方式为半双工，当某个节点发送信息时，其他节点能接收信息，CAN总线能够实现全分布式的多机系统，提高传输可靠性，而且CAN总线是两根差分线，通过电压的变化来实现数据的传递。方案二：采用RS232的通讯方，它是PC端常用的通讯方式，它的电平需要经过232电平转换电路才能与单片机进行通讯，单片机的电平是TTL电平，而且，232的距离比较短，通常来说通讯线太长就会出现衰减，影响通讯质量，但是这种方式可以实现全双工的通讯方式，很适合下位机的控制。方案三：采用RS485通信方式，它具有很强的抗共模干扰的能力，通过双绞线与其他设备连接，可以很好地抵抗干扰。通过硬件电路和标准协议的配合，使系统的通讯准确。可与多个单片机构成主从结构，且硬件电路简单，速率快，性价比高。滚珠分选系统采用RS232总线的方式来给PC机发送数据。如果采用RS232模块来进行数据传输，则不仅简化了电路设计，同时也可以让代码更加高效。虽然需要通过数据线进行连接，但是通过双绞线来进行远程数据传输对数据的衰减影响也很小，故选用232的方式进行通讯。1.芯片性能指标：（1）MAX232符合RS232的技术标准；（2）单电源5V供电，电流为5mA；（3）内部集成2个RS-232C驱动器。2.芯片引脚说明：（1）RXD/TXD：接收外部设备送来的数据和发送数据给外部设备；（2）R1IN/R1OU，R2IN/R2OUT为第一，第二数据通道；（3）VCC/GND为电源正，电源地；（4）C/V：提供+12v和-12v两个电源。2.7驱动模块的选择滚珠分选器通过驱动模块是对系统的分选机械结构进行控制，两个驱动模块对电机分时运行，保证了系统的稳定性，同时也减轻了单个电机的负担。方案一：使用L298N控制芯片，它可以对直流电动机进行控制，通过控制使能端和输入端来对电动机进行控制，它有两路的电压量输出，可以同时控制两个电机，电流最大可以达到2A，还可以通过方波来进行调速它们电路的连接十分方便，方案二：使用达林顿管和三极管组成的H桥电路，在单片机控制信号的作用下，利用模拟电路的开关特性，对控制电流进行驱动，然后通过其控制电机的转动，可以通过脉冲实现精准的控制，且电路的效率较高，但是缺点是电路相对复杂，受环境影响较大。方案三：使用ULN2003驱动芯片，它是高电压大电流的驱动芯片，内部由达林顿组成，驱动能力强，结构简单稳定，单片机可以与之直接连接来控制步进电机，性价比较高。通过方案的论证，我们选择L298N作为滚珠分选装置的驱动芯片，它是模拟控制芯片，在单片机信号的作用下实现对两个电机的控制，通过引脚的控制还可以使用不同的模式，每个模块可以驱动两路的电机，通过单片机的PWM信号和使能信号就可以实现电机的控制1.模块主要特性：（1）电机有两种运行状态，单片机通过PWM控制其正转或者反转；（2）启动速度块，电流大，可以使电机的力量更大；（3）最大工作电压36V，最大的电流可以达到4A；（4）最多驱动两路的直流电机；2.芯片引脚说明：（1）SGA、SGB：反馈引脚；（2）OUT1、OUT2：能量输出端；（3）IN1、IN2、IN3、IN4：控制信号输入端；（4）ENABLEA、ENABLEB：使能端；（5）VSS：芯片供电端；（6）GND：电源地；2.8系统电源的选择电源是系统的能量来源，是支持系统工作的电源电路，通过将市电转换成单片机能够使用的直流电，为系统供电，系统所使用的电源选择方案如下：方案一：采用成品的电源DC-DC模块，这种模块很成熟，可以提供稳定的电压，模块内部还集成了保护电路，可以对设备进行保护，同时这种模块的效率很高，可以提供很稳定的电压。方案二：采用线性电源电路，线性电源电路是常见的供电电路，由其在嵌入式系统中，经常为系统提供稳定的电压，它的电路结构简单，稳定，而且有多种型号的芯片，例如LM7805，它可以将输入电压转换成5V的直流电，在经过电容进行滤波，可以得到稳定的输出电压，通过简单的电容和变压器就可以将常用的交流电转换成5V的直流电。通过方案论证，选用线性电源，这种电源价格便宜，稳定可靠，通过220V市电经过变压器变成9V的交流电，9V的交流电经过整流桥变成9V的直流电，直流电经过极性电容和无极性电容的滤波后输出稳定的9V直流电，直流电经过LM7805后变成5V的直流电，5V直流电用于给设计中的单片机进行供电，这种线性电路可以很好的屏蔽外部干扰，使系统稳定运行。本章小结本章首先进行系统的方案论证，根据对系统功能的定义，初步完成了系统硬件的框图设计，然后分别设计和分析中央控制单元模块、显示电路模块以及电感传感器进行选型，通过对系统逻辑和所实现的功能进行理解，选取最适合本设计的器件和模块。第3章系统硬件电路设计系统的器件和芯片已经进行了初步的选型，下面将对电路进行分析和设计，通过单片机来控制外围电路实现特定的功能，并对元器件的参数进行计算，完善外围电路并设计电路的具体功能。3.1处理器最小系统设计在滚珠分选系统中，单片机最小系统负责控制电感传感器后端的模数转换电路，并接收转换电路发来的数据，然后对数据进行判断和处理得到实际的滚珠直径的信息，然后将数据以并行通信的方式发送到液晶显示电路，接收到数据的液晶将监测滚珠的数量、合格率实时的显示出来，通过控制电机和机械装置实现滚珠的送料，合格品和不合格品的分类等，通过按键设定监测的直径分为，保证滚珠的直径在一定的公差内，最后系统预留232接口用来进行系统的上位机控制和系统的升级。单片机最小系统由电源、复位、时钟电路组成，电路图如图3-1所示。图3-1单片机最小系统电路图复位电路是由220uF电容串联10K电阻构成，由于电容电压不能突变的性质，得出当系统初次上电，复位引脚连入高电平，这个高电平必须保持一定的时间才能被单片机判断出来，这个时间需要对电容计算得出的值来决定。在实际的电路中，单片机接收到RST脚的高电平，并这个电平需要持续24个时钟周期就可以把单片机复位复位，因此，适当设定电阻电容的取值就可以得到可靠的复位。单片机的XTAL1和XTAL2与外部的晶振连接在一起，内部有反相器，通过这个引脚来输入脉冲信号，利用芯片内部的振荡电路，通常的最小系统的晶振取值在1.2～12MHz之间，通常选择11.0592MHz的晶振，这种晶振的数值更容易计算系统的延时时间，并连接两个起振的瓷片电容，电容的大小通常为22pF，上电后晶振电路为系统提供时钟信号。3.2直径检测电路设计基于单片机的滚珠分选系统的前端传感器采用M18电感传感器，通过传感器实现对滚珠直径的检测，通过内部的互感式线圈来检测微弱的变化量，再通过对变化量的检测来实现对直径的分类，M18电感传感器电路图如图3-2所示。图3-2M18电感传感器电路图这种传感器是通过测量电感值来进行测量，不同直径的滚珠产生的电感值不同，传感器的内部是通过高频的振荡电路，信号的放大电路，以及输入输出电路构成，输出模拟量信号，当滚珠经过传感器时，传感器会根据滚珠直径的变化来产生变量。再根据变量的数值来判断滚珠的直径。3.3模数转换电路设计在滚珠分选系统中，通过电感传感器和模数转换芯片来对滚珠的直径进行检测，在传感器的后级直接连接一个模数转换芯片，首先电感检测电路对直径进行检测，通过电感传感器内部的自感效应，然后输出代表直径的模拟量，模拟量无法与单片机进行传递，通过模数转换转换成数字量。ADC0832模数转换电路图如图3-3所示。图3-3模数转换电路图在系统中ADC0832主要是对电感传感器的输出信号进行采集，ADC0832有两个通道并且支持差分采集，在系统中只需要使用一个通道对传感器进行转换，首先单片机的P2.4与ADC0832的CS引脚相连，通过发出低电平来使能ADC0832，使能后，ADC0832开始对采集到的模拟量进行采样、保持、量化、编码，将模拟量转换成了二进制的编码，并把转换后的数据发送给单片机。CH0与传感器的模拟量输出端连接，对输出端的电压变化量进行实时的采集，CLK、DO、DI分别与单片机的P2.5、P2.6、P2.7相连接，单片机通过发送指令给ADC0832来对其进行控制。芯片供电为5V，因此它采集的电压不能超它的供电电压，只能在0V-5V之间，需要通过电阻来进行调节。3.4显示电路设计通过LCD1602显示滚珠分选系统的信息，它可以显示显两行字符和数字，通过单片机的并行口连接，单片机将数据转换成8位的二进制数字，并通过并口发送给液晶内部的寄存器，寄存器接收到数据后，显示出实际的电感转换的模拟量值，它的背光可以通过一个电位器进行调节，读/写命令也是通过单片机的I/O口来控制，而且驱动方便，不需要在中间部分增加控制电路，数据表达直观，LCD1602显示电路如图3-4所示。图3-4显示电路图液晶显示模块的DB0~DB7分别与单片机的P0.0~P0.7相连接，通过这8个I/O口接收单片机的I/O口，因为8位的数据口与单片机的P0相连接，因此需要增加上拉电阻R1，R1的内部是并联的10K的电阻，通过上拉电阻可以增强单片机的驱动能力，RS、RW、R分别是液晶模块的读写控制引脚，单片机需要控制这3个引脚来选择液晶的工作模式，VO为液晶的背光调节端口，通过液晶可以显示家庭环境的实时电感转换的模拟量数据，还可以做一些提示文字等，使系统的数据更加直观。3.5通信电路设计滚珠分选系统可通过RS232的方式进行数据的传递，单片机和PC端只要发送和接收双方同时准备好，仅用信号发送端TXD，信号接收端RXD和信号地GND三根线即可进行通信。在单片机系统中，分别从P3.0和P3.1引出串口线RXD和TXD转换成RS-232接口标准的电平，这样，二者之间就可以通过RS-232接口进行数字信号的传送，上位机还可以通过串口软件对STC89C52进行控制，实现两者的互通，TXD和RXD为一对差分线，走线的时候要尽量短一些，距离近一些，这样信号抗干扰能力比较强，PC端通过串口电路将数据进行二次使用，通过串口进行数据的更新和系统的升级，最终实现数据的实时互通，其电路图如下图3-5所示。图3-5通信电路图MAX232电路在电路中实现对电平的转换，将TTL电平和232电平进行双向转换，实现单片机和PC端的通信，电容在电路中实现滤波作用，保证通信的稳定性，单片机通过两根串口线进行连接，PC端通过DB9连接芯片。3.6电机驱动电路设计在基于单片机的滚珠系统中，通过单片机的输出信号对电机进行控制，而单片机的输出信号是根据传感器的检测结果来确定的，因此，当单片机检测到合格品则控制电机3打开通道，将各个的滚珠进行收集，检测到不合格的滚珠则通过电机4打开不合格品通道，将滚珠淘汰，因此单片机输出控制信号实现对滚珠的送料和收集。电机驱动电路图如图3-6所示。图3-6电机驱动电路图驱动电路的核心是L298N芯片，它的输出有两路，可以同时控制系统的两个电机，最大的输出电流能够达到2A，供电电压在5-30V的直流电压，单片机可以直接与芯片的信号输入引脚相连接，模块的IN1、IN2、IN3、IN4与单片机连接，用来控制电机的转动方向，ENA和ENB使能装置，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4连接电机，是模块的输出端，VCC为模块的电源部分，单片机根据传感器检测结果的实时状态对滚珠进行分类，通过驱动电路控制外部的辅助机械装置，由单片机发出使能信号和PWM控制信号控制。3.7按键电路设计根据滚珠分选系统的功能可知，系统需要对滚珠直径的检测范围进行的设定，因此，系统中需要增加按键电路来实现直径的设置，通过按键设置直径的加和减，按键电路图如图3-7所示。图3-7按键电路图KP2、KP3分别于单片机的P3.2、P3.3相连接，R9、R1/0是独立按键的上拉电阻，它可以有效的防止单片机受到环境影响而导致的误判断。当按键按下后，单片机的I/O口由高电平状态转换成低电平的状态，此时单片机认为按键被按下，执行一次按键程序，按键KP2、KP3分别对用的功能是直径增加和直径减小，这种独立按键电路简单稳定，使系统的功能更加灵活易于操控，3.8电源电路设计在滚珠分选装置中，各个模块、电机、单片机系统都需要稳定可靠的电源，干净的电源是单片机稳定运行的基础，本次设计中，如果电源不稳定，会给数据带来影响，因此，系统必须要一个稳定的线性电源，通过验证，选用线性电源你作为系统的供电电路，它的结构简单稳定，经过电容滤波后，可以输出稳定的电压，线性电源电路如图3-8所示。图3-8电源电路LM7805输出为5V的稳压芯片，其最大电流为一安足够单片机的功率消耗，提供固定的输出电压，内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达1A。电路输出电压+5V的稳压电源，图中C7、C6用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激震荡和抑制电路引入的高频干扰。C7为电解电容，C6位瓷片电容，他们用来减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。当9V接入后，在固定式三端稳压器LM7805的IN和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压。此直流电压经稳压芯片和C5、C4的滤波，最终输出了稳定的电压，为单片机的运行提供了保障。本章小结本章首先对系统的各个子电路进行分析和说明，并对单片机的最小系统电路进行说明，单片机最小系统是系统的控制核心，通过输出输出量来实现控制，并对前端传感器的信号进行处理，实现数据的分析和动作的执行，显示部分使用的是LCD液晶模块，它可以很直观的知道系统当前的状态和重要的参数，通过各个子电路的配合，系统最终实现了电感转换的模拟量的采集和暖气阀的控制。

第4章系统的软件设计4.1系统主程序设计系统的主程序设计是通过程序将各个外围电路与单片机核心电路连接起来，通过初始化，子程序的调用来实现系统的功能，再根据流程框图来设计程序逻辑，最终实现滚珠分选的功能，主程序流程图如图4.1所示。图4.1系统主程序流程图系统使用51单片机作为主控芯片，通过主函数对各个子函数进行调用，本课题涉及到模数转换电路，模数转换电路是通过模拟IIC来与单片机进行通讯的，51单片机并没有内部的硬件IIC电路，因此需要通过程序来进行虚拟，实现对传感器数据的采集和读取的目的。系统首先对各个子函数进行初始化，然后控制电机对滚珠进行送料，滚珠不断的经过电感式传感器，传感器根据滚珠直径不同输出的模拟量也不同，再通过模数转换芯片来对模拟量进行转换，最终得到实际的滚珠直径，这时单片机根据直径数据来控制分选装置，直径合格的将被留下，不合格的将被筛选出去。在模拟量转换过程中，单片机通过控制转换芯片的寄存器来进行转换，转换的结果会存放到BUF中，然后在子程序将数据加入到数据包中，最后打包成数据包发送给单片机，然后通过LCD1602子程序将数据发送给LCD1602显示出来，这样完成了一次数据的传递和滚珠直径的测量和显示。4.2模数转换子程序设计滚珠分选系统对滚珠直径进行检测，单片机无法多模拟信号进行直接转换，且内部也没有AD转换电路，因此需要借助外部的模数转换电路对电压和电流模拟量进行转换，单片机通过IIC的方式与ADC0932相连接，因此通过程序来进行IIC通讯达到控制模数转换电路的目的，模数转换子程序流程图如图4.2所示。图4.2模数转换子程序流程图本设计中主要使用的A/D转换芯片为ADC0832，首先通过单片机对程序进行初始化，然后单片机通过与之相连的I/O发送指令，使能芯片，芯片启动后，通过程序控制，对输出电压进行采集、保持、量化、编码，然后将数据发送给单片机。单片机读取A/D的内部寄存器中的数据，然后对寄存器进行操作，当A/D完成一次转换，就会对单片机发送一次数据。AD转换的是电感式传感器发送的电压信号，这个信号是通过检测电感量的微弱变化得到的，再经过模拟量的转换，得到可以检测的0-5V信号，当AD收到不同的电压信号，代表滚珠直径不同，滚珠直径在一定范围内浮动则说明满足系统要求。4.3电机控制子程序设计滚珠分选装置是控制电路和机械装置的结合，单片机通过控制电机来控制物料的送入和分选，系统运行后，送料和分选装置开始执行模式设定的程序，进行电机对机械装置的控制，通过驱动电路来实现对电机的控制，控制芯片你选用L298N，在单片机的控制信号和PWM信号的控制下可以实现对四路电机的控制，控制子程序流程图如图4.3所示。图4.3传感器子程序流程图4.4显示子程序设计为了更直观的了解滚珠直径的变化以及合格率，单片机LCD1602来显示数据，首先系统对液晶程序进行初始化，液晶接收到指令后，再通过并行口的数据引脚接收单片机发来的8位数据，这里的LCD1602使用的是带字库的液晶，所以不需要在程序中添加字模源文件函数。单片机控制液晶的读写引脚，当D/I=1时，在下降沿作用下，图形显示数据写入buf寄存器，或单片机作用下由寄存器读到DB7-DB0数据总线。DDRAM的数据传输是模块内部自动执行的，液晶显示子程序流程图见图4.3。图4.3显示子程序流程图本章小结首先介绍了对系统的程序进行设计，单片机是硬件电路的核心部分，通过写入不同的子程序来实现不同的功能，例如，写入液晶显示程序，单片机则控制I/O口控制液晶来显示不同的数据。其次分析了系统中使用的涉及到的程序设计有A/D转换程序，显示程序等程序流程图，最后根据流程图编写程序。第5章系统实物调试首先在软硬件功能都实现的基础上对系统进行联调，对硬件电路进行检测和调试，完善电路的功能，并对单片机进行程序的下载，验证主程序的逻辑是否符合实际，并对系统的进行运行测试。5.1系统调试经过第三章的电路设计，系统具备了单片机及电源转换电路，电源转换电路是否正常工作是前提，因此首先对充电部分进行调试。接上电源，开始给系统供电。由交流电通过变压器转化为5V直流电，通过电源转换电路转化为5V直流电，用5V的直流电给系统供电[11]。通过使用万用表测量后得到数值，确认电源有输入电流，确认无误后证明电源转换电路组成的电压转换电路可以正常工作。1、外接晶振调试通过示波器检测晶振是否起振，振幅，起振时间等参数是否满足要求，并进行波形保存和参数数据记录，如果晶振没有起振，一般说明主芯片没有正常工作，但有些芯片上电缺省采用内部晶振，需要软件配置后，外部晶振才可以起振；有些主芯片有CLKO管脚，即缺省32.768KHz的时钟输出，可通过示波器检查此管脚是否有时钟输出，开确定主芯片是否上电正常工作。2、复位信号调试复位信号电压是否满足设计要求，上电复位时间是否满足要求；如果外部有硬件看门狗，测试其是否按照设计要求复位。并进行相关波形保存和参数数据记录。3、液晶显示调试通过单片机与数码管连接的I/O口写入一段显示程序，如果液晶能正常显示，说明，电路正确，如果不能正常显示，检查与I/O口连接的数据线。4、转换模块调试通过单片机连接模数转换电路，并写入一小段的程序代码，将0-5V的直流电压接到模数转换电路的模拟量输入引脚，然后在程序的控制下实现对电压模拟量的转换，如果系统收到转换的数值则说明电路正常，实际的电压和检测到的电压值的误差不能超过100mV，否则会导致滚珠分选不精准。5、电机驱动电路调试在系统中，通过单片机发出的控制信号和PWM信号来对即机械装置进行控制，首先将单片机单独与控制模块进行连接，将使能端与单片机的IO口连接，单片机控制IO口输出高电平，在通过IO口连接到PWM的控制端，当单片机输出两个信号后，电机转动则说明电机驱动有效。软件调试与系统试机。经过以上几步的测试，说明外围电路都已工作正常，接下来对软件进行调试。这部分的调试是整个系统调试的重点。调试中采用模块程序逐一添加的方法进行，先对系统的液晶部分进行程序设计，通过程序来控制液晶显示数据，调节液晶电路的电位器，再配合程序显示出正常的字符，待液晶显示完毕后，在对本设计中的关键部分进行程序设计，通过电感式传感器对滚珠直径进行测量，然后再通过单片机和模数转换电路接收传感器发来的数据，再将数据转换成实际的滚珠直径，然后显示在液晶显示器上，显示出滚珠的直径，数量，合格率等，最终整个系统的软硬件完成调试，实现了预期的滚珠分选功能。本章小结本章对系统的软硬件进行了调试，介绍了所需的调试工具，以及检查方法，还重点讲述了容易出现的问题以及出现问题的解决方法，并介绍了如何验证是否出现问题，以及如何运行可以确定为正常运行，通过调试使系统完成预期的功能。结论本设计通过单片机来控制系统的运行和数据的处理，通过控制面板和外围电路的配合实现滚珠分选的功能和控制，传感器方面采用M18电感式位移传感器来对直径进行检测，并通过外部的转换电路将模拟量转换成数字量，然后通过程序设计，接收传感器发来的数字量，并将数字量进行处理，得到实际的滚珠直径，并将系统的所有数据通过液晶显示器显示出来。同时系统可以通过外部的按键来设定直径的检测值，不符合要求的将被集中起来，系统一共有2个按键，可以增加或者减小检测致直径。同时，系统也设有通信电路，可以通过上位机对系统进行远程的控制。液晶显示模块也可以对信息和数据进行直观的显示，帮助用户了解系统当前的状态，通过硬件设计和软件设计，系统已经具备了对滚珠直径的检测和分选能力。这种基于单片机的检测系统在多领域中，尤其是闭环控制系统的场所中可以发挥很大作用。基于单片机滚珠分选器，采用实用的51系列单片机、高精度传感器以及灵活的驱动装置，显示装置等，实现了对滚珠的智能分选，在所设计的控制系统中使整个系统的性价比得以大幅度的提高。采用稳定可靠的传感器，最终实现对直径的的准确分选，实现一个智能的滚珠分选系统。致谢虽然在写论文的期间遇到经历了些许的不顺和挫折，但是都在同学和老师的帮助下度过了，通过自己查询资料，询问老师和同学最终完成，首先要感激我的论文指导老师。这篇论文是在老师的尽心指导和同学的帮助下完成的，从论文的开题报告、论文题目的选择一直到完成论文的编写这一过程当中，都得到了老师耐心细致的指导，如果不是老师耐心的解释和帮助，那么我的这篇论文也不会顺利的完成。同时，我也十分感谢在写这篇论文时所参考的这些学者的著作，给了我很多的启发。感谢学校所有的领导和老师，让我能够在学校中踏踏实实的去学习，从而为自己以后打下坚实的基础。通过写这篇论文，让我能够更深入的了解关于单片机控制的理论知识，这些在我以后的工作中都是很有作用的知识。参考文献[1]陈月晨，苑会娟，詹烨.基于电感传感器的滚珠分选机设计[J]．制造业自动化，2015，37(04)：142-145．[2]陈旭武，纪鹏，姚俊武．滚珠分选仪的智能化设计[J]．中国仪器仪表，2004(02)：8-9．[3]汤晓燕，云忠．轴承滚珠按直径分组自动分选[J]．新技术新工艺，2000(12)：14-16．[4]张航．非接触式圆柱滚子直径自动分选技术研究[D]．大连交通大学，2014．[5]刘亚婷，张剀，徐旸．基于集成解调芯片的电感式位移传感器[J]．储能科学与技术，2019(05)：891-896．[6]李凤，董胜，刘守印．基于电感式磁传感器的车位检测算法设计[J]．传感技术学报，2019，32(04)：542-548．[7]胡瑞霞，马卫华，史天成，罗华军．基于LDC1614的磁浮电涡流位移传感器设计[J]．传感器与微系统，2019，38(07)：67-69．[8]陈瑞．自感式电感传感器的参数优化和性能实验[D]．山东大学，2019．[9]马雪皓．电感式油液磨粒检测传感器的研究[D]．天津工业大学，2019．[10]TabataTomonori，KakuNobuhiro，TagomoriHiroaki，TsumuraHiroshi．Influenceofhipcenterposition，anteriorinferioriliacspinemorphology，andballheaddiameteronrangeofmotionintotalhiparthroplasty．[J]．Orthopaedics&traumatology，surgery&research：OTSR，2019，105(1)．[11]TomonoriTabata，NobuhiroKaku，HiroakiTagomori，HiroshiTsumura．Influenceofhipcenterposition，anteriorinferioriliacspinemorphology，andballheaddiameteronrangeofmotionintotalhiparthroplasty[J]．Orthopaedics&Traumatology：Surgery&Research，2018．[12]X．T．Bai，Y．H．Wu，I．C．Rosca，K．Zhang，H．T．Shi．Investigationontheeffectsoftheballdiameterdifferenceinthesoundradiationoffullceramicbearings[J]．JournalofSoundandVibration，2019，450．附录一系统电路图附录二程序部分源码#include<reg52.h>#include