【马铃薯分选机的计数系统设计8000字（论文）】

摘要在自动化生产日渐普及的今天，筛选机械的自动化程度直接影响到产品的质量和生产效率。在现代化的工业生产中常常需要对产品进行计数，分选，如果这些繁杂的工作让人工去完成的话不但麻烦，而且效率低，劳动强度大，不适合现代化的生产需要。本设计以AT89C51单片机为核心，设计了信号调理电路、A/D转换电路、信号输出电路和键盘/显示单元等单片机分级控制系统。工作时，系统通过选择FJ21型压敏式压力传感器采集马铃薯种薯重量产生的电压信号，将该模拟信号经型号为LM324的放大器放大、一阶低通滤波电路滤波后，送入AD1674作为A/D转换单元的A/D转换器，转换后的数字信号进入AT89C51单片机；设计了分级系统的运算处理软件，分选得出马铃薯种薯等级，向分选开关发出控制信号，实现了对马铃薯的动态称重和实时分选。光电接收管的输出电压就发生一次变化，通过软件控制和键盘设定计数值并用LED加以显示，便可实现对物体的计数统计。关键词：AT89C51；机械筛选；称重AbstractToday，withthepopularizationofautomaticproduction，thedegreeofautomationofthescreeningmachinedirectlyaffectsthequalityandefficiencyoftheproduct.Inthemodernindustrialproductionoftenneedtocount，forproductseparation，ifthesecomplexworktomakeartificialcompletewordsnotonlytrouble，butalsolowefficiency，highlaborintensity，isnotsuitableformodernproductionneeds.ThedesignoftheAT89C51microcontrollerasthecore，thedesignofthesignalconditioningcircuit，A/Dconversioncircuit，signaloutputcircuitandkeyboard/displayunit，suchassingle-chipmicrocomputercontrolsystem.Whenworking，byselectingFJ21typepressuresensorpotatoseedweightofthevoltagesignal，theanalogsignalbytypeLM324amplifierandalow-passfiltercircuit，A/DconversionunitintoAD1674asA/Dconverter，digitalsignalconvertedintotheAT89C51microcontrollerdesign;theoperationsoftwareclassificationsystem，theseparationofpotatogradingtothesortingswitchsendsoutcontrolsignal，realizedthedynamicweighingandsortingofpotato.Theoutputvoltageofthephotoelectricreceivingtubeischanged，andthecountingoftheobjectcanberealizedbythesoftwarecontrolandthekeyboardsettingandtheLEDdisplay.Keywords:AT89C51;mechanicalscreening;weighing目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1研究背景 11.2研究内容 11.3系统的每部分的设计要求 1第2章系统的整体硬件设计 32.1单片机小系统 32.1.1时钟 32.1.2复位电路 32.1.3电源模块 42.2操作控制置模块 52.2.1显示部分的设计 52.2.2键盘电路设计 52.3承重单位模块 62.3.1承重原理 62.3.2传感器 72.4动力驱动模块 72.4.1步进电机电路 72.4.2动力驱动原理 82.3.3变频器 102.5信号调节电路设计 112.5.1放大电路的设计 112.5.2滤波电路的设计 112.6数据采集电路 12第3章分选机的计数软件设计 143.1汇编C语言简介 143.2系统工作原理 143.3运行流程图 153.3.1程序流程图 153.3.2中断处理函数 163.3.3数码显示 17第4章系统仿真演示 184.1系统调试 184.2各模块仿真演示 204.2.1六进制计数器 204.2.2十进制计数器 204.2.3显示译码器 20第5章结论 22参考文献 23第1章绪论1.1研究背景马铃薯是一种营养丰富、粮菜兼具的大宗农产品，具有产量高、用途广和经济价值高的优点。马铃薯不仅营养价值高，而且还有较为广泛的药用价值，有和中养胃、健脾利湿、降糖降脂、美容养颜、宽肠通便等作用。分级是提高商品质量和实现产品商品化的重要手段，并便于产品的包装和运输。产品收获后将大小不一、感染病毒或受到机械损伤的产品按照不同销售市场所要求的分级标准进行大小或品质分级。目前，在我国马铃薯分级中仍然采用的是旧式纯机械分级方式，甚至在有些地方马铃薯分级基本上仍由人工完成。因为在马铃薯种薯分级标准中，着色面积和缺陷面积的度量，仅凭人的视觉难以精确区分，而且使人长时间用眼，会造成疲劳及情绪的不稳定，从而造成分级误差的波动。纯机械方式不但效率不高，而且在分级过程中对马铃薯造成擦伤与损坏，不利于马铃薯的储存、销售与深加工。鉴于人工分级和纯机械分级的种种不利，我们借鉴果品生产中的称重式分级。为提高分选精度，国内外开始研制电子称重式分选机。对马铃薯的分选有很好的作用。1.2研究内容1、分析马铃薯分级机工艺流程，熟悉马铃薯分级机的控制要求。2、明确系统控制要求。从马铃薯分级机的功能角度分析，马铃薯分级机利用体积以及质量的不同货品分开，从而达到分拣的目的。3、确定控制系统。AT89C51单片机凭借高通用性，高抗干扰能力，功能强大，可靠性高等特点，被广泛应用于生产工艺过程，提高了分拣的效益。4、对马铃薯分级机硬件设备的选型。单片机系统对传感器输出信号进行采样、放大、滤波、模数转换、运算和处理，并控制机械执行机构进行分选以及计数。5、完成AT89C51单片机的配置图、安装图及程序编写。实现对变频电机进行控制，从而达到分拣功能。具有更高精度和更高的控制灵活度，在实际中有更广的应用前景。1.3系统的每部分的设计要求马铃薯准备货物在电动装置的带动下，进入单片机系统分拣区域。由FJ21型压敏式压力传感器采集马铃薯种薯重量分开。再由光电传感器的信号的监控，光电接收管的输出电压就发生一次变化，通过软件控制和键盘设定计数值并用LED加以显示，便可实现对物体的计数统计。动力驱动模块动力驱动模块单片机主控器AT89C51称重式分选电路计数电路（光电传感器）待分拣货物操作控制置模块LED、键盘各模块软件设计系统硬件的焊接以及测试系统的仿真实验图1-1总模块流程图称重式分选电路。称重式马铃薯分选机是根据马铃薯的不同重量来进行马铃薯分选的。在马铃薯分选过程中，压力传感器是信号输入通道的第一道环节。计数电路。采用光电传感器，将红外激光发射管与接收管相相对安放，每当物体通过一次，红外光就被阻挡，光电接收管的输出电压就发生一次变化，输入至AT89C51单片机的P1口，通过软件控制和键盘设定计数值并用LED加以显示，便可实现对物体的计数统计。A/D及其接口电路。TLC0838以SIP总线与单片机接口，把物体分离出来得连续模拟信号转变为离散的数字信号，信号采集单元选用串行多路模数转换器TLC0838来实现。驱动电路。因为步进电机具有快速起停，精确步进以及能直接接收数字量的特点，根据本系统的需求选用了四相混合式步进电动机。第2章系统的整体硬件设计2.1单片机小系统2.1.1时钟时钟结构的设计一般由晶振来构成，晶振是晶体振荡器的简称，其主要的作用就是能够为系统电路提供基本的时钟信号。如图2-1所示为本系统设计中的时钟电路结构，图中器件Y1为时钟结构中的晶振器件，本次系统设计中系统时钟所采用的晶振为50MHz的有源晶振，该有源晶振主要采用3.3V的直流电源作为系统时钟电路的供电电源。经实际电路测试，该时钟电路可以稳定输出50MHz的时钟频率，在示波器中实际测试观察可以看到频率中的纹波很小几乎可以忽略不计，该时钟电路是AT89C51最小系统中常用的系统时钟电路，因此该设计电路非常可行，稳定性也很好。图2-1系统时钟结构2.1.2复位电路AT89C51的复位引脚（Reset）连接高电平超过两个机器周期，即可产生复位的动作。以12MHz的始终脉冲为例，每个时钟脉冲为1/12μs，2个机器周期为2μs。在运行中，外界干扰等因素可使AT89C51的程序陷入死循环状态或跑飞。为摆脱困境，可将AT89C51复位，以重新启动。因此，可在AT89C51复位引脚上连接一个可让该引脚上产生一个2μs以上的高电平脉冲，即可产生复位的工作，如图2-2所示。其中电容两端并接的按钮开关的作用是手动强制复位。图2-2复位电路随时间的增加，电容上面的电压值慢慢增大，而RST引脚上的电压值逐渐降低，当RST引脚的电压值降低至低电平时，AT89C51恢复到正常状态，称为上电复位。2.1.3电源模块采用3节5号电池进行供电，由J10接入，其中前后两组电容用来去耦滤波，使其供给芯片的电源更加干净平滑。为了获得标准的3.3伏电压，在电路上加入SPY0029三端稳压器和两个二极管，是为了防止误将电源接反造成不必要损失而设置的。在操作过程中千万不要将电源接反，因为反向电压超过一定值，二极管将会被损坏，达不到保护的目的。图2-3电源模块2.2操作控制置模块2.2.1显示部分的设计以八段共阳管为例，它有8个发光二极管(比七段多一个发光二极管，用来显示sP，即点)，每个发光二极管的阳极连在一起，如图2-4所示。这样，一个LED数码管就有I根位选线和8根段选线，要想显示一个数值，就要分别对它们的高低电平来加以控制。为方便起见，这里共阳八段LED数码显示管。图2-4共阳数码管原理图LED8段数码管的设置为每个方位上的一对2为显示器。四个方位上总共用8个LED接在单片机的IO口上。显示的计数在数字上是一样的，所以两边连接的IO口是对称的。如图6所示，其中A，B分别是P0，P1的网络标号。图2-5数码管连接图2.2.2键盘电路设计本设计采用单片机控制器处理，按键是采用行列式键盘。键盘是最常见的人机接口设备，微机控制器通过键盘可以输入各种操作指令和数据，单片机控制器捕捉关键信息，与单片机控制器进行相应的处理。与单片机控制器的PO口相连，八个键盘分别控制步进电机的运行情况，其中P0.0控制电机的开启和停止，P0.2控制电机的转向，P0.4控制电机加速，每按一次，按键控制电路采用八个按键开关，速度增加一个等级，直到最高的速度等级。P0.6控制电机减速，若速度为最低等级，则速度保持不变，否则每按键一次，速度减少一个等级。本设计中，我们采用4*4键盘进行对电路的设定。4*4键盘的结构如图2-6所示：图2-6键盘示意图2.3承重单位模块2.3.1承重原理称重式马铃薯分选机是根据马铃薯的不同重量来进行马铃薯分选的。马铃薯重量信号先由压力传感器测量，然后送入单片机测控电路进行数据处理，最终实现分选控制。所以，压力传感器是决定整个测试系统性能的关键环节之一。马铃薯放在秤盘上，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗和激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号，该信号经放大电路放大输出到模数转换器。转换成便于处理的数字信号通过天平自带的RS232串口输出到工控机，AT89C51触发工控机采样，并对采样结果进行分析处理，得出玻璃块重量值及分组信号，工控机将分组信号传送给AT89C51。AT89C51控制分组机构的电磁阀动作，进行分组。分选机的信号流程图如图2-7所示。图2-7分选机工作流程图2.3.2传感器传感器是能感受规定被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。这里我们选择型号为FJ21型的传感器。图2-8电桥电路2.4动力驱动模块2.4.1步进电机电路ULN2003是一个大电流驱动器能耐高压，为达林顿管阵列电路，由七个硅NPN达林顿管组成可输出500mA电流，同时起到电路隔离作用，各输出端与COM间有起保护作用的反相二极管。1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。图2-9步进电机的驱动电路2.4.2动力驱动原理驱动系统由控制器、功率变换器及电机三个主要部分组成。本系统选用的两相混合式步进电机有8根引线，这种电机既可以串联连接又可以并联连接LiYingying，FanWeihong，LiuYunhui，CaiXuanping.Teleoperationofrobotviathemobilecommunicationnetworks.IEEEInternationalConferenceonRoboticsandBiomimetics(ROBIO).2005LiYingying，FanWeihong，LiuYunhui，CaiXuanping.Teleoperationofrobotviathemobilecommunicationnetworks.IEEEInternationalConferenceonRoboticsandBiomimetics(ROBIO).2005图2-10步进电机结构图考虑A3977驱动集成电路可靠性强，本系统的步进电机驱动电路选用A3977集成驱动器。在应用电路中，可以实现的最简单的步进方式只需要“STEP0”步进和“DIR”方向两条控制线。图2-11A3977引脚结构图图2-11是A3977驱动电路的接口连接图。图2-12A3977驱动电路图2.3.3变频器变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。MICROMASTER420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。表2-1F700变频器主要参数设置表设置参数参数功能设置参数参数功能PR.42=49输出频率上限检测信号PR.131=70PID上限设置PR.50=30输出频率下限检测信号PR.132=50PID下限设置PR.128=20设置PID调节为负反馈作用PR.133=60PID控制目标值设置PR.129PID比例常数PR.190=14到达水压上限输出信号PR.130PID积分时间PR.191=15到达水压下限输出信号PR.134PID微分时间使PR.192=5到达频率下限输出信号PR.178=14得PID调节有效PR.194=4到达频率上限输出信号本系列有多种型号，从单相电源电压，额定功率120W到三相电源电应，额定功率11KW可供用户选用。要对系统所用的变频器进行选型，首先得确定变频器的容量，方法是依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。控制系统内部采用CAN总线通讯方式，通过改变PWM占空比实现电机调速。由于电力电子器件只工作在开关状态，所以主电路损耗小，但电路结构复杂。这样就可以通过软件编程来实现电机的前进，后退，加速，减速，停止等基本功能。2.5信号调节电路设计2.5.1放大电路的设计在对传感器输出信号进行预处理的过程中，往往要把微弱的信号进行放大。本系统中使用的压敏式压力传感器的输出信号仅为几十毫伏的电压，必须在系统中加放大器对电压信号放大。考虑到FJ21型传感器其输出只有1.0—4.0mv，显然这样的输出电压太小单片机系统无法进行处理，因此需要在传感器之后加一个放大环节，对传感器的输出信号进行1000倍的放大，达到单片机所允许的电压（0—5V）后，才能使单片机进行判断和处理。放大电路图2-13如下：图2-13比例放大电路其中：输入信号为压力传感器送出的电压信号，输出信号送往A/D转换器后输入单片机进行处理。其放大的电压增益是电阻R1和R2的比值。即：Av=Vo/Vi=-R1/R2.=100kΩ/100Ω=1000.其中R1，R2为小型绕线电位器，型号为WX1，放大器型号为LM324。2.5.2滤波电路的设计最简单的低通滤波器由电阻和电容元件构成，如图2-14（a），实际上这是一个最简单的RC低通滤波电路，一般称为无源低通滤波器。该滤波器的缺点是电压放大倍数低，同时带负载能力差，若在输出端并联一个负载电阻，除了使电压放大倍数降低以外，还将影响通带截止频率的值。利用集成运放与RC低通电路一起，可以组成有源滤波器，以提高通带电压放大倍数和带负载能力。根据系统的需要，采用一阶低通滤波电路，如图2-14(b)所示。3-4（a）3-4(b)图2-14滤波放大电路2.6数据采集电路本设计中的A/D使用的是通用8位芯片ADC0809，芯片的几个重要管脚功能如下：ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效王于，林良明，颜国正.基于包容结构的工程机器人混合式控制结构[J].机器人.2002(02)。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，通过DSP进行A/D转换参与运算。调整电机转速是根据所选算法，逐渐逼近抓取物体，既要结合计数和分拣信号。采用计算机作为控制器核心的自动控制系统是由计算机通过A/D数据采集卡采样反馈变量，并计算误差和控制量，以电压信号的形式送给A/D卡，实现位置反馈。王于，林良明，颜国正.基于包容结构的工程机器人混合式控制结构[J].机器人.2002(02)系统中位移传感器用于分拣机传送的实际位移，过快周期计数器检测到主程序运行了200个快周期之后，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，START应保持低电平。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机AT89C51输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。由于本设计中数模转换芯片使用的是ADC0809，其工作的时钟信号为500KHz，因其内部没有时钟电路，时钟信号由外部单片机AT89C51的ALE端口提供。系统单片机AT89C51与ADC0809接口电路如图2-15所示。图2-15单片机AT89C51与ADC0809接口电路当单片机AT89C51的ALE端口不访问外部存储器时，单片机AT89C51的ALE端以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，故晶振设定12MKz，再经过二分频电路，单片机AT89C51即可向ADC0809输出500KHz的时钟信号马宏鹏，翁春华，张蕾，赵新，刘景泰，卢桂章.机器人遥操作中的网络传输延迟分析[J].计算机工程与应用.2002(05)。马宏鹏，翁春华，张蕾，赵新，刘景泰，卢桂章.机器人遥操作中的网络传输延迟分析[J].计算机工程与应用.2002(05)第3章分选机的计数软件设计3.1汇编C语言简介汇编C语言是AT89C51程序设计语言的重要形式，也是当今AT89C51开发人员进行程序开发最常用的语言形式。汇编语言是一种用来替代机器语言进行程序设计的语言。汇编语言的特点是每一条指令都给出了助记符。并进行目标程序、检查修改程序中的错误，对程序运行结果进行分析，直到正确为止。3.2系统工作原理1、当按下控制装置的自动控制按钮后，传送带B先启动运行，拖动空箱前移至指定位置，达到指定位置后，由SQ2发出信号，使传送带B制动停止。2、传送带B停车后，传送带A启动运行，产品逐一落入箱内，由传感器检测产品数量达12个时，传送带A制动停止，传送带B启动运行。3、上述过程循环地进行，直到按下停止按钮，传送带A和传送带B同时停止，其工作流程图如图3-1所示。4、当按下手动选择按钮后，系统停止上述的自动控制运行，而可以手动进行控制传送带A和传送带B的运行，以便于调试和维修。图3-1生产线自动装箱工作流程图5、此流程由计数器、传感器、红外线感应器组成。当物件经过红外线时把红外线切断，形成断电，然后经过传感器传到计数器，每断电一次计数器计数一次。图3-2系统装置工作过程3.3运行流程图3.3.1程序流程图根据设计内容，可做出主程序流程图如图3-3所示。图3-3主程序流程图3.3.2中断处理函数本设计主要用到了AT89C51的中断系统。当AT89C51扫描到有按键按下时，便会将键值存储起来，并在IRQ引脚输出高电平发出中断，通知AT89C51进行相关处理。（如图3-4所示）。图3-4中断处理中的相关操作3.3.3数码显示将采集到的频率转换为十进制数后，还不能直接将这些数送给数码显示，因为七段LED数码管内部由7个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的亮暗组合成字符。图3-5十进制数转换为显示代码流程图第4章系统仿真演示4.1系统调试（1）经过对程序的运行，并用软件编译后，用仿真软件进行仿真，按下“开始”按钮之前，可以看到数码管上数字子显示为零如图4-1所示。图4-1开始状态图由图22可以清楚的看到，计数器的初始状态，三位数码管都显示为零。进行位选的端口也都处于低电位，计数器也未工作。AT89C51复位端为低电平。（2）当按下“开始”时开始计数，系统开始计数，其状态如图4-2所示。图4-2开始计数图由图-42可以看到，开始计数后，数码管数字在变化，图中为十分之一秒位的数码管显示情况。（3）当按下“停止”时计数器停止计数，数码管显示的数字不再变化，如图4-3所示。图4-3停止状态图由图4-3可以看到按下“停止”按钮后各个数码管的数字不再变化喇叭也停止工作。（4）当按下“清零”时计数器无论是在计数还是在停止状态都一律清零各数码管全为零，回到初始状态。4.2各模块仿真演示4.2.1六进制计数器六进制计数器VHDL语言描述详见附件。将VHDL文本文件在Quartus上编译仿真，仿真结果如图4-4所示。六进制计数器symbol，clk为时钟信号、clr为清零端、start为使能信号（start为1时计数器正常计数，否则计数器不工作）、daout[3..0]BCD码输出端口、cout为进位输出端口。图4-4六进制计数器仿真波形4.2.2十进制计数器将VHDL文本文件在Quartus上编译仿真，仿真结果如图4-5所示，，端口功能描述参照六进制计数器。图4-5十进制计数器仿真波形4.2.3显示译码器将此VHDL文本文件在Quartus上编译仿真，仿真结果如图4-6所示。由于输入端信号为BCD码，而且一位BCD码只能表示十进制数的0—9，因此当输入为1010—1111时，无对应的译码输出，即输出为零，这也是编程决定的。图4-6显示译码器第5章结论光电分选机的研究与设计是一项具有重要实际意义的课题，其控制系统的设计是整机设计中的核心部分。本设计以AT89C51单片机为核心，设计了信号调理电路、A/D转换电路、信号输出电路和键盘/显示单元等单片机分级控制系统。在工作时，系统通过选择FJ21型压敏式压力传感器采集马铃薯种薯重量产生的电压信号，将该模拟信号经型号为LM324的放大器放大、一阶低通滤波电路滤波后，送入AD1674作为A/D转换单元的A/D转换器，转换后的数字信号进入AT89C51单片机；设计了分级系