【正文】 基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 基于 AT89S52 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 引 言 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域中大量使用，自動(dòng)控制技術(shù)起著愈來愈重要的作用，人們的生產(chǎn)生活中已經(jīng)離不開自動(dòng)控制，并且，隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)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(shí)習(xí)時(shí)，公司讓我們實(shí)習(xí)生到車間各個(gè)崗位上去看工藝流程，他們的自動(dòng)芯柱機(jī)給我印象深刻，一個(gè)人就可以同時(shí)控制幾臺(tái)機(jī)械，而且工作效率高，整個(gè)工作過程是又快又穩(wěn)定，我這一次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題選擇的思想就來于此。指導(dǎo)老師也給了我 很多的建議，最終確定自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)這一課題，對(duì)我專業(yè)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐將會(huì)有很大的幫助。 礦泉水、啤酒、乳品飲料、植物油、調(diào)味品和各種酒類產(chǎn)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(chǎn)生而出現(xiàn)，并隨其發(fā)展而不斷地進(jìn)步。 1895 年市場上出現(xiàn)玻璃瓶灌裝機(jī)； 1902年出現(xiàn)壓力灌裝機(jī)； 20世紀(jì)末，德國制造出自動(dòng)啤酒灌裝和壓蓋機(jī)，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(dòng)化水平低，而隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，我們對(duì)工作、生活的要求越來越趨于自動(dòng)化、智能化，對(duì)市場自動(dòng)化灌裝設(shè)置要求也越來越高 [2]。 本系統(tǒng)按照灌裝的要求 以及設(shè)計(jì)的具體情況需求 ，采用 AT89S52單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)， 灌裝的對(duì)象為各種水飲料產(chǎn)品，在一定 的范圍內(nèi) 控制灌裝的量的時(shí)間精度在 ， 具有良好的快速性。采用三相異步電機(jī)和減速器帶動(dòng)傳送帶不僅價(jià)格低廉，且具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。 基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 第一章 系統(tǒng)方案的選擇與論證 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡述 此畢業(yè)設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)飲料或者其他液體產(chǎn)品的自動(dòng)灌裝，由于資金有限，不能夠搭建起真正的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)，只能夠模擬實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌裝的功能，對(duì)于此模擬灌裝系 統(tǒng)有以下幾點(diǎn)需要說明： (1) 關(guān)于皮帶運(yùn)輸，經(jīng)過網(wǎng)上查找資料選用了速度可調(diào)的電機(jī)，配合皮帶以實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸容器，由于價(jià)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(jí)管點(diǎn)亮與熄滅來模擬電機(jī)的工作狀態(tài)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮表示主軸電機(jī)開始工作（即自動(dòng)灌裝系統(tǒng)開始工作）；發(fā)光二極管熄滅表示主軸電機(jī)停止工作（即自動(dòng)灌裝系統(tǒng)停止工作）。 (2) 加料系統(tǒng)選用了電磁水開關(guān)，由于沒有實(shí)際的電磁水開關(guān)，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(guān)打開，系統(tǒng)開始加料；二極管熄滅表示電磁水開關(guān)關(guān)閉，系統(tǒng)停止加料。 (3) 在皮帶傳輸過程 當(dāng)中，由于運(yùn)輸系統(tǒng)不能時(shí)而停止，時(shí)而工作，因?yàn)檫@樣對(duì)電機(jī)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(shè)計(jì)中采用的運(yùn)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(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)工作的齒輪擋板來對(duì)瓶子進(jìn) 行攔截。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)，控制對(duì)象為各種不同容積的水飲料產(chǎn)品。灌裝的量的時(shí)間可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，可自動(dòng)記憶調(diào)試時(shí)人工控制灌裝的時(shí)間，生產(chǎn)時(shí)用以控制同種產(chǎn)品灌裝的時(shí)間，也可在線上更改灌裝的量的時(shí)間，以達(dá)到自己的灌裝的要求。 模擬灌裝系統(tǒng) 的主要性能指標(biāo) （ 1） 灌裝的量的時(shí)間設(shè)定范圍： 0～ ，最小區(qū)分度為 。 （ 2） 灌裝的量的時(shí)間控制精度： 。 （ 3）灌裝的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)范圍： 0～ 9999個(gè)。 （ 4）用兩個(gè)四位數(shù)碼管分別顯示灌裝的個(gè)數(shù)和單個(gè)灌裝量的時(shí)間。 （ 5）當(dāng)瓶子灌裝過程出現(xiàn)臥倒現(xiàn)象時(shí)報(bào)警且灌裝停止，當(dāng)原料桶中原料不足時(shí)報(bào)警并停機(jī)。 系統(tǒng)基本方案 按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、傳感器檢測模塊、按鍵輸入模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、數(shù)碼管顯示模塊和蜂鳴器報(bào)警模塊共 7個(gè)模塊組成。系統(tǒng)的框 圖基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 如圖 11所示。為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設(shè)計(jì)方案并進(jìn) 行了論證。 控制器模塊電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 模 塊擋 板 驅(qū) 動(dòng) 模 塊數(shù) 碼 管 顯 示 模 塊蜂 鳴 器 報(bào) 警 模 塊電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 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(jù)設(shè)計(jì)要求，控制器主要用于對(duì)灌裝的量的時(shí)間的控制，對(duì)灌裝個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)的控制，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，對(duì)蜂鳴器的控制以及對(duì)傳感器檢測的信號(hào)的處理。對(duì)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(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，它采用可 編程序的存儲(chǔ)器，用以在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí) /計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 但 PLC還是有一定的缺陷，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一、它只能對(duì)給定的一種容積的容器灌裝，這樣的生產(chǎn)線不適用于產(chǎn)品多樣化的灌裝，并且若采用設(shè)定不同初始值的若干機(jī)器來滿足要求將會(huì)造成成本以及人力的浪費(fèi)；二、同樣的灌裝技術(shù)應(yīng)用到家具生活方面就不夠人性化，因?yàn)榧揖呱钪惺⒀b液體的容器體積不定，這時(shí)候應(yīng)用定容自動(dòng)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(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件程序靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn) [2]。 基于以上兩種方案的分析比較， 結(jié)合機(jī)電一體化的發(fā)展要求以及本設(shè)計(jì)的具體情況需求， 最終決定采用方案二，以 AT89S52單片機(jī)作為控制核心來 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌裝的功能。 （ 2）驅(qū)動(dòng)模塊 依據(jù)設(shè)計(jì)要求，智能控制傳送帶電機(jī)工作，首先需要給傳送帶電機(jī)輸入電壓，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是用弱電控制 220V 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓，所以利用繼電器來實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)電氣隔離，能夠起到保護(hù)系統(tǒng)的功能。 （ 3） 擋板驅(qū)動(dòng)模塊 在本設(shè)計(jì)中，要對(duì)傳送帶上的瓶子進(jìn)行攔截，使其能夠安全穩(wěn)定地灌裝， 對(duì)擋板驅(qū)動(dòng)模塊有以下兩種方案。 方案一：利用兩個(gè)紅外線傳感器和一個(gè)直流小電機(jī)來實(shí)現(xiàn)擋板的功能，由于直流小電機(jī)的存在，基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 在系統(tǒng)搭建的時(shí)候要用到變壓器降低 220V 的交流電，還要用到整流橋?qū)⒔档偷慕涣麟娮兂芍绷麟姾蠊┙o直流小電機(jī)使用，這將增加控制系統(tǒng)的成本；同時(shí)，小電機(jī)轉(zhuǎn)速快，控制起來不太容易。 方案二：利用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)擋板的功能，由 于步進(jìn)電機(jī)是靠脈沖控制，用單片機(jī)控制容易實(shí)現(xiàn)，并且步進(jìn)電機(jī)本身的轉(zhuǎn)速就比較慢，這對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用非常方便，它的轉(zhuǎn)矩也比直流小電機(jī)大，所以在本設(shè)計(jì)中利用步進(jìn)電機(jī)控制擋板比方案一更加精確，同時(shí)節(jié)省了紅外傳感器，即采集方案二。 （ 4） 報(bào)警與檢測模塊 在本設(shè)計(jì)中，要自動(dòng)給傳送帶上傳送來的容器進(jìn)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(guān)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(guān) 。 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，這類開關(guān)被用來限制機(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 ，在此系統(tǒng)中當(dāng)有容器過來時(shí)碰到行程開關(guān)，控 制芯片接受到此行程開關(guān)的信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。 報(bào)警檢測模塊是檢測在加料過程中出現(xiàn)異常情況的時(shí)候報(bào)警，一個(gè)是利用光電傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)加料容器內(nèi)的原材料是否用完的檢測，如果用完則報(bào)警，同時(shí)灌裝部分系統(tǒng)停止工作，原料檢測裝置如下圖 12 所示，當(dāng)原料儲(chǔ)存器中有原料時(shí)，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(shí)正常工作，當(dāng)沒有原來時(shí)，浮壺會(huì)隨這原料的下降而下降，當(dāng)下降到擋光部分在檢測部分中時(shí)光電傳感器檢測不到信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)報(bào)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(gè)是在自動(dòng)灌裝的時(shí)候 出現(xiàn)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(shí)候加料檢測傳感器檢測不到有容器存在的時(shí)候體統(tǒng)開始報(bào)警，并且停止加料，加料檢測裝置如下圖 13 所示當(dāng)有容器時(shí)檢測到低電平開始加料，沒有容器時(shí)為高點(diǎn)平，系統(tǒng)不加料，當(dāng)在加料過程中突然檢測不到容器時(shí)，系統(tǒng)報(bào)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(jù)題目要求，灌裝量的時(shí)間和生產(chǎn)個(gè)數(shù)需要由人工設(shè)定，并能實(shí)時(shí)顯示。對(duì)鍵盤和顯示模塊有基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(xiǎn)，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(qiáng)等特點(diǎn)。但由于液晶是以點(diǎn)陣的模式顯示各種符號(hào)，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(shè)計(jì)中不宜采用。 方案二：采用四位 LED七段數(shù)碼管顯示灌裝量的時(shí)間和生產(chǎn)個(gè)數(shù)，不需要利用相應(yīng)的控制芯片創(chuàng)建字符庫，編程也不需要花太多的時(shí)間，同時(shí)數(shù)碼管的顯示亮度比 LCD要高很多，對(duì)在工廠工作很有實(shí)用性。數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗、低壓、壽命長、耐老化，對(duì)外界環(huán)境要求較低。按 鍵采用單按鍵進(jìn)行灌裝量的時(shí)間和生產(chǎn)個(gè)數(shù)的設(shè)定。 根據(jù)以上論述，采用方案二。本系統(tǒng)中，采用了數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，節(jié)省單片機(jī)的內(nèi)部資源。 系統(tǒng)各模塊的最終方案 經(jīng)過分析，最終確定方案如下： (1)采用 AT89S52單片機(jī)作為控制器，分別對(duì)灌裝的量的時(shí)間、灌裝個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)、步進(jìn)電機(jī)、蜂鳴器、傳感器的控制。 (2)采用電磁繼電器驅(qū)動(dòng)電路。 利用電磁鐵控制工作電路通斷的開關(guān)，達(dá)到用低電壓控制高電壓，既能夠遠(yuǎn)距離控制又達(dá)到自動(dòng)控制的目的。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，三常閉）。 (3)利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪擋板工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓶子的攔截使其能夠準(zhǔn)確地在正點(diǎn)灌裝位置。 (4)采用行程開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對(duì)容器到來的檢測，采用光電傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)加料容器內(nèi)的原材料是否用完的檢測。 (5)顯示用 LED 數(shù)碼管顯示灌裝量的時(shí)間和生產(chǎn)個(gè)數(shù)，采用單按鍵進(jìn)行灌裝量的時(shí)間和生產(chǎn)個(gè)數(shù)的設(shè)定。 基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(guān)系 各硬件模塊關(guān)系圖如圖 21所示。 單 片 機(jī) 初 始 化 模 塊實(shí) 時(shí) 顯 示 模 塊報(bào) 警 檢 測 模 塊電 機(jī) 與 擋 板 驅(qū) 動(dòng) 模 塊按 鍵 輸 入 模 塊 圖 21 系 統(tǒng)硬件模塊關(guān)系圖 控制芯片分析： 單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是頗具生命力的機(jī)種。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、存儲(chǔ)器和 I/O 接口電路等。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng) .單片機(jī)經(jīng)過 3， 3 代的發(fā)展，目前單片機(jī)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(qiáng)，內(nèi)部資源在增多，引腳實(shí)現(xiàn)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(chǎn)的 一個(gè)低功耗、高性能 CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)有 8KB ISP的可反復(fù)擦寫 1000次的 Flash只讀程序存儲(chǔ)器， 使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造， 兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)及 80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash存儲(chǔ)單元， 使得AT 89S52單片機(jī)為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、 高性價(jià)比 以及 超有效的解決方案 [4]。 AT89S52 有 40個(gè)引腳，片內(nèi)有 8K字 節(jié) Flash 程序存儲(chǔ)器， 256字節(jié) 的 RAM， 32個(gè)外部雙向輸入 /輸出口， 5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)， 一個(gè) 6向量 2級(jí)中斷 嵌套， 3個(gè) 16位可編程定時(shí) 器 /計(jì)數(shù)器， 2個(gè)數(shù)據(jù)指針， 2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（ WDT） 定時(shí) 電路， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， AT89S52 可降基于 51 單片機(jī)的自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下， CPU停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)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(gòu)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(dòng)觸點(diǎn)， E是靜觸點(diǎn)。電磁繼