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徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) I 圖書分類號： 密 級： 摘要 本文主要設(shè)計(jì)了一種以 AT89S51 單片機(jī)為核心的產(chǎn)品自動裝箱控制系統(tǒng)，能夠?qū)ψ?動化生產(chǎn)流水線上的產(chǎn)品進(jìn)行精確的計(jì)數(shù)和裝箱。主體部分采用兩條傳送帶，一條是包 裝箱傳送帶，另一條是產(chǎn)品傳送帶。對產(chǎn)品計(jì)數(shù)采用光電傳感器，并與單片機(jī) AT89S51 接口，再通過單片機(jī)對交流電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動裝箱。本設(shè)計(jì)的內(nèi)容分為兩部 分：物品傳動皮帶機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)。其中物品傳動皮帶機(jī)構(gòu)與帶式輸送 機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，該帶式輸送裝置由輸送帶，托輥，驅(qū)動裝置，拉緊裝置等組成。而單片 機(jī)控制部分主要分析了單片機(jī)與光電傳感器協(xié)同工作和數(shù)據(jù)處理等方面。通過單片機(jī)對 電動機(jī)等各機(jī)械部分的控制來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求，從而達(dá)到自動化生產(chǎn)的水平。 關(guān)鍵詞 自動裝箱；單片機(jī)；光電檢測；輸送裝置 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) II Abstract This paper has mainly designed an automatic packing control system for products. The core is monolithic computer of AT89S51. It carries on the precise counting and packing for the products on the automation process line. The main part uses two conveyor belts. One is package conveyor belt, and the other is product conveyor belt. The photoelectric sensor is used for the product counting and connects with the monolithic computer of AT89S51. The monolithic computer controls the motor. At last it realizes the automatic packing. This design divides into two parts. One is the design of goods transmission belt, and the other is the design of circuit control of monolithic computer. The goods transmission belt is similar to the belt conveyors structure, this conveyor belt is installed by the conveyor belt, the supporting roller, the drive, the tightening device and so on. The joint operation between monolithic computer and photoelectric sensor has been analyzed in the section of circuit control. The data processing also has been analyzed. We can achieve the requirements of system through the control on mechanical part, the motor and so on, thus reach the level of producing in automation. Keywords automatic packing monolithic computer electro-optic examination transportation equipment 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) III 目 錄 1 緒論 .1 1.1 背景介紹 .1 1.2 方案確定 .1 1.3 設(shè)計(jì)方案綜述 .2 2 帶式輸送裝置設(shè)計(jì) .3 2.1 帶式輸送裝置的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用 .3 2.2 輸送帶的選擇與計(jì)算 .3 2.2.1 輸送帶的確定 .4 2.2.2 輸送帶寬度的選擇 .4 2.2.3 輸送帶運(yùn)行速度的選擇 .4 2.2.4 輸送帶接頭的選擇 .5 2.3 托輥的選擇 .5 2.4 滾筒的選擇 .6 2.5 輸送帶牽引力計(jì)算 .7 2.5.1 輸送帶的運(yùn)動阻力和有效載荷 .7 2.5.2 輸送帶的牽引力 .11 2.6 帶的強(qiáng)度校核 .12 2.7 驅(qū)動裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .12 2.7.1 電動機(jī)的選擇計(jì)算 .13 2.7.2 減速器的選型 .14 2.7.3 聯(lián)軸器的選擇 .15 2.8 拉緊裝置的選擇 .15 3 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì) .17 3.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)的控制要求 .17 3.2 光電檢測裝置的設(shè)計(jì) .17 3.2.1 光電傳感器的基本原理 .18 3.2.2 傳感器的選擇 .19 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) II 3.2.3 傳感器的位置確定 .19 3.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .20 3.3.1 單片機(jī)的概述 .20 3.3.2 單片機(jī)的應(yīng)用 .20 3.3.3 單片機(jī)的發(fā)展趨勢 .21 3.3.4 AT89S51 單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu) .21 3.3.5 AT89S51 單片機(jī)的主要引腳及功能 .23 3.3.6 存儲器和 I/O 接口電路 .25 3.3.7 復(fù)位操作及復(fù)位電路 .25 3.3.8 時鐘電路 .26 3.3.9 單片機(jī)控制的過程 極其流程圖 .26 3.3.10 主程序的設(shè)計(jì) .28 4 輔助設(shè)備的設(shè)計(jì) .31 4.1 驅(qū)動頭架的尺寸確定 .31 4.2 拉緊尾架的尺寸確定 .31 4.3 中間架的尺寸確定 .31 4.4 傳料板的尺寸確定 .31 結(jié)論 .32 致 謝 .33 參考文獻(xiàn) .34 附錄 .35 附錄 1.35 附 錄 2.46 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) III 1 緒論 1.1 背景介紹 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要對產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)數(shù)、裝箱。如果用人工不但麻煩， 而且效率低、勞動強(qiáng)度大。隨著微機(jī)控制的普及，特別是單片機(jī)的應(yīng)用，給自動裝箱系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了極大的方便。近年來，包裝生產(chǎn)線的自動化、電子監(jiān)測和控制系統(tǒng)持續(xù) 發(fā)展，使的包裝企業(yè)以高速度、較少的停機(jī)時間和包裝故障，以及產(chǎn)品損耗減少、工傷 和老毛病降低等優(yōu)點(diǎn)而獲得出色的成績。2002 年 11 月 3 至 7 日在芝加哥舉行的國際 PACK EXPO 上，我們可以看到多家自動化公司展示的最新的包裝設(shè)備和新技術(shù)。這些經(jīng)濟(jì) 實(shí)用的自動化技術(shù)將會成為未來的發(fā)展力量，可見自動裝箱技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。 在中國，自動化技術(shù)還未成熟，還需要長時間的發(fā)展，所以將會有很大的空間來發(fā)展此 技術(shù)。這也是未來的發(fā)展方向和趨勢。中國的經(jīng)濟(jì)高速度發(fā)展也需要這項(xiàng)技術(shù)來促進(jìn)和 加速，相信在自動化技術(shù)成熟以后，中國的經(jīng)濟(jì)也將有飛躍性的進(jìn)步。當(dāng)前中國的經(jīng)濟(jì) 發(fā)展格局也是非常的需要高技術(shù)來支持。這樣中才會有穩(wěn)定的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。向西部發(fā)展的 經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略思想必然需要有高技術(shù)隨之轉(zhuǎn)移，生產(chǎn)也將需要自動化技術(shù)的支持，這樣發(fā)展 高技術(shù)自動化也就是必然的趨勢 通過此題目的設(shè)計(jì)可以把大學(xué)四年所學(xué)的專業(yè)知識融會貫通于實(shí)際并能鍛煉獨(dú)立思 考的能力,努力發(fā)展成未來的技術(shù)骨干，為中國的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量，也使得我們能適應(yīng) 未來中國以及世界自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢。 1.2 方案確定 根據(jù)工況以及本設(shè)計(jì)的要求，確定以下方案： 托輥：選用平行上下托輥。 滾筒：本設(shè)計(jì)運(yùn)送的產(chǎn)品較輕，載荷不大，所需的功率也不大，所以選用光面滾筒， 鋼板焊接。 驅(qū)動裝置：根據(jù)工況以及設(shè)計(jì)要求，考慮成本，本設(shè)計(jì)選擇電機(jī)-減速器作為整個方 案的驅(qū)動裝置，由電機(jī)通過聯(lián)軸器、減速器帶動傳動滾筒轉(zhuǎn)動。 拉緊裝置：本設(shè)計(jì)輸送裝置長度較短，比較各種拉緊裝置，選用螺旋拉緊裝置。選 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 2 取 500mm 的拉緊行程。 單片機(jī)：選用 AT89S51 單片機(jī)，是一種低功耗、具有在線編程 Flash 程序存儲器的 單片機(jī)。 1.3 設(shè)計(jì)方案綜述 此自動裝箱系統(tǒng)利用傳感器檢測產(chǎn)品，并與單片機(jī)接口，輸出的開關(guān)信號來驅(qū)動電 動機(jī)，經(jīng)過減速器減速，再帶動傳動滾筒，實(shí)現(xiàn)傳送帶的傳送。兩個檢測裝置分別檢測 包裝箱是否到位和產(chǎn)品數(shù)量以控制相應(yīng)電動機(jī)的啟、停，從而帶動相應(yīng)傳送帶傳送，最 終實(shí)現(xiàn)精確計(jì)數(shù)，自動裝箱。 設(shè)計(jì)意義：此自動裝箱系統(tǒng)從原料到包裝實(shí)現(xiàn)了自動化，解決了手工裝箱慢、容易 計(jì)數(shù)出錯等問題。該方法技術(shù)可靠，成本較低，可大大提高工效，減輕工人勞動強(qiáng)度以 及減少產(chǎn)品損耗、工傷事故等。可應(yīng)用于食鹽、味精、洗衣粉、醫(yī)藥化工、農(nóng)藥、飼料 等的自動裝箱。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 3 2 帶式輸送裝置設(shè)計(jì) 2.1帶式輸送裝置的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用 帶式輸送裝置是一種廣泛應(yīng)用的連續(xù)輸送裝置。工作原理是：由撓性輸送帶作為物 料承載件和牽引件的連續(xù)輸送設(shè)備，根據(jù)摩擦傳動的原理，由傳動滾筒帶動輸送帶進(jìn)行 物料的傳遞與運(yùn)輸。它結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，造價低廉，適用性強(qiáng)。特別對工作節(jié)拍沒 有嚴(yán)格要求、比較干燥的生產(chǎn)場所，可用于柔性或半柔性的自動包裝線，輸送帶、盒、 箱等產(chǎn)品或散粒、塊狀產(chǎn)品。帶式輸送裝置一般由傳動滾筒，改向滾筒，輸送帶，托輥， 拉緊裝置等組成。如下圖2-1所示為輸送裝置原理圖。撓性輸送帶2繞在上、下托輥之上， 由傳動滾筒驅(qū)動，拉緊裝置6用于調(diào)節(jié)輸送帶的拉緊力，以保持輸送帶的輸送能力。傳動 滾筒驅(qū)動輸送帶的能力與輸送帶在傳動滾筒上的包角大小有關(guān)，包角大時傳動能力大， 而改向滾筒就用于增大傳動包角。帶式輸送裝置的各輥軸軸承都采用滾動軸承，以減小 運(yùn)轉(zhuǎn)中的摩擦阻力和功率消耗。 圖 2-1 輸送裝置原理圖 1-改向滾筒；2-輸送帶；3-上托輥；4-傳動滾筒；5-下托輥；6-拉緊裝置 2.2 輸送帶的選擇與計(jì)算 輸送帶是帶式輸送機(jī)的牽引構(gòu)件及承載構(gòu)件，用于輸送物料和傳遞動力， 是帶式輸 送機(jī)的重要組成部分，約占帶式輸送機(jī)總成本的30%40%左右。它貫穿輸送機(jī)的全長， 在設(shè)備檢修中占很大比重。同時，輸送帶在帶式輸送機(jī)中既是貨物的承載機(jī)構(gòu)，又是帶 式輸送機(jī)的牽引機(jī)構(gòu)，因此，不僅需要足夠的強(qiáng)度，而且還應(yīng)具有耐磨、耐腐蝕的要求。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 4 輸送帶選擇的合理與否直接影響帶式輸送機(jī)的投資、運(yùn)行成本，更為重要的是將直接影 響輸送機(jī)的可靠、安全運(yùn)行。 2.2.1 輸送帶的確定 輸送帶結(jié)構(gòu)型式分為織物心輸送帶和鋼絲繩心輸送帶，由上覆蓋膠、心層、下覆蓋 膠組成，上、下覆蓋膠的作用是保護(hù)心層不受損壞和不受周圍工作環(huán)境的影響。心層材 料有棉帆布、尼龍帆布、聚酯帆布和鋼絲繩?？椢镄膶虞斔蛶Э筛鶕?jù)拉力大小選取層數(shù)， 棉帆布心輸送帶層數(shù)為3-8 層，尼龍帆布心輸送帶層數(shù)為2-6 層，聚酯帆布心輸送帶層 數(shù)為3-6 層，當(dāng)達(dá)到最大層數(shù)仍不能滿足拉力要求時，采用鋼絲繩心輸送帶。自動包裝 機(jī)所用帶式輸送裝置多為輕型或特輕載荷類型，要求傳送帶結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧。根據(jù)輸送 機(jī)類型、結(jié)構(gòu)以及工況，考慮經(jīng)濟(jì)成本，此設(shè)計(jì)的輸送帶心層材料選用4層的棉帆布帶。 2.2.2 輸送帶寬度的選擇 輸送成件物品的輸送帶，按所輸送的最大物件的對角線長度，再加約 100mm 余量約 定所需要的輸送帶寬度，見圖 2-2 所示，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)帶寬考慮到運(yùn)輸?shù)陌b箱不大，選 取寬度為 500mm。此時要求包裝箱的對角線長度 A 不宜大于 400mm。因?yàn)榘b箱傳送帶所 承受的重量大于產(chǎn)品傳送帶，所以下面選擇計(jì)算包裝箱傳送帶，產(chǎn)品傳送帶的各參數(shù)可 與其相同。 圖 2-2 輸送帶寬 2.2.3 輸送帶運(yùn)行速度的選擇 輸送帶運(yùn)行速度是輸送機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算的重要參數(shù)，在輸送量一定時，適當(dāng)提高帶速， 可減少帶寬。對水平安裝的輸送機(jī)，可選擇較高的帶速，輸送傾角越大帶速應(yīng)偏低，向 上輸送時帶速可適當(dāng)高些，向下輸送時帶速應(yīng)低些。 輸送成品件時的產(chǎn)品輸送帶速度 見式（2.1）v 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 5 式vnl （2.1） 式中 輸送帶速度，m/s，包裝線上輸送塊狀物件取值常小于 1.25m/s；v 每秒鐘輸送成件物品的件數(shù)，此處 n=5 件；n 輸送帶上成件物品節(jié)距，等于物品長度與兩件之間的間距之和，此處l ；0.2m 所以,產(chǎn)品輸送帶速度 ,包箱輸送帶可選用與此同樣的速.51/.25/vsms 度為 1m/s。 2.2.4 輸送帶接頭的選擇 帶式輸送機(jī)輸送帶的接頭有搭鉚接，皮帶扣連接，硫化膠粘接及化學(xué)膠粘接等方式。 不同的連接方式接頭效率不同。橡膠帆布帶以優(yōu)質(zhì)硫化粘接最好，一般硫化粘接次之， 皮帶扣連接再次，搭接鉚接最差。接頭效率等于接頭處最大破壞強(qiáng)度與輸送帶的極限強(qiáng) 度的比值。為了此傳送帶有足夠長的使用壽命，選用優(yōu)質(zhì)硫化粘接。 2.3 托輥的選擇 托輥是用于支承輸送帶及輸送帶上所承載的物品，保證輸送帶穩(wěn)定運(yùn)行的裝置。它 是整個輸送裝置中的重要部件, 使用數(shù)量多, 形式多樣, 價格昂貴。托輥選擇是否合理, 影響帶式輸送機(jī)的使用、維修, 更會影響帶式輸送機(jī)使用壽命。托輥可分為：承載托輥、 回程托輥。其中承載托輥分為：槽形托輥、緩沖托輥、調(diào)心托輥、平行上托輥等?；爻?托輥可分為：平行下托輥、螺旋托輥、V形托輥等。 托輥輥?zhàn)拥闹睆脚c輸送機(jī)帶寬、帶速和承載能力有關(guān)系, 與輸送機(jī)長度和傾角無關(guān)。 托輥直徑與帶寬的關(guān)系托輥輥徑與長度應(yīng)符合GB/T99021991帶式輸送機(jī)托輥基本參數(shù) 與尺寸的規(guī)定, 見表2-1（單位mm）。 表 2-1 托輥直徑與帶寬的關(guān)系 托輥直徑 500 650 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 63.5 76 89 108 133 159 194 219 在確定帶速的情況下, 托輥輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速不能太大。在同樣壽命情況下, 轉(zhuǎn)速大, 使 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 6 用時間就短,轉(zhuǎn)速小, 使用時間就長。但輥?zhàn)拥闹睆讲荒芴?輥?zhàn)又睆教? 整個輸送 機(jī)不配套, 初期投資成本就高。一般規(guī)定: 輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速不能超過600r/min。托輥直徑與 輸送機(jī)帶速的關(guān)系見表2-2。 表2-2 托輥輥徑與帶速、轉(zhuǎn)速的關(guān)系（r/min） 輥徑(mm) 0.8 1.0 1.25 1.6 2.0 2.5 3.15 4.0 5.0 6.5 89 172 215 268 344 429 537 108 142 177 221 283 354 442 557 133 144 180 230 287 359 453 575 159 120 150 192 240 300 379 481 601 194 123 158 197 246 310 394 492 219 275 349 436 567 已確定輸送帶寬度B=500mm，且?guī)賤=1m/s，再綜合以上情況, 根據(jù)表2-1和表2-2, 選用托輥直徑89mm。因輸送帶承載的載荷并不大，所以分別選擇平行上托輥和平行下托 輥為承載托輥和回程托輥。 2.4滾筒的選擇 滾筒分傳動滾筒和改向滾筒。傳動滾筒是傳遞動力的主要部件傳動滾筒根據(jù)承載能 力分輕型、中型和重型三種。 輕型：軸承孔徑 80-100mm。軸與輪轂為單鍵聯(lián)接的單幅板焊接筒體結(jié)構(gòu)。單向出軸。 中型：軸承孔徑 120-180mm。軸與輪轂為脹套聯(lián)接。 重型：軸承孔徑 200-220mm。軸與輪轂為脹套聯(lián)接，筒體為鑄焊結(jié)構(gòu)。有單向出軸和 雙向出軸兩種。 傳動滾筒是將驅(qū)動裝置的動力，通過摩擦力傳遞給輸送帶的部件。通常情況下，根 據(jù)軸與輪轂之間的連接方式，傳動滾筒有鋼板焊接結(jié)構(gòu)和鑄焊結(jié)構(gòu)兩種形式。鋼板焊接 滾筒軸與輪轂之間采用鍵連接，能承受中小型載荷；鑄焊滾筒軸與輪轂之間采用脹套連 接，避免了由于鍵連接而削弱軸的強(qiáng)度，因此這種結(jié)構(gòu)形式的滾筒可承受較大的負(fù)荷， 且便于安裝和拆卸。滾筒表面有光面和膠面兩種形式，在功率不大，環(huán)境濕度小的情況 下，可采用表面摩擦因數(shù)小的光面滾筒；在功率大，環(huán)境又潮濕，容易打滑的情況下采 用表面摩擦因數(shù)大的膠面滾筒。膠面的作用是增大傳動滾筒與輸送帶之間的摩擦力。膠 面滾筒有鑄膠和包膠兩種工藝型式，鑄膠滾筒膠面厚且耐磨，質(zhì)量好，但工藝復(fù)雜，價 格高；包膠滾筒工藝簡單，成本低。膠面滾筒有光膠面、人字型溝槽和菱形溝槽三種型 式。當(dāng)采用人字型溝槽膠面滾筒時，應(yīng)注意其方向性，人字型尖應(yīng)朝向滾筒的轉(zhuǎn)動方向， 菱形膠面滾筒用于雙向運(yùn)輸?shù)妮斔蜋C(jī)。用于重要場合的滾筒最好采用硫化橡膠覆面；當(dāng) 有阻燃、隔爆條件要求時，應(yīng)采用相應(yīng)措施。此處運(yùn)送的產(chǎn)品較輕，所需的功率也不大， 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 7 所以選用光面滾筒。 改向滾筒的作用是改變輸送帶的運(yùn)行方向或增加輸送帶與傳動滾筒間的圍包角。增 加圍包角的作用是增加輸送帶與滾筒間的接觸面，使輸送帶與滾筒間不打滑。改向滾筒 包括尾部滾筒、增加傳動滾筒圍包角、增加尾部滾筒圍包角及拉緊裝置處的滾筒。改向 滾筒和傳動滾筒一樣有鋼板焊接結(jié)構(gòu)和鑄焊結(jié)構(gòu)兩種形式。滾筒表面有光鋼面和光膠面 兩種。除較重要的場合選用光膠面滾筒外，一般采用光鋼面滾筒。 按承載能力改向滾筒又可分輕型、中型和重型；軸承孔徑分為50-100mm，120-180mm 及200-260mm，結(jié)構(gòu)與傳動滾筒一致。改向滾筒覆面有裸露光鋼面和平滑膠面兩種。 表 2-4 各種帆布帶相對層數(shù)的最小傳動滾筒直徑 型號 3 4 5 6 7 8 CC-56、NN-100 500 500 630 800 1000 1000 NN-150、EP-100 500 500 630 800 NN-120 NN-300 EP-200 EP-300 500 630 800 1000 因?yàn)檫x用的棉帆布帶層數(shù) ，所以由上表 2-4，可選用的滾筒最小滾筒直徑為4Z 500mm。 因?yàn)樵撓驖L筒的直徑一般比傳動滾筒的直徑小一級，結(jié)合下表 2-5，可選用帶寬 ，長度 ， 的滾筒為傳動滾筒，帶寬 ，長度50Bm60L150Dm50Bm ， 的滾筒為改向滾筒。6L24 表 2-5 帶寬和滾筒直徑、長度之間的關(guān)系 帶寬 B （mm） 滾筒長度 L（mm） 滾筒直徑 D（mm） 500 600 200,250,315,400,500 650 750 200,250,315,400,500,630,800,1000 800 950 200,250,315,400,500,630,800,1000,1250,1400 所選的傳動滾筒和改向滾筒的基本參數(shù)如下表 2-6： 表 2-6 滾筒基本參數(shù) 滾 筒 帶寬（mm） 直徑 D（mm ） 軸承 型號 許用合力 (KN) 轉(zhuǎn)動慣量 (Kgm2) 質(zhì)量 (Kg) 圖 號 傳動滾筒 500 500 6316 49 5 250 DT01A4081 改向滾筒 500 400 6312 40 3 166 DT01B3052 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 8 2.5輸送帶牽引力計(jì)算 2.5.1 輸送帶的運(yùn)動阻力和有效載荷 輸送帶運(yùn)動時的阻力包括直線區(qū)段、曲線區(qū)段以及一些附屬裝置所產(chǎn)生的局部阻力。 （1）直線區(qū)段 輸送帶在托輥上運(yùn)動時的阻力包括托輥軸承以及帶與托輥之間的摩擦阻力等。通常 由與托輥單位長度壓力所引起的運(yùn)動阻力來表示，特稱為阻力系數(shù)。其值 與軸承類型 及工作環(huán)境有關(guān)， 取長度為 L、傾角為 的一段輸送帶，分析其受力狀況，如圖 2-3 所 示。設(shè)單位長度內(nèi)物件、輸送帶和上、下托輥的當(dāng)量線載荷 、 、 、 。即可求WqD1G2q 出作用在托輥軸承上的總壓力 N。 式/WqGl （2.2） 式11/l （2.3） 式（2.4）22/Gql 式中 包箱重量，此處為 250N；WG 上托輥重量，由參考文獻(xiàn)7查得，此處選為 116N；1 下托輥重量，由參考文獻(xiàn)7查得，此處為 104N；2 包裝箱節(jié)距，此處為 1000mm（包裝箱長略小于 400mm） ；l 上托輥間距，輸送散貨時取 1.2m。輸送件貨時，如果單間重量超過1 200N，則托輥間距應(yīng)小于件貨輸送方向長度的一半，此處取 0.18m； 下托輥間距，一般取 23 米，此處取 3 米。 l 所以 ： ， ， ，由參考文獻(xiàn)5可查得50/WqNm160/GqN234.67/GqNm 。57.09/Dq 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 9 圖 2-3 輸送帶受力分析 考慮到 角較小， 幾乎為零度，可近似地取 式()cosWDGNqL （2.5） 這樣輸送帶在托輥上運(yùn)動時所受的摩擦阻力為 式()cosWDGNqL （2.6） 令 Sa、Sb 分別代表所選區(qū)段內(nèi)輸送帶主動邊和從動邊的拉力。由圖（2-3）可列出 受力平衡方程式 式()cos()sinWDGWDSabqLqL （2.7） 進(jìn)而求出該區(qū)段的運(yùn)動阻力為 式1()cos()sinZWDGWDFSabqLqL （2.8） 對于松邊來說，因沒有物件承載，Q W=0，故主從動邊的拉力差改變?yōu)?式2()cos()sinZDGWDFqLqL 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 10 （2.10） 由參考文獻(xiàn)5可查得帶與托輥的運(yùn)動阻力系數(shù) ，接合一般輸送帶長度選擇，0.25 這里帶長取 12m。 所以, 直線區(qū)段的運(yùn)動阻力 1()cos()sinZWDGWDFqLqL =0.02512(250+57.09+1370) =503.13N 2()cosinZDGDFqLq =0.025(57.09+34.67) 12 =27.53N （2） 曲線區(qū)段 輸送帶饒過主、從動滾筒時也會遇到阻力，它主要由軸承摩擦阻力以及帶本身的剛 性阻力組成。 軸承摩擦阻力是通過作用在滾筒上的外力再轉(zhuǎn)換為對軸承的正壓力 而求出的，即 N 式FN （2.11） 式中 軸承的摩擦系數(shù)，由參考文獻(xiàn)5查得，此處為 0.015。 如圖 2-4 所示，作用在滾筒上的外力有，輸送帶饒入端和饒出鍛端的拉力 、 ，S 以及滾筒的自重；若忽略不計(jì)此自重，且近似取 = ，則作用在滾筒上軸承的合力S 式2sin()N （2.12） 式中 滾筒的包角，此處取為 180。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 11 圖 2-4 滾筒受力分析 若將軸承摩擦阻力折算到滾筒圓周上，則當(dāng)量阻力為 式2sin()FNdDSD （2.13） 式中 D、d分別為滾筒及其軸頸的直徑，此處傳動滾筒分別取 500mm，80mm，改 向 滾筒分別取 400mm，60mm； 輸送帶由于本身彎曲變形和內(nèi)摩擦效應(yīng)所產(chǎn)生的運(yùn)動阻力 式FS （2.14） 撓性系數(shù)可按下式近似計(jì)算 式1.2.3D （2.15） 式中 帶的厚度，此處為 4.5mm。 因此，帶在曲線區(qū)段運(yùn)動的總阻力為 式2sin()QFdSS （2.16） 式中 S帶繞過輪上兩端拉力中取較大者。 曲線區(qū)段 23 的撓性系數(shù)由式（2.15）近式算出： 1.21.223.30.4506D 該區(qū)段的運(yùn)動阻力由式（2.16）算出，其中 S 在計(jì)算時采用從動滾筒帶繞出段端拉力。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 12 2323223sin()QFdSDS 330.156i904.6 2.5.2 輸送帶的牽引力 由式（2.7）看出，在直線區(qū)段內(nèi)，輸送帶上 a 點(diǎn)的拉力 Sa 應(yīng)等于另一點(diǎn) Sb 的拉力 與兩點(diǎn)間的運(yùn)動阻力之和。對帶的拉力進(jìn)行逐點(diǎn)計(jì)算的分段方法，如圖 2-5 所示。 圖 2-5 輸送帶受力分析的分段 以主動滾筒上輸送帶的繞出點(diǎn) 1 為起始點(diǎn)，以饒入點(diǎn) 4 為終點(diǎn)，沿帶的工作運(yùn)轉(zhuǎn)方 向?qū)⑺譃槿舾芍本€和曲線區(qū)段。并設(shè)各點(diǎn)拉力： 第 1 點(diǎn)為： 1S 第 2 點(diǎn)為： 2ZF 第 3 點(diǎn)為： 323Q 第 4 點(diǎn)為： 4123ZQZSF 據(jù)此可求出運(yùn)輸帶任一點(diǎn)的 n 的拉力 式1()nn: （2.17） 進(jìn)而可求出輸送帶在傳動滾筒上繞出點(diǎn)的拉力 與饒入點(diǎn) 之間的函數(shù)關(guān)系。0SR ， ， ，令則式（2.17 ）改寫為式（2.18） 。RnS01nS0(1)RnF: 式0RSF （2.18） 另一方面，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，為保證帶的作用力傳遞和不沿滾筒打滑，饒入點(diǎn)和 饒出點(diǎn)的拉力還必須滿足由歐拉公式所提出的條件，即 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 13 式（2.19）0RSeK 式中 K安全系數(shù)，通常取 1.21.5。 至此，可求出輸送帶的牽引力 式0RORZQZPSF （2.20） 由上述推導(dǎo)可列出如下： 21ZSF323Q4123ZQZSF 所以， 0.91.1(4)0.89321.6 考慮到滾筒為金屬制件，其工作環(huán)境干燥，由參考文獻(xiàn)5可查得，=0.25， ，再取安全系數(shù) K=1.5，又得2.19e 式41112.9.546SeKS （2.21） 對以上兩表達(dá)示 S4=f（S1）聯(lián)立，解出主從動滾筒繞入端和繞出端的拉力為 ： 41273.SN8 所以，牽引力 。410.2FSN 2.6帶的強(qiáng)度校核 校核帶輸送帶的強(qiáng)度，可用下式（2.22）： 式maxZBSn （2.22） 式中 Z帶的帆布層數(shù)，此處為 4； B帶寬，此處為 500mm； 一層 1cm 寬膠布帶的保證強(qiáng)度，普通橡膠帶（棉布帶芯膠布）通常取 560N/cm； n安全系數(shù)，查由參考文獻(xiàn)5得，此處為 8。 最大拉力，此處 。maxSmax410.2SN 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 14 max45061273.48.95ZBS 故說明強(qiáng)度可靠。 2.7 驅(qū)動裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算 驅(qū)動裝置是用來驅(qū)動輸送帶運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)物料運(yùn)送的裝置。其驅(qū)動原理是依靠傳動滾 筒與輸送帶之間的摩擦力來傳遞動力使帶運(yùn)動的。驅(qū)動裝置由電動機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、 傳動滾筒等組成。如圖 2-6 為驅(qū)動裝置圖。對于傾角較大的上運(yùn)帶式輸送機(jī)還應(yīng)設(shè)有停 止器或制動器，以防止電動機(jī)斷電后輸送帶在自重及物料重力作用下返回運(yùn)動。而本設(shè) 計(jì)的帶式輸送裝置傾角較小，幾乎為零，所以可不設(shè)置停止器或制動器。 圖 2-6 驅(qū)動裝置圖 1-電動機(jī)；2、4-聯(lián)軸器；3-減速器；5-傳動滾筒 2.7.1電動機(jī)的選擇計(jì)算 （1）選擇電動機(jī)的類型 電動機(jī)是常用的原動機(jī)，并且是系列化和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。機(jī)械設(shè)計(jì)中需要根據(jù)工作機(jī) 的工作情況和運(yùn)動，動力參數(shù)，合理地選擇電動機(jī)類型，結(jié)構(gòu)形式，傳遞的功率和轉(zhuǎn)速, 確定電動機(jī)的型號。電動機(jī)有交流電動機(jī)和直流電動機(jī)之分.由于直流電動機(jī)需要直流電 源，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價格較高，維護(hù)比較不方便，因此無特殊要求時不宜采用。工業(yè)上常 采用交流電動機(jī)。交流電動機(jī)有異步電動機(jī)和同步電動機(jī)兩類，異步電動機(jī)又分為籠型 和繞線型兩種，其中以普通籠型異步電動機(jī)應(yīng)用最廣泛。而在此自動裝箱系統(tǒng)中，電動 機(jī)須經(jīng)常啟動、制動，所以要求電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量小和過載能力大，應(yīng)選用起重及冶金 用三相籠型異步電動機(jī)，電壓380V，YZ型。 （1） 選擇電動機(jī)的容量 電動機(jī)所需工作功率為 式(10)daPFv 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 15 （2.23） 式中 F輸送帶的牽引力，N； v輸送帶的速度，m/s； 電動機(jī)至輸送帶的傳動總功率；a 傳動總功率： 4213 式中 軸承的傳動效率，此處為 0.98；1 蝸桿傳動的傳動效率，此處為 0.7；2 連軸器的傳動效率，此處為 0.99；3 滾筒的傳動效率，此處為 0.96。4 所以， 420.98.790.6a6 1.(.)7PdKW （2） 確定電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 滾筒軸工作轉(zhuǎn)速為 式601()nvD （2.24） 式中：D傳動滾筒直徑，此處為 500mm； v輸送帶帶速，此處為 1m/s。 可得 。601(3.450)8.2/minnr 因?yàn)橐患壩仐U減速器的傳動比 i=1040，則電動機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍為：(84).219/idi 根據(jù)容量和轉(zhuǎn)速等，由參考文獻(xiàn)4查得，選用電動機(jī)型號為 YZ112M-6。選用的電動 機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表 2-7 表 2-7 電動機(jī)的技術(shù)參數(shù) 型號 額定功率 （KW） 定子電流 （A） 轉(zhuǎn) 速（r/min ） 最大轉(zhuǎn)矩 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 堵轉(zhuǎn)電流 效率（%） 功率因數(shù) YZ112M-6 1.5 4.25 920 2.0 2.0 4.47 69.5 0.765 2.7.2 減速器的選型 根據(jù)帶速，傳動滾筒直徑和電動機(jī)轉(zhuǎn)速推知減速器的傳動比為： 式（2.25）603.14920.5624.07inDv 由機(jī)械手冊查得，蝸桿減速器的結(jié)構(gòu)簡單，尺寸緊湊，效率低，適用于載荷較小。間 歇工作的場合。所以這里選用 CW 型圓弧圓柱蝸桿減速器，它適用于冶金，礦山，起重， 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 16 運(yùn)輸，化工，建筑等機(jī)械設(shè)備的減速傳動。 由下式（2.24） ，式（2.25）可初步計(jì)算減速器的功率 式（2.26）112JBPf 式（2.27）34R 式中 減速器計(jì)算輸入機(jī)械功率，Km；1JP 減速器計(jì)算輸入熱功率；R 減速器實(shí)際輸入功率；1B 工作載荷系數(shù)，由參考文獻(xiàn)6查得，此處取為 1.25；f 啟動頻率系數(shù)，由參考文獻(xiàn)6查得，此處取為 1.1；2 小時負(fù)荷系數(shù)，由參考文獻(xiàn) 6得，此處取為 0.7；3f 環(huán)境溫度系數(shù)，由參考文獻(xiàn)6得，此處取為 1.14。4 所以 ， 10.751.09625JPKW4R 由于 大于 ，故按 進(jìn)行選擇。1J11.J 選擇的減速器的技術(shù)參數(shù)如下表 2-8 表 2-8 減速器的技術(shù)參數(shù) 型號 高速軸輸入轉(zhuǎn)矩 額定輸入功率 傳動比 中心距 CW125-25- 1000r/min 5.6 KW 25 125mm 2.7.3 聯(lián)軸器的選擇 考慮到工作現(xiàn)場的空間和減少傳動鏈的原則，該設(shè)計(jì)直接采用聯(lián)軸器，通過聯(lián)軸器 直接把電動機(jī)和減速器聯(lián)接，減速器與滾筒聯(lián)接。 動力傳遞過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速相對較大，有一定的振動且頻繁啟動，因此電動機(jī)與減 速器相連處選用彈性聯(lián)軸器。減速器與滾筒聯(lián)接處轉(zhuǎn)速低，但有一定載荷，兩軸也不在 同一基礎(chǔ)上，有相對偏差，因而選用滑塊聯(lián)軸器。 彈性套柱銷聯(lián)軸器：具有撓性元件，依靠彈性套與半聯(lián)軸器凸緣上圓孔間的間隙以 及彈性套的變形,不但具有位移補(bǔ)償能力，而且具有良好的緩沖吸振能力，因此適用于這 里啟動頻繁、有沖擊振動的場合。 滑塊聯(lián)軸器：具有徑向位移、角位移補(bǔ)償能力，由于制造、安裝及機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中軸、 軸承、支承座等受載荷、溫度的影響而變形，使得被聯(lián)接兩軸在實(shí)際中不可能完全對中， 兩軸出現(xiàn)徑向位移、角位移等，這時使用的滑塊聯(lián)軸器允許兩軸間有一定的相互位移。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 17 2.8 拉緊裝置的選擇 拉緊裝置給輸送帶一定的初始拉緊力，在運(yùn)行中始終使輸送帶保持一定的拉緊程度， 以免在驅(qū)動滾筒上打滑，并使輸送帶在拖輥間的撓度保證在規(guī)定的范圍內(nèi)。拉緊裝置是 帶式輸送機(jī)不可缺少的重要組成部分，它的性能好壞直接影響帶式輸送機(jī)整體的性能， 拉緊裝置的功能主要有以下幾點(diǎn)： （1）保證帶式輸送機(jī)驅(qū)動滾筒分離點(diǎn)的足夠張力和驅(qū)動裝置依靠摩擦傳動所必須傳遞的 摩擦牽引力，以帶動輸送機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，防止輸送帶打滑； （2）保證承載分支最小張力點(diǎn)的必須張力，限制輸送帶在托輥之間的垂度，保證帶式輸 送機(jī)正常運(yùn)行； （3）補(bǔ)償塑性變形與過渡工況時輸送帶伸長量的變化。由于負(fù)載變化會引起輸送帶發(fā)生 長度變化，蠕變現(xiàn)象也會造成輸送帶伸長，張緊力有變小趨勢，需要拉緊裝置來吸收由 蠕變產(chǎn)生的伸長，維持輸送機(jī)正常運(yùn)行所需的最小張緊力； （4）為輸送帶重新接頭做必要的行程準(zhǔn)備。每部帶式輸送機(jī)都有若干個接頭，可能在某 一時間接頭會出現(xiàn)問題，必須截頭重做，拉緊裝置為帶式輸送機(jī)準(zhǔn)備了負(fù)荷以外的輸送 帶，這樣接頭故障就可以通過放松拉緊裝置重新接頭來解決。 常見的拉緊裝置有重力拉緊裝置、螺旋拉緊裝置、固定絞車?yán)o裝置、自動拉緊裝 置等。各種拉緊裝置的特點(diǎn)如下：3 H D; Z, 9 （1）重力拉緊裝置。重力拉緊裝置是結(jié)構(gòu)最簡單，應(yīng)用最廣泛的一種拉緊裝置。它是利 用重錘來自動拉緊，由于重錘靠自重拉緊，所以它能保證拉緊力在各種工況下保持恒定 不變，能自動補(bǔ)償膠帶的伸長。重力拉緊裝置的特點(diǎn)是拉緊力不變，拉緊位移可變，它 適用于固定式長距離運(yùn)輸機(jī)，機(jī)長 500m 以上的中長距離輸送機(jī)，需較大的拉緊行程，可 將拉緊滾筒小車布置在輸送機(jī)下部，通過布置在輸送機(jī)一側(cè)的重錘拉緊塔架實(shí)現(xiàn)重錘拉 緊。 （2）螺旋拉緊裝置。螺旋拉緊裝置結(jié)構(gòu)簡單，拉緊行程小，適用于短距離輸送機(jī)，此拉 緊裝置所需的拉緊力一般通過絲杠手動調(diào)整，適用于長度 80m 以內(nèi)的短距離輸送機(jī)。對 輕型物料和輸送量特小的輸送機(jī)，可適當(dāng)延長。根據(jù)輸送帶張力，亦可采用液壓缸作為 動力。 （3）固定絞車?yán)o裝置。固定絞車?yán)o裝置是利用小型絞車來拉緊，絞車一般用蝸輪蝸 桿減速器帶動卷筒來纏繞鋼繩，從而拉緊膠帶。這種拉緊裝置的優(yōu)點(diǎn)是體積小，拉力大， 可用于 500m 以上中等長度以上的輸送機(jī)。缺點(diǎn)是它只能根據(jù)所需要的拉緊力調(diào)定后產(chǎn)生 固定的拉緊力，拉緊力不能自動調(diào)節(jié)，當(dāng)絞車和控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，對膠帶機(jī)不能產(chǎn) 生恒定的拉緊力或拉緊力失效，安全可靠性相對降低。 （4）自動拉緊裝置。自動拉緊裝置不但能根據(jù)主動滾筒的牽引力來自動調(diào)整拉緊力，而 且還能補(bǔ)償膠帶的伸長。包括自動式電動絞車或自動式液壓拉緊裝置，可根據(jù)輸送機(jī)啟 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 18 動、運(yùn)行、制動運(yùn)行工況的不同要求，自動調(diào)整輸送帶拉緊力和響應(yīng)張緊滾筒的位置變 化要求，宜用于布置復(fù)雜的大型輸送機(jī)。9 _. % 因?yàn)檫@里的輸送裝置長度為 12m，長度較小對照上述拉緊裝置，所以選用螺旋拉緊裝 置比較合適。螺旋張緊行程有 500mm、800mm、1000mm 三種，此處選取 500mm 的張緊行程， 最大拉緊力為 9KN。 3 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 在傳感器中，很多傳感器能接受輸入信號以開關(guān)信號輸出。由于單片機(jī)具有位處理 功能，所以可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的控制。本文設(shè)計(jì)了一種小型件的自動裝置系統(tǒng)，利用傳感 器檢測產(chǎn)品，并與單片機(jī)接口，輸出的開關(guān)信號控制產(chǎn)品的自動裝箱。 3.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)的控制要求 該系統(tǒng)總共分成傳動和傳感兩部分，其功能要求是能準(zhǔn)確定位包裝箱，準(zhǔn)確檢測是 否裝滿產(chǎn)品，產(chǎn)品的傳動和包裝箱的轉(zhuǎn)動能夠自動的調(diào)節(jié)，并且可以檢測箱子的個數(shù)。 系統(tǒng)中有兩條傳送帶和兩個檢測器（光電傳感器）。傳送1 是包裝箱傳送帶，傳送帶2 是產(chǎn)品傳送帶。信號檢測部分有兩個光電傳感器，光電傳感器1 用來檢測包裝箱是否到 位，光電傳感器2 用來產(chǎn)品計(jì)數(shù)。傳送帶2 將產(chǎn)品從生產(chǎn)區(qū)傳送到包裝區(qū)，產(chǎn)品到傳送 帶2 的末端時，就會掉入包裝箱，同時被檢測器2 （光電傳感器）檢測并計(jì)數(shù)。傳送帶1 把滿箱運(yùn)走，并用空箱代替。為使空箱對準(zhǔn)產(chǎn)品，用檢測器1 （光電傳感器）檢測是否 到位。產(chǎn)品自動裝箱系統(tǒng)的工作流程如圖3-1所示。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 19 圖 3-1 產(chǎn)品自動裝箱系統(tǒng)的工作流程圖 3.2 光電檢測裝置的設(shè)計(jì) 光電檢測技術(shù)在包裝機(jī)械中多用于計(jì)數(shù)、容器定位、料面控制和色質(zhì)檢測等方面。 其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)無接觸檢測, 可將機(jī)械動態(tài)檢測變成光電靜態(tài)檢測,從而顯著簡化機(jī)械 結(jié)構(gòu), 通常被稱為自動控制的眼睛, 而且它所具有的某些功能, 是人眼所不能達(dá)到的。 比如它具有很高的響應(yīng)速度, 當(dāng)被測物以較高速度運(yùn)動時也逃脫不了該系統(tǒng)的觀察。這 里利用光電檢測裝置檢測產(chǎn)品數(shù)量和包裝箱是否到位。 3.2.1光電傳感器的基本原理 傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件。而光電傳感器 (光電開關(guān))是光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，當(dāng)被測量 的信號達(dá)到某個特定的閾值時，傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)定的低電平或高電平信號，以 達(dá)到檢測的目的。其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關(guān) 是一種電量傳感器，把電流或電壓的變化以光電的方式傳送出去。即進(jìn)行電信號-光信號 -電信號的轉(zhuǎn)換。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)射器(光源) 、接收器和檢測電路。根據(jù)接收器所感知的信號判斷被測對象的有無、形狀、方位和顏 色時, 按發(fā)射器和接收器 的相對位置不同可分為反射型和透過型兩種型式, 見圖 3- 2（a）、（b）。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 20 圖 3-2（a）反射型、（b）透過型 發(fā)射器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、 激光二極管及紅外發(fā)射二極管。發(fā)射器發(fā)出的光采用不同形式接觸被測物后照射在受光 器上, 而接受器是在光照射下產(chǎn)生電流(或電導(dǎo)率發(fā)生變化) , 即所謂的具有光電效應(yīng)的 光敏元件, 常用的有光電二極管、光電三極管、光電池管。 光電二極管的 PN 結(jié)在沒有光照時和普通二極管一樣具有單向?qū)щ娦? 使用時處于反 向偏置; 光線照射管芯, 會產(chǎn)生光生載流子, 在反向電壓作用下,光生載流子導(dǎo)電產(chǎn)生光 電流, 即隨入射光強(qiáng)度的變化在負(fù)載電阻的兩端就會產(chǎn)生隨光強(qiáng)度變化的光電壓,經(jīng)檢波、 放大處理去推動控制系統(tǒng)。 光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能外，還有對電信號 放大的功能。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個極 發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射入。為增大光照，基 區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正 偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流Iceo=（1+）Icbo（很?。?，比一般三極管的 穿透電流還?。划?dāng)有光照時，激發(fā)大量的電子-空穴對，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此 刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流Ic=（1+）Ib，可見光電三極管要比光電二 極管具有更高的靈敏度。 發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、 激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電 二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。 在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。 3.2.2 傳感器的選擇 光電開關(guān)的分類和工作方式如下： （1）漫反射式光電開關(guān)：它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測物體 經(jīng)過時，物體將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn) 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 21 生了開關(guān)信號。當(dāng)被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電開關(guān)是首 選的檢測模式。 （2）鏡反射式光電開關(guān)：它亦集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng) 過反射鏡反射回接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測 開關(guān)信號。 （3）對射式光電開關(guān)：它包含了在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器， 發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線 時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)檢測物體為不透明時，對射式光電開關(guān)是最可靠的 檢測裝置。 （4）槽式光電開關(guān)：它通常采用標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的 兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)量 信號。槽式光電開關(guān)比較適合檢測高速運(yùn)動的物體，并且它能分辨透明與半透明物體,使 用安全可靠。 （5）光纖式光電開關(guān)：它采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導(dǎo)光線，可以對距離遠(yuǎn)的被檢 測物體進(jìn)行檢測。通常光纖傳感器分為對射式和漫反射式。 在傳送帶2上，包裝箱為不透明物體，綜合考慮上述分類，選用對射式光電開關(guān)。 3.2.3 傳感器的位置確定 當(dāng)光電傳感器檢測到包裝箱到位或產(chǎn)品數(shù)量已達(dá)到要求時，單片機(jī)控制的電路使相 應(yīng)的電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。但由于慣性等因數(shù)，包裝箱并不會立即停止，還會繼續(xù)往前運(yùn)行 一段距離S，導(dǎo)致包裝箱不能準(zhǔn)確到位，產(chǎn)品數(shù)量計(jì)錯。而這段預(yù)留的距離S可由式 （3.1）、式（3.2）近似推導(dǎo)可得。 式mga（3.1） 式（3.2 20taSV ） 式中： 為輸送帶摩擦因數(shù)，由參考文獻(xiàn)5查得， 為 0.6； 為帶停止時的初速度，取值為 1m/s；tV 為帶停止的末速度取值為 0；0 為輸送帶停止這段時間的加速度。a 所以預(yù)留距離： 1284Sgm 因此，傳感器 1 在包裝箱上的位置應(yīng)位于產(chǎn)品傳送帶下方偏前 84mm；因?yàn)楫a(chǎn)品間距 為 150mm，大于這段預(yù)留距離，所以傳感器 2 的位置可設(shè)在產(chǎn)品傳送帶末（具體位置見 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 22 CAD 總裝配圖） 。 3.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 此自動裝箱系統(tǒng)主體部分采用兩條傳送帶，一條包裝箱傳送帶，另一條是產(chǎn)品傳送 帶。對產(chǎn)品計(jì)數(shù)采用光電傳感器，并與單片機(jī)接口，再通過單片機(jī)對交流電機(jī)的控制， 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動裝箱。 3.3.1 單片機(jī)的概述 單片機(jī)的全稱叫做單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)，是微型計(jì)算機(jī)家族中的一個分類，是將CPU、 存儲器、總線、I/O接口電路集成在一片超大規(guī)模集成電路芯片上，因此又稱之為單片機(jī)。 單片機(jī)具有體積小、功能全、價格低廉的突出優(yōu)點(diǎn)，同時其軟件也非常豐富，并可將這 些軟件嵌入到其他產(chǎn)品中，使其他產(chǎn)品具有豐富的智能。單片機(jī)所具有的這些優(yōu)點(diǎn)使之 問世后得到了迅速的發(fā)展，廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、儀器儀表、交通運(yùn)輸、通信設(shè)備、家 用電器等眾多領(lǐng)域，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化器件。 3.3.2 單片機(jī)的應(yīng)用 為滿足各種各樣系統(tǒng)對控制功能的不同需求，以單片機(jī)為控制核心構(gòu)成的控制系統(tǒng) 在規(guī)模、結(jié)構(gòu)、功能等方面將會有很大的不同，根據(jù)規(guī)?？筛爬?、籠統(tǒng)地劃分為基本應(yīng) 用系統(tǒng)和和擴(kuò)展應(yīng)用系統(tǒng)。 單片機(jī)基本應(yīng)用系統(tǒng)沒有擴(kuò)展的程序存儲器ROM、數(shù)據(jù)存儲器RAM、擴(kuò)展的I/O接口等 擴(kuò)展部件，除單片機(jī)外僅配置了電源、時鐘電路、輸入/輸出設(shè)備和復(fù)位電路，是最小的 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，如圖3-3所示。 圖3-3 最小的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 23 3.3.3 單片機(jī)的發(fā)展趨勢 從第一代單片機(jī)到時至今日各大公司推出的各種型號電片機(jī)的功能及資源，可以看 到電片機(jī)正朝著更高性能、更高容量、進(jìn)一步微型化、多品種的方向發(fā)展，主要體現(xiàn)在 如下幾個方面： （1）CPU的運(yùn)算速度、處理能力進(jìn)一步的提高。 （2）存儲容量的增加和存儲器本身技術(shù)水平的提高。16位單片機(jī)中的ROM和RAM的容量進(jìn) 一步增大，特別是Flash存儲器的使用，可大大提高編程和擦除的速度，并能實(shí)現(xiàn)在線編 程。 （3）I/O口的改進(jìn) 。單片機(jī)的I/O口將開始呈現(xiàn)多樣化和多功能化的趨勢，包括可編程 并行口，可編程串行口、串行擴(kuò)展口、多位的A/D轉(zhuǎn)換器、增加I/O口的邏輯控制功能等 多項(xiàng)軟硬件技術(shù)都已開始應(yīng)用。 （4）特殊的串行口功能。為適應(yīng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的需求，一些單片機(jī)提供了具有了網(wǎng)絡(luò) 功能的特殊串行口，為應(yīng)用單片機(jī)構(gòu)造控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供了便利的條件。 （5）系統(tǒng)的單片化。隨著超大規(guī)模集成電路制造水平和工藝的不斷發(fā)展和提高，一些外 圍電路的功能將會被并入或集成到單片機(jī)的芯片內(nèi)部，包括多位的A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換 器、DMA控制器、中斷控制器等將一個單片機(jī)控制系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 （6）小型化。 對一些比較簡單的設(shè)備或系統(tǒng)（例如簡單的家電設(shè)備、小單元報警系統(tǒng) 等）的控制，并不需要功能特別強(qiáng)的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，只需要滿足控制的需要即可，因此 一些功能相對簡單、體積更小、價格低廉的單片機(jī)有著廣闊的市場。 3.3.4 AT89S51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu) AT89S51是美國ATMEL公司的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KB的可編程的 Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo) 準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行 編程及通用8位微處理器于單片芯片中。主要性能參數(shù)： MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 ； 4K字節(jié)的快速擦除寫Flash存儲器； 1000次擦寫周期 ； 4.0-5.5V的工作電壓范圍； 全靜態(tài)工作模式：0HZ-33MHZ； 三級程序加密鎖； 128字節(jié)內(nèi)部RAM； 32個可編程I/O口線； 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 24 2個16位定時/計(jì)數(shù)器； 6個中斷源； 全雙工串行UART通道； 低功耗空閑和掉電模式； 看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針； 掉電標(biāo)識和快速編程特性； 單片機(jī)的原理結(jié)構(gòu)圖如下圖3-4： 圖3-4 AT89S51單片機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 25 3.3.5 AT89S51單片機(jī)主要引腳及功能 VCC：電源電壓 GND：地 P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出 口用時，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。 在訪 問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用， 在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 P1口：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖可驅(qū)動（吸收或輸 出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平， 此時可作輸入口。作輸入口使用時，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時 會輸出一個電流。 P2口：P2是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸 出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平， 此時可作輸入口使用，因?yàn)閮?nèi)部在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電 流。 P3口：P3口是一組帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向8位I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸 收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高可作 為輸入端口。做輸出端時，被外部拉低P3口將用上拉電阻輸出電流。 RST：復(fù)位輸入。 ：程序存儲器允許（ ）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng) AT89S51PSENPSEN 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機(jī)器周兩次 有效，即輸出兩個脈沖。PSEN 當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，沒有兩次有效的 信號。 EV/VPP：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址 0000H-FFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。 XTAL1：振蕩器反向放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反向放大器的輸出端。 PDIP封裝AS89S51單片機(jī)的引腳排列如下圖3-5所示 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 26 圖3-5 PDIP封裝AS89S51單片機(jī)的引腳排列 3.3.6 存儲器和I/O接口電路 AT89S51單片機(jī)芯片內(nèi)配置有4KB的Flash程序存儲器和128B的數(shù)據(jù)存儲器RAM，根據(jù) 需要可外擴(kuò)最大64KB的程序存儲器和64KB的數(shù)據(jù)存儲器，因此AT89S51的存儲器結(jié)構(gòu)可分 為4部分：片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。 CPU的數(shù)據(jù)處理速度要遠(yuǎn)高于外圍設(shè)備，同時各外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)處理速度也不盡相同， 因此在CPU與外圍設(shè)備之間進(jìn)行信息交換時要解決處理速度的匹配問題，以有效地提高 CPU的工作效率；與此同時還要對外圍設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動，I/O接口電路正是為了上述問題而 設(shè)計(jì)的。 CPU和外圍設(shè)備進(jìn)行信息交換都要通過接口電路來進(jìn)行。AT89S51單片機(jī)內(nèi)部集成4個 可編程的并行I/O口（P0-P3），每個輸出接口電路都具有鎖存器和驅(qū)動器，輸入接口電 路具有三態(tài)門控制，這是接口電路的基本特征。 3