基于单片机的自动拣货系统设计毕业设计论文.doc

北京化工大学北方学院毕业设计 论文 0 诚信申明诚信申明 本人申明 我所呈交的本科毕业设计 论文 是本人在导师指导下对四年专业知识而 进行的研究工作及全面的总结 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢中所 罗列的内容以外 论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京化工大学或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材 料 与我一同完成毕业设计 论文 的同学对本课题所做的任何贡献均已在文 中做了明确的说明并表示了谢意 若有不实之处 本人承担一切相关责任 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 1 本人签名 年 月 日 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 2 目录目录 第第 1 1 章章 绪论绪论 5 5 1 1 选题背景及研究意义 5 1 2 分拣系统的介绍 5 1 3 分拣系统的发展展望 6 1 4 课题设计的主要内容 7 第 2 章 系统总体设计 9 9 2 1 设计要求 9 2 2 功能特点 9 第第 3 3 章章 方案的论证方案的论证 1111 3 1 主控芯片的选择 11 3 2 显示模块 11 3 3 光电传感器的选择 12 3 4 电机驱动模块的选择 12 3 5 铁传感器的选用 12 3 6 铝传感器的选用 13 3 7 颜色传感器的选用 15 第第 4 4 章章 系统硬件设计系统硬件设计 1616 4 1 硬件模介绍 16 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 3 4 1 1 单片机技术简介 16 4 1 2 系统主要芯片和元器件的介绍及应用 16 4 1 3 ULN2003 电机驱动模块介绍 19 4 1 4 LCD 液晶显示模块介绍 20 4 1 5 蜂鸣器模块 23 4 1 6 霍尔传感器 24 4 2 单片机最小系统的设计 25 4 2 1 时钟脉冲电路 25 4 2 2 复位电路 25 4 3 硬件设计总图 26 第第 5 5 章章 软件程序设计软件程序设计 2727 5 1 软件程序整体设计 27 5 1 1 程序流程图 27 5 2 程序模块设计 27 5 2 1 电机控制程序设计 27 5 2 2 LCD1602 显示程序设计 29 5 2 3 按键扫描程序设计 30 第第 6 6 章章 系统测试及分析系统测试及分析 3838 6 1 系统测试 38 总结总结 3939 参考文献参考文献 4040 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 4 附录 A 4141 1 系统整体电路图 4141 致谢 4242 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 5 基于单片机金属自动分拣系统设计基于单片机金属自动分拣系统设计 zzzz xxxxxxxxxx0601 班 学号 060401001 指导教师 张三副教授 摘要摘要 随着科学技术的飞速发展 现代工业控制系统越来越复杂 传统控制科学 面临着新的挑战 单片机以其体积小 功能齐全 价格低廉和可靠性高等方面 具有独特的优点 在各个领域获得了广泛应用 单片机的使用大大提高了控制 系统的可靠性和自控程度 为企业提供了更可靠的生产保障 如何在单片机自 动控制领域充分发挥单片机的优势 是目前自动控制学科的重要课题之一 本 课题正是在这样的背景下 围绕基于单片机的材料分拣装置设计展开研究 论 文首先叙述了单片机的材料分拣装置的发展背景 现状和发展方向 然后 说 明了单片机自动分拣控制系统工作原理和与传统继电器的区别 本文详细叙述 了一种基于单片机的材料分拣装置设计及自动控制编程 以及怎样通过单片机 程序设计来实现材料分拣和自动控制 其电路结构简单 投资少 可利用原有 设施改造 分拣系统不仅自动化程度高 还具有在线修改功能 灵活性强 系统具有数据采集准确 可靠性高及系统成本低等优点 关键词 关键词 单片机 材料分拣 自动控制 传感器 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 6 Based on single chip microcomputer metal automatic sorting system design Cao ni mie College of physics and electronic information electronic information engineering professional 2009 teachers XXX Abstract With the rapid development of science and technology modern industrial control system is more and more complex traditional control science faces new challenges Single chip microcomputer with its small volume complete functions low cost and high reliability has unique advantages won a wide application in all fields The use of single chip microcomputer greatly improves the reliability of the control system and automatic control level for the enterprise provides a more reliable production security How to give full play to the advantages of single chip microcomputer in the field of single chip microcomputer automatic control automatic control is the subject of one of the important topics This topic it is in this background the surrounding material sorting device design based on single chip microcomputer Paper first describes the MCU material sorting device development background present situation and development direction And then illustrates the working principle of the single chip microcomputer automatic sorting control system and the difference from the traditional relay This paper describes a kind of material sorting device design based on MCU and automatic control programming and how to achieve material sorting through the microcontroller programming and automatic control Its circuit structure is simple less investment and upgrading can use the original sorting system is not only a high degree of automation on line modification function also has strong flexibility the system has data acquisition accuracy high reliability and low cost etc 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 7 Keyword Single chip microcomputer Material sorting Automatic control The sensor 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 11 1 选题选题背景及研究意义背景及研究意义 随着生产趋于个性化 集约化 许多企业开始加深对物流的认识及其价值 的深度挖掘 通过物流建设降低成本 提升竞争力 自动化物流系统逐渐应用 于烟草 制造 家电 医药 食品 图书等领域 随着物流市场需求的增长 国内物流系统及装备供应商通过自主技术创新 引进消化吸收 从起初低端技 术 国外进口到现在高端创新 与国外厂商同台竞技 物流装备技术水平已明 显提高 但在高端技术方面也还存在较大差距 微处理器 计算机和数字通信技术的飞速发展 计算机控制几乎扩展到所 有工业领域 现代社会要求制造业对市场要求做出迅速的反应 生产出小批量 多品种 多规格 低成本和高质量的产品 为了满足这一要求 生产设备和自 动生产线的看着系统必须具有极高的可靠性和灵活性 可编程控制器 Programmable Logic Controller MCU 正是顺应着一要求出现的 它是以 微处理器为基础的通用工业控制装置 单片机的应用面广 功能强大 使用方便 是当代工业自动化系统的主要设 备之一 单片机已经广泛的应用于各种机械设备和生产过程的自动化控制中 单片机在其他领域 例如民用个家庭自动化也得到了迅速的发展 而在众多工 业生产领域中 对不同的材料进行分拣 以往常采用传统的继电器接触控制 使用硬连接电器多 可靠性差 自动化程度不高 目前已有许多企业采用先进 控制器对传统接触控制进行改造 大大提高了控制系统的可靠性和自动控制程 度 为企业提供了更可靠的生产保障 本文在此介绍一种采用可编程控制器 单片机 对材料自动分拣的一种方法 其电路结构简单 投资少 可利用原 有设施改造 自动分拣系统不仅自动化程度高 还具有在线修改功能 灵活 性强 本控制系统是一简单的材料分拣控制系统 在本系统的基础上 可以将之改 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 8 进为物流分拣系统 自动分拣机 从而服务于人们的日常生活中 1 21 2 分拣系统的介绍分拣系统的介绍 分拣是把很多货物按品种从不同的地点和单位分配到所设置的场地的作业 按分拣的手段不同 可分为人工分拣 机械分拣和自动分拣 目前自动分拣已逐渐成为主流 因为自动分拣是从货物进入分拣系统送到 指定的分配位置为止 都是按照人们的指令靠自动分拣装置来完成的 这种装 置是由接受分拣指示情报的控制装置 计算机网络 把到达分拣位置的货物送 到别处的的搬送装置 由于全部采用机械自动作业 因此 分拣处理能力较大 分拣分类数量也较多 物料分拣采用可编程控制器单片机进行控制 能连续 大批量地分拣货物 分拣误差率低且劳动强度大大降低 可显著提高劳动生产率 而且 分拣系统 能灵活地与其他物流设备无缝连接 实现对物料实物流 物料信息流的分配和 管理 其设计采用标准化 模块化的组装 具有系统布局灵活 维护 检修方 便等特点 受场地原因影响不大 同时 只要根据不同的分拣对象 对本系统 稍加修改即可实现要求 单片机控制分拣装置涵盖了单片机技术 气动技术 传感器技术 位置控 制技术等内容 是实际工业现场生产设备的微缩模型 应用单片机技术结合气动 传感器和位置控制等技术 设计不同类型材料 的自动分拣控制系统 该系统的灵活性较强 程序开发简单 可适应进行材料 分拣的弹性生产线的需求 本文主要介绍了单片机控制系统的硬件和软件设计 以及一些调试方法 1 31 3 分拣系统的发展展望分拣系统的发展展望 单片机材料分拣系统未来发展方向可以分为系统集成 工艺创新和自动分拣机 三个方向 系统集成 由于专业高度分工和全球经济一体化 系统集成是一种理念和趋势 国内厂商 应采取国内集成 国外配套的合作思路 充分利用合作方在高端产品 关键设 备上技术先进成熟的优势 迅速实现优势互补 提高整个物流系统的技术含量 和技术水平 集成不是简单的设备组合 是以系统思维的方式对设备功能的充 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 9 分应用 并保证软硬接口的无缝和快捷 目的是实现集成创新 b 工艺创新 物流系统应充分注重 系统 概念 系统由多个单元组成 单元的有效组合 即是流程及工艺的设计 这是一个全局优化的复杂过程 工艺设计中最重要的 是了解用户的实际需求 不同的行业和用户对物流的需求有着较大的差异 这 是一种个性化的服务 应不断拓展创新 就从烟草行业来讲 结合卷烟生产工 艺 将物流做宽做深 从烟叶醇化到成品发货 从制丝分组加工到储叶储丝模 块化精益生产 工艺创新和装备已融入并实现工厂生产自动化 FA 现在社会上己将物流的高科技产品 自动分拣机 自动化立体仓库 信息处理及 通讯自动化等 广泛应用于各个流通领域 自动分拣系统是一次大战后在美国 日本的配送中心广泛采用的一种物流设备 己经成为发达国家大中型物流中心 不可缺少的一部分 可以肯定 随着物流大环境的逐步改善 科学技术日新月 异的进步 特别是感测技术 电子标签及计算机控制技术等的引入使用 自动 分拣系统在我国发展空间巨大 c 自动分捡机 在商业配送领域自动分捡机的应用较为广泛 可实现多品种 小批量 多批次 短周期的物品分拣和配送作业 自动分捡机的种类很多 有滑靴式 翻板式 交叉带式等 国内厂商能提供相应产品 但从分类能力 可靠性等指标来看 性参数能较国外先进水平还有较大差距 目前 项目系统集成中进口比例较高 在机场物流行李分拣系统中 由于分拣量大及高可靠性要求 基本都从国外进 口 随着商业配送物流的快速发展 配送中心对自动分拣机将会有更多需求 分拣技术水平和设备性能将会有较大提高 物流配送中心是从事配送业务的物流场所或组织 它的作业流程包括 入库 保管 拣货 分拣 暂存 出库 物流中心每天接受众多供应商或货主通过 各种运输工具送来的成千上万种物品 用最短的时间将物品卸下并按品种 货 主 储位或发送地点进行快速准确的分类 然后将物品运送到指定地点 当订 货商向物流中心发出配送订单后 自动分拣系统在最短时间内从自动化立体仓 库中准确找到要出库的物品所在位置 并按所需数量出库 最后将从不同储位 上取出的不同数量的物品按配送地点的不同运送到不同的存货区域进行分拣 以便装车配送 值得一提的是对于小件物品的分拣技术和设备近几年发展较快 主要集中在卷 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 10 烟配送行业 从电子标签拣选模式到立式 通道式分发机半自动分拣 甚至全 自动补货 分拣 装箱 技术和设备都更新很快 目前各供应商仍以高速分拣 高度自动化的方向快速发展 1 41 4 课题设计的主要内容课题设计的主要内容 本设计就是利用 Atmel 公司生产的单片机 AT89S52 芯片 ULN2003 用作步进 电机驱动芯片 ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品 具有电流增 益高 工作电压高 温度范围宽 带负载能力强等特点 在以单片机为核心 的基础上加上其外围设备实现的小的系统 金属自动分拣系统 所谓的单片 机小系统从系统的角度来定义就是完成复杂功能的硬件和软件 并使其紧密耦 合在一起的计算机系统 硬件设计部分分别从各个功能电路进行阐述 包括电 源电路 复位电路 电机驱动 按键电路及显示电路 软件部分分成了六个模 块 初始化模块 显示模块 蜂鸣器模块 电机驱动模块 红外采集模块 霍 尔传感器 初始化模块主要是对定时计数器的方式及初值的设定 状态显示模 块负责正确的显示当前当前被检金属的类型 按键设定模块主要是控制传动带 的开启与关闭 光电采集模块 霍尔传感器 颜色色传感器主要用于对当前检 测物体的基本信息进行采集的功能 也就是说系统的功能是由硬件和软件两大 部分共同合作完成 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 11 第第 2 2 章章 系统总体设计系统总体设计 2 12 1 设计要求设计要求 系统设计主要包括硬件和软件两大部分 根据控制系统的工作原理和技术 性能 将硬件和软件分开设计 硬件设计部分包括电路原理图 合理选择元器件 绘制线路图 然后对硬 件进行调试 测试 达到设计要求 硬件电路采用结构化系统设计方法 该方 法保证设计电路的标准化 模块化 硬件电路的设计最重要的选择用于控制的 单片机 并确定与之配套的外围芯片 使设计的系统既经济又高性能 硬件电 路设计包括输入射出接口设计 画出详细电路图 标出芯片的信号 器件参数 值 根据电路图在仿真机上进行调试 修改 最终达到设计要求 软件设计部分 首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计 拟定详细的工作计划 然后进行具体设计 包括各模块的流程图 选择 C 语言 进行代码设计等 最后对软件进行调试 测试 达到所需的功能要求 2 22 2 功能特点功能特点 a 按键控制 能通过按键控制传送带电机的正反转 b 状态显示 能显示当前检测物体的基本性质 c 将物体传送到指定地点 控制传送带的速度 以及方向讲材料分拣到指 定地方 d 分辨金 银 铜 吕 通过金属传感器分辨出金属与非金属 再通过霍 尔传感器和颜色传感器 采集信息由单片机处理分辨材料类型 单片机金属分拣系统是由微处理器单片机 电源模块 复位模块 电机驱 动模块 按键模块 霍尔传感模块 颜色传感及显示模块组成 本系统采用 AT89S52 作为中央处理单元来自动控制步进电机的正反转 控 制传送带的运作 带动材料进入检测区域 在检测区域 由金属传感器 霍尔 传感器 颜色传感器的多重分析 将材料类型通过 1602 显示出来 再通过按键 控制电机将材料传送到指定位置 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 12 控制模块 按键控制 报警电路 电动机控制模块LCD1602 显示模块 楼层检测 LED 灯显示 金属传感器 图 2 1 系统总体设计图 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 13 第第 3 3 章章 方案的论证方案的论证 3 13 1 主控芯片的选择主控芯片的选择 方案一 采用 AT89C2051 芯片 它具有体积小 功耗小 含有中断 定时 计数器 本次设计需要非常大的编程量 虽然其价钱相对便宜 但 IO 口数和存 储空间相对较少 所以此芯片不利于系统的工作和系统功能的扩展 方案二 采用 AT89C51 芯片 它具有 AT89C2051 芯片的所有功能 且 IO 口 数相对较多 价钱相对也比较便宜 但存储空间不是非常大 而本次的设计需 要大量的存储空间 方案三 采用 AT89S52 芯片 它具有 AT89C2051 和 AT89C51 芯片的所有功 能 且 IO 口数非常多 比 AT89C2051 和 AT89C51 多 价钱虽然比 AT89C2051 和 AT89C51 昂贵 但存储空间非常大 可以到达 8K 而本次的设计正需要此容 量的空间 综上所述 我选择 AT89S52 芯片作为本次设计的主控芯片 3 23 2 显示模块显示模块 在日常生活中 我们对液晶显示器并不陌生 液晶显示模块已作为很多电 子产品的通过器 件 如在计算器 万用表 电子表及很多家用电子产品中都可以看到 显 示的主要是数字 专 用符号和图形 在单片机的人机交流界面中 一般的输出方式有以下几种 发光管 LED 数码 管 液晶显示器 方案一 采用 LCD1602 液晶模块 1602 液晶模块内部的字符发生存储器 CGROM 已经存储了 160 个不同的点阵字符图形 这些字符有 阿拉伯数字 英文字母的大小写 常用的符号等 每一个字符都有一个固定的代码 比如大 写的英文字母 A 的代码是 01000001B 41H 显示时模块把地址 41H 中的 点阵字符图形显示出来 我们就能看到字母 A 方案二 采用 LCD2402 液晶模块 用 LCD 显示一个字符时比较复杂 因为 一个字符由 6 8 或 8 8 点阵组成 既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的 显示 RAM 区的 8 字节 还要使每字节的不同位为 1 其它的为 0 为 1 的点亮 为 0 的不亮 这样一来就组成某个字符 但由于内带字符发 生器的控制器来说 显示字符就比较简单了 可以让控制器工作在文本方式 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 14 根据在 LCD 上开始显示的行列号及每行的列数找出显示 RAM 对应的地址 设立 光标 在此送上该字符对应的代码即可 由于 LCD1602 液晶显示模块只能显示 16 2 个字符 而 LCD2402 液晶显示模 块能够显示 24 2 个字符 在本设计中要显示的字符比较少 综上所述 我选择 LCD1602 作为本设计的显示模块 3 33 3 光电传感器的选择光电传感器的选择 在本设计中选择 PMM18 C301NA 型光电管作为本次设计楼层检测部分主要器 件 PMM18 C301NA 型光电管是将砷化镓红外光发光管和硅光敏三级管装在中间 带槽的支架上 当槽内无物体时 砷化镓发光管发出的光直接照在硅光敏三级 管的窗口上 从而产生大的电流输出 当有物体经过槽内时则挡住光线 此时 光敏管的输出端为低电平 这样可识别物体的有无 PMM18 C301NA 型光电管的主要技术参数 最大正向电流 IFMAX 50Ma 正向压降 VF 1 5V 反向耐压 VR 5V 反向漏电 IR 50uA 输出特性如下 暗电流 ID 0 1uA 反向耐压 VBR CEO 20V 光电流 IL 为 2 至 3mA 响应时间 tr 3us tf 4us 3 43 4 电机驱动模块的选择电机驱动模块的选择 在通过各种的考虑后 步进电机驱动芯片我选用的是 ULN2003 ULN2003 输 入回路的电阻是 2 7k 且 ULN2003 适于 5v 的 TTL 与单片机的额定电压一致 驱动灌入电流 500mA 可以叫灵敏的驱动步进电机 采用 L298N 芯片驱动 根 据单片机系统程序设定 PWM 信号 在输出端接入直流电机 根据不同按键的不 同信号就可以实现电梯上升与下降 以及电梯门的开关 所以直接采用 ULN2003 3 5 铁传感器的选用 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 15 霍尔接近开关来检测材料是否是磁性铁金属 霍尔元件是一种磁敏元件 利用霍尔元件做成的开关 叫做霍尔开关 当磁性物件移近霍尔开关时 开关 检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化 由此识 别附近有无磁性物体存在 进而控制开关的通或断 本系统中 当材料是铁时 传感器开关闭合 产生电流驱动线圈 霍尔接近开关的工作原理见图 2 4 因此 本系统中检测铁物料选用霍尔传感器为 2AV 系列 图 3 4 霍尔接近开关的工作原理图 3 6 铝传感器的选用 当通过金属体的磁通过变化时 就会在导体中产生感生电流 这种电流在 导体中是自行闭合的 这就是所谓电涡流 6 电涡流的产生必然要消耗一部分 能量 从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化 这一物理现象称为涡流效应 电 涡流式传感器是利用涡流效应 将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的 15V R1 Rf U0 V1 R2 V2 R3 15V R4 4 1 2 3 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 16 如图 3 5 所示 一个扁平线圈置于金属导体附近 当线圈中通有交变电流 I1时 线圈周围就产生一个交变磁场 H1 置于这一磁场中的金属导体就产生电 涡流 I2 电涡流也将产生一个新磁场 H2 H2与 H1方向相反 因而抵消部分原 磁场 使通电线圈的有效阻抗发生变化 图 3 5 电涡流传感器原理图 我们可以把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环 这样就可得到如 图 2 6 的等效电路 图中 R1 L1为传感器线圈的电阻和电感 短路环可以认为 是一匝短路线圈 其电阻为 R2 电感为 L2 线圈与导体间存在一个互感 M 它随线圈与导体间距的减小而增大 当铝检测传感器检测到金属材料时 传感 器的线圈阻抗就会发生变化 图 3 6 电涡流传感器等效电路图 利用这一性质可以把铝传感器和继电器如图 2 7 连接 实现开关功能 所 以本系统铝传感器选用电涡流传感器为 ST 系列 H1 H2 H I1 I2 线 圈 被测 导体 R1R2 M L1 L2 I2 I1 U1 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 17 图 3 7 铝传感器开关原理图 3 7 颜色传感器的选用 我们所看到的物体颜色 实际上是物体表面吸收了照射到它上面 白光 日 光 中的一部分有色成分之后 反射出的另一部分有色光在人眼中的反应 7 白 色是由各种频率的可见光混合在一起构成的 也就是说白光中包含着各种颜色 的色光 如红 黄 绿 青 蓝 紫 根据三原色理论可知 各种颜色是由不 同比例的三原色 红 绿 蓝 混合而成的 如果知道构成各种颜色的三原色的 值 就能够知道所测试物体的颜色 高分辨率颜色传感器 TCS230 是我们常用 的颜色传感器 对于 TCS230 来说 当选定一个颜色滤波器时 它只允许某种 特定的原色通过 阻止其它原色的通过 例如 当选择红色滤波器时 入射光 中只有红色可以通过 蓝色和绿色都被阻止 这样就可以得到红色光的光强 同理 选择其它的滤波器 就可以得到蓝色光和绿色光的光强 通过这三个值 就可以分析投射到 TCS230 传感器上的光的颜色 本文选择红色滤波器 R 2 1 12 AD220V电源 继电器 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 18 第第 4 4 章章 系统硬件设计系统硬件设计 4 14 1 硬件模介绍硬件模介绍 4 1 14 1 1 单片机技术简介单片机技术简介 单片机又称为单片微型计算机 single chip microcomputer 又称为微控 制处理器或嵌入式微控制处理器 它是将计算机的部分基本组成部件做到微型 化 使之集成在一块芯片上的微型计算机 其上集成了包括中央处理器 CPU 片内含有随机存储器 RAM 程序存储器 ROM 或者 EOROM 并行的 8 位 I 0 口 定 时器与计数器 中断控制处理器及支持总线模式等 它是工业设备控制 工业 流程检测控制和智能化电器设备控制系统中应用程度最广泛的一种处理器 这 种处理器的最大特点是设计开发人员可以根据自己的想法和实际需要进行开发 研究 设计一个基于单片机电子设备系统 因此更加的方便 更加的灵活 成 本所需更低 设计基于单片机电路系统的基本方法是在单片机的基础上扩展一 些 I O 接口 如用于模 数转换的 A D 芯片 D A 芯片 用于人机对话的键盘处 理信息接口 LED 灯和 LCD 接口 数码管显示接口等电子器件 可用于对输出 控制的按键接口等 然后在此硬件基础上在开发一些应用软件就可以组成完整 的单片机控制系统 经过软件调试就可以应用在实际生活中 单片机有着体积 小 功耗低 运算速度快 功能多 性价比高 容易推广应用等显著性特点 在自动化控制装置 智能化显示仪器仪表 对于过程控制和在家用电器等众多 领域中获得了广泛的应用 针对于国内开发应用单片机的发展情况来看 自从 80 年代初起步以来 以 Intel 公司的 MCS 48 系列的单片机为主导机种以来 单片机已有 70 多个系列 近 500 多个机种 许多电子公司率先渗入到微机控制 的各个领域 并且取得了一定的应用成果 现在国际知名的公司有 Intel 公司 Atemel 公司 Philips 公司 Winbond 公司 LG 公司 Cygnal 公司 Motorola 公司 Zilog 公司 Microchip 公司 80 年代中期以来 随着单片机的性能 更强 运算速度更快的 MCS 51 系列的单片机加入 单片机在应用中得到了更为 迅速的推广和更为广泛的应用 4 1 24 1 2 系统主要芯片和元器件的介绍及应用系统主要芯片和元器件的介绍及应用 a AT89S52 单片机芯片 AT89S52 单片机是 ATLEM 公司推出的一种高速 低功耗 超强抗外界干扰 微型单片机处理器 其编译的指令代码和 C 语言源程序完全兼容传统 8051 单片 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 19 机 其为 40 引脚的双列直插封装形式的 8 位通用微型计算机处理器 采用工业 上规定的标准的 C51 内核处理器 在其内部的功能及其引脚排布上与现在市场 上或者工业上通用的 8xc51 是相同 其主要功能包括对会聚主 IC 内部的寄存器 数据的 RAM 及外部接口等功能部件的初始化 支持会聚调整控制 支持会聚测 试图的有效控制 可以进行红外遥控信号 IR 的接收解码及与计算机主板 CPU 的 通信等 主要特性如下 工作额定电压 5 5V 3 3V 5V 单片机 3 8V 2 0V 3V 单片机 工作的频率范围 0 40MHz 其相当于普通 8051 单片机的 2 倍 在实际测 试中 其的最高工作频率可达 48MHz 32 个双向 I O 口 256x8bit 内部 RAM 复位后为 P0 P1 P2 P3 是准双向 口 弱上拉 P0 口内部是漏极开路形式输出 当其作为总线形式扩展 I O 口用 时 不用加上拉电阻 但是作为普通 I O 口使用时 需加上拉电阻 否则无法 使用 P0 口作为数据传输 ISP 模式 在系统中可编程使用 IAP 模式 在应用 可编程使用 无需专用程序编程器 无需专用程序仿真器 就可通过串口通 信 RxD P3 0 口 TxD P3 1 口 直接下载用户所编写的程序 只需花费很少的 时间便可以下载完程序 速度十分快 效率十分高 AT89S52 具有 EEPROM 功能 可进行掉电保护 电源有复位端口接入 具有 看门狗功能 一共 2 个 16 位定时器 计数器 即定时器 T0 T1 和外部中断 4 路 下降沿中断或低电平触发电路 掉电模式可由外部中断低电平触发中断方式唤 醒 通用型的异步串行口 UART 还可用定时器软件实现多个 UART 以下是 AT89S52 的引脚参数及其封装说明 AT89S52 引脚功能说明 VCC 40 引脚 电源电压 5V RST 9 引脚 复位输入端口 ALE 30 引脚 地址锁存控制信号 ALE PSEN 29 引脚 外部程序存储器选通信号 VPP 31 引脚 访问外部程序存储器控制信号 XTAL1 19 引脚 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端口 XTAL2 18 引脚 振荡器反相放大器的输入端口 下面是 AT89S52 的样本图片 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 20 图 4 1 单片机 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 即可以作为地址或者数据总线 的两用 I O 口 作为输出口使用时 每一位能吸收电流的方式用以驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 让其进行输入口使用时必须对其写 1 在对端口 P0 写 1 时 可作为高阻抗状态的输入端口使用 在其访问外部芯片的数据存储器 或程序存储器时 这组 I O 口线可以分时进行转换地址 低 8 位 和数据总线 的复用 在访问外部数据期间必须激活内部的上拉电阻才可以 在 Flash 编程 时 P0 口接收指令代码字节 而在程序进行校验时候 输出指令代码字节 在 进行校验时 要求在 P0 口外接上拉电阻 P1 口是一个其内部自带上拉电阻的 8 位双向 I O 口 即具有通用的输入 输出功能 每一位都能独立地设定为输入口或输出口使用 P1 口的输出缓冲级 可用来驱动 吸收或者输出电流 4 个 TTL 电平的逻辑门电路 在对其端口写 1 时 即对其内部的锁存器写 1 通过其内部自带的上拉电阻可以把其 端口拉到高电平 此时可以用作输入口 在作数据输入口使用时 因为其内部 存在的上拉电阻 它的某个引脚会被外部信号拉低时会输出一个电流 IIL 与 8xC51 不同之处是 P1 0 和 P1 1 还可分别作为定时 计数器 2 的外部计数输 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 21 入 P1 0 T2 和输入 P1 1 T1EX 在进行 Flash 的编程和程序校验期间 P1 口用以接收数据的低 8 位地址 P2 口是一个内部自带有上拉电阻的 8 位双向 I O 口 即可用作输入 输出 口的使用 也可作为扩展系统的地址总线 输出高 8 位地址 与 P0 口一起组成 16 位地址总线 P2 口的输出缓冲级可用以驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻 辑门电路 这里和 P1 口是一样 可以对其端口 P2 写 1 通过内部自带的 上拉电阻把端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口进行输入数据或者信 号使用时 因为其内部存在上拉电阻 在其某个引脚被外部输入的信号拉低时 会对外输出一个电流 IIL 因 P3 口的功能繁多 可用作双向数据传输和串口输入输出 RxD P3 口 TxD P3 1 口 故在这里把 P3 口的引脚复用功能以表格形式展示出来 如下表 P3 口引脚复用功能 引脚号复用功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 外部中断 0 P3 3 外部中断 1 P3 4 T0 定时器 0 的外部输入 P3 5 T1 定时器 1 的外部输入 P3 6 外部数据存储器写选通 P3 7 外部数据存储器读选通 4 1 34 1 3 ULN2003ULN2003 电机驱动模块介绍电机驱动模块介绍 ULN2003 是一种高耐压 大电流的达林顿陈列 由七个 NPN 达林顿管组成 每一对达林顿都串联一个 2 7K 的基极电阻 在 5V 的工作电压下与 TTL 和 CMOS 电路直接相连 可以直接处理需要标准逻辑缓冲器来处理的数据 ULN2003 的 内部结构如图 1 灌电流可达 500mA 并且在关态时能够承受 50V 的电压 可以 在高负载电流下并行输出运行 其中 由单片机 AT89S52 的 P1 0 P1 1 脚作为 ULN2003 的 1 4 口输入端所构成的步进电机驱动电路 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 22 图 4 2 ULN2003 步进电机模块设计电路图 4 1 44 1 4 LCDLCD 液晶显示模块介绍液晶显示模块介绍 在日常生活中 我们对液晶显示器并不陌生 液晶显示模块已作为很多电 子产品的通过器件 如在计算器 万用表 电子表及很多家用电子产品中都可 以看到 显示的主要是数字 专用符号和图形 在单片机系统中应用晶液显示 器作为输出器件有显示质量高 数字式接口 体积小 重量 轻 功耗低等优 点 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性 通过电压对其显示区域进行控制 有电就有显示 这样即可以显示出图形 液晶显示器具有厚度薄 适用于大规 模集成电路直接驱动 易于实现全彩色显示的特点 目前已经被广泛应用在便 携式电脑 数字摄像机 PDA 移动通信工具等众多领域 液晶显示的分类方法 有很多种 通常可按其显示方式分为段式 字符式 点阵式等 除了黑白显示 外 液晶显示器还有多灰度有彩色显示等 如果根据驱动方式来分 可以分为 静态驱动 Static 单纯矩阵驱动 Simple Matrix 和主动矩阵驱动 Active Matrix 三种 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 23 在本系统中我们采用的是字符型液晶显示模块 它是一种专门用于显示字 母 数字 符号等点阵式 LCD 目前常用 16 1 16 2 20 2 和 40 2 行等的模 块 下面以长沙太阳人电子有限公司的 1602 字符型液晶显示器为例 介绍其用 法 一般 1602 字符型液晶显示器实物如图 10 53 图 4 3 1602 字符型液晶显示器实物图 LCD1602 引脚功能说明 1602LCD 采用标准的 14 脚 无背光 或 16 脚 带背光 接口 各引脚接口说 明如表 10 13 所示 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS 电源地 9D2 数据 2VDD 电源正极 10D3 数据 3VL 液晶显示偏压 11D4 数据 4RS 数据 命令选择 12D5 数据 5R W 读 写选择 13D6 数据 6E 使能信号 14D7 数据 7D0 数据 15BLA 背光源正极 8D1 数据 16BLK 背光源负极 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 24 表 4 1 引脚接口说明表 图 4 5 读操作时序 图 4 6 写操作时序 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 25 图 4 7 LCD1602 实际应用电路图 4 4 1 5 1 5 蜂鸣器模块蜂鸣器模块 系统蜂鸣器的工作原理如下 当单片机端口输出高电平时 三极管 B 极 三极管的各个参数如 3 6 节所示 处于高电平 三极管不导通 蜂鸣器不响 当单片机端口输出低电平时 三极管 B 极处于低电平 三极管导通 蜂鸣器鸣 响 在本系统中如果要运用到实际中的话本来是要把单片机端口 P3 4 口接上继 电器再控制 220V 电源的电铃的 但由于各种原因 在这次设计中我是用蜂鸣器 来显示出打铃的效果的 蜂鸣器与单片机的连接图如图 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 26 图 4 8 蜂鸣器连接图 4 1 64 1 6 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔传感器是利用霍尔元件的霍尔效应制作的半导体磁敏传感器 半导体磁敏传感器是指 电参数按一定规律随磁性量变化的传感器 常用的磁敏传感器有霍尔传感器和磁敏电阻传 感器 除此之外还有磁敏二极管 磁敏晶体管等 磁敏器件是利用磁场工作的 因此可以 通 过非接触方式检验 这种方式可以保证使用寿命长 可靠性高 我们使用的 ALIM7567 霍尔传感器模块参数如下 简要说明 一 长尺寸 32mm X 宽 11mm X 高 20mm 二 主要芯片 LM393 3144 霍尔传感器 三 工作电压 直流 5 伏 四 特点 1 具有信号输出指示 2 单路信号输出 3 输出有效信号为低电平 4 灵敏度可调 精调 5 有磁场切割就有信号输出 6 电路板输出开关量 可直接接单片机 7 可用于电机测速 位置检测等场合 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 27 4 24 2 单片机最小系统的设计单片机最小系统的设计 4 2 14 2 1 时钟脉冲电路时钟脉冲电路 AT89S52 单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器 XTAL1 和 XTAL2 分别是放大器的输入 输出端 石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自 激振荡器 如图 4 9 所示 图 4 10 晶振电路 石英晶振 利用 12MHZ 晶振 C1 C2 30PF 陶瓷谐振器 C1 C2 40PF XTAL1 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 4 2 24 2 2 复位电路复位电路 AT89S52 的复位引脚 RESET 是第 9 脚 当此引脚连接高电平超过 2 个机 器周期 即可产生复位的动作 以 12MHz 的时钟脉冲为例 每个时钟脉冲为 1 S 两个机器周期为 2 S 因此 在第 9 脚上连接一个 2 S 的高电平脉冲 即可产生复位动作 最简单的就是只有一个电阻跟一个电容就可组成一个可靠 复位的电路 电阻一般选择 10K 电容一般选择 10 F 复杂一点的就加个按键 可以进行手动复位 如图 4 10 所示 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 28 图 4 11 复位电路 4 34 3 硬件设计总图硬件设计总图 图 4 13 硬件设计总图 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 29 第第 5 5 章章 软件程序设计软件程序设计 5 15 1 软件程序整体设计软件程序整体设计 单片机金属分拣控制系统的主控程序采用循环调用显示 键盘处理程序 红外判断断子程序 控制子程序 显示子程序将最新的按键数据在液晶上显示 在主控程序循环中主要的工作就是扫描是否有按键 若有按键按下则应做相应 的功能处理 转入相应的程序 执行相应的功能 判断子程序检查当前时间是 否相等 如果相等 就执行相应程序 根据设计要求画出程序主流程图 5 1 15 1 1 程序流程图程序流程图 图 5 1 程序流程图 5 25 2 程序模块设计程序模块设计 5 2 15 2 1 电机控制程序设计电机控制程序设计 unsigned int speed 3 define Coil AB1 A1 1 B1 1 C1 0 D1 0 AB 相通电 其他相断电 define Coil BC1 A1 0 B1 1 C1 1 D1 0 BC 相通电 其他相断电 define Coil CD1 A1 0 B1 0 C1 1 D1 1 CD 相通电 其他相断电 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 30 define Coil DA1 A1 1 B1 0 C1 0 D1 1 D 相通电 其他相断电 define Coil A1 A1 1 B1 0 C1 0 D1 0 A 相通电 其他相断电 define Coil B1 A1 0 B1 1 C1 0 D1 0 B 相通电 其他相断电 define Coil C1 A1 0 B1 0 C1 1 D1 0 C 相通电 其他相断电 define Coil D1 A1 0 B1 0 C1 0 D1 1 D 相通电 其他相断电 define Coil OFF A1 0 B1 0 C1 0 D1 0 全部断电 void t0 time interrupt 1 TMOD 0X00 TH0 0XFE buzzer 1 if gd 0 buzzer 0 delayms 10 while gd 0 Coil A1 步进电机相位控制 delayms speed Coil AB1 delayms speed Coil B1 delayms speed Coil BC1 delayms speed Coil C1 delayms speed Coil CD1 delayms speed Coil D1 delayms speed Coil DA1 delayms speed if huoer 0 delayms 10 while gd 0 P0 1 北京化工大学北方学院毕业设计 论文 31 5 2 25 2 2 LCD1602LCD1602 显示程序设计显示程序设计 void delayms unsigned int time unsigned int j k for j time j j for k 100 k k 写入命令函数 void LCD WRITECOM unsigned char i RS CLR EN SET delayms 1 DATAPORT i EN CLR delayms 1 写入单个数据函数 void LCD WRITEDATA unsigned char i RS SET EN SET delayms 1 DATAPORT i EN CLR delayms 1 读入字符函数 void LCD WRITECHAR unsigned char i unsigned char j unsigned char k if j 0 LCD WRITECOM 0 x80 i else LCD WRITECOM 0 xc0 i LCD WRITEDATA k 0 x30 写入字符串函数 void LCD WRITESTRING unsigned char i unsigned char j unsigned char k 北京化