【正文】 基于 51 單片機的自動灌裝控制系統(tǒng)設計 1 基于 AT89S52 單片機的自動灌裝控制系統(tǒng)設計 引 言 隨著科學技術的發(fā)展，自動控制在現代科學技術的許多領域中大量使用，自動控制技術起著愈來愈重要的作用，人們的生產生活中已經離不開自動控制，并且，隨著生產和科學技術的不斷發(fā)展，自動化水平也越來越高 [1]。 2020年 7月我到浙江山蒲照明電器有限公司實習時，公司讓我們實習生到車間各個崗位上去看工藝流程，他們的自動芯柱機給我印象深刻，一個人就可以同時控制幾臺機械，而且工作效率高，整個工作過程是又快又穩(wěn)定，我這一次畢業(yè)設計課題選擇的思想就來于此。指導老師也給了我 很多的建議，最終確定自動灌裝控制系統(tǒng)這一課題，對我專業(yè)的學習和實踐將會有很大的幫助。 礦泉水、啤酒、乳品飲料、植物油、調味品和各種酒類產品在我們的生活中司空見慣，液體灌裝伴隨著飲料工業(yè)的產生而出現，并隨其發(fā)展而不斷地進步。 1895 年市場上出現玻璃瓶灌裝機； 1902年出現壓力灌裝機； 20世紀末，德國制造出自動啤酒灌裝和壓蓋機，灌裝得到了飛速發(fā)展。但在我國，灌裝行業(yè)起步較晚，包裝的自動化水平低，而隨著現代科技的快速發(fā)展，我們對工作、生活的要求越來越趨于自動化、智能化，對市場自動化灌裝設置要求也越來越高 [2]。 本系統(tǒng)按照灌裝的要求 以及設計的具體情況需求 ，采用 AT89S52單片機為核心設計一個自動灌裝控制系統(tǒng)， 灌裝的對象為各種水飲料產品，在一定 的范圍內 控制灌裝的量的時間精度在 ， 具有良好的快速性。采用三相異步電機和減速器帶動傳送帶不僅價格低廉，且具有很高的工程應用價值和現實意義。 基于 51 單片機的自動灌裝控制系統(tǒng)設計 2 第一章 系統(tǒng)方案的選擇與論證 系統(tǒng)設計簡述 此畢業(yè)設計是為了實現工業(yè)飲料或者其他液體產品的自動灌裝，由于資金有限，不能夠搭建起真正的自動灌裝控制系統(tǒng)，只能夠模擬實現自動灌裝的功能，對于此模擬灌裝系 統(tǒng)有以下幾點需要說明： (1) 關于皮帶運輸，經過網上查找資料選用了速度可調的電機，配合皮帶以實現運輸容器，由于價格的原因，在模擬系統(tǒng)中是通過繼電器來控制發(fā)光二級管點亮與熄滅來模擬電機的工作狀態(tài)，發(fā)光二極管點亮表示主軸電機開始工作（即自動灌裝系統(tǒng)開始工作）；發(fā)光二極管熄滅表示主軸電機停止工作（即自動灌裝系統(tǒng)停止工作）。 (2) 加料系統(tǒng)選用了電磁水開關，由于沒有實際的電磁水開關，在模擬系統(tǒng)中也是利用發(fā)光二極管代替，二極管發(fā)亮表示電磁水開關打開，系統(tǒng)開始加料；二極管熄滅表示電磁水開關關閉，系統(tǒng)停止加料。 (3) 在皮帶傳輸過程 當中，由于運輸系統(tǒng)不能時而停止，時而工作，因為這樣對電機的損耗很大，電量損耗也很大，所以不能適用這種方法，在本設計中采用的運輸系統(tǒng)是一直工作狀態(tài)，在系統(tǒng)中，選擇在傳送帶的上方放置一個步進電機帶動工作的齒輪擋板來對瓶子進 行攔截。 系統(tǒng)的設計任務和要求 設計一個自動灌裝控制系統(tǒng)，控制對象為各種不同容積的水飲料產品。灌裝的量的時間可以在一定范圍內由人工設定，可自動記憶調試時人工控制灌裝的時間，生產時用以控制同種產品灌裝的時間，也可在線上更改灌裝的量的時間，以達到自己的灌裝的要求。 模擬灌裝系統(tǒng) 的主要性能指標 （ 1） 灌裝的量的時間設定范圍： 0～ ，最小區(qū)分度為 。 （ 2） 灌裝的量的時間控制精度： 。 （ 3）灌裝的計數個數范圍： 0～ 9999個。 （ 4）用兩個四位數碼管分別顯示灌裝的個數和單個灌裝量的時間。 （ 5）當瓶子灌裝過程出現臥倒現象時報警且灌裝停止，當原料桶中原料不足時報警并停機。 系統(tǒng)基本方案 按照系統(tǒng)設計功能的要求，初步確定設計系統(tǒng)由單片機主控模塊、傳感器檢測模塊、按鍵輸入模塊、電機驅動模塊、步進電機模塊、數碼管顯示模塊和蜂鳴器報警模塊共 7個模塊組成。系統(tǒng)的框 圖基于 51 單片機的自動灌裝控制系統(tǒng)設計 3 如圖 11所示。為實現各模塊的功能，分別做了幾種不同的設計方案并進 行了論證。 控制器模塊電 機 驅 動 模 塊擋 板 驅 動 模 塊數 碼 管 顯 示 模 塊蜂 鳴 器 報 警 模 塊電 機 驅 動 模 塊傳 感 器 檢 測 模 塊I n p u tO u t p u t 圖 11 系統(tǒng)基本模塊方框圖 各模塊電路的方案選擇及論證 （ 1） 控制器模塊 依據設計要求，控制器主要用于對灌裝的量的時間的控制，對灌裝個數的計數的控制，對步進電機的控制，對蜂鳴器的控制以及對傳感器檢測的信號的處理。對控制器的選擇有以下兩種方案： 方案一：采用 可編程邏輯控制器 PLC作為系統(tǒng)控制器。 PLC是一個以微處理器為核心的數字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，它采用可 編程序的存儲器，用以在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時 /計數和算術運算等操作指令，并通過數字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產過程。 但 PLC還是有一定的缺陷，主要體現在以下幾個方面：一、它只能對給定的一種容積的容器灌裝，這樣的生產線不適用于產品多樣化的灌裝，并且若采用設定不同初始值的若干機器來滿足要求將會造成成本以及人力的浪費；二、同樣的灌裝技術應用到家具生活方面就不夠人性化，因為家具生活中盛裝液體的容器體積不定，這時候應用定容自動灌裝就很不方便了。 方案二：采用 ATMEL公司的 AT 89S52作為系統(tǒng)控制器。單片機算術運算功能強，軟件程序靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優(yōu)點 [2]。 基于以上兩種方案的分析比較， 結合機電一體化的發(fā)展要求以及本設計的具體情況需求， 最終決定采用方案二，以 AT89S52單片機作為控制核心來 實現自動灌裝的功能。 （ 2）驅動模塊 依據設計要求，智能控制傳送帶電機工作，首先需要給傳送帶電機輸入電壓，因為本設計是用弱電控制 220V 的電機驅動電壓，所以利用繼電器來實現其功能。 使用繼電器可以通過較高的電壓和電流， 在正常條件下，工作十分可靠。繼電器無需外加光耦，自身即可實現電氣隔離，能夠起到保護系統(tǒng)的功能。 （ 3） 擋板驅動模塊 在本設計中，要對傳送帶上的瓶子進行攔截，使其能夠安全穩(wěn)定地灌裝， 對擋板驅動模塊有以下兩種方案。 方案一：利用兩個紅外線傳感器和一個直流小電機來實現擋板的功能，由于直流小電機的存在，基于 51 單片機的自動灌裝控制系統(tǒng)設計 4 在系統(tǒng)搭建的時候要用到變壓器降低 220V 的交流電，還要用到整流橋將降低的交流電變成直流電后供給直流小電機使用，這將增加控制系統(tǒng)的成本；同時，小電機轉速快，控制起來不太容易。 方案二：利用一個步進電機實現擋板的功能，由 于步進電機是靠脈沖控制，用單片機控制容易實現，并且步進電機本身的轉速就比較慢，這對系統(tǒng)應用非常方便，它的轉矩也比直流小電機大，所以在本設計中利用步進電機控制擋板比方案一更加精確，同時節(jié)省了紅外傳感器，即采集方案二。 （ 4） 報警與檢測模塊 在本設計中，要自動給傳送帶上傳送來的容器進行灌裝，在有擋板擋住的前提下，還要檢測是否有容器的到來，只有檢測到有容器的到來，電磁水開關才打開加料。在此系統(tǒng)中我選用的 是一種常用的小電流 主令電器 —— 行程開關 。 它是 利用生產機械運動部件的碰撞使其觸頭動作來實現接通或分斷控制電路，達到一定的控制目的。通常，這類開關被用來限制機械運動的位置或行程，使運動機械按一定位置或行程自動停止、反向運動、變速運動或自動往返運動等。 在 電氣控制系統(tǒng) 中，位置開關的作用是實現順序控制、定位控制和位置狀態(tài)的檢測 ，在此系統(tǒng)中當有容器過來時碰到行程開關，控 制芯片接受到此行程開關的信號執(zhí)行相應動作。 報警檢測模塊是檢測在加料過程中出現異常情況的時候報警，一個是利用光電傳感器來實現對加料容器內的原材料是否用完的檢測，如果用完則報警，同時灌裝部分系統(tǒng)停止工作，原料檢測裝置如下圖 12 所示，當原料儲存器中有原料時，浮壺在液體上方，則檢測部分中是透明部分，不能擋住光電傳感器，此時正常工作，當沒有原來時，浮壺會隨這原料的下降而下降，當下降到擋光部分在檢測部分中時光電傳感器檢測不到信號，此時系統(tǒng)報警提示加原料，直到原料加到擋光部分上移后系統(tǒng)正常工作；一個是在自動灌裝的時候 出現正在加料的容器突然反倒或者容器在加料還沒有完成的時候加料檢測傳感器檢測不到有容器存在的時候體統(tǒng)開始報警，并且停止加料，加料檢測裝置如下圖 13 所示當有容器時檢測到低電平開始加料，沒有容器時為高點平，系統(tǒng)不加料，當在加料過程中突然檢測不到容器時，系統(tǒng)報警。 圖 12 原料檢測裝置 圖 13 加料檢測裝置 （ 5） 顯示與按鍵輸入模塊 根據題目要求，灌裝量的時間和生產個數需要由人工設定，并能實時顯示。對鍵盤和顯示模塊有基于 51 單片機的自動灌裝控制系統(tǒng)設計 5 下面兩種方案： 方案一：采用液晶顯示屏和通用矩陣鍵盤。液晶顯示屏（ LCD）具有 功耗小、輕薄短小無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強等特點。但由于液晶是以點陣的模式顯示各種符號，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，編程工作量大，控制器資源占用較多，其成本也偏高，在顯示信息量比較少的設計中不宜采用。 方案二：采用四位 LED七段數碼管顯示灌裝量的時間和生產個數，不需要利用相應的控制芯片創(chuàng)建字符庫，編程也不需要花太多的時間，同時數碼管的顯示亮度比 LCD要高很多，對在工廠工作很有實用性。數碼管具有：低能耗、低損耗、低壓、壽命長、耐老化，對外界環(huán)境要求較低。按 鍵采用單按鍵進行灌裝量的時間和生產個數的設定。 根據以上論述，采用方案二。本系統(tǒng)中，采用了數碼管的動態(tài)顯示，節(jié)省單片機的內部資源。 系統(tǒng)各模塊的最終方案 經過分析，最終確定方案如下： (1)采用 AT89S52單片機作為控制器，分別對灌裝的量的時間、灌裝個數計數、步進電機、蜂鳴器、傳感器的控制。 (2)采用電磁繼電器驅動電路。 利用電磁鐵控制工作電路通斷的開關，達到用低電壓控制高電壓，既能夠遠距離控制又達到自動控制的目的。本設計選用的是鴻龍牌的 JQX38F小型大功率繼電器，參數選擇為：線圈電壓 AC380V；額定電流 40A；觸點數 6觸點（三常開，三常閉）。 (3)利用步進電機帶動齒輪擋板工作，實現對瓶子的攔截使其能夠準確地在正點灌裝位置。 (4)采用行程開關來實現對容器到來的檢測，采用光電傳感器來實現對加料容器內的原材料是否用完的檢測。 (5)顯示用 LED 數碼管顯示灌裝量的時間和生產個數，采用單按鍵進行灌裝量的時間和生產個數的設定。 基于 51 單片機的自動灌裝控制系統(tǒng)設計 6 第二章 硬件系統(tǒng)的主要器件選擇與說明 系統(tǒng)硬件模塊關系 各硬件模塊關系圖如圖 21所示。 單 片 機 初 始 化 模 塊實 時 顯 示 模 塊報 警 檢 測 模 塊電 機 與 擋 板 驅 動 模 塊按 鍵 輸 入 模 塊 圖 21 系 統(tǒng)硬件模塊關系圖 控制芯片分析： 單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。通常，單片機由單塊集成電路芯片構成，內部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和 I/O 接口電路等。因此，單片機只需要和適當的軟件及外部設備相結合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng) .單片機經過 3， 3 代的發(fā)展，目前單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，它們的 CPU功能在不斷增強，內部資源在增多，引腳實現多功能 化，以及低電壓低功耗 [3]。 AT89S52芯片簡介 AT89S52是 美國 ATMEL公司生產的 一個低功耗、高性能 CMOS8位單片機，片內有 8KB ISP的可反復擦寫 1000次的 Flash只讀程序存儲器， 使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造， 兼容標準 MCS51指令系統(tǒng)及 80C51引腳結構，芯片內集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash存儲單元， 使得AT 89S52單片機為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、 高性價比 以及 超有效的解決方案 [4]。 AT89S52 有 40個引腳，片內有 8K字 節(jié) Flash 程序存儲器， 256字節(jié) 的 RAM， 32個外部雙向輸入 /輸出口， 5個中斷優(yōu)先級， 一個 6向量 2級中斷 嵌套， 3個 16位可編程定時 器 /計數器， 2個數據指針， 2個全雙工串行通信口，看門狗（ WDT） 定時 電路， 片內晶振及時鐘電路。另外， AT89S52 可降基于 51 單片機的自動灌裝控制系統(tǒng)設計 7 至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU停止工作，允許 RAM、定時器 /計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 AT89S52引腳圖如圖 22所 示。 圖 22 AT89S52引腳圖 繼電器性能描述 電磁繼電器基本構造與工作原理 電磁繼電器的基本原理如圖 23所示， A是電磁鐵， B是銜鐵， C是彈簧， D是動觸點， E是靜觸點。電磁繼