單片機(jī)；電感式傳感器；自動檢測；滾珠分選

PAGEPAGE13哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）I-摘要隨著我國精密制造技術(shù)的不斷發(fā)展，滾珠已廣泛應(yīng)用于滾動軸承、滾珠絲桿等精密傳動部件中。滾珠的生產(chǎn)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高精度、大批量的生產(chǎn)模式。但是由于生產(chǎn)過程中存在的加工誤差及各項(xiàng)加工環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的其它誤差，即使在使用同一批次生產(chǎn)出來的滾珠也需要進(jìn)行篩選，而大多數(shù)情況下，這些篩選工作都是由人工完成的，勞動強(qiáng)度太大、誤差率較高。根據(jù)目前滾珠篩選的現(xiàn)狀經(jīng)結(jié)合單片機(jī)和傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的滾珠分選器，通過分選器可以實(shí)現(xiàn)對滾珠的自動檢測和識別。首先通過控制機(jī)械裝置對滾珠進(jìn)行送料，將滾珠排成一列，然后通過電感式傳感器對滾珠的直徑進(jìn)行測量，并配合人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行尺寸的設(shè)定和系統(tǒng)信息的顯示，實(shí)現(xiàn)對滾珠的自動篩選，大大提高了滾珠篩選的效率，降低了人工成本，通過這種控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)方法的創(chuàng)新，提高效率的同時，也很好的將單片機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)滾珠分選行業(yè)相結(jié)合，可見對于滾珠軸承的自動分選的研究有非常重大的意義。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；電感式傳感器；自動檢測；滾珠分選AbstractWiththecontinuousdevelopmentofprecisionmanufacturingtechnologyinChina,ballshavebeenwidelyusedinprecisiontransmissionpartssuchasrollingbearingsandballscrew.Ballproductionhasalsoachievedahigh-precision,massproductionmode.However,duetotheprocessingerrorsintheproductionprocessandothererrorsinvariousprocessinglinks,eveniftheballsproducedinthesamebatchneedtobescreened,andinmostcases,thesescreeningworkisdonebymanual,laborintensityistoolarge,errorrateishigh.Accordingtothecurrentsituationofballsscreening,aballsSorterBasedonsingle-chipcomputerisdesignedbycombiningsingle-chipcomputerandsensortechnology.Theballscanbeautomaticallydetectedandidentifiedbythesorter.Firstly,theballsarefedbycontrollingthemechanicaldevice,andtheballsarearrangedinarow.Thenthediameteroftheballsismeasuredbyinductancesensor,andthesizeoftheballsissetandthesysteminformationisdisplayedwiththehuman-computerinteractionsystem.Theautomaticscreeningoftheballsisrealized,whichgreatlyimprovestheefficiencyofballsscreeningandreducesthelaborcost.Throughthiscontroltechnologyandsensor,theefficiencyofballsscreeningisgreatlyimproved.Thecombinationoftechnologynotonlyrealizestheinnovationoftraditionalmethodsandimprovesefficiency,butalsocombinesMCUtechnologywithtraditionalballsortingindustry.Itisobviousthattheresearchonautomaticsortingofballbearingsisofgreatsignificance.Keywords：SingleChipMicrocomputer;InductiveSensor;AutomaticDetection;BallSorting

目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1課題背景及意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3課題的設(shè)計(jì)目標(biāo) 21.4課題研究的主要內(nèi)容 3第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)與方案論證 42.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 42.2主控芯片的選擇 52.3直徑測量傳感器的選擇 62.4AD轉(zhuǎn)換器的選擇 72.5顯示模塊的選擇 82.6通信方式的選擇 92.7驅(qū)動模塊的選擇 102.8系統(tǒng)電源的選擇 11本章小結(jié) 11第3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 133.1處理器最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 133.2直徑檢測電路設(shè)計(jì) 143.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 143.4顯示電路設(shè)計(jì) 153.5通信電路設(shè)計(jì) 163.6電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 173.7按鍵電路設(shè)計(jì) 183.8電源電路設(shè)計(jì) 18本章小結(jié) 19第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 204.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 204.2模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì) 214.3電機(jī)控制子程序設(shè)計(jì) 224.4顯示子程序設(shè)計(jì) 23本章小結(jié) 23第5章系統(tǒng)實(shí)物調(diào)試 245.1系統(tǒng)調(diào)試 24本章小結(jié) 25結(jié)論 26致謝 27參考文獻(xiàn) 28附錄一系統(tǒng)電路圖 29附錄二程序部分源碼 30第1章緒論1.1課題背景及意義隨著我國工業(yè)的進(jìn)步和制造能力的提高，可以加工高精度的零件，同時機(jī)械化的水平也不斷的在提高，這些都是科技發(fā)展的結(jié)果。我國的滾珠一直以來都是靠日本進(jìn)口，他們的設(shè)備更先進(jìn)一些，生產(chǎn)出來的滾珠的精度更高一些，但是經(jīng)過多年的努力，我國也在這種高精度設(shè)備上有了很大的提高，不大能生產(chǎn)滾珠，鋼筆尖等，還可以實(shí)現(xiàn)高精度的車銑刨磨等操作，但是無論生產(chǎn)機(jī)器的精度有多高，總會有一些殘次品混入到其中，這是誤差積累導(dǎo)致的，由于重力的影響，滾珠都是相對圓形的，實(shí)際上每個滾珠都是橢圓的，只有在無重力的環(huán)境下才有可能生產(chǎn)出絕對圓的滾珠，而精度不高的滾珠又會對軸承產(chǎn)生影響，影響軸承的壽命，軸承的游隙如果較大，則會導(dǎo)致沖擊大，而滾珠的直徑以及直徑的精度決定了游隙的大小，因此，高精度的滾珠有利于系統(tǒng)的運(yùn)行。傳統(tǒng)的滾珠加工過程中，由于外界的因素會影響滾珠的精度，導(dǎo)致滾珠的直徑在一定的范圍內(nèi)，從而影響滾珠的直徑的不一致性，而滾珠精度的變化將直接影響軸承的動態(tài)特性。因此，在將滾珠安裝到對應(yīng)的軸承之前，需要通過進(jìn)行直徑尺寸的精度測量和篩選。傳統(tǒng)的滾珠篩選的方式是通過人工篩選的方法，但是缺點(diǎn)是效率低，出錯率高，同時，由于滾珠比較小，大量的滾珠無法通過人工來進(jìn)行篩選，既費(fèi)時效率又低，分選出的滾珠的良品率也比較低。因此為了解決這話總問題，一方面工廠增加加工精度，另一方面通過嚴(yán)格的篩選選出直徑合格的滾珠。在使用同一種生產(chǎn)工具來進(jìn)行滾珠的加工，會產(chǎn)生不同直徑精度的滾珠，而為了保證滾珠的精度和軸承等使用滾珠的部位能夠穩(wěn)定的運(yùn)行，因此有必要對滾珠的直徑進(jìn)行篩選，提高生產(chǎn)機(jī)器的精度是問題的根本所在男士機(jī)器的成本很高，且需要一定的周期才能夠完成設(shè)備的更新?lián)Q代，因此通過篩選裝置來對直徑不合格的滾珠進(jìn)行剔除，保證滾珠的良品率，在一個公差范圍內(nèi)進(jìn)行篩選，并結(jié)合軸承等使用滾珠的結(jié)構(gòu)裝置進(jìn)行直徑的確定，這樣就可以在不更換設(shè)備的前提下對滾珠的直徑進(jìn)行篩選。滾珠分選的傳統(tǒng)方法往往使用人工分選。這種分選方法主要弊端是勞動強(qiáng)度大、分選效率低、分選速度慢、分選質(zhì)量差等等。因此，需要更加精準(zhǔn)快速的裝置來進(jìn)行滾珠的分類?？梢妼τ跐L珠軸承的自動分選的研究有非常重大的意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外對滾珠等加工件的分選裝置的研究比較早，針對滾珠生產(chǎn)裝置的次品率問題進(jìn)行有效的篩選，配合生產(chǎn)設(shè)備完成對加工件的篩選，它是生產(chǎn)加工行業(yè)的重要裝置。對于滾珠分選和檢測的研究，早在美國、日本、前蘇聯(lián)等國家已經(jīng)開始研究，并研發(fā)出了滾珠檢測儀器，通過儀器可以自動的對滾珠直徑進(jìn)行分類，其中設(shè)備分選效果最好的是捷克的SOMET公司研發(fā)的AVIK0系列鋼球自動檢測分選儀，很多國家使用這種型號的檢測儀器。日本的大旺鋼球株式會社也對滾珠分選裝置進(jìn)行了深入的研究，并推出了AVIK0系列鋼球直徑自動檢測儀，這種儀器的主要原理是通過光電、振動以及電渦流傳感器進(jìn)行檢測。這些國家對滾珠分選的研究都比較早，并在各個國家的加工系統(tǒng)中使用，具體的技術(shù)一直被封鎖，導(dǎo)致很多分選設(shè)備只能夠進(jìn)口。我國對滾珠分選裝置的研究開始于19世紀(jì)60年代，為了提高滾珠的生產(chǎn)質(zhì)量，我國的科研人員自主研發(fā)設(shè)計(jì)了滾珠分選設(shè)備，重慶大學(xué)最開始對設(shè)備進(jìn)行研究，并取得了初步的成果，哈爾濱軸承廠、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等也進(jìn)行了相關(guān)的研究，并逐步的向生產(chǎn)的實(shí)用性轉(zhuǎn)化，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)的潘共平博士研究了鋼球分選檢測體系評價(jià)，山東大學(xué)的徐淑瓊等人通過超聲波的方式對滾珠的直徑進(jìn)行檢測和篩選，這種方法的好處是對鋼球的表面及本身沒有任何的損傷和影響，同時可以準(zhǔn)確的檢測滾珠的直徑。并隨著科技的發(fā)展，一些公司也開始對滾珠分選裝置的研究，例如從眾機(jī)械公司研發(fā)的ZW鋼球分選機(jī)，可實(shí)現(xiàn)快速大量的滾珠分選。我國的滾珠分選裝置研究較晚，相對于國外的設(shè)備還需要技術(shù)和效率的提高。1.3課題的設(shè)計(jì)目標(biāo)傳統(tǒng)的滾珠直徑篩選是通過人工來進(jìn)行的，速度慢，效率低，因此需要結(jié)合機(jī)械裝置和嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)滾珠直徑的自動分選，通過傳感器和控制芯結(jié)合的方式來對裝置進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)對滾珠的自動入料，滾珠直徑的篩選，以及篩選后滾珠的的品質(zhì)分類，通過這種裝置可以提高檢測的精度和速度，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工檢測，只需要對裝置進(jìn)行設(shè)置就可以實(shí)現(xiàn)對滾珠直徑的篩選，通過滾珠篩選裝置實(shí)現(xiàn)滾珠的進(jìn)料、篩選、分類，系統(tǒng)將自動把不在公差帶內(nèi)的滾珠篩選出來，并通過人工的方式將合格的滾珠打包。經(jīng)過分析和調(diào)研，基于單片機(jī)的滾珠分選裝置前景很深遠(yuǎn)而且發(fā)展空間也比較大，因此，對于這項(xiàng)技術(shù)，我們有必要對其進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，傳感器技術(shù)已經(jīng)很成熟，可以精確的將所需的物理量轉(zhuǎn)化成模擬量，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換成微處理器能接收的數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)一次數(shù)據(jù)的采集，本課題所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)正式基于此類系統(tǒng)，將傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)、通信技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)一種高效，快速，可控的滾珠分選系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對滾珠的快速分選，并提高分選的精度和良品率。1.4課題研究的主要內(nèi)容本次課題是通過分選裝置來對滾珠的直徑進(jìn)行分選，分選器從整體可以分為機(jī)械部分和控制部分，控制部分包括微處理器，電機(jī)的控制裝置，傳感器模塊，顯示裝置，人機(jī)交互部分等，測量部分使用的是電感傳感器，由于電感傳感器輸出的是電壓信號，因此需要信號轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)對模擬量的轉(zhuǎn)換，微處理器在對信號進(jìn)行處理，得到滾珠直徑的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的控制部分由4臺減速直流電機(jī)組成，通過電機(jī)來控制滾珠的送料和分選等，而微處理器無法單獨(dú)控制電機(jī)，因此需要通過驅(qū)動電路來控制電機(jī)的運(yùn)行，電機(jī)在單片機(jī)和驅(qū)動電路的信號控制下實(shí)現(xiàn)滾珠送料和出料，當(dāng)被加測的滾珠進(jìn)入到傳感器檢測的通道后，根據(jù)電感傳感器的數(shù)據(jù)來判斷滾珠的直徑是否在公差帶之間，如果在則留下，否則通過電機(jī)來投放到不同的存儲槽中，使?jié)L珠經(jīng)過不同的閥門進(jìn)入到不同的料箱中儲存，從而完成對滾珠直徑的自動測量與分選，人機(jī)交互部分是系統(tǒng)顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及檢測直徑公差帶的設(shè)置，通過系統(tǒng)的各個模塊完成滾珠直徑的分選。軟件部分，本設(shè)計(jì)擬采用矩陣鍵盤對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，擬采用STC89C5單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制分選，用LCD12864進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。系統(tǒng)可分為以下幾點(diǎn)功能。1.通過微處理器的控制將物料送入到檢測傳感器中；2.通過電感式傳感器來對滾珠的直徑進(jìn)行檢測；3.測量后的滾珠要按照一定的尺寸進(jìn)行分級存放；4.通過液晶顯示系統(tǒng)檢測的直徑等數(shù)據(jù)；5.通過控制電路實(shí)現(xiàn)對滾珠后續(xù)的運(yùn)行，分級等。第2章系統(tǒng)設(shè)計(jì)與方案論證首先確定系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和功能，再通過方案論證來對系統(tǒng)中所需的器件和模塊進(jìn)行選型，通過方案的對比選擇合適的型號和模塊，并對其性能和電路進(jìn)行分析，調(diào)節(jié)參數(shù)使其符合設(shè)計(jì)要求融合在系統(tǒng)中。2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的滾珠分選器將實(shí)現(xiàn)對滾珠直徑的檢測和分來，通過單片機(jī)和外圍模塊的組合，高效快速的對滾珠的直徑進(jìn)行篩選，通過前端的電感傳感器來采集信號，電感傳感器的原理是在滾珠通過傳感器時，傳感器可以檢測到微弱的變化量，并將這種變化量的信號放大，然后通過信號量來計(jì)算滾珠實(shí)際的直徑大小，由于滾珠直徑的差別很小，需要通過轉(zhuǎn)換電路和放大電路來對信號進(jìn)行檢測和放大，從而轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，使用電感傳感器相對于傳感器靈敏度更高，分辨速度塊，性能穩(wěn)定，可以將滾珠的直徑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量，然后在通過AD電路轉(zhuǎn)換模擬量，AD轉(zhuǎn)換電路要采用高精度的轉(zhuǎn)換電路，且轉(zhuǎn)換的速度較快，因此選用高分辨率的AD轉(zhuǎn)換電路，這樣就完成了從前端傳感器和微處理器的設(shè)計(jì)，核心微處理器采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖基于單片機(jī)的滾珠分選器采用模塊化的方案，系統(tǒng)包括送料部分，檢測部分，主控電路，人機(jī)操作部分，以及上位機(jī)控制等幾部分，系統(tǒng)的主控部分采用STC89C52單片機(jī)，單片機(jī)的內(nèi)部集成了串口通訊、定時器和計(jì)數(shù)器，實(shí)時時鐘等基本的外圍設(shè)備，通過程序運(yùn)算可實(shí)現(xiàn)對模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字量的接收和控制指令的發(fā)送；利用電感式傳感器內(nèi)部的線圈自感或互感系數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)非電量電測，當(dāng)不同直徑的滾珠經(jīng)過傳感器時，能夠通過微弱的變化檢測出直徑的不同；電感式傳感器輸出的是模擬量，而單片機(jī)的內(nèi)部沒有可以用來轉(zhuǎn)換的AD電路，因此需要連接外部的轉(zhuǎn)換電路，通過ADC對電感式傳感器的輸出進(jìn)行檢測，通過按鍵可以對滾珠的檢測直徑進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定好數(shù)值后，系統(tǒng)會對符合要求的滾珠進(jìn)行收集，不符合的則排除在外，通過L298N驅(qū)動模塊來控制系統(tǒng)的機(jī)械部分，通過單片機(jī)的控制信號來控制驅(qū)動模塊，驅(qū)動電路負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，在系統(tǒng)中共使用2個驅(qū)動模塊，分別對傳送帶、分選器進(jìn)行控制，使系統(tǒng)的自動化更高。系統(tǒng)通過LCD1602對檢測的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行顯示，其可顯示2行字符及漢字，完全滿足系統(tǒng)要求；用戶可以通過顯示液晶來了解系統(tǒng)的狀態(tài)，通信電路是滾珠分選器與上位機(jī)連接的紐帶，通過通信電路可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制和上位機(jī)對其進(jìn)行控制和設(shè)定。2.2主控芯片的選擇主控芯片作為系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)中的輸入信號，并根據(jù)系統(tǒng)所需功能，輸出開關(guān)量，主控芯片的選擇方案如下：方案一：采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片。它常用于簡單的嵌入式系統(tǒng)中，可以滿足大部分中低端設(shè)備的要求，它有2個內(nèi)部定時器，一個串口，可以存256K字節(jié)的程序，還有復(fù)用功能的I/O口，在眾多產(chǎn)品中脫穎而出，相對其他系列的單片機(jī)而言，STC89C52單片機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定，性價(jià)比高，開發(fā)難度小。方案二：采用MEGA168單片機(jī)。這種單片機(jī)是8位的單片機(jī)，而且芯片內(nèi)配置8位寄存器，相對于其他類型的單片機(jī)來講，性價(jià)比很高，內(nèi)部有32個通用寄存器，16K的Flash，可以通過ISP的方式下載程序，操作簡單，同時AVR單片機(jī)的處理能力也增強(qiáng)了很多，但是相對來講，開發(fā)的周期較。方案三：采用STM32系列單片機(jī)。STM32系列單片機(jī)片內(nèi)資源豐富，功能強(qiáng)大，自帶內(nèi)部ADC，常用于嵌入式開發(fā)，它的引腳眾多，供電為3.3V，I/O資源豐富，程序的存儲空間大，可以實(shí)現(xiàn)IIC通信和SPI通信，節(jié)省了很多的外部電路資源。但是缺點(diǎn)是價(jià)格較高，開發(fā)難度較大?；趩纹瑱C(jī)的滾珠分選裝置在于檢測精度，檢測精度與控制芯片無關(guān)，因此選用STC89C52單片機(jī)既可滿足系統(tǒng)的要求，它是一款比較常用的單片機(jī)，雖然內(nèi)部資源沒有其他單片機(jī)豐富，但是經(jīng)過市場的長時間檢驗(yàn)，其穩(wěn)定性得到了肯定，而本設(shè)計(jì)中使用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，因此從成本和維護(hù)的角度來考慮，STC89C52單片機(jī)更適合本系統(tǒng)，開發(fā)難度也較小，可以實(shí)現(xiàn)本課題的所有要求。1.單片機(jī)特性：STC89C52單片機(jī)內(nèi)部的存儲器有4K字節(jié)的空間，而且可編程、擦除，電壓低、性能好，采用CMOS電平，是現(xiàn)在流行的8位微處理器。它的內(nèi)部的只讀存儲器連續(xù)擦除后，只能擦除100次左右。不同作用的功能電路被集成在8位的CPU內(nèi)部，而且內(nèi)部還帶有存儲器，存儲器被嵌入到芯片中。STC89C52是效率很高的8位的微型控制器。STC89C52的性價(jià)比較高，適合嵌入式系統(tǒng)。2.性能簡介：單片機(jī)內(nèi)部有通用的51內(nèi)核，4KB的FLASH存儲器，可以反復(fù)擦寫程序次數(shù)達(dá)1000次，內(nèi)部數(shù)據(jù)可長時間保留。標(biāo)準(zhǔn)的工作電壓：4.0-5.5V之間均可以。完全的靜態(tài)穩(wěn)定工作的頻率范圍：0HZ-33MHz。內(nèi)部有128×8B的RAM，4×8個I/O口，T0和T1兩個16位的定時器/計(jì)數(shù)器，而且內(nèi)部還帶有5個中斷?？臻e工作狀態(tài)和掉電工作狀態(tài)：單片機(jī)使用的是內(nèi)部的振蕩器和時鐘計(jì)數(shù)電路。3.引腳說明：VCC：供電電壓；GND：接地；I/O口：單片機(jī)一共有4組IO口包括P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7；RST：復(fù)位引腳。ALE/PROG：鎖存端；PSEN：單片機(jī)連接外部EEPROM；EA/VDD：控制端；X1X2：晶振引腳。2.3直徑測量傳感器的選擇通過傳感器對滾珠的直徑進(jìn)行檢測，傳感器探頭的重要組成部分，也是能否成功將不合格滾珠檢測出來的關(guān)鍵器件，因此，需要選擇高精度的檢測傳感器。方案一：采用CCD等光學(xué)感應(yīng)器件對于被測量進(jìn)行分選，由于光學(xué)感應(yīng)器件有速度快，誤差小，功能多等優(yōu)勢，光學(xué)感應(yīng)器件大多都用于精度要求不高的場合，如水果分選等。方案二：采用M18電感式位移傳感器對于被測量進(jìn)行篩選，利用傳感器內(nèi)部的線圈的自感應(yīng)來產(chǎn)生變化量，它的阻抗小，抗干擾能力強(qiáng)，分辨率高，可以快速產(chǎn)生變化的電感量，使用互感式的傳感器可以對直徑進(jìn)行測量。方案三：采用M12電容傳感器對滾珠進(jìn)行檢測，電容傳感器是通過電容量的變化來檢測滾珠直徑的變化，然后再將電容變化的量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，它具有靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。在基于單片機(jī)的滾珠分選裝置中，電容傳感器的精度很高，適用于高精度的系統(tǒng)中，而CCD等光學(xué)感應(yīng)器適用于精度較低的系統(tǒng)，因此，我們選擇M18電感式傳感器對滾珠進(jìn)行檢測。1.傳感器性能指標(biāo)：（1）傳感器的組成簡單穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)長時間的運(yùn)行；（2）檢測精度高，可達(dá)到0.01CM；（3）輸出電壓模擬量，誤差±0.1%；（4）可快速測量。（5）適用的量程比較小，且在公差范圍內(nèi)精度高。2.4AD轉(zhuǎn)換器的選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片負(fù)責(zé)對電感式傳感器的輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其能夠把信號傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)再根據(jù)信號來進(jìn)行直徑范圍的判斷。方案一：使用ADC0809轉(zhuǎn)換芯片，它可以支持8路模擬量的輸入，并對輸入口逐個的進(jìn)行檢測和轉(zhuǎn)換，它的精度可以達(dá)到1/256的單位電壓，單片機(jī)通過8個數(shù)據(jù)口與轉(zhuǎn)換芯片相連接，且輸入的電壓不能超過5V，在AD芯片中，ADC0809的輸入通道可以滿足大部分的系統(tǒng)。方案二：使用TLC2543轉(zhuǎn)換芯片，它通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對模擬量的轉(zhuǎn)換，控制精準(zhǔn)，可以分辨10mV的模擬電壓，轉(zhuǎn)換速度快，精度高，有很高的采樣和轉(zhuǎn)換速度，耐高溫高壓等特點(diǎn)。方案三：ADC0832也是8位的模擬轉(zhuǎn)換芯片，相比于其他轉(zhuǎn)換芯片，它占用的單片機(jī)的IO資源比較少，有兩路的模擬量輸入，通過IIC的方式很大偏激相連接，可以輸入單個模擬量也可以實(shí)現(xiàn)模擬量的差分輸入，根據(jù)不同的情況進(jìn)行選擇，使用方式比較靈活。根據(jù)滾珠分選系統(tǒng)的功能要求，我們使用ADC0832，它的體積小，有兩路的模擬量輸入，在系統(tǒng)各種可以對兩路的電感式傳感器的輸出量進(jìn)行檢測和轉(zhuǎn)換，且價(jià)格便宜，與單片機(jī)進(jìn)行IIC通信。1.芯片主要特性：（1）可以檢測到1/256單位電壓；兩個輸入端；（2）與單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)電平兼容；（3）直流5V電壓供電；（4）最小轉(zhuǎn)換時間32us；（5）可以實(shí)現(xiàn)差分輸入；（6）工作電感轉(zhuǎn)換的模擬量0-70℃。2.芯片引腳說明：（2）CS：通過低電平控制芯片工作；（3）CH0：信號輸入0，可輸入0-5V電壓；（4）CH1：信號輸入1，可輸入0-5V電壓；（5）DI：通過該引腳控制輸入通道；（6）DO：轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。2.5顯示模塊的選擇數(shù)據(jù)顯示部分是通過顯示模塊來對系統(tǒng)中的滾珠分選過程的檢測，通過接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和指令來實(shí)時的進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的功能，顯示模塊的選擇方案如下：方案一：采用LCD1602，它可以顯示兩行的字符或數(shù)字，它可以通過并行串口或者串行串口來進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，有的液晶的內(nèi)部還會自帶字庫，通過程序可以直接在屏幕能上顯示漢字等，利用靈活的接口方式和方便的操作指令，可以設(shè)計(jì)成全中文的人機(jī)交互界面，同時它的功耗低，可以顯示圖形或者漢字，硬件結(jié)構(gòu)簡單，背光可調(diào)。方案二：采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示，點(diǎn)陣式數(shù)碼管是由八行八列發(fā)光二級管組成，在很多場合可以看到這種顯示方式，但是在電子中顯示時間這一塊不合適，以來點(diǎn)陣顯示在文字上有優(yōu)勢，但顯示數(shù)字存在一定的劣勢，以來不夠直觀，二來顯得有點(diǎn)浪費(fèi)。綜合考慮各種因素排除這種方案。方案三：采用OLED液晶顯示屏，這種屏幕體積小，沒有視覺死角，可以通過IIC和SPI的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，可以顯示漢子，字符等信息，動態(tài)性能比較好，響應(yīng)速度快，功耗低，同時還可以通過指令控制OLED的亮度，對比度，開關(guān)升壓等，操作方便，功能豐富，但是相對來說，大尺寸的OLED價(jià)格較貴。在滾珠分選系統(tǒng)中，可以將分選的數(shù)量和合格數(shù)量顯示在液晶上，因此可以選擇LCD1602來進(jìn)行信息的顯示，通過液晶直觀的顯示出滾珠的檢測數(shù)量以及合格率。LCD1602可以顯示多種字符，帶有背光，刷新頻率快數(shù)據(jù)而不會出現(xiàn)亂碼的現(xiàn)象，編程和控制也相對容易，性價(jià)比較高。1.模塊主要特性：（1）顯示容量：16×2個字符；（2）芯片工作電壓：4.5~5.5V；（3）工作電流：2.0mA（5.0V）；（4）模塊最佳工作電壓：5.0V。2.引腳說明：（1）VSS：模塊電源輸出；（2）VDD：模塊電源輸入；（3）VL：調(diào)節(jié)液晶的對比度；（4）RS：讀命令的控制；（5）R/W：讀模式或者寫模式的切換；（6）EN：模塊的使能；（7）7~14D0~D7：數(shù)據(jù)的傳遞；（8）15BLA和BLK背光控制。2.6通信方式的選擇在系統(tǒng)中，可以通過通訊電路是用來傳遞數(shù)據(jù)，發(fā)送指令的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的控制，使系統(tǒng)更加靈活。方案一：采用CAN總線，CAN總線支持分布式控制和實(shí)時控制，是一種串行通信網(wǎng)絡(luò)，工作方式為半雙工，當(dāng)某個節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時，其他節(jié)點(diǎn)能接收信息，CAN總線能夠?qū)崿F(xiàn)全分布式的多機(jī)系統(tǒng)，提高傳輸可靠性，而且CAN總線是兩根差分線，通過電壓的變化來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。方案二：采用RS232的通訊方，它是PC端常用的通訊方式，它的電平需要經(jīng)過232電平轉(zhuǎn)換電路才能與單片機(jī)進(jìn)行通訊，單片機(jī)的電平是TTL電平，而且，232的距離比較短，通常來說通訊線太長就會出現(xiàn)衰減，影響通訊質(zhì)量，但是這種方式可以實(shí)現(xiàn)全雙工的通訊方式，很適合下位機(jī)的控制。方案三：采用RS485通信方式，它具有很強(qiáng)的抗共模干擾的能力，通過雙絞線與其他設(shè)備連接，可以很好地抵抗干擾。通過硬件電路和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的配合，使系統(tǒng)的通訊準(zhǔn)確。可與多個單片機(jī)構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)，且硬件電路簡單，速率快，性價(jià)比高。滾珠分選系統(tǒng)采用RS232總線的方式來給PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。如果采用RS232模塊來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則不僅簡化了電路設(shè)計(jì)，同時也可以讓代碼更加高效。雖然需要通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行連接，但是通過雙絞線來進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸對數(shù)據(jù)的衰減影響也很小，故選用232的方式進(jìn)行通訊。1.芯片性能指標(biāo)：（1）MAX232符合RS232的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；（2）單電源5V供電，電流為5mA；（3）內(nèi)部集成2個RS-232C驅(qū)動器。2.芯片引腳說明：（1）RXD/TXD：接收外部設(shè)備送來的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)給外部設(shè)備；（2）R1IN/R1OU，R2IN/R2OUT為第一，第二數(shù)據(jù)通道；（3）VCC/GND為電源正，電源地；（4）C/V：提供+12v和-12v兩個電源。2.7驅(qū)動模塊的選擇滾珠分選器通過驅(qū)動模塊是對系統(tǒng)的分選機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，兩個驅(qū)動模塊對電機(jī)分時運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時也減輕了單個電機(jī)的負(fù)擔(dān)。方案一：使用L298N控制芯片，它可以對直流電動機(jī)進(jìn)行控制，通過控制使能端和輸入端來對電動機(jī)進(jìn)行控制，它有兩路的電壓量輸出，可以同時控制兩個電機(jī)，電流最大可以達(dá)到2A，還可以通過方波來進(jìn)行調(diào)速它們電路的連接十分方便，方案二：使用達(dá)林頓管和三極管組成的H橋電路，在單片機(jī)控制信號的作用下，利用模擬電路的開關(guān)特性，對控制電流進(jìn)行驅(qū)動，然后通過其控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，可以通過脈沖實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制，且電路的效率較高，但是缺點(diǎn)是電路相對復(fù)雜，受環(huán)境影響較大。方案三：使用ULN2003驅(qū)動芯片，它是高電壓大電流的驅(qū)動芯片，內(nèi)部由達(dá)林頓組成，驅(qū)動能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，單片機(jī)可以與之直接連接來控制步進(jìn)電機(jī)，性價(jià)比較高。通過方案的論證，我們選擇L298N作為滾珠分選裝置的驅(qū)動芯片，它是模擬控制芯片，在單片機(jī)信號的作用下實(shí)現(xiàn)對兩個電機(jī)的控制，通過引腳的控制還可以使用不同的模式，每個模塊可以驅(qū)動兩路的電機(jī)，通過單片機(jī)的PWM信號和使能信號就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制1.模塊主要特性：（1）電機(jī)有兩種運(yùn)行狀態(tài)，單片機(jī)通過PWM控制其正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)；（2）啟動速度塊，電流大，可以使電機(jī)的力量更大；（3）最大工作電壓36V，最大的電流可以達(dá)到4A；（4）最多驅(qū)動兩路的直流電機(jī)；2.芯片引腳說明：（1）SGA、SGB：反饋引腳；（2）OUT1、OUT2：能量輸出端；（3）IN1、IN2、IN3、IN4：控制信號輸入端；（4）ENABLEA、ENABLEB：使能端；（5）VSS：芯片供電端；（6）GND：電源地；2.8系統(tǒng)電源的選擇電源是系統(tǒng)的能量來源，是支持系統(tǒng)工作的電源電路，通過將市電轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠使用的直流電，為系統(tǒng)供電，系統(tǒng)所使用的電源選擇方案如下：方案一：采用成品的電源DC-DC模塊，這種模塊很成熟，可以提供穩(wěn)定的電壓，模塊內(nèi)部還集成了保護(hù)電路，可以對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，同時這種模塊的效率很高，可以提供很穩(wěn)定的電壓。方案二：采用線性電源電路，線性電源電路是常見的供電電路，由其在嵌入式系統(tǒng)中，經(jīng)常為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓，它的電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定，而且有多種型號的芯片，例如LM7805，它可以將輸入電壓轉(zhuǎn)換成5V的直流電，在經(jīng)過電容進(jìn)行濾波，可以得到穩(wěn)定的輸出電壓，通過簡單的電容和變壓器就可以將常用的交流電轉(zhuǎn)換成5V的直流電。通過方案論證，選用線性電源，這種電源價(jià)格便宜，穩(wěn)定可靠，通過220V市電經(jīng)過變壓器變成9V的交流電，9V的交流電經(jīng)過整流橋變成9V的直流電，直流電經(jīng)過極性電容和無極性電容的濾波后輸出穩(wěn)定的9V直流電，直流電經(jīng)過LM7805后變成5V的直流電，5V直流電用于給設(shè)計(jì)中的單片機(jī)進(jìn)行供電，這種線性電路可以很好的屏蔽外部干擾，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。本章小結(jié)本章首先進(jìn)行系統(tǒng)的方案論證，根據(jù)對系統(tǒng)功能的定義，初步完成了系統(tǒng)硬件的框圖設(shè)計(jì)，然后分別設(shè)計(jì)和分析中央控制單元模塊、顯示電路模塊以及電感傳感器進(jìn)行選型，通過對系統(tǒng)邏輯和所實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行理解，選取最適合本設(shè)計(jì)的器件和模塊。第3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)的器件和芯片已經(jīng)進(jìn)行了初步的選型，下面將對電路進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，通過單片機(jī)來控制外圍電路實(shí)現(xiàn)特定的功能，并對元器件的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，完善外圍電路并設(shè)計(jì)電路的具體功能。3.1處理器最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)在滾珠分選系統(tǒng)中，單片機(jī)最小系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制電感傳感器后端的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，并接收轉(zhuǎn)換電路發(fā)來的數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和處理得到實(shí)際的滾珠直徑的信息，然后將數(shù)據(jù)以并行通信的方式發(fā)送到液晶顯示電路，接收到數(shù)據(jù)的液晶將監(jiān)測滾珠的數(shù)量、合格率實(shí)時的顯示出來，通過控制電機(jī)和機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)滾珠的送料，合格品和不合格品的分類等，通過按鍵設(shè)定監(jiān)測的直徑分為，保證滾珠的直徑在一定的公差內(nèi)，最后系統(tǒng)預(yù)留232接口用來進(jìn)行系統(tǒng)的上位機(jī)控制和系統(tǒng)的升級。單片機(jī)最小系統(tǒng)由電源、復(fù)位、時鐘電路組成，電路圖如圖3-1所示。圖3-1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖復(fù)位電路是由220uF電容串聯(lián)10K電阻構(gòu)成，由于電容電壓不能突變的性質(zhì)，得出當(dāng)系統(tǒng)初次上電，復(fù)位引腳連入高電平，這個高電平必須保持一定的時間才能被單片機(jī)判斷出來，這個時間需要對電容計(jì)算得出的值來決定。在實(shí)際的電路中，單片機(jī)接收到RST腳的高電平，并這個電平需要持續(xù)24個時鐘周期就可以把單片機(jī)復(fù)位復(fù)位，因此，適當(dāng)設(shè)定電阻電容的取值就可以得到可靠的復(fù)位。單片機(jī)的XTAL1和XTAL2與外部的晶振連接在一起，內(nèi)部有反相器，通過這個引腳來輸入脈沖信號，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，通常的最小系統(tǒng)的晶振取值在1.2～12MHz之間，通常選擇11.0592MHz的晶振，這種晶振的數(shù)值更容易計(jì)算系統(tǒng)的延時時間，并連接兩個起振的瓷片電容，電容的大小通常為22pF，上電后晶振電路為系統(tǒng)提供時鐘信號。3.2直徑檢測電路設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的滾珠分選系統(tǒng)的前端傳感器采用M18電感傳感器，通過傳感器實(shí)現(xiàn)對滾珠直徑的檢測，通過內(nèi)部的互感式線圈來檢測微弱的變化量，再通過對變化量的檢測來實(shí)現(xiàn)對直徑的分類，M18電感傳感器電路圖如圖3-2所示。圖3-2M18電感傳感器電路圖這種傳感器是通過測量電感值來進(jìn)行測量，不同直徑的滾珠產(chǎn)生的電感值不同，傳感器的內(nèi)部是通過高頻的振蕩電路，信號的放大電路，以及輸入輸出電路構(gòu)成，輸出模擬量信號，當(dāng)滾珠經(jīng)過傳感器時，傳感器會根據(jù)滾珠直徑的變化來產(chǎn)生變量。再根據(jù)變量的數(shù)值來判斷滾珠的直徑。3.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)在滾珠分選系統(tǒng)中，通過電感傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來對滾珠的直徑進(jìn)行檢測，在傳感器的后級直接連接一個模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，首先電感檢測電路對直徑進(jìn)行檢測，通過電感傳感器內(nèi)部的自感效應(yīng)，然后輸出代表直徑的模擬量，模擬量無法與單片機(jī)進(jìn)行傳遞，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖如圖3-3所示。圖3-3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖在系統(tǒng)中ADC0832主要是對電感傳感器的輸出信號進(jìn)行采集，ADC0832有兩個通道并且支持差分采集，在系統(tǒng)中只需要使用一個通道對傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，首先單片機(jī)的P2.4與ADC0832的CS引腳相連，通過發(fā)出低電平來使能ADC0832，使能后，ADC0832開始對采集到的模擬量進(jìn)行采樣、保持、量化、編碼，將模擬量轉(zhuǎn)換成了二進(jìn)制的編碼，并把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。CH0與傳感器的模擬量輸出端連接，對輸出端的電壓變化量進(jìn)行實(shí)時的采集，CLK、DO、DI分別與單片機(jī)的P2.5、P2.6、P2.7相連接，單片機(jī)通過發(fā)送指令給ADC0832來對其進(jìn)行控制。芯片供電為5V，因此它采集的電壓不能超它的供電電壓，只能在0V-5V之間，需要通過電阻來進(jìn)行調(diào)節(jié)。3.4顯示電路設(shè)計(jì)通過LCD1602顯示滾珠分選系統(tǒng)的信息，它可以顯示顯兩行字符和數(shù)字，通過單片機(jī)的并行口連接，單片機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8位的二進(jìn)制數(shù)字，并通過并口發(fā)送給液晶內(nèi)部的寄存器，寄存器接收到數(shù)據(jù)后，顯示出實(shí)際的電感轉(zhuǎn)換的模擬量值，它的背光可以通過一個電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，讀/寫命令也是通過單片機(jī)的I/O口來控制，而且驅(qū)動方便，不需要在中間部分增加控制電路，數(shù)據(jù)表達(dá)直觀，LCD1602顯示電路如圖3-4所示。圖3-4顯示電路圖液晶顯示模塊的DB0~DB7分別與單片機(jī)的P0.0~P0.7相連接，通過這8個I/O口接收單片機(jī)的I/O口，因?yàn)?位的數(shù)據(jù)口與單片機(jī)的P0相連接，因此需要增加上拉電阻R1，R1的內(nèi)部是并聯(lián)的10K的電阻，通過上拉電阻可以增強(qiáng)單片機(jī)的驅(qū)動能力，RS、RW、R分別是液晶模塊的讀寫控制引腳，單片機(jī)需要控制這3個引腳來選擇液晶的工作模式，VO為液晶的背光調(diào)節(jié)端口，通過液晶可以顯示家庭環(huán)境的實(shí)時電感轉(zhuǎn)換的模擬量數(shù)據(jù)，還可以做一些提示文字等，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更加直觀。3.5通信電路設(shè)計(jì)滾珠分選系統(tǒng)可通過RS232的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，單片機(jī)和PC端只要發(fā)送和接收雙方同時準(zhǔn)備好，僅用信號發(fā)送端TXD，信號接收端RXD和信號地GND三根線即可進(jìn)行通信。在單片機(jī)系統(tǒng)中，分別從P3.0和P3.1引出串口線RXD和TXD轉(zhuǎn)換成RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)的電平，這樣，二者之間就可以通過RS-232接口進(jìn)行數(shù)字信號的傳送，上位機(jī)還可以通過串口軟件對STC89C52進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)兩者的互通，TXD和RXD為一對差分線，走線的時候要盡量短一些，距離近一些，這樣信號抗干擾能力比較強(qiáng)，PC端通過串口電路將數(shù)據(jù)進(jìn)行二次使用，通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新和系統(tǒng)的升級，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時互通，其電路圖如下圖3-5所示。圖3-5通信電路圖MAX232電路在電路中實(shí)現(xiàn)對電平的轉(zhuǎn)換，將TTL電平和232電平進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC端的通信，電容在電路中實(shí)現(xiàn)濾波作用，保證通信的穩(wěn)定性，單片機(jī)通過兩根串口線進(jìn)行連接，PC端通過DB9連接芯片。3.6電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)在基于單片機(jī)的滾珠系統(tǒng)中，通過單片機(jī)的輸出信號對電機(jī)進(jìn)行控制，而單片機(jī)的輸出信號是根據(jù)傳感器的檢測結(jié)果來確定的，因此，當(dāng)單片機(jī)檢測到合格品則控制電機(jī)3打開通道，將各個的滾珠進(jìn)行收集，檢測到不合格的滾珠則通過電機(jī)4打開不合格品通道，將滾珠淘汰，因此單片機(jī)輸出控制信號實(shí)現(xiàn)對滾珠的送料和收集。電機(jī)驅(qū)動電路圖如圖3-6所示。圖3-6電機(jī)驅(qū)動電路圖驅(qū)動電路的核心是L298N芯片，它的輸出有兩路，可以同時控制系統(tǒng)的兩個電機(jī)，最大的輸出電流能夠達(dá)到2A，供電電壓在5-30V的直流電壓，單片機(jī)可以直接與芯片的信號輸入引腳相連接，模塊的IN1、IN2、IN3、IN4與單片機(jī)連接，用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，ENA和ENB使能裝置，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4連接電機(jī)，是模塊的輸出端，VCC為模塊的電源部分，單片機(jī)根據(jù)傳感器檢測結(jié)果的實(shí)時狀態(tài)對滾珠進(jìn)行分類，通過驅(qū)動電路控制外部的輔助機(jī)械裝置，由單片機(jī)發(fā)出使能信號和PWM控制信號控制。3.7按鍵電路設(shè)計(jì)根據(jù)滾珠分選系統(tǒng)的功能可知，系統(tǒng)需要對滾珠直徑的檢測范圍進(jìn)行的設(shè)定，因此，系統(tǒng)中需要增加按鍵電路來實(shí)現(xiàn)直徑的設(shè)置，通過按鍵設(shè)置直徑的加和減，按鍵電路圖如圖3-7所示。圖3-7按鍵電路圖KP2、KP3分別于單片機(jī)的P3.2、P3.3相連接，R9、R1/0是獨(dú)立按鍵的上拉電阻，它可以有效的防止單片機(jī)受到環(huán)境影響而導(dǎo)致的誤判斷。當(dāng)按鍵按下后，單片機(jī)的I/O口由高電平狀態(tài)轉(zhuǎn)換成低電平的狀態(tài)，此時單片機(jī)認(rèn)為按鍵被按下，執(zhí)行一次按鍵程序，按鍵KP2、KP3分別對用的功能是直徑增加和直徑減小，這種獨(dú)立按鍵電路簡單穩(wěn)定，使系統(tǒng)的功能更加靈活易于操控，3.8電源電路設(shè)計(jì)在滾珠分選裝置中，各個模塊、電機(jī)、單片機(jī)系統(tǒng)都需要穩(wěn)定可靠的電源，干凈的電源是單片機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，本次設(shè)計(jì)中，如果電源不穩(wěn)定，會給數(shù)據(jù)帶來影響，因此，系統(tǒng)必須要一個穩(wěn)定的線性電源，通過驗(yàn)證，選用線性電源你作為系統(tǒng)的供電電路，它的結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，經(jīng)過電容濾波后，可以輸出穩(wěn)定的電壓，線性電源電路如圖3-8所示。圖3-8電源電路LM7805輸出為5V的穩(wěn)壓芯片，其最大電流為一安足夠單片機(jī)的功率消耗，提供固定的輸出電壓，內(nèi)含過流、過熱和過載保護(hù)電路。帶散熱片時，輸出電流可達(dá)1A。電路輸出電壓+5V的穩(wěn)壓電源，圖中C7、C6用來實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激震蕩和抑制電路引入的高頻干擾。C7為電解電容，C6位瓷片電容，他們用來減少穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。當(dāng)9V接入后，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的IN和GND兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓。此直流電壓經(jīng)穩(wěn)壓芯片和C5、C4的濾波，最終輸出了穩(wěn)定的電壓，為單片機(jī)的運(yùn)行提供了保障。本章小結(jié)本章首先對系統(tǒng)的各個子電路進(jìn)行分析和說明，并對單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路進(jìn)行說明，單片機(jī)最小系統(tǒng)是系統(tǒng)的控制核心，通過輸出輸出量來實(shí)現(xiàn)控制，并對前端傳感器的信號進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和動作的執(zhí)行，顯示部分使用的是LCD液晶模塊，它可以很直觀的知道系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)和重要的參數(shù)，通過各個子電路的配合，系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了電感轉(zhuǎn)換的模擬量的采集和暖氣閥的控制。

第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)是通過程序?qū)⒏鱾€外圍電路與單片機(jī)核心電路連接起來，通過初始化，子程序的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，再根據(jù)流程框圖來設(shè)計(jì)程序邏輯，最終實(shí)現(xiàn)滾珠分選的功能，主程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)使用51單片機(jī)作為主控芯片，通過主函數(shù)對各個子函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，本課題涉及到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是通過模擬IIC來與單片機(jī)進(jìn)行通訊的，51單片機(jī)并沒有內(nèi)部的硬件IIC電路，因此需要通過程序來進(jìn)行虛擬，實(shí)現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的采集和讀取的目的。系統(tǒng)首先對各個子函數(shù)進(jìn)行初始化，然后控制電機(jī)對滾珠進(jìn)行送料，滾珠不斷的經(jīng)過電感式傳感器，傳感器根據(jù)滾珠直徑不同輸出的模擬量也不同，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來對模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終得到實(shí)際的滾珠直徑，這時單片機(jī)根據(jù)直徑數(shù)據(jù)來控制分選裝置，直徑合格的將被留下，不合格的將被篩選出去。在模擬量轉(zhuǎn)換過程中，單片機(jī)通過控制轉(zhuǎn)換芯片的寄存器來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果會存放到BUF中，然后在子程序?qū)?shù)據(jù)加入到數(shù)據(jù)包中，最后打包成數(shù)據(jù)包發(fā)送給單片機(jī)，然后通過LCD1602子程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送給LCD1602顯示出來，這樣完成了一次數(shù)據(jù)的傳遞和滾珠直徑的測量和顯示。4.2模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì)滾珠分選系統(tǒng)對滾珠直徑進(jìn)行檢測，單片機(jī)無法多模擬信號進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換，且內(nèi)部也沒有AD轉(zhuǎn)換電路，因此需要借助外部的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對電壓和電流模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，單片機(jī)通過IIC的方式與ADC0932相連接，因此通過程序來進(jìn)行IIC通訊達(dá)到控制模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的目的，模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖4.2所示。圖4.2模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序流程圖本設(shè)計(jì)中主要使用的A/D轉(zhuǎn)換芯片為ADC0832，首先通過單片機(jī)對程序進(jìn)行初始化，然后單片機(jī)通過與之相連的I/O發(fā)送指令，使能芯片，芯片啟動后，通過程序控制，對輸出電壓進(jìn)行采集、保持、量化、編碼，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)讀取A/D的內(nèi)部寄存器中的數(shù)據(jù)，然后對寄存器進(jìn)行操作，當(dāng)A/D完成一次轉(zhuǎn)換，就會對單片機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)。AD轉(zhuǎn)換的是電感式傳感器發(fā)送的電壓信號，這個信號是通過檢測電感量的微弱變化得到的，再經(jīng)過模擬量的轉(zhuǎn)換，得到可以檢測的0-5V信號，當(dāng)AD收到不同的電壓信號，代表滾珠直徑不同，滾珠直徑在一定范圍內(nèi)浮動則說明滿足系統(tǒng)要求。4.3電機(jī)控制子程序設(shè)計(jì)滾珠分選裝置是控制電路和機(jī)械裝置的結(jié)合，單片機(jī)通過控制電機(jī)來控制物料的送入和分選，系統(tǒng)運(yùn)行后，送料和分選裝置開始執(zhí)行模式設(shè)定的程序，進(jìn)行電機(jī)對機(jī)械裝置的控制，通過驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，控制芯片你選用L298N，在單片機(jī)的控制信號和PWM信號的控制下可以實(shí)現(xiàn)對四路電機(jī)的控制，控制子程序流程圖如圖4.3所示。圖4.3傳感器子程序流程圖4.4顯示子程序設(shè)計(jì)為了更直觀的了解滾珠直徑的變化以及合格率，單片機(jī)LCD1602來顯示數(shù)據(jù)，首先系統(tǒng)對液晶程序進(jìn)行初始化，液晶接收到指令后，再通過并行口的數(shù)據(jù)引腳接收單片機(jī)發(fā)來的8位數(shù)據(jù)，這里的LCD1602使用的是帶字庫的液晶，所以不需要在程序中添加字模源文件函數(shù)。單片機(jī)控制液晶的讀寫引腳，當(dāng)D/I=1時，在下降沿作用下，圖形顯示數(shù)據(jù)寫入buf寄存器，或單片機(jī)作用下由寄存器讀到DB7-DB0數(shù)據(jù)總線。DDRAM的數(shù)據(jù)傳輸是模塊內(nèi)部自動執(zhí)行的，液晶顯示子程序流程圖見圖4.3。圖4.3顯示子程序流程圖本章小結(jié)首先介紹了對系統(tǒng)的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，單片機(jī)是硬件電路的核心部分，通過寫入不同的子程序來實(shí)現(xiàn)不同的功能，例如，寫入液晶顯示程序，單片機(jī)則控制I/O口控制液晶來顯示不同的數(shù)據(jù)。其次分析了系統(tǒng)中使用的涉及到的程序設(shè)計(jì)有A/D轉(zhuǎn)換程序，顯示程序等程序流程圖，最后根據(jù)流程圖編寫程序。第5章系統(tǒng)實(shí)物調(diào)試首先在軟硬件功能都實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，對硬件電路進(jìn)行檢測和調(diào)試，完善電路的功能，并對單片機(jī)進(jìn)行程序的下載，驗(yàn)證主程序的邏輯是否符合實(shí)際，并對系統(tǒng)的進(jìn)行運(yùn)行測試。5.1系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)過第三章的電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具備了單片機(jī)及電源轉(zhuǎn)換電路，電源轉(zhuǎn)換電路是否正常工作是前提，因此首先對充電部分進(jìn)行調(diào)試。接上電源，開始給系統(tǒng)供電。由交流電通過變壓器轉(zhuǎn)化為5V直流電，通過電源轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為5V直流電，用5V的直流電給系統(tǒng)供電[11]。通過使用萬用表測量后得到數(shù)值，確認(rèn)電源有輸入電流，確認(rèn)無誤后證明電源轉(zhuǎn)換電路組成的電壓轉(zhuǎn)換電路可以正常工作。1、外接晶振調(diào)試通過示波器檢測晶振是否起振，振幅，起振時間等參數(shù)是否滿足要求，并進(jìn)行波形保存和參數(shù)數(shù)據(jù)記錄，如果晶振沒有起振，一般說明主芯片沒有正常工作，但有些芯片上電缺省采用內(nèi)部晶振，需要軟件配置后，外部晶振才可以起振；有些主芯片有CLKO管腳，即缺省32.768KHz的時鐘輸出，可通過示波器檢查此管腳是否有時鐘輸出，開確定主芯片是否上電正常工作。2、復(fù)位信號調(diào)試復(fù)位信號電壓是否滿足設(shè)計(jì)要求，上電復(fù)位時間是否滿足要求；如果外部有硬件看門狗，測試其是否按照設(shè)計(jì)要求復(fù)位。并進(jìn)行相關(guān)波形保存和參數(shù)數(shù)據(jù)記錄。3、液晶顯示調(diào)試通過單片機(jī)與數(shù)碼管連接的I/O口寫入一段顯示程序，如果液晶能正常顯示，說明，電路正確，如果不能正常顯示，檢查與I/O口連接的數(shù)據(jù)線。4、轉(zhuǎn)換模塊調(diào)試通過單片機(jī)連接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，并寫入一小段的程序代碼，將0-5V的直流電壓接到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的模擬量輸入引腳，然后在程序的控制下實(shí)現(xiàn)對電壓模擬量的轉(zhuǎn)換，如果系統(tǒng)收到轉(zhuǎn)換的數(shù)值則說明電路正常，實(shí)際的電壓和檢測到的電壓值的誤差不能超過100mV，否則會導(dǎo)致滾珠分選不精準(zhǔn)。5、電機(jī)驅(qū)動電路調(diào)試在系統(tǒng)中，通過單片機(jī)發(fā)出的控制信號和PWM信號來對即機(jī)械裝置進(jìn)行控制，首先將單片機(jī)單獨(dú)與控制模塊進(jìn)行連接，將使能端與單片機(jī)的IO口連接，單片機(jī)控制IO口輸出高電平，在通過IO口連接到PWM的控制端，當(dāng)單片機(jī)輸出兩個信號后，電機(jī)轉(zhuǎn)動則說明電機(jī)驅(qū)動有效。軟件調(diào)試與系統(tǒng)試機(jī)。經(jīng)過以上幾步的測試，說明外圍電路都已工作正常，接下來對軟件進(jìn)行調(diào)試。這部分的調(diào)試是整個系統(tǒng)調(diào)試的重點(diǎn)。調(diào)試中采用模塊程序逐一添加的方法進(jìn)行，先對系統(tǒng)的液晶部分進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，通過程序來控制液晶顯示數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)液晶電路的電位器，再配合程序顯示出正常的字符，待液晶顯示完畢后，在對本設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，通過電感式傳感器對滾珠直徑進(jìn)行測量，然后再通過單片機(jī)和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路接收傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)際的滾珠直徑，然后顯示在液晶顯示器上，顯示出滾珠的直徑，數(shù)量，合格率等，最終整個系統(tǒng)的軟硬件完成調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的滾珠分選功能。本章小結(jié)本章對系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了調(diào)試，介紹了所需的調(diào)試工具，以及檢查方法，還重點(diǎn)講述了容易出現(xiàn)的問題以及出現(xiàn)問題的解決方法，并介紹了如何驗(yàn)證是否出現(xiàn)問題，以及如何運(yùn)行可以確定為正常運(yùn)行，通過調(diào)試使系統(tǒng)完成預(yù)期的功能。結(jié)論本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)來控制系統(tǒng)的運(yùn)行和數(shù)據(jù)的處理，通過控制面板和外圍電路的配合實(shí)現(xiàn)滾珠分選的功能和控制，傳感器方面采用M18電感式位移傳感器來對直徑進(jìn)行檢測，并通過外部的轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過程序設(shè)計(jì)，接收傳感器發(fā)來的數(shù)字量，并將數(shù)字量進(jìn)行處理，得到實(shí)際的滾珠直徑，并將系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)通過液晶顯示器顯示出來。同時系統(tǒng)可以通過外部的按鍵來設(shè)定直徑的檢測值，不符合要求的將被集中起來，系統(tǒng)一共有2個按鍵，可以增加或者減小檢測致直徑。同時，系統(tǒng)也設(shè)有通信電路，可以通過上位機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制。液晶顯示模塊也可以對信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的顯示，幫助用戶了解系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，通過硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)已經(jīng)具備了對滾珠直徑的檢測和分選能力。這種基于單片機(jī)的檢測系統(tǒng)在多領(lǐng)域中，尤其是閉環(huán)控制系統(tǒng)的場所中可以發(fā)揮很大作用?；趩纹瑱C(jī)滾珠分選器，采用實(shí)用的51系列單片機(jī)、高精度傳感器以及靈活的驅(qū)動裝置，顯示裝置等，實(shí)現(xiàn)了對滾珠的智能分選，在所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中使整個系統(tǒng)的性價(jià)比得以大幅度的提高。采用穩(wěn)定可靠的傳感器，最終實(shí)現(xiàn)對直徑的的準(zhǔn)確分選，實(shí)現(xiàn)一個智能的滾珠分選系統(tǒng)。致謝雖然在寫論文的期間遇到經(jīng)歷了些許的不順和挫折，但是都在同學(xué)和老師的幫助下度過了，通過自己查詢資料，詢問老師和同學(xué)最終完成，首先要感激我的論文指導(dǎo)老師。這篇論文是在老師的盡心指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下完成的，從論文的開題報(bào)告、論文題目的選擇一直到完成論文的編寫這一過程當(dāng)中，都得到了老師耐心細(xì)致的指導(dǎo)，如果不是老師耐心的解釋和幫助，那么我的這篇論文也不會順利的完成。同時，我也十分感謝在寫這篇論文時所參考的這些學(xué)者的著作，給了我很多的啟發(fā)。感謝學(xué)校所有的領(lǐng)導(dǎo)和老師，讓我能夠在學(xué)校中踏踏實(shí)實(shí)的去學(xué)習(xí)，從而為自己以后打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過寫這篇論文，讓我能夠更深入的了解關(guān)于單片機(jī)控制的理論知識，這些在我以后的工作中都是很有作用的知識。參考文獻(xiàn)[1]陳月晨，苑會娟，詹燁.基于電感傳感器的滾珠分選機(jī)設(shè)計(jì)[J]．制造業(yè)自動化，2015，37(04)：142-145．[2]陳旭武，紀(jì)鵬，姚俊武．滾珠分選儀的智能化設(shè)計(jì)[J]．中國儀器儀表，2004(02)：8-9．[3]湯曉燕，云忠．軸承滾珠按直徑分組自動分選[J]．新技術(shù)新工藝，2000(12)：14-16．[4]張航．非接觸式圓柱滾子直徑自動分選技術(shù)研究[D]．大連交通大學(xué)，2014．[5]劉亞婷，張剴，徐旸．基于集成解調(diào)芯片的電感式位移傳感器[J]．儲能科學(xué)與技術(shù)，2019(05)：891-896．[6]李鳳，董勝，劉守?。陔姼惺酱艂鞲衅鞯能囄粰z測算法設(shè)計(jì)[J]．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2019，32(04)：542-548．[7]胡瑞霞，馬衛(wèi)華，史天成，羅華軍．基于LDC1614的磁浮電渦流位移傳感器設(shè)計(jì)[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2019，38(07)：67-69．[8]陳瑞．自感式電感傳感器的參數(shù)優(yōu)化和性能實(shí)驗(yàn)[D]．山東大學(xué)，2019．[9]馬雪皓．電感式油液磨粒檢測傳感器的研究[D]．天津工業(yè)大學(xué)，2019．[10]TabataTomonori，KakuNobuhiro，TagomoriHiroaki，TsumuraHiroshi．Influenceofhipcenterposition，anteriorinferioriliacspinemorphology，andballheaddiameteronrangeofmotionintotalhiparthroplasty．[J]．Orthopaedics&traumatology，surgery&research：OTSR，2019，105(1)．[11]TomonoriTabata，NobuhiroKaku，HiroakiTagomori，HiroshiTsumura．Influenceofhipcenterposition，anteriorinferioriliacspinemorphology，andballheaddiameteronrangeofmotionintotalhiparthroplasty[J]．Orthopaedics&Traumatology：Surgery&Research，2018．[12]X．T．Bai，Y．H．Wu，I．C．Rosca，K．Zhang，H．T．Shi．Investigationontheeffectsoftheballdiameterdifferenceinthesoundradiationoffullceramicbearings[J]．JournalofSoundandVibration，2019，450．附錄一系統(tǒng)電路圖附錄二程序部分源碼#include<reg52.h>#include