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1、自主创新实践报告设 计 题 目 装配流水线的模拟控制系统的设计 学 生 姓 名 惠志兵 专 业 电气自动化 班 级 0901 指 导 教 师 赵振荣 目录摘要.1第一章 装配流水线的模拟控制系统总体设计和主要特点.21.1基本概念.21.1.1 设计思路.31.1.2 原理方框图.3第二章 控制系统的硬件设计.32.1 单片机复位电路的设计与分析.42.1.1 单片机复位电路的设计.42.2.2 单片机复位后的状态的分析.52.2 电源电路的设计与分析.62.2.1 电源电路的设计.62.2.2 电源电路分析.72.3 电机控制电路分析与设计.7第三章 控制系统的软件设计.83.1 主程序设计
2、.83.1.1 主程序的起始地址.83.1.2 主程序的初始化内容.93.1.3 代码转换程序.93.2 动态显示程序模块结构图.93.3 系统总程序设计.10第四章 系统的PCB板设计制作.114.1 电路图的绘制.114.2 PCB板的制作.124.2.1 打印.124.2.2 转印.124.2.3 蚀刻.134.2.4 钻孔.13第五章 系统的安装与调试.14 5.1 元件的识别与检测.14 5.2 元器件安装的基本要求与原则.14 5.2.1 元器件的安装要求.15 5.2.2 元器件的安装原则155.3 系统调试与分析.15设计总结.17参考文献.17致谢.19附录.20装配流水线的
3、模拟控制系统设计摘要本论文介绍了装配流水线的模拟控制系统的设计与制作全过程。文章首先论述了设计装配流水线模拟控制系统的意义及思路，然后分析和设计了系统硬件的各单元电路，其内容包括：复位电路，电源电路、显示电路、电机驱动电路等，最后对系统的软件进行分析与设计。整个系统以AT89C51单片机为中央控制器件，用红外传感器实现对生产操作工序和产品计件的检测，用软件方法实现对步进电机的转停、加速、减速，从而实现对生产装配流水线的模拟控制。完成了传感技术和现代控制技术在此装配流水线中的应用。设计基本可以完成各种生产所需的逻辑控制，并可根据实际工业情况灵活软件升级。关键词：装配流水线,单片机,传感器,步进电
4、机第一章 装配流水线的模拟控制系统总体设计和主要特点本章重点阐述装配流水线的模拟控制系统的基本概念、设计思路、系统电路的原理框图。 1.1 基本概念在大量生产中，为提高生产效率，保证产品质量，改善劳动条件，不仅要求机床能自动地对工件进行加工，而且要求工件的装卸、工序间的输送、加工精度的检测、废品的剔除等都能自动地进行。因此，把设备按工件的加工工序依次排列，用自动输送装置将它们联成一个体，并用控制系统将各个部分的动作协调起来，使其按照规定的动作自动地进行工作，这种自动化的加工系统就称为自动化生产流水线。1.1.1 设计思路根据设计要求，初步设计思路如下：1）整个控制系统采用MCS-51系列单片机
5、作为控制核心。2）装配流水线上的各工序操作请求信号和计数请求信号的采集用红外传感器开关完成，操作工序用延时模拟。3）流水线的计数显示采用四位一体的七段LED数码管，动态扫描方式。动态扫描的时间，由软件实现。4）各工序操作请求和记数请求采用中断响应。其中对第一、第二工序操作占用外部中断，而对第三工序操作、计数响应由定时器计数中断。5）LED数码管的段选码输入，由并行端口P0低四位产生；LED数码管的位选码输入，由并行端口P0的高四位产生。6）电机的转速调整及系统功能的切换由按键控制，程序实现，信号从P1口输入。7）电机的控制信号由P2口输出。1.1.2 原理方框图根据设计要求和设计思路，确定该系
6、统的设计方案。如图1.1为该系统设计方案的硬件设计框图。硬件电路主要由控制单元、计数显示单元、检测部分、接口单元电路等组成。复位电路 四路检 测单元图1.1 系统结构框图时钟电路系统电源段码驱动单元位码驱动单元电机驱动单元单 片 机图图图按键电路图图单图图第二章 控制系统的硬件设计为使装配流水线控制系统能够具有更好的实用性，并且具有更高的性能，需对该系统的硬件进行完整的设计。该系统的硬件设计采用了模块化的设计方法。按实现的功能来分，可分为以下几个单元部分。其中，AT89C51单片机是整个电路的核心，它控制其他模块来完成各种复杂的操作。2.1 单片机复位电路的设计与分析2.1.1 单片机复位电路
7、的设计 在51系列单片机中，在振荡器运行时，RST引脚上保持到少两个机器周期的高电平输入信号，复位过程即可完成。为响应这一不定期程，CPU发出内部复位信号。内部复位操作是在发现RST为高电平后的第二个周期进行的，并且此后每个周期都重复进行复位操作，直到RST变成低电平为止。针对复位电路对时间的需要，我们对上电复位电路进行设计。一般来讲，Vcc电源的上升时间不超过1ms，片内振荡器启动时间在10ms之内。在这种情况下，把RST引脚通10uF电容接到Vcc并同时经过10K电阻和地相连，就可获得上电自动复位的结果。其具体的复位电路如图2.1所示。 图2.1 复位电路2接通电源后，Vcc便对电容通过电
8、阻进行充电。RST脚的电压等于Vcc与电容两端电压之差。在充电过程中，随着电容电压逐步趋于Vcc，RST引脚上之电压最终将接近于0。此过渡过程之长短取决于电阻和电容值的大小。10uF电容足可使RST脚上的电压在振荡器启振后尚有两个机器周期以上的时间保持高于施密特触发器的低门槛电平，从而使整个复位过程得以完成。2.2.2 单片机复位后的状态的分析单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见下表2.2。值
9、得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。说明：表中符号*为随机状态；表2.2 特殊功能寄存器与初始状态表特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态PSW00HTH000HP0P3FFHSBUF不定IP*00000BSCON00HIE0*00000BPCON0*BA00HTMOD00HB00HTCON00HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HPSW=00H，表明选寄存器0组为工作寄存器组；SP07H，表明堆栈指针指向片内RAM 07H字节单元，根据堆栈操作的先加后进法则，第一个被压入的内
10、容写入到08H单元中；PoP3FFH，表明已向各端口线写入1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出；IP*00000B，表明各个中断源处于低优先级；IE0*00000B，表明各个中断均被关断；A00H，表明累加器已被清零；MCS-51系列单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转成低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。2.2 电源电路的设计与分析2.2.1 电源电路的设计稳压电源的输出电压UO（或电压可调范围UO
11、min UOmax）和最大输出电流IOmax是它的特性指标，这两个指标决定了该电源的适用范围，同时也决定了稳压器的特性指标以及如何选择变压器、整流管和滤波电容。而输出电阻、纹波电压、温度系数是稳压电源的质量指标，它们决定了稳压器的稳压系数、输出阻抗、温度系数和滤波电容的选择。图2.3 系统电源电路因为系统是由单片机直接控制处理，其稳定的电压对但片机来说是十分重要的，如图2.3所示我们设计的稳压电源，使系统能正常的工作。为了改善波纹特性,在稳压电源的输入端加接电容C2；在其输出端加接电容C4，C5，目的是为了改善负载的瞬态响应、防止自激振荡和减少高频噪声。2.2.2 电源电路分析三脚稳压块选择：
12、该装置中的稳压块选用LM7805和LM7812集成稳压块。下面介绍LM7805的技术，LM7812系列集成稳压块主要技术参数和工作原理与LM7805的类似，这里就不再叙述。LM7805系列集成稳压块主要技术参数：输入电压：DC3V35V；最大输出电流：1.5A。LM7805系列稳压块封装：1脚为输入端 ，2脚为公共端 ，3脚为输出端。注意事项：引脚不能接错，公共端不能悬空；为防止过热应安装散热片，其内部原理图如图2.4所示，按图我们来分析其原理：在本设计中应输出电压为Vo=5V，则当Vo5V时，T2的b极电压上升，进而T2的c极电压下降，进而T1的b极电压下降,进而T1的Vce极电压上升，进而
13、Vo趋于5V；反之当Vo5V时亦然。图2.4 三端稳压电源内部电路图否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否2.3 电机控制电路分析与设计由于MCS-51系列单片机输出只能驱动4个标准TTL电平的门电路，灌电流较大，能吸收20mA的灌电流，当输出负载较小时可以直接由单片机进行驱动，当输出控制设计成输出低电平驱动时，相对的带负载能力要强。而在这里，我们所接为感性负载步进电动机，因此不能直接由单片机进行直接驱动。选用L293芯片，L293是著名的SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。其后缀有B、D、E等，除L293E为20脚外，其它均为16引脚。其额定工作电流为1A
14、，最大可达1.5A，VCC电压最小4.5V，最大可达36V；VDD电压最大值也是36V其工作电流在2A以内，因此，为了与外接负载的匹配，设计电路如图2.5所示。图2.5 电机控制电路如表2.6所示是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。表2.6 L293D引脚逻辑关系EN A（B）IN1（IN3）IN2（IN4）电机运行情况HHL正转HLH反转H同IN2（IN4）同IN1（IN3）快速停止LXX停止第三章 控制系统的软件设计 系统软件的设计包括主程序的设计、LED动态显示模块程序设计、电机转速设置程序设计、各中断服务程序设计组成。3.1 主程序设计 主程序的内容一般包括：主程序的起始地址，中断
15、服务程序的起始地址，有关内存单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等等。3.1.1 主程序的起始地址MCS-51系列单片机复位后，（PC）=0000H，而0003H002BH分别为各中断源的入口地址。所以，编程时应在0000H处写一条跳转指令。当CPU接收到中断请求信号并予以响应后，CPU把当前的PC内容压入堆栈中进行保护，然后转入相应的中断服务程序入口处执行。一般应在相应的中断服务程序入口处写一条跳转指令，并以跳转指令的目标地址作为中断服务程序的其实地址进行编程。3.1.2 主程序的初始化内容所谓初始化，是对将要用到的MCS-51系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态设定。MCS-51
16、系列单片机复位后，除SP为07H，P0P3口为FFH外，其余给内存单元内容均为00H，所以应对IE、IP进行初始化编程，以开放CPU中断，允许某些中断源中断和设置中断优先级等。在本系统设计中，使用了四个中断，即T0、T1、/INT0、/INT1。其中：1）T0中断：采用记数溢出中断工作方式，完成对工序操作1的延时响应。2）T1中断：采用记数溢出中断工作方式，完成对工序操作2的延时响应。3）/INT0中断：采用外部中断工作方式，完成对工序操作3的延时响应。4）/INT1中断：采用外部中断工作方式，完成对记数请求的响应。同时还要对一些存储单元进行初始化，这些内容都需要在初始化程序中完成。3.1.3
17、 代码转换程序人们日常习惯使用十进制数，而计算机的键盘输入、输出以及显示常采用二进制编码的十进制数（即BCD码）或ASCII码。因此，在程序设计中经常要进行代码转换。各种代码之间的转换十分有用，除了硬件逻辑转换之外，程序设计中采用算法处理和查表方式。3.2 动态显示程序模块结构图动态显示程序模块结构图如图3.1所示。显示程序流程图设置段码缓冲区指针设置位码缓冲区指针设置显示位数将位码和段码值送到P0口显示某位、延时1ms修改显示缓冲区指针显示位数减1位码、段码缓冲区指针加1返回显示完否？否是图3.1 显示模块程序流程图3.3 系统总程序设计系统总程序设计清单见附录。计数中断程序流程图保护现场关中断否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否位指针加1否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否中断返回（RET）否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否指针指向位内容加1否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否设置位数、设置位指针否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否恢复现场、开中断否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否否大于9否？否否否否