应用电子毕业论文 基于单片机的圆珠分类系统的设计.docx
《应用电子毕业论文 基于单片机的圆珠分类系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《应用电子毕业论文 基于单片机的圆珠分类系统的设计.docx（50页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
应用电子毕业论文基于单片机的圆珠分类系统的设计
第一章绪论
1.1引言
在科学技术高度发达的现代社会中，人类已进入了瞬息万变的信息时代，人们在从事工业生产和科学实验的活动中，极大地依赖于对信息资源的开发、获取、传输和处理。
传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取和检测信息的窗口，一切科学实验和生产过程，特别是在自动检测和自动控制系统，都要通过传感器转换为容易传输与处理的电信号。
在工业生产和科学实验中提出的检测任务是正确及时地掌握各种信息，大多数情况下是要获取被测信息的大小，即被测量的数值大小。
这样，信息采集的主要含义就是取得测量数据。
在工程中，需要有传感器与多台仪表组合在一起才能完成信号的检测，这样便形成了测量系统。
尤其是随着计算机技术及信息处理技术的发展，测量系统所涉及的内容也不断得以充实。
根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器，电涡流式传感器的最大特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小、灵敏度高等特点，应用极其广泛。
1.2系统功能简介
本系统接通电源后，液晶显示器全部清零，等待圆珠滚入，当圆珠通过时，经过涡流传感器测得圆珠直径，传感器把测得信息送入A/D转换器开始转换，8051单片机根据圆珠直径的大小分别放入不同的盒中，液晶显示器显示当前圆珠直径和和不同盒中圆珠的个数。
每个盒中最多能装999个圆珠，当某盒中的圆珠数超过999个时，系统发出警报，提示使用者有盒已经装满圆珠。
第二章主要器件介绍
2.18051单片机的介绍
8051各引脚说明如下:
I/O端口:
P0.0—P0.7,P1.0—P1.7,P2.0—P2.7,P3.0—P3.7。
8051共有4个I/O端口,为P0、P1、P2、P3，4个I/O口都是双向的，且每个口都具有锁存器。
每个口有8条线，共计32条I/O线。
各端口的功能叙述如下：
1、P0有三个功能：
（1）外部扩充存储器时，当作数据总线（D0—D7）
（2）外部扩充存储器时，当作地址总线（A0—A7）
（3）不扩充时，可做一般I/O使用，但内部无上拉电阻，作为
输入或输出时应在外部接上拉电阻。
2、P1只做I/O使用，其内部有上拉电阻。
3、P2有两个功能：
（1）扩充外部存储器时，当作地址总线（A8—A15）
（2）做一般I/O使用，其内部有上拉电阻。
4、P3有两种功能：
除了作为I/O使用外（内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，如下表所示，由特殊寄存器来设置。
表格1端口引脚的特殊功能
端口的引脚
特殊功能
P10（8052）
T2TIMER2的外部输入引脚（8052）
P11（8052）
/T2EX（TIMER2的捕捉（Capture）/重新加载（Reload）的触发输入）（8052）
P30
RXD（串行输入口）
P31
TXD（串行输出口）
P32
/INT0（外部中断）
P33
/INT1（外部中断）
P34
T0（TIMER0的外部输入脚）
P35
T1（TIMER1的外部输入脚）
P36
/WR（外部数据存储器的写入控制信号）
P37
/RD（外部数据存储器的读取控制信号）
端口1、2、3有内部上拉电路，当作为输入时，其电位被拉高，若输入为低电平可提供电流源；其作为输出缓冲器时可驱动8个LSTTL（需要外部的上拉电路）。
5、DD：
电源+5V。
VSS：
GND接地。
6、REST此脚为高电平时（约2个机器周期），可将CPU复位，CPU复位后其累加器及寄存器的内容如下表：
表格2CPU复位后其累加器及寄存器的内容
寄存器
二进制值
ACC
00000000
B
00000000
PSW
00000000
SP
00000111
P0/P1/P2/P3
11111111
1P
XXX00000
1E
0XX00000
TMOD
00000000
TCON
00000000
7、ALE/PROG（ADDRESSLATCHENABLE）地址锁存使能信号端，有三种功能：
（1）8051外接RAM/ROM：
ALE接地址锁存器8282（8212）的STB脚，74373的EN脚，当CPU对外部存储器进行存取时，用以锁住地址的低位地址。
（2）8051未外接RAM/ROM：
在系统中未使用外部存储器时，ALE脚也会有1/6石英晶体的振荡频率可作为外部时钟。
（3）在烧写EPROM：
ALE作为烧写时钟的输入端。
8、PSEN（PROGRAMSTOREENABLE）：
程序储存使能端。
（1）内部程序存储器读取：
不动作。
（2）外部程序存储器读取（ROM）：
在每个机器周期会动作两次。
（3）外部数据存储器读取（RAM）：
两个/PSEN脉冲被跳过不会输出。
（4）外接ROM时，与ROM的/OE脚连接。
9、EA/VPP
（1）接高电平时：
①CPU读取内程序存储器（ROM），如8051/8052。
②扩充外部ROM：
当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）、1FFFH（8052）时，自动读取外部ROM。
（2）接低电平时：
CPU读取外部程序存储器（ROM），如8031/8032。
（3）8751烧写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。
10、XTAL1XTAL2：
接石英晶体振荡器。
机器周期=石英晶体*12，如12MHZ石英晶体/12=1微秒。
2.2ADC0804的介绍
2.2.1A/D转换器概述
所谓A/D转换器就是模拟/数字转换器（AnalogtoDigitalConverter简称ADC），是将输入的模拟信号转换成为数字信号。
信号输入端的信号可以是传感器（Sensor）或转换器（Transducer）的输出，而ADC输出的数字信号可以提供给微处理器，以便更广泛地应用。
2.2.2ADC0804的规格及引脚图
（1）8位COMS逐次逼近型的A/D转换器；
（2）三态锁定输出；
（3）存取时间：
135μs；（4）分辨率：
8位；
（5）转换时间：
100μs；（6）总误差：
±1LSB；
（7）工作温度：
ADC0804LCN—0℃～+70℃；（8）ADC0804LCD—-40℃～+85℃；
（9）引脚图及说明如图2.1所示。
图2.1A/D转换器件引脚图
/CS：
芯片选择信号。
/RD：
外部读取转换结果的控制脚输出信号。
/RD为HI时，DB0～DB7处于高阻抗；/RD为LO时，数字数据才会输出。
/WR：
用来启动转换的控制输入，相当于ADC的转换开始（/CS=0时），当/WR由HI变为LO时，转换器被清除；当/WR回到HI时，转换正式开始。
CLKIN，CLKR：
时钟输入或接振荡元件（R，C），频率约限制在100kHZ～1460kHZ，如果使用RC电路则其振荡频率为1/（1.1RC）。
/INTR：
中断请求信号输出，低电平动作。
VIN（+）、VIN（-）：
差动模拟电压输入。
输入单端正电压时，VIN（-）接地；而差动输入时，直接加入VIN（+）、VIN（-）。
AGND，DGND：
模拟信号以及数字信号的接地。
VREF：
辅助参考电压。
DB0～DB7：
8位的数字输出。
VCC：
电源供应以及作为电路的参考电压。
2.2.3ADC0804电压输入与数字输出关系如表2-1所示。
表2-1ADC0804电压输入与数字输出关系表
十六
进制
二进
制码
与满刻度的比率
相对电压值VREF=2.560伏
高4位字节
低4位字节
高4位字节电压
低4位字节电压
F
1111
15/16
15/256
4.800
0300
E
1110
14/16
14/256
4.480
0280
D
1101
13/16
13/256
4.160
0260
C
1100
12/16
12/256
3.840
0240
B
1011
11/16
11/256
3.520
0220
A
1010
10/16
10/256
3.200
0200
9
1001
9/16
9/256
2.880
0180
8
1000
8/16
8/256
2.560
0160
7
0111
7/16
7/256
2.240
0140
6
0110
6/16
6/256
1.920
0120
5
0101
5/16
5/256
1.600
0100
4
0100
4/16
4/256
1.280
0080
续表2－1
十六
进制
二进
制码
与满刻度的比率
相对电压值VREF=2.560伏
高4位字节
低4位字节
高4位字节电压
低4位字节电压
3
0011
3/16
3/256
0.960
0060
2
0010
2/16
2/256
0.640
0040
1
0001
1/16
1/256
0.320
0020
0
0000
0
0
例：
VIN=3V，由上表可知2.880+0.120=3V为10010110B=96H。
2.3LCD显示器介绍（型号：
TS12864A-3（带汉字库））
图形点阵液晶显示模块
极限参数
项目
符号
标准值
单位
电源电压
Vdd
-0.3~+7.0
V
液晶驱动电压
Vlcd
Vdd-19.0~Vdd+0.3
V
输入电压
Vin
-0.3~Vdd+0.3
V
工作温度
Top
-20~+70
℃
储存温度
Tstg
30~+80
℃
极限参数
项目
符号
标准值
单位
电源电压
Vdd
-0.3~+7.0
V
液晶驱动电压
Vlcd
Vdd-19.0~Vdd+0.3
V
输入电压
Vin
-0.3~Vdd+0.3
V
工作温度
Top
-20~+70
℃
储存温度
Tstg
30~+80
℃
引脚功能：
引脚序号
符号
电平
功能
1
VSS
0V
电源地
2
VDD
+5V
电源输入
3
VO
液晶显示对比度调节
4
RS（D/I）
H/L
H：
DisplayData,L:
displayInstruction
5
R/W
H/L
H:
读信号，L：
写信号
6
E
读写使用
7-14
DBO-DB7
H/L
数据总线
15
PSB
H/L
H：
8位或4位并口方式，L：
串口方式
16
NC
17
/RES
H/L
复位端，低电平有效
18
NC
19
LED（+）
背光源正端（+5V）
20
LED（-）
背光源负端
*注释1：
如在实际应用中仅使用并口通讯模式，可将PSB接固定高电平
电气特性
直流特性（Ta==25℃Vdd=5.0v±10%）
参数
符号
条件
最小
典型
最大
单位
电源电压
VDD
4.5
5.0
5.5
V
输入信号电压
高
Vih
E,R/W,D/I,
DB0~DB7
Terminals
2.0
VDD
V
低
Vil
0
0.8
输出信号电压
高
Voh
DB0~DB7,Terminal
2.4
V
低
Vol
0.4
工作电流
Idd
显示期间
2750
uA
1、指令表1：
（RE=0：
基本指令集）备注：
1、当模块在接受指令前，微处理顺必须先确认模块内部处于非忙碌状态，即读取BF标志
时BF需为0，方可接受新的指令；如果在送出一个指令前并不检查BF标志，那么在前
一个指令和这个指令中间必须延迟一段较长的时间，即是等待前一个指令确实执行完
成，指令执行的时间请参考指令表中的个别指令说明。
2、“RE”为基本指令集与扩充指令集的选择控制位元，当变更“RE”位元后，往后的指
令集将维持在最后的状态，除非再次变更“RE”位元，否则使用相同指令集时，不需
每次重设“RE”位元。
具体指令介绍：
1、清除显示
功能：
清除显示屏幕，把DDRAM位址计数器调整为“00H”
2、位址归位
RWRSDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
功能：
把DDRAM位址计数器调整为“00H”，游标回原点，该功能不影响显示DDRAM
3、位址归位
功能：
把DDRAM位址计数器调整为“00H”，游标回原点，该功能不影响显示DDRAM功能：
执
行该命令后，所设置的行将显示在屏幕的第一行。
显示起始行是由Z地址计数器控制的，该
命令自动将A0-A5位地址送入Z地址计数器，起始地址可以是0-63范围内任意一行。
Z地址
计数器具有循环计数功能，用于显示行扫描同步，当扫描完一行后自动加一。
4、显示状态开/关
功能：
D=1；整体显示ONC=1；游标ONB=1；游标位置ON
5、游标或显示移位控制
功能：
设定游标的移动与显示的移位控制位：
这个指令并不改变DDRAM的内容
6、功能设定
功能：
DL=1（必须设为1）RE=1；扩充指令集动作RE=0：
基本指令集动作
7、设定CGRAM位址
功能：
设定CGRAM位址到位址计数器（AC）
8、设定DDRAM位址
功能：
设定DDRAM位址到位址计数器（AC）
9、读取忙碌状态（BF）和位址
3.1确定总体方案
在工业生产当中，很多方面都要用到圆珠分类系统，该系统可以根据圆珠直径的大小进行分类统计。
根据设计任务的要求,采用8051单片机系统组成的数字控制器。
整个系统在规定的测量时刻经过A/D转换器转换采集由涡流传感器反馈回来的圆珠直径测量值,并和设定值进行比较,判断直径大小，然后确定应该打开哪个盒子。
模拟圆珠分类系统总体框图如图3.1所示
图3.1圆珠分类系统总体框图
按前面的总体设计方案,本系统硬件的设计包括以下几个部分。
3.2涡流传感器检测电路
本系统允许用户根据需要随时改变系统的设定温度（即允许值）,为此设置了6位LED显示器和相应的操作键盘,并由专用控制芯片74C922实现与CPU的接口。
采用专用控制芯片74C922后,可以节省CPU用于查询键盘输入的时间,降低了对CPU处理速度的要求,同时也减少了软件工作量。
6位LED显示器完成的是显示现在温度和设定温度，在本硬件电路中
30H（D0）：
现在温度的个位33H（D3）：
设定温度的个位
31H（D1）：
现在温度的十位34H（D4）：
设定温度的十位
32H（D2）：
现在温度的百位35H（D5）：
设定温度的百位
这样就能更直观的掌握现在温度和设定温度，便于人工做出相应的操作,人机接口总体电路如图3.2所示[5]。
图3.28051人机接口电路
为了便于阅读，下面分别画出了人机接口电路中的各部分电路，单片机最小系统电路如图3.3所示，A/D转换电路如图3.4所示，6位数码显示电路如图3.5所示，键盘电路如图3.6所示。
图3.3单片机最小系统
图3.4A/D转换电路
图3.56位数码显示电路
图3.6键盘电路
3.3直径检测和运算放大电路
电涡流式传感器结构工作原理
高频反射式电涡流传感器结构比较简单，主要由一个在安装在框架上的扁平圆形圈构成。
此线圈可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽内。
传感器由高频信号激励，是它产生一个高频交流磁场，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此相交链的电涡流，而此电涡流又将产生一个交变磁场阻碍外磁场的变化，从能量角度看，在被测导体内存在电涡流损耗（当频率较高时忽略损耗）。
能量损耗使传感器的Q值、等效阻抗Z降低，因此，当被测体与传感器的距离d改变时，传感器的Q值、等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是，把位移量转换成能量。
这便是电涡流传感器的基本原理。
线圈形状、尺寸对性能的影响
线圈外径大时，线圈的磁场轴向分布范围大，但磁感应强度的变化梯度小；而线圈外径大时，线圈的磁场轴向分布范围，但磁感应强度的变化梯度大。
这就是说，电涡流传感器线圈外径越大，线性范围将越大，灵敏度越低；与此相反，线圈外径越小，传感器的灵敏度将越高，而线性范围越小。
线圈内径的变化，只是靠近线圈处灵敏度稍有不同。
同样，线圈的厚度变化，也仅在线圈处对灵敏度踩稍有影响。
另外，为使传感器的温度新能优良，并且使Q值增大，要求线圈框架材料损耗小，热膨胀系数小，电性能好，一般可以选用聚四氟乙烯、陶瓷、碳化硼等材料。
在高温条件下使用时可以使用碳化硼。
线圈的导线一般采用高强度漆包线，多股适当组合。
如果要求减少导线损耗电阻，可以使用银线或银合金线，在高温条件下则可以使用铼钨合金线。
应该指出，线圈仅是传感器的一个组成部分，而另一组成部分则是被测体。
在测量过程中静磁效应于、与电涡流效应对传感器等效阻抗部虚部的改变是相互制约的。
因此，若此被测体是非磁性材料时，传感器的灵敏度较被测体是磁性材料时为高。
测量电路
根据电涡流传感器的基本原理，将传感器与被测体的距离变换为Q值、等效阻抗Z和等效电感L等三个参数，用相应的测量电路来测量。
电涡流式传感器的测量电路可以归纳为：
高频载波调幅使和调频式两类。
而高频载波调幅式又可以分为恒定频率的载波调幅与频率变化的载波调幅两种。
所以，根据测量电路可以把涡流式传感器分为三类，即：
恒定频率调幅式、变频条幅式和调频式。
（1）载波频率改变的调幅法和调频法
该测量电路的核心是一个电容三点式振荡器，传感器线圈是震荡回路的一个电感元件，这种测量电路的测量原理如下。
当无被测导体时，回路谐振于f0；此时Q值最高，所以对应的输出电压U0最大。
当被测导体接近传感线圈时，振荡器的谐振频率发生变化，谐振曲线不但向两边移动，而且变得平坦，此时由传感器回路组成的震荡输出电压的频率和幅值均发生变化，假如我们直接取他的输出电压作为显示量，这种线路就成为载波频率改变的调幅法，它直接反应了Q值的变化，因此可以用于以Q值作为输出的电涡流传感器。
若改为频率作为显示量，哪么就用来测量传感器的等效电感，这种方法称为调频法。
这个测量电路由以下三个部分组成
1、电容三点式振荡器。
其作用是将位移变化一起振荡回路的Q值变化成高频载波信号的幅值变化。
为使电路具有较高的效率而自行起振，电路采用自给变压的办法。
适当选择振荡管的分压电阻的比值，使电路静态工作点处于甲乙类。
2、检波器。
检波器由检波二极管和∏形滤波器组成。
采用∏形滤波器可适应电流变化较大，而又要求纹波很小的情况，可以获得平滑的波形。
这部分作用是将高频载波中的测量信号不失真的取出。
3、射级跟随器。
由于射级跟随器具有输入阻抗高，并有良好的跟随性等特点，所以采用其作为输出级可以获得尽可能大的不失真输出的幅度值。
（2）调频式测量电路
该测量电路的的测量原理是位移的变化引起传感器线圈电感的变化，而电感的变化导致振荡频率的变化，以频率变化作为输出量，是我们需要的测量信息，因此，电涡流传感器线圈在这个电路的振荡器中作为一个电感元件接入电路之中。
该测量电路由两大部分组成，即克拉泼电容三点式振荡器和射级输出器。
克拉泼振荡器产生的一个高频正弦波，这个高频正弦波频率是随传感器线圈的电感变化而变化。
射级输出器起阻抗匹配的作用，以便和下级电路相连接。
频率可以直接由数字频率计记录或通过频率—电压转换为电压量输出，再由其它记录仪器记录。
由于使用这种调频式测量电路，传感器输出电缆的分布电容的影响是不能忽视的，它使振荡频率发生变化，从而影响测量结果。
如图3.7热电偶温度检测电路和放大电路
运放用于把热电偶输出的0-41.32mV的电压经过第一级差分变换电路，由双端输入变换为单端输出（VO=V2-V1），再经过第二级放大电路，放大100倍（输出电压为4.132V），经过第三级放大电路，放大3倍（输出电压为12.396V），再经过一个分压电路，最后信号还经过一个反向器变换成0-5V的电压,这样就大大的简化了硬件电路，降低了成本，而这对于模拟电阻炉温度控制系统没有丝毫的影响，如果是在实际工业应用中，就需要用到变送器和I/V变换器，它的作用是把热电偶输出的电压转变为4-20mA的电流，目的是便于远距离传送，再通过I/V变换电路把4-20mA的电流变换为0-5V的电压[7][8]。
3.4温度控制电路
电阻丝由过零触发型的双向晶闸管整流电路驱动,通过调节加热电阻丝上的平均电压来控制加热功率,最终达到控制炉温的目的,其原理如图3.9所示.MOC3021是晶闸管型光电隔离器件,它只能触发小功率晶闸管。
因此,本系统中通过MOC3021控制双向晶闸管T1,再由T1控制主电路的双向晶闸管T2。
晶闸管是晶体闸流管（Thyristor）的简称，俗称可控硅，它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示），晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且工作过程可以控制，被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中；双向晶闸管（TRIAC）是由NPNPN五层半导体材料构成的，相当于两只普通晶闸管反相并联，它也有三个电极，分别是主电极T1、主电极T2和门极G，双向晶闸管可以双向导通，即门极加上正或负的触发电压，均能触发双向晶闸管正、反两个方向导通，如图3.8所示。
如图3.8双向晶闸管的触发状态
当门极G和主电极T2相对于主电极T1的电压为正
或门极G和主电极T1相对于主电极T2的电压为负
时，晶闸管的导通方向为
，此时T2为阳极，T1为阴极；当门极G和主电极T1相对于主电极T2为正
或门极G和主电极T2相对于主电极T1的电压为负
，晶闸管的导通方向为
，此时T1为阳极，T2为阴极，双向晶闸管的主电极T1与主电极T2间，无论所加电压极性是正向还是反向，只要门极G和主电极T1（或T2）间加有正、负极性不同的触发电压，满足其必须的触发电流，晶闸管即可触发导通呈低阻状态。
此时，主电极T1、T2间压降约为1V左右。
双向晶闸管一旦导通，即使失去触发电压，也能继续维持导通状态。
当主电极T1、T2电流减小至维持电流以下或T1、T2间电压改变极性，且无触发电压时，双向晶闸管阻断，只有重新施加触发电压，才能再次导通[9][10]。
在图3.9中，R4﹑R6为压敏电阻器，压敏电阻器简称VSR，是一种对电压敏感的非线性过电压保护半导体元件，当所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器的电阻值接近无穷大，内部无电流流过，当压敏电阻器两端电压略高于标称值时，压敏电阻器将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大，在此电路中，R4﹑R6的型号为：
MYJ05K271，标称电压为270V，起到防雷﹑吸收尖峰脉冲、抑制浪涌电流等作用,从而能有效的保护好晶闸管；电路中C1﹑C2的作用：
当电路产生过电压时，由于电容电压不能突变，电容充电，使其两端
升级会员 