【正文】 電器工作電路可分為低壓控制電路和 高壓工作電路組成?？刂齐娐肥怯呻姶盆F A、銜鐵 B、低壓電源 E1和開(kāi)關(guān)組成；工作電路是由小燈泡 L、電源 E2和相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的靜觸點(diǎn)、動(dòng)觸點(diǎn)組成。連接好工作電路，在常態(tài)時(shí)， D、 E間未連通，工作電路斷開(kāi)。用手指將動(dòng)觸點(diǎn)壓下，則 D、 E間因動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)接觸而將工作電路接通，小燈泡 L發(fā)光。閉合開(kāi)關(guān) S，銜鐵被電磁鐵吸下來(lái)，動(dòng)觸點(diǎn)同時(shí)與兩個(gè)靜觸點(diǎn)接觸，使 D、 E間連通。這時(shí)彈簧被拉長(zhǎng)，觀察到工作電路被接通，小燈泡 L發(fā)光。斷開(kāi)開(kāi)關(guān) S，電磁鐵失去磁性，對(duì)銜鐵無(wú)吸引力。銜鐵在彈簧的拉力作用下回到原來(lái)的位置，動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)分開(kāi)，工作電路 被切斷，小燈泡 L不發(fā)光。所以其工作原理為：電磁鐵通電時(shí)，把銜鐵吸下來(lái)使 D和 E接觸，工作電路閉合。電磁鐵斷電時(shí)失去磁性，彈簧把銜鐵拉起來(lái)，切斷工作電路。具體電磁繼電器的實(shí)物圖如圖 24所示。 基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 圖 23 電磁繼電器原理圖 圖 24 電磁繼電器實(shí)物圖 用電磁繼電器控制電路的好處：用低電壓控制高電壓；遠(yuǎn)距離控制；自動(dòng)控制。本設(shè)計(jì)選用的是鴻龍牌的 JQX38F小型大功率繼電器，參數(shù)選擇為：線圈電壓 AC380V；額定電流 40A；觸點(diǎn)數(shù) 6觸點(diǎn)（三常開(kāi)，三常閉）。 傳感器性能描述 行程 開(kāi)關(guān) 行程開(kāi)關(guān)實(shí)物圖如圖 25 所示， 它的內(nèi)部工作原理如圖 26 所示，它是 利用生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的碰撞使其觸頭動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)接通或分?jǐn)嗫刂齐娐?，達(dá)到一定的控制目的。通常，這類(lèi)開(kāi)關(guān)被用來(lái)限制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的位置或行程，使運(yùn)動(dòng)機(jī)械按一定位置或行程自動(dòng)停止、反向運(yùn)動(dòng)、變速運(yùn)動(dòng)或自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)等。 在 電氣控制系統(tǒng) 中，位置開(kāi)關(guān)的作用是實(shí)現(xiàn)順序控制、定位控制和位置狀態(tài)的檢測(cè) ，在此系統(tǒng)中當(dāng)有容器過(guò)來(lái)時(shí)碰到 行程開(kāi)關(guān)，控制芯片接受到此行程開(kāi)關(guān)的信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，在此系統(tǒng)中我所選用的行程開(kāi)關(guān)是 樂(lè)清永得電器有限公司 的 TM1308微動(dòng)開(kāi)關(guān)，此開(kāi)關(guān)是常開(kāi)方式的，當(dāng)有容器經(jīng)過(guò)時(shí)碰到此微動(dòng)開(kāi)關(guān)，此時(shí)開(kāi)關(guān)閉合，發(fā)出信號(hào)后控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的工作 [5]。 圖 25 實(shí)物圖 圖 26 內(nèi)部原理圖 紅外對(duì)射傳感器 紅外對(duì)射傳感器選用的是一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)紅外接受管組成，用來(lái)檢測(cè) 檢測(cè)加料容器內(nèi)的原材料是否用完的檢測(cè)， 正常情況下接收管可以檢測(cè)到有發(fā)光二極管發(fā)出的光，單片機(jī)檢測(cè)到的是高電平信號(hào)，表示容器內(nèi)的原 材料沒(méi)有用完，所以系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行灌裝工作；當(dāng)紅外接受管接受不到光線，單片機(jī)檢測(cè)到的是低電平信號(hào)，表示容器內(nèi)的原材料已用完，則開(kāi)始下一步的報(bào)警信號(hào)，同時(shí)灌裝部基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 分的系統(tǒng)停止工作，其功能演示圖如下圖 27所示，本系統(tǒng)中選用的是凌創(chuàng)傳感器廠的 M12對(duì)射傳感器，如下圖 28所示 [6]。 發(fā)射端接收端容器 圖 27 紅外對(duì)射傳感器功能演示圖 圖 28 紅外對(duì)射傳感器 速度可控電機(jī)性能描述 電機(jī)的選擇 工業(yè)生產(chǎn)中一般采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)，所以本設(shè)計(jì) 中也是選用了三相異步電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樵谏a(chǎn)中要經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)以及反轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，所以要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小和過(guò)載能力大，則選用鼠籠或繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)有開(kāi)啟式、防護(hù)式、封閉式和防暴式。選擇電動(dòng)機(jī)首先要解決的問(wèn)題是功率的確定： 因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的功率選擇的是否合適，對(duì)其工作和經(jīng)濟(jì)都有影響：如采用功率小于工作機(jī)的要求功率，就不能保證工作機(jī)的正常工作，甚至使用時(shí)間久了電動(dòng)機(jī)因?yàn)殚L(zhǎng)期過(guò)載而過(guò)早損壞；如果電動(dòng)機(jī)的額定功率大于所要求的功率，則電動(dòng)機(jī)價(jià)格高，容量也未得到充分利用，以致制造成本高，而且浪費(fèi) [7]。通常選用 的電動(dòng)機(jī)的額定功率稍大于工作機(jī)功率。在選用的時(shí)候還應(yīng)該查出電動(dòng)機(jī)類(lèi)型和額定功率、相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和安裝尺寸。在一般情況下不必校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和啟動(dòng)力矩。電動(dòng)機(jī)工作時(shí)需要的功率 Po按下式計(jì)算： ηPP aw0? 式中 pw 工作機(jī)所需的功率， KW ?a 從電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)間各運(yùn)動(dòng)副的總機(jī)械效率 工作機(jī)所需功率 pw 一般根據(jù)工作機(jī)的生產(chǎn)阻力和運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算： 1000ηFP wvw ? 或 者 9550ηTnP ? 式中 F 工作機(jī)的生產(chǎn)阻力， N； v 工作機(jī)的速度， m/s； T 工作機(jī)的阻力矩， N/m； nw 工作機(jī)的轉(zhuǎn)速， r/min； ?w 工作機(jī)的效率 基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 總效率按下式計(jì)算： ????? na ...321? 式中???? n...321分別為運(yùn)動(dòng)鏈中各運(yùn)動(dòng)副（如齒輪、軸承及聯(lián)軸器等）的效率。所以本設(shè)計(jì)選用的是同步轉(zhuǎn)速為 1400r/min的電動(dòng)機(jī)，如無(wú)特殊要求，不選用同步轉(zhuǎn)速低于 750/min的電動(dòng)機(jī) [8,9]。 減速器的設(shè)計(jì)與選擇 由于所選用的電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為 1400r/min，灌裝機(jī)的生產(chǎn)能力 3000瓶 /小時(shí)，灌裝機(jī)的電磁水開(kāi)關(guān)為 10個(gè)，所以灌裝機(jī)每轉(zhuǎn)生產(chǎn) 10瓶，在灌裝機(jī)的轉(zhuǎn)速為 300r/小時(shí)。所 以首先主軸上大齒輪的傳動(dòng)比 i = 6，電動(dòng)機(jī)的小齒輪與減速器上大帶輪的傳動(dòng)比 i = 2，則減速器上輸入的轉(zhuǎn)速為 700r/min，輸出轉(zhuǎn)速為 30r/min， 調(diào)速的時(shí)候可以改變大小齒輪來(lái)改變輸出的轉(zhuǎn)速，如下圖所示的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中選用的電機(jī)以及減速箱是東方傳動(dòng)公司的一整套配合產(chǎn)品，它的 CAD圖如圖 29所示，此電機(jī)的實(shí)物圖如下圖 210所示，因?yàn)殡姍C(jī)調(diào)速系統(tǒng)的選擇，傳送帶的調(diào)速是有一定的范圍的，并且調(diào)速也不是線性調(diào)速，而是一個(gè)階段一個(gè)階段的調(diào)速的，所以為了能實(shí)現(xiàn)容器和加料是相互配合到一起，系統(tǒng)正常工作 ，需要操作員工放緩給傳送帶放容器的速度，或者加快放容器的速度，這個(gè)取決于員工所選擇的電機(jī)速度 [10]。 圖 29 減速箱與電機(jī)配合圖 圖 210 減速箱與電機(jī)配合實(shí)物圖 電磁水開(kāi)關(guān)性能描述 電磁水開(kāi)關(guān)（水閥）原理 電磁水開(kāi)關(guān)主要由導(dǎo)閥和主閥組成，主閥采用橡膠密封結(jié)構(gòu)。常位時(shí)，活動(dòng)鐵芯封住導(dǎo)閥口，閥腔內(nèi)壓力平衡，主閥口封閉。當(dāng)線圈通電時(shí)，產(chǎn)生電磁力將活動(dòng)鐵芯吸上，主閥腔內(nèi)的介質(zhì)自導(dǎo)閥口外泄，以至產(chǎn)生壓力差，膜片或閥杯被迅速托起，主閥口開(kāi)啟，閥便呈通路了。當(dāng)線圈斷電，磁場(chǎng)消失 ，活動(dòng)鐵芯復(fù)位，封閉導(dǎo)閥口，導(dǎo)閥和主閥腔內(nèi)壓力平衡后，閥又呈關(guān)閉狀態(tài)。電磁水開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖如 211 所示，最終選擇的此電磁水開(kāi)關(guān)的實(shí)物圖如圖 212所示。 基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 圖 211 電磁水開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖 圖 212 電磁水開(kāi)關(guān)（水閥）實(shí)物圖 電磁水開(kāi)關(guān)（水閥）參數(shù) 工作介質(zhì) 水、粘度 ≤4176。E油及其它非腐蝕性液體 介質(zhì)溫度 176。C ≤ 60 公稱(chēng)壓力（ Mpa） 工作壓差（ Mpa） ～ ～ ～ 電源電壓 AC200V，其余規(guī)格可作特殊訂貨（ 36V、 12V、 24V） 基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 表 1 電磁水開(kāi)關(guān)參數(shù) [11] 本設(shè)計(jì)的自動(dòng)灌裝系統(tǒng)中利用的是電源電壓 AC200V， 公稱(chēng)通徑（ 50mm）的 ZCS 型水用電磁水閥，此水閥適用于以水或液體為工作介質(zhì)，可自動(dòng)化控制或遠(yuǎn)程控制水、油、液體等工作介質(zhì)管路的通斷。由于此水閥采用橡膠密封，故對(duì)工作介質(zhì)的清潔度大大降低，具有反應(yīng)迅速，可靠性能高等特點(diǎn)，開(kāi)啟與關(guān)斷時(shí)間分別有 5ms，完全足夠此系統(tǒng)的精度設(shè)置為 ，其實(shí)系統(tǒng)的精度還可以設(shè)置的更高，但在工業(yè)中完全不需要太高的精度，只要足夠使用就可以了。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 外圍電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小電路 此電路是單片機(jī)最小電路如圖 31所示，用來(lái)控制其它設(shè)備正常工作的基本硬件電路。 圖 31 單片機(jī)最小電路 流量系數(shù)（ Kv） 按 JB/T735294 規(guī)定 泄漏量（ ml/min） 按 JB/ 公稱(chēng)通徑（ mm） 10 15 20 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 350 功耗 (VA) 17 30 基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 顯示電路 此系統(tǒng)所使用的顯示部分是利用兩組 4位共陰數(shù)碼管組 成，第一組是用 來(lái)顯示灌裝產(chǎn)量，第二組是用來(lái)顯示設(shè)定的加料量的時(shí)間，為了使數(shù)碼管在顯示的時(shí)候比較清晰，此電路通過(guò)圖 31中的74HC573鎖存器與數(shù)碼管配合使用，使驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的電流變大，讓其亮度變亮，這樣可以更好的顯示其數(shù)值。顯示電路如圖 32所示。 圖 32 顯示電路 各功能指示電路 如下圖 33所示，為主軸電機(jī)控制電路，利用 PNP三極管從而來(lái)控制繼電器實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與停止。 圖 34 所示為各功能指示燈， LED1 表示系統(tǒng)正常工作指示燈，燈亮表示系統(tǒng)正在工作，燈滅表示系統(tǒng)停止工作； LED4 表示電磁水閥打開(kāi)加料指示燈，燈亮表示電磁水閥打開(kāi)系統(tǒng)進(jìn)行加料，燈滅表示電磁水閥關(guān)閉系統(tǒng)沒(méi)有加料的動(dòng)作。 圖 33 繼電器驅(qū)動(dòng)電路 圖 34 LED 指示電路 基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 按鍵電路與傳感電路 首先接通電源， LED1燈亮，表示電源接通，數(shù)碼管 shu1顯示灌裝產(chǎn)量，初始值為 1000，可通過(guò)按鍵 S5和 S6來(lái)調(diào)整設(shè)定產(chǎn)量數(shù)，數(shù)碼管 shu2顯示加料時(shí)間，按鍵 S7是設(shè)定加料時(shí)間的按鈕，按住S7 加料，加料過(guò)程 LED4 亮，放開(kāi)按鍵 S7，加料結(jié)束，并且會(huì)把加料時(shí)間記憶，在以后的加料都按照此時(shí)間 加料，直到再次設(shè)定加料時(shí)間或者停止通電， S8是加料時(shí)間清零鍵，當(dāng)設(shè)定好產(chǎn)量數(shù)和加料時(shí)間時(shí)，啟動(dòng)傳送帶電動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作按鍵 DANG，傳送帶開(kāi)始工作，擋板在初始狀態(tài)是擋住的。有容器到來(lái)檢測(cè)接近開(kāi)關(guān)在模擬系統(tǒng)中我用按鍵 JISHU來(lái)代替，當(dāng)檢測(cè)到有瓶子時(shí)，即按住 JISHU鍵時(shí)，開(kāi)始加料，加料時(shí)間到擋板轉(zhuǎn)動(dòng) 90度，灌裝滿(mǎn)的瓶子通過(guò)，擋板繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng) 90度回到擋住狀態(tài)，一次工作完成。這是整個(gè)工作的部分，當(dāng)瓶子在加料時(shí)間未到時(shí)突然滑倒，從擋板下方過(guò)去，接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)不到瓶子時(shí)，此時(shí)報(bào)警器響，提醒工作人員出現(xiàn)異常情況，并且未灌裝完 成的產(chǎn)品不計(jì)入產(chǎn)量中，還有一種情況是原料儲(chǔ)存容器中沒(méi)有原料時(shí)也會(huì)報(bào)警，提醒工作人員，此時(shí)不進(jìn)行加料工作。主要功能表如下表 2所示和按鍵電路圖 35以及液位檢測(cè)電路如圖 36所示。 表 2 按鍵功能描述 名稱(chēng) 功能 JISHU 有容器到來(lái)檢測(cè)接近開(kāi)關(guān) DANG 傳送帶電動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作按鍵 KAI 傳送帶電機(jī)停止工作按鍵 S5 產(chǎn)量加按鍵 S6 產(chǎn)量減按鍵 S7 按住加料與加料量顯示，放開(kāi)記住加料量 S8 加料時(shí)間清零鍵 Q6 液位檢測(cè)傳感器 基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 圖 35 按鍵電路 圖 36 液位 檢測(cè)電路 總體電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)由主電路與外圍電路一起構(gòu)成了自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)的硬件電路。在系統(tǒng)中，加料時(shí)間的多少可以調(diào)節(jié)，可隨時(shí)停止工作，使應(yīng)用更加完善，更加人性化。 如下圖 37 所示，分別由復(fù)位電路部分、電源電路部分、按鍵檢測(cè)電路部分、指示燈電路部分、顯示電路部分、單片機(jī)電路部分、電動(dòng)機(jī)電路部分和步進(jìn)電機(jī)接口部分組成。外圍接口電路如圖 38所示，由達(dá)林頓接口電路和一個(gè)蜂鳴器以及一個(gè)液位檢測(cè)紅外對(duì)射傳感器組成。 基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 圖 37 主電路 圖 38 外圍接入電路 基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 第四章 系統(tǒng)軟件 設(shè)計(jì) 程序流程圖 自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)的程序流程圖如下圖 41所示，首先系統(tǒng)初始化，設(shè)定數(shù)碼管 shu1顯示灌裝產(chǎn)量，初始值為 1000，然后開(kāi)始設(shè)定產(chǎn)量數(shù)，產(chǎn)量數(shù)可加可減，設(shè)定好產(chǎn)量后再設(shè)定加料時(shí)間，并同時(shí)計(jì)時(shí)。打開(kāi)電動(dòng)機(jī)傳送帶開(kāi)始工作，擋板在初始狀態(tài)是擋住的。有容器到來(lái)檢測(cè)接近開(kāi)關(guān)在模擬系統(tǒng)中我用按鍵 JISHU來(lái)代替，當(dāng)檢測(cè)到有瓶子時(shí)，即按住 JISHU鍵時(shí)，開(kāi)始加料，加料時(shí)間到擋板開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng) 90度，灌裝滿(mǎn)的瓶子通過(guò)后擋板繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng) 90度回到擋住狀態(tài)，一次工作完成。這是整個(gè)工作的部分，當(dāng)瓶子在加料時(shí)間未到時(shí)突 然滑倒，從擋板下方過(guò)去，接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)不到瓶子時(shí)，此時(shí)報(bào)警器響，提醒工作人員出現(xiàn)異常情況，并且未灌裝完成的產(chǎn)品不計(jì)入產(chǎn)量中，直到工作人員處理了此種情況或者等到下一個(gè)瓶子到來(lái)。還有一種情況是原料儲(chǔ)存容器中沒(méi)有原料時(shí)也會(huì)報(bào)警，提醒工作人員，此時(shí)不進(jìn)行加料工作。 系 統(tǒng) 初 始 化開(kāi) 始產(chǎn) 量 設(shè) 定 按 鍵產(chǎn) 量 加產(chǎn) 量 減按 鍵 加 料 時(shí) 間 初 始 設(shè) 定 ？加 料 的 同 時(shí) 計(jì) 時(shí)開(kāi) 始 工 作清 零結(jié) 束加 料 時(shí) 間 是 否 清 零 ？結(jié) 束 工 作YNYN 圖 41程序流程