传送带上物件计数器的设计.docx
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传送带上物件计数器的设计
传送带上物件计数器设计
第一章方案论证
随着社会的进步和生产的发展，物件计数器已经有了很大的发展，同时也有了很多有关物件计数器的设计方案，但针对的对象不同，所设计的电路也是不尽相同的。
此次我所设计的传送带上的物件计数器主要是针对那些规则的、间隔均匀的物件，因此我设计出了自己的合适的物件计数器电路。
电路的主要功能是对传送带上的物件进行自动计数、装箱以及对所计物件个数进行显示。
关于我设计的方案，我主要论证的电路是检测电路和显示电路以及键盘电路。
第一节检测电路的论证
在传送带传送物品的作业过程中，许多物品具有规则形状的块状、颗粒状或棒枝状产品,诸如香烟、香皂、糖果、铅笔、饼干、书籍等。
这些物品大多数按规定的标准实行自动加工,其重量和形体均匀一致,且大多数实行计数定量包装,如香烟20支一小包,书籍10本一包,图钉100个一盒等。
规则形体的物品包装计数时,先以适当的方式将其送到计量给料位置或料斗中,再由计数定量装置按包装要求进行计数给料。
目前常用的计数定量装置有：
光电检测计数装置,以及用于块状物品的冲头式定量给料装置,用于块状或颗粒状物品的模孔式定量给料装置,用于块状物品的差速定量给料装置,用于棒状物品的容腔式定量给料装置等。
采用光电检测装置进行计数供送具有装置轻巧、检测速度快、检测范围广、精确度高、非接触、抗干扰、便于实现自动控制等优点,应用非常广泛。
在研制、开发和应用光电计数供送控制系统时,除了要注意一般数控电路共有的防电磁干扰和微机接口技术问题外,还要注意光电计数检测控制特有的几个技术问题,如被检物品的排队、检测信号的整形、防止误计（多计或漏计）以及防车间照明光源的干扰等。
由于我们时间和精力有限，我们只研究了规则的、有间隔的物件计数，于是我们选择了光电检测装置。
光电检测在工业上的运用也分为好多种。
可以检测一切能够影响光量或光特性的非电量，例如，位移、振动、力、转矩、转速、温度、压力、流量、液位、湿度、液体浓度、浑浊度、成分、角度、表面粗糙度、乃至图像等。
我用的是光电检测中的光电开关，光电开关又称电眼、光电传感器等，在传送带机械中主要用来检测物件是否通过，保证计数的准确。
目前常用的光电开关是红外线光电开关，是利用物体对近红外线光束的反射原理，由同步回路感应反射回来的光的强弱而检测物体的存在与否，即光电传感器首先发出红外线光束到达或透过物体，物体或镜面对红外线光束进行反射，光电传感器接收反射回来的光束，根据光束的强弱判断物体的存在。
红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线。
人眼可见的光波是380nm-780nm，发射波长780nm-1mm的长射线称为红外线，浙江省洞头县光电开关厂生产的红外线光电开关优先使用的是接近可见光波长的近红外线。
如图1.1所示。
图1.1波长示意图
红外光电开关的种类也很多，有镜反射式光电开关、漫反射式光电开关、槽式光电开关、对射式光电开关、光纤式光电开关等。
漫反射式光电开关是将发射器与接收器装在一起的传感器，当物体通过时，物体对发射器发来的近红外线进行反射，接收器接收后就形成了开关信号，该信号经过放大后就可以用来控制物体的进退速度，发出停、进指令。
很显然，被检测的物体要有较高的反光率，这样才能保证光电开关获得可靠的开关信号。
漫反射式光电开关结构简单、安装方便、造价较低、使用范围广，但使用调整困难。
接收器接收的光强，会随着物体的远近、光电开关与物体的夹角大小而变化，常常影响到检测的精确度，所以不很实用。
其原理图如图1.2所示。
图1.2漫反射式光电开关
槽式光电开关采用U字型结构，发射器和接收器分置于U型槽的两边，并在同一轴线上，发射器发出的近红外线被接收器接收，光线在槽中形成了光轴，当被检测的物体通过时，物体对光轴形成了阻断，从而能使光电开关产生开关量信号。
槽式光电开关的光轴的长短固定。
光轴越短，光电开关受到的外界光干扰就越小，因此可靠性越高。
所以槽式光电开关主要用于速度较高的场合。
其原理图如图1.3所示。
图1.3槽式光电开关
镜反射式光电开关解决了漫反射式光电开头反射光强不一的问题。
它虽然也是将发射器和接收器集成于一体，但是它在物体的另一面设置了反射镜，发射器发出的近红外线经过反射镜反射到接收器，反射的光强基本是一致的，这就减少了检测的误差。
当有物体通过时，就阻断了光线，从而得到了开关量。
其原理图如图1.4所示。
图1.4镜反射式光电开关
对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。
当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。
当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。
其原理图如图1.5所示。
图1.5对射式光电开关
光纤式光电开关，是通过塑料戴玻璃光纤传递光信号，可以实现远距离控制。
对于距离较远的检测项目来说，可以使用光纤式光电传感器。
经常使用的光纤传感器有漫反射式和对射式两种，在物料的计数等方面使用较多。
其原理图如图1.6所示。
图1.6光纤式光电开关
在不同的场合使用不同的光电开关，例如在电砚振动供料器上经常使用光纤式光电开关，在间歇式包装机包装膜的供送中经常使用漫反射式光电开关，在连续式高速包装机中经常使用槽式光电开关。
我这次设计的是关于传送带上有间隔的物料计数，而对射式是发射与接收形成光轴，直接接收光信号，安装简单，工作可靠，所以我选择使用了对射式光电检测来完成传送带上计数的功能。
除了正确选择光电开关的品种与型号外，还要考虑生产厂家的因素。
目前国内生产光电开关的厂家很多，企业规模有大有小，质量当然差别较大，但并不是说大企业的产品质量就好。
一般来说，直接向企业购买具有较大的质量把握，现在有的企业为了扩大市场份额，对同一种型号的产品标价不一，其内部元器件的质量就差别较大，因此在购买时就要明确使用期限的保证，一般购买较经济实惠的一种比较合算。
第二节显示电路的论证
我们知道，显示技术是光电子技术与计算机技术的结晶，它的应用早已超出数字显示和计算机终端显示的范围，渗透到商业广告、新闻发布、交通运输、体育比赛、文化娱乐、航天及模拟军事演习等领域，成为信息革命的重要工具。
在我所设计的课题中，显示电路是为了显示传送带所计的物件的个数和显示所设置的包装箱内要装的个数。
要选择什么样的显示电路需要从要完成的功能和与单片机硬件电路之间的关系而定。
总的来说，显示电路和计数是紧密相连的，只要有计数，一般都要有显示电路。
目前国内外生产的显示器种类繁多，性能各异，分类方式也不尽相同。
按发光类型分可分为主动发光型和被动发光型两大类。
前者本身发光，后者不发光，只能反射或投射、透射光线。
显示器分为灰光管、荧光管、LED数码管、LCD显示器等，显示器的详细分类情况见表1.1。
参数
辉光管
（NRT）
荧光管
（VFD）
阴极射线管（CRT）
像元管（扁平CRT）
LED
数码管
LCD
显示器
工作电压/V
175
20
几千
8.5K~10K
1.7~2
4-6（交流）
工作电流/mA
2
6
0.2~10
91
30~60（一位全亮笔段）
10uA
典型功耗/mA
350
120
几百
900
70
50
发光响应时间
150us
1ms
0.1us
0.1us
＜0.1us
50ms
最高工作频率/HZ
低
较低
高
高
几兆赫
几百赫
发光颜色
桔红、橙
绿
单色、彩色
红、绿、蓝
红、绿、橙、黄、白、蓝
本身不发光
显示亮度/（cd/m2）
较高
≥205
≥200
1500~9000
≥0.3~5
（mcd）
不发光
工作温度/℃
-20~+80
-20~+80
-55~+75
-30~+70
-30~+85
0~+50
使用寿命/h
>500
2×103
>104
1.6×104
105
2×104
表1.1显示器的详细分类
我们在设计中考虑到显示电路要显示出光电检测装置所计物体的个数，显示的数值是从0000到9999，只有四位显示，而发光二极管LED的工作电压不高，只有1.7~2V，价格又便宜，符合我们的要求，所以我就选择了主动发光型发光二极管LED数码管显示。
在我们的显示电路中，它的作用是：
光电检测系统将传送带上有无物体通过时所接收到的脉冲信号送往单片机，单片机通过内部计数处理后，驱动显示电路的四位LED数码管显示出所计的数值。
单片机驱动LED数码管有很多方法，按显示方式分，有静态显示和动态（扫描）显示，按译码方式可分硬件译码和软件译码之分。
静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再管，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新数据，显示数据稳定，占用很少的CPU时间。
动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多。
这两种显示方式各有利弊；静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的硬件较多；动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。
硬件译码就是显示的段码完全由硬件完成，CPU只要送出标准的BCD码即可，硬件接线有一定标准。
软件译码是用软件来完成硬件的功能，硬件简单，接线灵活，显示段码完全由软件来处理，是目前常用的显示驱动方式
由于我所设计的电路中，需要的I/O口比较多，同时为了节省线路板空间，我选择使用动态扫描显示的方法，并且利用软件译码的方式来帮助动态扫描完成显示的功能。
我们运用了动态扫描之后，在画PCB板的时候，省去了很多麻烦，况且我们使用的是单面板，如果使用静态扫描，印制出来的电路板会很复杂，不易调试。
另外，在我们的设计中，还设有键盘电路。
由于键盘电路的功能主要是用来设置包装的个数及控制程序的运行或暂停的，所以用到的按键很少，我们在设计中选用了五个按键分别为：
设置键、加一键、减一键、运行或暂停键、清零键，因此，我们用了比较简单方便的独立式键盘。
第二章系统介绍
第一节系统结构原理图
在系统中，我们主要是要完成传送带上物件的计数和包装，并通过显示电路显示出所计数值的功能，因此本系统主要包括：
单片机、光电检测电路、显示电路、键盘电路、两条传送带控制电路、报警电路以及状态显示电路。
有关传送带上物件计数器设计的系统结构原理图如下图2.1所示。
图2.1系统框图
第二节系统工作原理
在系统中，我们采用了红外线光电开关与单片机结合对传送带上的物件进行计数的方式。
考虑到抗干扰性，这里采用了由红外线发射电路中的NE555组成的时基振荡器产生振荡频率为38kHz的调制信号。
再由NE555驱动红外发光二极管以红外线的形式发射出去，由于我们采用的是对射式光电检测装置，所以红外线接收单元就用了集红外接收、放大、鉴频于一身的接收头HRM3800，这样就大大提高了系统的灵敏度和抗干扰性。
系统还采用了两条传送带来分别完成物件的传送和包装箱的运送，两个继电器在单片机的控制下闭合或打开，从而控制物件传送带和包装箱传送带的运行和停止。
在物件传送带上，当没有物体通过时，红外接收二极管能够接收到红外信号，并经接收电路反向放大后输出低电平信号。
当有物体通过时，红外接收器收不到红外信号,输出高电平,接收单元HRM3800将此信号放大、鉴频，再经Q8反相成低电平后送入到AT89C51单片机的中断口P3.2口,同时单片机在内部程序的扫描过程中，扫描到低电平信号就加一计数，并由显示电路显示出当前的计数个数。
当计到警告计数个数时，状态信号灯绿灯灭，红灯开始闪亮。
当计到设置的包装个数时，红灯停止闪亮，蜂鸣器报警，物件传送带停止运行，包装箱传送带开始运行。
五秒后，又一个空箱到位，包装箱传送带停止运行，物件传送带又开始运行，计数包装重新开始。
为了更好的说明问题，我选用由株洲工学院机械系的王桥医教授所设计的通过8031单片机对交流电机的控制，结合光电检测技术，实现产品的计数的方案来介绍一下。
这个方案和我们的方案具有很大的相似之处，在某些方面我们的和它还有差别，有待改进。
我们从图2.2所示可以看出，该系统也控制两条传送带。
即包装箱传送带和产品传送带。
包装箱传送带用来传送产品包装箱，其功能是把满箱运走，并用一只空箱来代替。
为使空箱恰好对准产品传送带的末端，以便使产品刚好落人箱中，在包装箱传送带的中间装一光电控制器，用以检测包装箱是否到位。
产品传送带将产品从生产车间传送到包装箱，当某一产品被送到传送带末端，则会自动落人包装箱内，并由检测器转换成计数的脉冲。
图2.2传送带实物图
硬件接口电路为了完成上述控制任务。
用P1.7位控制产品传送带，用P1.6位控制包装箱传送带，它们均通过一个反向驱动器，与光电隔离器的发光二极管阴极相连。
为了监测包装箱是否到位和计量产品装箱的个数，系统采用两个光电检测器。
其中检测器1用来检测包装箱是否到位，检测器2用来检测是否有一个产品落人箱内。
在此系统中，他用了两个传送带，一个用于传送包装箱和一个用于传送物件，这与我所设计的是一样的，不一样的是在他所设计的方案中，用了两个光电传感器分别用来检测物件的通过和包装箱的到位，而在我的设计中，仅用了一个光电传感器来检测物件是否通过。
对于包装箱的到位问题，为了经济实用，减少器件，我采用了用软件实现的方式，即利用单片机延时程序。
计算得出包装传送带从一个箱子装满到下一个箱子到位所需要的时间，用单片机控制延时来实现。
这在间隔均匀的规则的传送带上还实用，但一旦出现包装箱间隔不均匀，就会出现错误，物件将不能正确的装入包装箱内。
因此，我们的设计还存在着很大的缺点，还需要进一步的改进。
第三章硬件电路设计
硬件电路是系统设计的主要组成部分，各个部分硬件电路的组成是就是整个系统各个功能模块的组成。
在我们的系统中，硬件电路主要由检测电路、显示电路、键盘、电源、以及继电器、蜂鸣器电路组成。
第一节检测电路
在检测电路中，我们使用的是光电检测中的红外线光电开关。
光电检测技术是光学和电子学技术相结合而产生的一门新兴检测技术。
它是利用电子技术对光学信息进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示等。
光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量或光特性的非电量，例如，位移、振动、力、转矩、转速、温度、压力、流量、液位、湿度、液体浓度、浑浊度、成分、角度、表面粗糙度、乃至图像等。
通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接收的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息变换成电量，并进一步经电路放大、处理等，达到电信号输出的目的。
这些信息变换技术和电信号处理技术便是光电检测的主要内容。
光是一种电磁射线，其特性如同无线电波和X射线，传递速度约为300000千米/秒，因此它可以在发射的一瞬间被其接收。
红外线光电开关是利用人眼不可见（波长为780nm-1mm）的近红外线和红外线的来检测、判别物体。
通过光电装置瞬间发射的微弱光束能被安全可靠的准确的发射和接收。
光电开关的重要功能是能够处理光的强度变化：
利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化；利用光束来反射物体；使光束发射经过长距离后瞬间返回。
光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。
发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）和激光二极管。
光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。
受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标间接地运行。
接收器有光电二极管或光电三极管组成。
在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。
在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。
在我们所设计的系统中，由于使用了对射式光电检测装置，所以在检测电路中就一定包含有发射电路和接收电路。
一、发射电路
系统中我们所采用的发射电路是由NE555和几个电阻电容组成多谐振荡器，产生振荡频率为38KHZ的调制信号，然后再驱动红外发射管PH303把这38KHZ的调制信号以红外线的形式向外发射。
电路图如图3.1所示。
图3.1发射电路
（一）NE555的介绍
NE555在电路中的作用是极其重要的，抗干扰性很强的38KHZ的调制信号就是有由NE555组成的时基震荡器产生的。
NE555是555定时器中的一种，现在先把555定时器介绍一下。
1．555定时器简介
555定时器是一种多用途的单片中规模集成电路。
该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。
常见的数字或模拟集成电路型号的阿拉伯数字仅表示其编号。
而555时基集成电路的3个“5”，却有具体的含各生产厂家无一例外的在型号中加以保留。
这是因为在该集成基片上的基准电压电路是有三个误差极小的5KΩ的电阻组成的，分压精度高。
因而在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器和电子玩具等许多领域中都得到了广泛的应用。
555电路大量应用于电子控制、电子检测、仪器仪表、家用电器、音响报警、电子玩具等诸多方面。
可用作振荡器、脉冲发生器、延时发生器、定时器、方波发生器、单稳态触发振荡器、双稳态多谐振荡器、自由多谐振荡器、锯齿波产生器、脉宽调制器、脉位调制器等等。
2.用555定时器构成的多谐振荡器
在检测电路中，往往外界或其本身都有很大的干扰，考虑到抗干扰性，我采用了由红外线发射电路中的NE555构成的多谐振荡器产生的振荡频率为38kHz的调制红外信号。
在这里就把由555定时器构成的多谐振荡器介绍一下。
（1）电路的组成及工作原理
多谐振荡器一旦起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们做交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此它又称作无稳态电路，常用来做脉冲信号源。
如图3.2（a）所示，将555（或1/2556）与三个阻、容元件如图连接，便构成无稳态多谐振荡模式。
与单稳模式不同之处仅在于触发端（2脚）接在充、放电回路的C上，而不是受外部触发控制。
图3.2多谐振荡器电路图和波形图
当加上VDD电压后，由于C上端电压不能突变，故555处于置位状态，输出端（3脚）呈高电平“1”，而内部的放电管VT1截止，C通过RARB对其充电，2脚电位随C上端电压的升高呈指数上升，如波形图3.2（b）所示。
当C上的电压随时间增加，达到2/3VDD阈值电平（6脚），上比较器A1翻转，使RS触发器置位，经缓冲级倒相，输出V0呈低电平“0”。
此时，放电管VT1饱和导通，C上的电荷经RB置VT1管放电。
当C放电使其电压降至1/3VDD触发电平（2脚）时，比较器A2翻转，RS触发器复位，经倒相后，使输出端（3脚）呈高电平“1”。
以上过程重复出现，形成无稳态多谐振荡。
其振荡频率为：
（3-1）
其输出波形占空比q为：
（3-2）
从上面的公式我们不难得出以下结论：
a.振荡周期与电源电压VDD无关，而取决于充电和放电的总时间常数，即仅与RA、RB和C的值有关。
b.振荡波的占空比与C的大小无关，而仅与RA、RB的大小比值有关。
3．555的选择
在发射电路中，通过发射管的电流越大，发射管发射出的红外线的强度越强，传送的距离越远，抗干扰的能力越强，这在实际的电路中是非常重要的。
所以在选择脉冲形成电路中，就需要选择一个驱动能力强的矩形波产生电路。
目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。
通常，双极型产品型号最后的三位数码都是555，CMOS产品型号的最后四位数码都是7555，它们的结构、工作原理以及外部引脚排列基本相同。
一般双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时电路具有低功耗、输入阻抗高等优点。
555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。
双极型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压变化范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下。
通过对两种型号的555进行比较，我了解到，在要求定时长、功耗小、负载轻的场合，宜选用CMOS型555。
而在负载重、要求驱动电流大、电压高的场合，宜选用双极型的555。
关于驱动能力，双极型555可直接驱动低阻负载，如感性继电器、小电动机及扬声器等。
CMOS型555只可直接驱动高阻抗负载。
若驱动大的负载，可在输出端外接小功率放大晶体管来弥补。
由于在设计电路时，我们考虑到通过发射管的电流越大，发射管发射出的红外线的强度越强，传送的距离越远，抗干扰的能力越强。
所以需要选择具有大驱动电流的555，因此，我在电路中选用了NE555。
此外，由于双极型的555冲击峰值电流大，在电路中要加电源滤波电容，且容量要大，我们在画图的时候没有考虑到这一点，等做出来产品的时候才发现脉冲信号波动很大。
在指导老师的建议下，我们又接了一个滤波电容在上面，出来的脉冲就非常稳定了。
双极型555的输入阻抗远比CMOS型的输入阻抗低，一般要在555的电压控制功能端加一去耦电容。
如图3.1中的电容C5。
（二）PH303的介绍
PH303是红外发光二极管的一种，它在发射电路中的作用是把由NE555组成时基振荡器产生的振荡频率为38KHZ的调制信号以红外线的方式发送出去，以供红外接收电路接收信号。
红外发光二极管的原理、结构工艺与大家熟悉的发光器件LED基本一样，它们都是一种把电能直接转化为光能并具有一种P-N结的发光二极管，只是两者所用的半导体材料不同，LED发出的是可见光，红外发光二极管发出的是不可见光——红外光或红外线。
光是一种电磁波，可见光的波长范围为380~760nm（纳米），红光波长为650~760nm（超过760nm的为红外光），红外发光二极管也是一种发光二极管，仅仅是发光的波长不同，为了区别起见，加上“红外”二字。
制造发光二极管的材料，主要有磷化镓（GaP）、磷砷化镓（GaAsP），而制造红外发光二极管的材料有砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等，其中用的最多的就是GaAs。
红外发光二极管与普通发光二极管一样也具有以下几个特点：
1.体积小、寿命长、可靠性高、耐振动、耐冲击。
2.耗电省、发热少。
一般来说正向电流小于60Ma，正向电压小于1.6V，功耗是60Mw。
3．响应速度快，调制容易。
4．能用晶体管和集成电路直接驱动，且驱动电路简单，易于和集成电路或晶体管配用。
红外发光二极管的基本参数：
（a）伏安特性
红外发光二极管的管压降与材料及流过的电流有关，GaAs材料的小功率管Vf=1~1.3V，中功率管Vf=1.6V，大功率管Vf=2V。
（b）工作电流If及峰值电流Ifp
一般小功率红外线发光二极管的正向工作电流IF为30~60mA。
如果长期超过Vf范围工作，管子会过热而烧坏，在使用时必须加上拉电阻。
峰值电流Ifp是指流过管子脉冲电流的最大峰值。
二．接收电路
在我们的系统中，红外接收电路是由华联公司生产的集红外接收、放大、鉴频于一身的一体化的接收头HRM3800和一个三极管9013、几个用于滤波限流的电容、电阻组成的电路，另外为了能清楚的知道是否有物体通过，还在电路中加了一个发光二极管。
电路图如图3.3所示。
图3.3接收电路
当无物体通过时，红外接收头能够接收到发射电路发射的红外信号，并输出一个低电平信号，再经Q8反向后输出高电平信号送往单片机AT89C51的P3.2口。
当有物体通过时，红外接收头接收不到红外信号而输出高电平,经Q8反相成低电平并送往单片机的P3.2口,此时单片机扫描到低电平就加一计数，并控制显示电路显示出当前的计数个数。
红外接收电路也可以由红外接收二极管与放大电路组成，放大电路通常是由一个集成块及若干电阻电容等元件组成，并且需要封装在一个金属屏
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