产品质量在线监控系统的设计

I产品质量在线监控系统的设计摘要随着科技和工业技术的迅猛发展，本文根据我国灌装产品质量检测仪器的市场需求和发展现状，对酒类产品生产线的灌装量在线监控系统进行了关键技术的研发。系统设计的基于单片机和超声波测距的产品灌装量检测系统主要的电路组成有：单片机最小系统电路、超声波收发电路、温度补偿电路、液晶显示电路、按键启动控制电路等。系统通过超声波收发传感器测量灌装产品液位的距离，从而换算得到灌装产品液位的高低是否符合标准，并通过显示屏显示给用户。关键词 单片机 产品质量监控 灌装量 超声波IIAbstractWith the rapid development of science and technology and industrial technology, According to market demand and the development status of filling product quality testing equipment, production lines for alcoholic products Filling of online monitoring system research and development of key technologies. System design based on the primary circuit and microcontroller Ultrasonic Ranging product fill level detection system components are: minimum system microcontroller circuit, ultrasonic transceiver circuit, temperature compensation circuit, LCD display circuit, button-start control circuit. System measured by the ultrasonic sensor distance filling product level, thereby filling product level obtained by converting the level of compliance with standards, and through the display to the user.Key words MCU product quality control filling volume ultrasoundIII目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 研究背景与意义 .11.2 课题的研究现状 .11.3 主要内容与结构 .2第 2 章 系统硬件结构设计 .32.1 系统总体设计方案 .32.1.1 超声波测距原理 .32.1.2 系统总体结构设计 .32.2 单片机控制电路设计 .42.3 超声波收发电路设计 .62.3.1 超声波发射电路设计 .62.3.2 超声波接收电路设计 .72.4 数码管显示电路设计 .72.5 温度补偿电路设计 .92.6 蜂鸣器报警电路设计 .10第 3 章 系统软件结构设计 .123.1 KEIL 编程平台介绍 .123.2 系统软件设计流程 .133.2.1 超声波发送/接收中断子程序设计 .143.2.2 测温子程序设计 .153.2.3 距离计算子程序设计 .16第 4 章 系统调试 .17结 语 .18参考文献 .19致谢 .20附录 .211第 1 章 绪论1.1 研究背景与意义随着科技和工业技术的迅猛发展，也带动了社会经济的大繁荣，使得人们对生活质量的要求越来越高。如今的消费者面对产品选择时已不再仅满足于产品功能，而是对产品质量提出了更高的要求。同时，由于我国是生产和消费酒类产品的世界大国，在酒类饮品繁荣发展的社会背景下，提升产品质量、加快生产效率已成为各大酒厂提高竞争力的主要手段。而在我国的酒产品生产线上，由于工厂环境及工艺等限制，生产下线的酒产品可能存在瓶身污渍、灌装不足、灌装有异物等问题，极大影响了产品质量。为实现对产品质量的监控与检测，国内厂商大多采用人工检测方法，通过人眼目测实现对产品质量的把关与问题的判断。然而依靠人眼检测存在诸多不足，不仅检测速度慢、精度低，还因为员工自身的主观评测标准难以完全统一。正因如此，对于当前的酒品生产行业，迫切需要一种产品质量在线监控系统实现对产品进行客观、高效的质量监测，解决上述人眼检测存在的问题，加快推进酒产品行业生产力的发展。本文则根据我国灌装产品质量检测仪器的市场需求和发展现状，对酒产品生产线的在线监控系统进行了关键技术的研发，其中融合了包括嵌入式控制、传感器探测、机电工程等多学科技术。本课题的研究将提升我国灌装产品生产线的自动化程度，并缩小我国与发达国家在该领域的差距，并对提高社会效益和经济具有重大意义。1.2 课题的研究现状对于产品质量在线监控系统的研究，国外很多发达国家都具有核心技术和成熟的产品，其主要设备的生产研发企业有德国的 HEUFT、KRONES 和美国的 Filtec 等，世界上先进的产品质量在线监控设备的制造及销售基本被德国和美国所垄断。我国关于产品质量在线监控系统，也包括灌装产品的自动化检测系统的研发仍处于起步阶段，这就使得国内各大酒厂及灌装产品的生产商由于受到核心技术的限制，只能高价购买这类在线监控设备；而国内研发的类似设备检测结果不尽如意，不能满足较高的监测要求。灌装产品质量监测设备常用的检测手段包括 X 射线、红外探测、超声波、机器视觉等方式。其中，X 射线检测方式可检测玻璃、钢质、塑料等产品的灌2装量。其传感器部分包含了接收器和发射器，当启动检测时发射器会将锥形射线射向接收器方向，待射线穿过瓶装产品后由于液体对射线的吸收，使得接收器接收到垂直方向上不同的射线量，以此方法即可判别灌装量。机器视觉检测即是通过软件分析摄像头拍摄的瓶中液体的照片，并与系统所设置的多级别的参考位置作对比，以此判断瓶中的液体是否灌装合格。超声波检测方式是根据超声波发射器发射的超出人耳辨别能力且穿透性很强的声波，经物体或进入不同介质物质前发射回波，由接收器计算发射到接收到回波的时间差，即可计算出声波传输的路径距离；此类设备即是根据超声波测距的原理换算出灌装产品液位的合格率。本课题也是根据超声测距原理实现酒类产品灌装量的在线监测系统。1.3 主要内容与结构在了解了当前产品生产中关于产品质量监测的重要性，以及灌装产品质量监测系统的发展现状后，本文将设计一种功能实用，价格低廉的酒类产品灌装量在线监控系统。本课题通过对超声波测距原理以及单片机控制系统的研究，实现基于超声波测距的酒类穿品灌装量检测系统。该检测系统由 8 位微处理器作为主控制芯片，由超声波收发模块组成液位距离探测传感器，实现对灌装产品液面距离的测量，以达到对灌装量的检测效果。同时，测量获得的距离数值由液晶显示屏显示，并增加温度检测电路，补偿超声波测量中的温度误差，使测量精度更好，定位结果更准确。根据课题的设计要点，本文在第二章中主要论述了系统关键器件的选型，以适合后期软硬件设计，包括主控制器的选型、心率测量传感器选型、显示器的选型等；本文的第三章根据课题的任务要求及预期实现的功能，主要完成了系统硬件电路的设计，并对关键电路的元件设计参数进行了详细阐述和论证；本文第四章进行了系统软件流程的设计，清楚的描述了系统各模块程序的运行流程；本文第五章将结合第三、四章的软硬件设计，实现心率测量仪的制作和调试，用实验证明该设计的正确性和实用性。3第 2 章 系统硬件结构设计2.1 系统总体设计方案2.1.1 超声波测距原理基于超声波测距原理的测量方法有很多，如检测矢量相位法，该方法虽有较高的测量精度，但测距范围有限，成为应用的一大限制；检测波形振幅法，该方法测试与实验原理简单，但易受反射回波的影响，测量精度有限制；因此，本课题的设计方案采用应用最多的检测声波时差法，即超声波发射器发出声波后，经障碍物反射回波，由超声波接收器接收并触发控制装置，以确定从发射到接收的双向时间差，再加上测距算法的计算，即可得出探测的距离值，实现测距的功能。如公式（1.1）即为声速、时间、距离的数学关系式：L = V*T/2 (1.1)通过上式即可得知，距离的准确性决定于测量的时间与声速值，时间的测量精度由处理器及控制系统决定，而声速值会因为所处环境的温度、压强的变化而不同，这就要求在不同的测量环境下，有相对应的声速值参与计算，即可提高测量精度。本课题设计的超声波测距的淤泥界面测量系统中，添加了温度补偿电路，以确定声速的具体值，提高超声波测量的精度。经计算，水介质的声速与环境温度的关系式 1.2：V=1402+5.07T+0.06T2 m/s (T - ) (1.2)此外，准确的测量目标还要能够精确的计算出超声波的传播时间，显然能够精确的时间单位越小越好。表 2.1 列出了几种不同温度下的波速。表 2-1 声速与温度的关系温度( ) 0 4 10 20 30声速(m/s) 1402 1422 1447 1482 1608本系统采用单片机的一个定时器来计算超声波回波时间差，单片机使用12MHz 的晶振提供系统时钟，即可精确到 1s的最小时间单位，计算所得的理论测距精度达 2cm，完全能够满足本系统对淤泥界面位置检测的要求。2.1.2 系统总体结构设计本系统设计的基于单片机和超声波测距的产品灌装量检测系统主要的电路组成有：单片机最小系统电路、超声波收发电路、温度补偿电路、液晶显示电4路、按键启动控制电路等。系统通过超声波收发传感器测量灌装产品液位的距离，从而换算得到灌装产品液位的高低，并通过显示屏显示给用户。系统总体结构框图如图 2-1 所示。5 1单片机L C D 显示按键超声波发射电路超声波接收电路温度补偿蜂鸣器报警图 2-1 系统整体结构框图超声波收发电路：该电路是系统的关键控制部分，超声波传感器在单片机中程序的控制下向发射换能器下达发射命令，换能器即可接收到固有频率的脉冲信号，随后以声波的形式发送到外界介质中；声波在介质中传播时如遇到障碍物阻挡，即会反射超声波，当反射的回波被超声波接收换能器接收后，通过一系列信号的放大、整形和滤波后由传感器芯片产生单脉冲信号交由单片机采集，此时单片机控制电路需要对超声波正脉冲到负脉冲之间的时间差进行测量，以换算出声波传输的距离，起到测距的作用，进而为定位功能测量出距离参数。温度补偿电路：为确定声速在不同温度环境下的准确值及系统的稳定性，设计了温度补偿电路。温度传感器选用 DS18B20 数字温度传感器。它具有单数据线接口、低功率、程序操作简便等优点，适用于各种温度测控系统。显示电路：本设计的显示部分采用 LCD1602 液晶显示屏。该显示屏有 16列 2 行显示块组成，每个显示块都能显示各类单字符，与传统段式数码段相比，功能更完善，显示效果更好。2.2 单片机控制电路设计51 单片机最小系统是指以最精简的电路实现其对外围电路控制功能的单片机系统。单片机控制电路组成部分如图 2-2 所示。该最小系统一般包括 51 单片机芯片、5V 电源供电电路、手动/自动复位电路和晶振起振电路等。5图2-2 单片机最小系统结构图系统从控制板采用 51 单片机中的 STC89C51 芯片，该芯片是性能优越的八位微处理器，同时具有 8K 闪存存储器，可进行逻辑编程。本款单片机嵌入的是 MCS-51 内核，同时在这基础上进行了一定的突破创新使得本款单片机在 51单片机的基础上具有很多额外功能。本款单片机嵌入了八位中央处理器并且具有存储能力很强的 8K 可编程逻辑闪存存储器，这样就为应用对象提供了更强大的问题解决能力以及高度的灵活性 7。本款单片机具有 1000 次的擦写使用寿命，其最大的使用时间可达十年之久。另外，该款单片机能够在 0 到 24MHz 频率下进行全静态工作，具有三级程序存储器锁定功能。该款单片机的只读存储器内存容量为 512K，并且具有三十二个输入输出引脚。同时该款单片机片上具有 2 个十六位定时器，并且具有 5 个中断源。为了更好地达到低功耗效果，该款单片机还具有闲置和掉电模式以最大限度的达到低功耗效果。STC89C51 单片机的引脚说明图如图 2-3 所示。图2-3 STC89C51单片机引脚单片机晶振电路6晶振即晶体振荡器，该电路为单片机系统产生振荡信号，为其内部的时钟电路提供基准，当然它的搭建也很简单，通常采用的是 12M 的外部晶体振荡器和两个 22 皮法的电容组成，具体如图 2-4 所示：图2-4 单片机晶振电路单片机复位电路单片机复位电路的作用是给单片机一个电位信号，使得单片机内部的程序重新开始工作，用于当单片机内部现有的程序运行状态中出现问题的情况。具体电路如图 2-5 所示：图2-5 单片机复位电路2.3 超声波收发电路设计2.3.1 超声波发射电路设计超声波发射电路主要由多反