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    基于某单片机的自动分拣机控制系统设计.doc

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    基于某单片机的自动分拣机控制系统设计.doc

    word摘 要近年来,随着我国经济的开展和社会的进步,邮政事业得到了空前开展。邮政通信网的技术含量不断增加,技术装备水平也在不断的提高,处理已根本实现机械化,并且朝着自动化的方向迈进。本文着眼于我国当前邮政事业的开展,设计了基于单片机控制的自动分拣机控制系统。该系统是在传统的胶带输送机和现有的自动分拣技术的根底上,利用先进的条形码识别技术,结合步进电机、接近开关和单片机进展控制的自动化分拣系统。该分拣系统快速、灵活、准确,操作简单方便。提高了分拣效率与精准率、降低工人劳动强度、缩短在此方面与国外兴旺国家的距离。在设计过程中运用到了机械设计、单片机控制、接口技术等方面的理论。关键词:自动分拣;单片机;接近开关;步进电机 AbstractIn recent years, with China's economic development and social progress, obtained the unprecedented development of the postal business. Growing technical content of postal munication network, the technical equipment level is also in constant increase, mail processing has basically realize mechanization, and moving in the direction of automation. This paper focus on the development of career of our country current postal, design the parcel sorting machine control system based on single chip microputer control. The system is in the traditional belt conveyor, and on the basis of the existing automatic sorting technology, using advanced bar code recognition technology, bined with the stepping motor, Proximity Switches and single chip microputer to control the automated sorting system. The rapid sorting system, flexible, accurate, easy and convenient operation. To improve the sorting efficiency and accurate rate, reduce the labor intensity of workers, shortened the distance with foreign developed countries in this aspect. During the design process using the mechanical design, single-chip microputer control theory and interface technology, etc.Key words:Automatic mail sorting;MCU;Proximity Switches ;Stepper motor 目 录中文摘要.1英文摘要.2目 录.3引 言.1第一章 绪论.1112第二章 根本理论.3.333.52.2 步进电机.666. 67第三章 硬件设计.8.8.8.8.8.8.9 3.2 74LS138译码器.103.2.1 74LS138译码器概述.10.10 3.3 ULN2003A驱动芯片.113.3.1ULN2003A 驱动芯片概述.11.11.123.4.1拨码开关概述.12.12 3.5 LED数码管.133.5.1 LED数码管概述.133.5.2本文应用.13.14.14.14第四章 软件设计.15.15.15.16第五章 结论.20参考文献.21附 录.2223 / 28引 言 当前,邮政事业正在进入一个崭新的自动化阶段。伴随着在邮政运作中以与处理流程管理方面引进新的管理理念,邮政通信网覆盖围与装备水平均在不断提高,其处理流程已根本实现机械化,正逐渐向自动化、智能化方向全面开展。其中,一个重要的课题就是利用机器自动分拣。以美国、日本与欧洲为代表的兴旺国家为代表,在分拣系统的应用方面自动化程度越来越高。智能分拣系统已成为大中型物流中心、配送中心和流通中心不可缺少的一局部,在邮政业中也有广泛的应用。与整个物流业的大环境相比,我国在分拣系统和技术方面相对兴旺国家还比拟落后,人工作业的情况还非常普遍,智能化拣选系统的利用程度较低。即,我国分拣系统的应用呈现出自动化系统和设备应用围不广泛、集约化程度低的特点。而我国邮政事业庞大、且在飞速开展过程中,需要大量的人力资源和技术支持。且邮政事业和人们的生活是息息相关,随着人们生活水平的提高,社会的不断开展,邮政事业也越来越多样复杂。但传统的分拣大多采用手工操作,这样的后果是不但效率低,工作量十分的繁重而且误差率级高。为了改善这种状况,实现处理的高度自动化,提高的处理速度,减少大量的人力,以适应现代化的开展,本文着眼于我国当前邮政事业的开展,设计了基于单片机控制的自动分拣机控制系统。该系统应用的意义在于:提高分拣效率与精准率、降低工人劳动强度、缩短在此方面与国外兴旺国家的距离。第一章 绪 论1.1 分拣系统简介自动分拣系统(Automatic sorting system)是先进配送中心所必需的设施条件之一。具有很高的分拣效率,通常每小时可分拣商品6000-12000箱;可以说,自动分拣机是提高物流配送效率的一项关健因素。它是二次大战后在美国、日本的物流中心中广泛采用的一种自动分拣系统,该系统目前已经成为兴旺国家大中型物流中心不可缺少的一局部。自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置与分拣道口组成。控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号,根据分拣信号的要求指示分类装置、按商品品种、按商品送达地点或按货主的类别对商品进展自动分类。这些分拣需求可以通过不同方式,如可通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别、高度检测与形状识别等方式,输入到分拣控制系统中去,根据对这些分拣信号判断,来决定某一种商品该进入哪一个分拣道口。分类装置的作用是根据控制装置发出的分拣指示,当具有一样分拣信号的商品经过该装置时,该装置动作,改变在输送装置上的运行方向进入其它输送机或进入分拣道口。分类装置一般有推出式、浮出式、倾斜式和分支式几种,输送装置需要连接假如干分拣口,以便使分好类的商品进入特定的分拣位置。其由传送带或传送机组成。作用是通过控制和分类装置,使待分拣商品进入输送装置两侧,分拣口是已分拣商品脱离主输送机或主传送带进的通道,一般由滚筒、钢带、皮带等组成滑道。工作人员只需到相应的滑道口搬运商品入库即可。以上几局部分拣装置通过与计算机连接通信,再配合相应的人工控制环节就构成了完整的自动分拣系统。以分拣系统为根本设计思路,设计基于单片机的自动分拣控制系统,通过对在传送带上通过的条码信息进展条码扫描获得的编码信息,由拔码器拔入BCD码模拟的邮政编码,并将的编码信息与相应唯一地址的进展匹对、控制,将编码一致的送入到唯一匹对的中。其过程由单片机控制,实现了自动化分拣。要求在充分了解单片机相关知识后,设计出相应的控制电路,并根据题目要求编制出相应模块程序。1.3 设计方案 本次设计的分拣系统硬件局部,是将通过条形码扫描识别出的邮政编码的编码信息随传送带分拣入各个代表唯一地址的中。其工作过程为:按下启动按钮后,电动机M6运行,绿灯L1亮,传送带运转,表示此时可以进。利用拨码器拨入BCD码模拟的邮政编码,分别以1、2、3、4、5代表、某某、5个城市的邮政编码,即正常的邮政编码值为1、2、3、4、5。例如,当拨码器拨出的是4,那么当运行至接近开关S4处时,电机M6停止,电机M4启动并推动推杆将分拣入此处中,即。当接近开关S1为ON时,明确到达第一个处,如果编码与此处编码一样,如此电动机M6停止,电动机M1启动并推动推杆,将此分拣到该;当接近开关S1变为OFF,M1的推杆自动收回,继续进;如果编码与此处编码不同,如此电动机M6继续保持运行。当接近开关S2为ON时明确到达第二个处再进展比拟判断,依次类推,当接近开关S3、S4和接近开关S5为ON时明确分别到达第三个、第四和第五个处;如果编码与前五处编码均不同,如此明确该出错,出错将经过接近开关S6处自动进入出错回收,此时绿灯L1熄灭,红灯L2亮,蜂鸣器报警出错,然后对出错进展处理。待处理完成后,按下重启按钮,红灯L2熄灭,绿灯L1亮,蜂鸣器停止报警,表示可以继续进。整个过程由单片机控制,其工作示意图如图1-1:图1-1 分拣系统模拟控制示意图 其中S1-S6为接近开关;M1-M5为推进器,由步进电机控制其伸缩,步进电机正转推入箱,反转推杆收回继续进;M6为驱动电机,L1 为绿指示灯,L2 为红指示灯。第二章 根本理论2.1 单片机2.1.1 单片机概述单片微型计算机简称单片机,是典型的嵌入式微控制器。常用英文字母的缩写MCU表示单片机,单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器,控制器,存储器,输入输出设备构成,相当于一个微型的计算机最小系统,和计算机相比,单片机缺少了外围设备等。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格廉价、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最优选择。它最早是被用在工业控制领域。2.1.2 单片机的根本结构方框图XTAL1 XTAL2 T0 T1CPU时钟电路中断控制RAMROM定时/计数器64K字节总线扩展控制器并行接口串行接口INTO INT1 P0 P0 P2 P3 TXD RXD1中央处理单元CPU中央处理器是单片机的核心,由运算和控制逻辑组成,同时还包括中断系统和局部外部特殊功能存放器。它在系统程序的控制下,完成逻辑运算、数学运算、协调系统部各局部的工作任务等。2存储器存储器是单片机的一个重要组成局部,是单片机存储二进制信息的数字电路器件,是存放系统程序、用户程序以与运算数据的单元。存储器中每个存储单元可存放一个八位二进制信息,通常用两位16进制数来表示。其结构有两个重要特点:一是把数据存储器和程序存储器截然分开;二是存储器有、外之分。由芯片存储器和芯片外扩展存储器构成了单片机应用系统的整个存储系统。3输入/输出I/O电路MCS-51单片机有4个双向的8位I/O口的P0P3口为三态双向口 P0,P2,P3口为准双向口用作输入时,口线被拉成高电平,所以称为准双向口。P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。P0口还可以用来输出外部存储器的第8位地址。由于是分时输出,故应在外部加锁存器将此地址数据锁存,地址锁存信号用ALE。P0口是专门供用户使用的I/O口,用户可以利用它作为I/O口线使用。P0口是准双向口。每一位均由锁存器SFR、输出驱动器和输入缓冲器组成。它们的上拉电阻实际上不是线性电阻,而是由场效应管构成,每位锁存器均由D触发器组成。每个I/O口都有两种读入方法:读锁存器和读引脚。每种读入方法都有相应的指令。读引脚指令一般都是以I/O端口为原操作数的指令。执行读引脚指令时,要打开三态门输入口状态。单片机I/O接口如图2-1。图2-1 单片机I/O接口(4) 时钟电路单片机时钟电路是产生单片机工作所需要的时钟信号,配合外部晶体实现振荡的电路。如果运行时钟为0的话,单片机就不工作,当然超出单片机的工作频率的时钟也会导致单片机不工作。时钟电路原理图如图2-2。图2-2 单片机时钟电路(5) 中断控制单片机中断系统又叫作中断管理系统,其功能是使处理机对外界异步事件具有处理能力。中断是一个过程,当中央处理器CPU在处理某件事情时,外部又发生了另一紧急事件,请求CPU暂停当前的工作而去迅速处理该紧急事件。处理完毕后,再回到原来被中断的地方继续原来的工作。引起中断的原因或发出中断请求的来源称为中断源。单片机一般允许有多个中断源,包括两个外部中断、两个定时计数器中断和一个串行口中断。其中外部中断是由外部原因引起的,共两个中断源,即外部中断0和外部中断1。定时计数器中断是为满足定时或计数的需要而设置的,单片机芯片部有两个定时计数器,以对其中的计数结构进展计数,实现定时或计数功能。串行口中断是为串行数据的传送的数据而设置的,每当串行口接收或发送完一组串行数据时,就产生一个中断请求。CPU通过引脚RXD(P3.0)和TXDP3.1接收中断需求或传送中断需求。当几个中断源同时向CPU请求中断时,CPU一般先响应优先级别高的中断源。优先级根据中断源的轻重缓急排队,优先处理最紧急事件的中断请求。每一个中断源都有一个中断优先级别, CPU总是响应级别最高的中断请求。2.1.3 单片机最小系统单片机的最小系统由电源模块、时钟模块、复位模块组成,其根本原理图如图2-3。图2-3 单片机最小系统2.2 步进电机2.2.1 步进电机概述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的执行器件。脉冲数和脉冲信号频率决定了电机的转速和停止的位置。当步进电机的驱动器接收到了一个驱动脉冲信号后,步进电机就会按照设定的方向转一个固定的角度,称为步进角。用户可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的,同时还可以通过控制脉冲频率控制电机的转速和加速度,从而达到调速的目的。2.2.2 步进电机分类 常见的步进电机分为三类:永磁式PM、反响式VR和混合式HB。永磁式步进电机一般分为两厢,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度或15度;反响式步进电机一般分为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动较大;混合式步进电机是指混合了永磁式和反响式的优点,它分为两相和五相,两相步进角一般为1.8度,五相步进角一般为0.72度,这种步进电机因性能优异应用比拟广泛。 步进电机有三线式、五线式和六线式,但其控制方式均一样,都要以脉冲信号电流来驱动。假设每转一圈需要48个脉冲信号来励磁,可以计算出每个励磁信号能使步进电机前进7.5度,其旋转角度与脉冲的个数成正比。步进电机的正、反转由励磁脉冲产生的顺序来控制。六线式四相步进电机是比拟常见的,它的控制等效电路如图2-4,实物外形如图2-5。图2-4 步进电机等效电路图 图2-5 步进电机实物图从图可以看出,六线式四相步进电机有两组线圈每组线圈各有两相和4条励磁信号引线A、B、。2组线圈中间有一个端点引出作为公共端,这样一共有6根引出线。要使步进电机运转,只要轮流给个引出端通电即可。由图2-4知,只要AC、C、BC、C四相轮流通电就能驱动步进电机运转。通电的方式有多种,假如将公共端C接正电源,那么只需要开关元件三极管、驱动器将A、B、轮流接地即可。由于每出现一个脉冲信号,步进电机就能走一步。因此只要依序不断的送出脉冲信号,步进电机就能实现连续转动。2.2.4 本文选择的步进电机根据题目要求,本系统共需要六个步进电机。本文选择六线四相步进电机,该步进电机使用的步进角为 7.5度 。一圈 360 度,需要48个脉冲完成。其与单片机接线图如图2-6。图2-6 步进电机与单片机接线图第三章 硬件设计3.1 接近开关3.1.1 接近开关概述接近开关称为无触点行程开关。是一种非接触型的检测装置,可以完成行程和限位控制。特点是工作可靠、功耗低、复定位精度高、寿命长、操作频率高等。是一种用于工业自动化控制系统中以实现检测、控制并与输出环节全盘无触点化的新型开关元件。当开关接近某一物体时,即发出控制信号。 3.1.2 接近开关的分类与选择接近开关主要分为:无源接近开关、涡流式接近开关、电容式接近开关、霍尔接近开关、热释电式接近开关、光电式接近开关等七类。根据实际情况与控制需求,本文选取光电式接近开关作为该自动分拣控制系统的接近开关。3.1.3 光电式接近开关概述光电式接近开关简称光电开关,主要利用光电效应原理做成。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头。当有反光面被检测物体接近时,光电器件接收到反射光后便在信号输出,由此便可“感知有物体接近。其主要特点有结构简单、响应速度快、高精度、高分辨率、抗干扰能力强不受电磁辐射影响,本身也不辐射电磁波、可实现非接触式测量等特点;可以直接检测光信号、温度、压力、位移、速度、加速度等。开展速度快、应用围广。3.1.4 根本原理被测量使光源的光通量变化光电元件接收到光通量变化输出量也做相应的变化3.1.5 主要分类主要分为吸收式、遮光式、反射式和辐射式四类。吸收式: 光源 被测物 光电元件 说明:被吸收的光通量与被测物体的透明度有关遮光式: 光源 被测物 光电元件说明:光源发出的光经过被测物体时被遮挡局部,使得光电元件上 的光通量减弱,减弱的程度与被测物体在光学通路的位置有关。反射式: 光源被测物 光电元件说明:自带一个光源和一个光接收装置,光源发出的光经过待测物体的反射被光敏元件接收,再经过相关电路的处理得到所需要的信息。可以用来检测地面明暗和颜色的变化,也可以探测有无接近的物体。反射光通量取决于反向外表的性质、状态和光源之间的距离。辐射式: 被测物 光电元件 说明:被测物体本身就是辐射源,所发出的光直接照在光电元件上或经过一定的光通路照在光电元件上,使光电元件产生相应的变化,其辐射强度与温度有关。3.2 74LS138译码器.1 74LS138译码器概述译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件,是一种具有“翻译功能的逻辑电路,这种电路能将输入二进制代码的各种状态,按照其原意翻译成对应的输出信号。译码器设有一个和多个使能控制输入端,又成为片选端,用来控制允许译码或禁止译码。74LS138是一种3线8线译码器 ,三个输入端A0、A1、A2共有8种状态组合,可译出8个输出信号Y0Y7。其实物图如图3-1,电路图如图3-2。图3-1 74LS138译码器实物图图3-2 74LS138译码器电路图本文主要利用74LS138译码器来控制六个步进电机驱动芯片的片选信号,对芯片进展分时的读写操作,从而控制对应步进电机动作。其具体应用原理图如图3-3。图3-3 74LS138应用原理图3.3 ULN2003A驱动芯片3.3.1 ULN2003A驱动芯片概述ULN2003A是高压大电流达林顿晶体管阵列芯片,吸收电流可达500mA,输出耐压为50V左右,因此具有很强的低电平驱动能力,可用于步进电机的相组烧组驱动。其实质是一个非门电路,包含7个单元,即当输入端为高电平时ULN2003A输出端为低电平,当输入端为低电平时ULN2003A输出端为高电平。具有电流增益高、工作电压高、温度围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。其实物图如图3-4,电路图如图3-5。图3-4 ULN2003A实物图图3-5 ULN2003A电路图3.3.2 本文应用本系统要求效应速度快、带负载能力强、耐压等特点,所以选择ULN2003A大功率驱动芯片作为本系统执行机构步进电机的驱动芯片。其应用原理图如图3-6。图3-6 ULN2003A应用原理图3.4 拨码开关3.4.1 拨码开关概述拨码开关(也叫DIP开关,拨动开关,超频开关,地址开关,拨拉开关,数码开关,指拨开关)是一款用来操作控制的地址开关,采用的是0/1的二进制编码原理。通俗的说也就是一款能用手拨动的微型的开关,通常叫指拨开关。拨码开关作为需要手动操作的一种微型开关,在通讯,安防等诸多设备产品上广泛应用。大局部拨码开关采用直插式DIP,广泛使用于数据处理、通信、遥控和防盗自动警铃系统、风淋室等需要手动程式编制的产品上。可分为半间距型、DIP平型、DIP滑动型、DIP琴键型、DIP超薄滑动型、DIP琴键凸型。根据实际需要本文选择的是DIP平型拨码开关,用于模拟邮政编码。其采用顶拨直插式、属两态,触点与端点均镀金可靠性高。其实物图如图3-7,电路图如图3-8。图3-7 拨码器实物图 图3-8 拨码器电路图3.4.2 本文应用 本文主要利用拨码器来模拟通过条码扫描的的邮码信息,其与单片机接线图如图3-9。图3-9 拨码器与单片机接线图3.5 LED数码管3.5.1 LED数码管概述LED数码管是由多个发光二极管封装在一起的组成“8字型的器件,引线已在部完成,只需引出它的各个笔划,公共电极。LED数码管常用段数一般为七段,根据LED接法不同分为共阴和共阳两类。本文使用LED数码管主要是用于对拨码开关的拨码信息进展显示。例如拨码开关的拨码值为“2,如此LED数码管就显示“2。其实物图如图3-10,电路图如图3-11。图3-10 数码管实物图图3-11 数码管电路图 本文主要利用数码管显示拨码器拨入的邮码值,如当拨码器拨入2,如此数码管就显示2,代表的为的。其与单片机的接线图如图3-12。图3-12 数码管与单片机接线图3.6 蜂鸣器3.6.1 蜂鸣器概述蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,采用直流电压供电,主要分为压电磁式蜂鸣器和电式蜂鸣器两种类型。其在计算机、复印机、电子玩具、报警器、机、定时器等电子产品中应用广泛。蜂鸣器其实物图如图3-13,电路图如图3-14。图3-13 蜂鸣器实物图图3-14 蜂鸣器电路图本系统主要用蜂鸣器来完成系统出错报警。其原理图如图3-15。图3-15 蜂鸣器原理图第4章 软件设计4.1 软件设计过程 该分拣系统软件的实现是基于硬件电路来设计的,软件的设计分为主程序设计和子程序设计。其中子程序设计包括了步进电机单元、数码管显示单元、蜂鸣器出错报警单元,并通过分布实现功能的方法来设计软件。本软件设计语言采用C语言,在电脑上编译后下载到单片机中,即可实现自动分拣过程。各分拣口接近开关检测,判断邮码信息是否一致启动相应电机,推动推杆开始分拣入 箱继续等待,直至S6响应指示红灯L2亮,蜂鸣器报警出错,进入出错回收箱S6响应进,拨码器拨入模拟邮码值一 致启动,指示绿灯L1亮,电机M6动不一致重 启4.2 软件控制流程图4.3 软件程序设计本次软件设计的I/O分配如下:对于数码管:本文主要利用数码管显示拨码器的拨码值,数码管连接到单片机P0口。对于蜂鸣器报警模块:本文主要利用蜂鸣器对出错报警提示,蜂鸣器报警时,指示绿灯L1熄灭,出错指示红灯L2亮。蜂鸣器接到单片机P1.7口,指示绿灯接到单片机P2.7,指示红灯接到单片机P2.6。#include<reg51.h> / 1个拨码器 、6个光电开关 、6个步进电机 、2个LED灯 、1个数码管 、1个蜂鸣器 #define uchar unsigned char#define uint unsigned intunsigned int i,j; code tab=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8, 0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e; /共阳数码管字段sbit P00=P00; /数码管输入口sbit P01=P01; sbit P02=P02; sbit 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