毕业设计(自动缝头纺织机械计数器设计).doc

中国计量学院本科毕业设计（论文）自动缝头纺织机械计数器设计Automatic Seam Head Textile Machinery Counter Design 中国计量学院2012年6月郑 重 声 明本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。学生签名： 日期： 分类号： TP242 密 级： 公开 UDC： 621 学校代码： 10356 中国计量学院本科毕业设计（论文）自动缝头纺织机械计数器设计Automatic Seam Head Textile Machinery Counter Design2012年06月致谢时间飞逝，转眼之间，作为一个大学生已有四年了。四年的大学生活在这个盛夏的季节即将画上一个句号，然而作为一个社会人，我的人生才刚刚开始，面对人生的又一个征程，我的心情不能宁静，对未来充满着无限的期待。四年的大学生涯，在老师、同学们的支持下，谈不上辛苦，却也收获颇丰，在论文即将付梓的时候，思绪万千，夜不能寐，心情久久不能平静。生活中所关注的伟人、名人是这个社会成功人士的典范，也是我努力的目标，我崇拜他们，但是现在，我跟急切的要把我的敬意和赞美献给离我最近的一个不平凡的人，那就是我的导师。我不是您众多学生中成绩最优秀的一个，但是您确实是我最尊敬的老师。您严谨的治学态度，渊博的知识，将抽象的专业知识用通俗的语言讲述，让我们很容易的领悟。大学时学习思考方式的地方，在上大学之前，我一直在想怎样才能形成属于自己的思考问题的方式。通过在您身边的学习，我慢慢的找到了形成自己思考方式的方法，领会了每个人应该有自己看待问题的方法。在论文题目的选定和论文写作的过程中，您对我进行了悉心的点拨，通过您的教导，我慢慢完善了我的论文。此时此刻，论文快要完成，心情有点起伏。因为，在论文完成的过程中，从开始选题到论文的最终完成，身边的老师，同学给了我许许多多的帮助，我要深深的感谢他们！同时我也要感谢所有机械电子工程系的所有老师以及向我们传递知识的所有老师，谢谢你们的教导，没有你们的帮助，我不能顺利的完成我的论文，同时感谢学院为我提供做论文的环境。最后，我真心的感谢所有在这几个月做毕业设计的时间里，给我提供帮助的人，谢谢你们。中国计量学院本科毕业设计（论文）自动缝头纺织机械计数器设计摘要：设计了基于单片机的自动缝头纺织机械计数器。本文分析了红外计数器的发展前景和现状，采用了红外传感器的计数器，详细阐述了红外计数器的工作原理和构成，讨论了计数器单片机系统各模块的实现方法，对传感器输入信号进行了电压比较和实验测试，达到10000只以下数量的计数要求。它可以解决计数中的增减问题，对纺织机械出产的产品通过进行计数。设计了自动缝头纺织机械计数器安装部位的机械结构图，并将各部分进行装配。因此，本设计基本完成了计数器的计数功能与计数器计数环境的设计。关键词：自动计数；红外检测；4位数码管中图分类号：TP3684Automatic Seam Head Textile Machinery Counter DesignAbstract：The design of automatic seam based on single chip head textile machinery counter. This paper analyzes the infrared counter development prospect and present situation， the infrared sensor counter， expounded the infrared counter working principle and structure， discussed the counter single-chip microcomputer system and the realization method of the module， the sensor input signal to the voltage comparison and the experiment test， to the number of 10000 only count requirements. It can solve the problem of the count increase or decrease of textile machinery produce of products through the count. Therefore， the study and expand its application infrared counter， has a very realistic significance. Keywords：Automatic Counting；Infrared Detection；8-bit Digital TubeClassification: TP3684II目 次1.绪论11.1 引言11.2自动缝头纺织机械计数器国内外发展现状和发展趋势21.3红外技术介绍21.4 工作计划21.5本章总结32.整体方案设计42.1 整体方案42.2 方案论证与选择42.3电源供电电路设计52.4红外线检测部分72.5数码管显示部分82.6 单片机计数及控制部分92.7复位电路112.8本章总结113.自动缝头纺织机械计数器硬件与软件设计123.1计数器的电路图123.2 PCB板的绘制143.3自动缝头纺织机械计数器软件设计143.4 本章总结154 自动缝头纺织机械计数器安装部位的机械结构设计164.1机械结构设计的主要制图工具solidworks2008164.2自动缝头机计数器外部机械的结构164.3 自动缝头机机械图设计164.4 本章总结18总结和展望19主要参考文献20附录A21附录B23251.绪论1.1 引言缝纫机的发明可追溯到18 世纪，英国人托马斯塞因特为提高制鞋的生产效率，苦苦思索设计了缝制靴鞋用的单线链式线迹的机器。1790 年，他在伦敦造出了第一台用木料做机体、部分零件是用金属制成的手摇缝纫机。这台机器虽然粗陋而且不太实用，但它开启了缝纫机发明的大门。随着社会的进步与经济的发展，人们告别了物质匮乏的年代，转变了“新三年、旧三年、补补缝缝又三年”的传统观念。从20 世纪80年代后，作为高档商品的缝纫机逐步开始从家庭中淡出。但缝纫机并没有消失，它转换了角度，作为生产工具进入服装工厂，在制衣车间整齐排列的电动缝纫机飞速地运转着，“哒哒”声交织成时尚交响乐，唱着欢歌为提高人们的生活质量，送来五彩缤纷的美丽时装。随着人们生活水平的不断提高，人们越来越追求人性化的事物，越来越多的流水线上的产品和各种公共场所需要进行自动技术。基于单片机构成的产品自动计数器有直观和计数精确的优点，目前已在各种行业中得到广泛应用。数字计数器有很多形式，总体来说有接触式和飞接触式两种。在科技发展的今天，非接触式红外计数器得到了广泛的应用。本设计采用以红外发射接收管作为红外计数器的信号检测头，具有价格低廉，抗干扰性好，结构简单，操作方便等特点。计数器是不可缺少的必需品。本文所设计的计数器采用红外线遮光方式，抗干扰性好，可靠性高，可用于测量宾馆、饭店、商场、超市、博物馆、展览观、车站、码头、银行等场所的人员数量及人员流通数量。该产品应用广泛，也可以测量流水线上的产品数量，以及可检查产品有无缺损。因此，研究计数器及扩大其应用，有着非常现实的意义。在工业控制、信息检测系统中广泛使用的计数器，其实际电路的作用不外乎是采集信号、处理信号、量化为一定数字比例的电压或电流，最后，通过表头或数码管等显示器件显示具体数据，供使用者观察。单片机控制红外计数器由于采用了软件处理系统，数据量化精度较高，设计、制作灵活，更适合实际应用。基于89C51 单片机红外计数器的设计可分为硬件电路设计和软件控制设计。硬件设计的目的：1）建立89C51 单片机的最小工作系统，提供单片机正常工作条件。2）确定红外光发射电路和接收电路，保障检测信号的有效性。3）组装数据显示电路，以显示具体数据。软件控制设计的内容是：1）确立红外发光二极管的工作状态，提高红外发光二极管的发光效率，减少损耗。2）处理检测信号，量化、转化为十进制数据，供显示电路显示。1.2自动缝头纺织机械计数器国内外发展现状和发展趋势如今的产品自动计数器大多采用非接触方式，早已开发出了多种型号的专用检测芯片。而利用AT89C51为控制单元、辅以多种外围硬件搭配而成的计数装置已成为现在自动计数应用领域的潮流。而如何提高自动计数器的实时性、抗干扰能力、稳定性是现在国内外自动计数生产研究的主要课题，产品自动计数主要用于工厂的流水线，往往是处于高温，高噪声等极度恶劣的环境中，而AT89C51系列单片机构成的产品自动计数器在这种环境中工作时往往会出现误操作（单片机程序跑飞）或死机（程序进入死循环），这也是基于单片机构成的产品自动计数器存在的致命。1.3红外技术介绍红外技术内容包含的部分有四个：在红外辐射的性质中有受热物体所发射的和辐射在媒质中的反射、折射、衍射和散射的传播特性；热电和光电等一些物理效应；一些红外器件的研制。在现实工业、军事上，红外器件的运用相当广泛。红外技术有很多应用，例如在夜晚可以用看见物体的红外线来确定物体的位置；用一个红外线发射器和个红外线接收器在生产上可以计算商品的数量；军事上可以用来防止敌人侵入，当红外线发射器和接收器被挡住，警报就会响；在医学上还可以查看人的病情等等。红外线计数器分为对射式和反射式两种电路。对射式红外线是一个发射头和一个接收头在中间如有物件通过就遮挡一下光线，输出脉冲信号触发计数电路；反射式红外线是把发射头和接收头做在一块成为一个红外探头，当探头前有个物件出现就把发射头的红外线反射给接收头，探头输出个脉冲给计数器计数。本文所设计的计数器是采用红外线遮光方式，将利用红外对射管作计数传感器，若有物体通过时，即光被遮住，红外接收头电阻很大，即高电平加在此断，输出高电平脉冲，再对此脉冲进行计数，最终实现产品的统计。基于这种红外光电检测的原理。配合组成集成电路，就可设计遮光式红外线计数器。实践证明，该装置有较强的抗干扰能力，稳定的工作，准确的计数。1.4 工作计划根据本论文要求达到的功能，掌握本论文涉及到的相关理论知识，然后设计相应的实物，输入程序，最后使计数器准确的实现过物计数功能。在本论文中，了解计数器各个组成部分的相关知识，然后画出包括计数器的电路图，做出实物计数器，此外设计相关的程序，完成所要求的基本功能。第一，查阅相关参考文献，确定本论文大致需要的相关资料。第二，筛选其中本论文涉及的具体资料，进行整理。第三，学习筛选出的资料，设计出相关的电路图，以及对应的PCB板图，然后进行相应的软件设计。第四，完成相关实物的制作，将程序输入实物中，进行实物调试，得到所要求的功能。第五，写出论文，并整理所有相关的文献资料，按要求装订成册。1.5本章总结本章主要介绍缝纫机与计数器形成和发展过程，以及关于红外计数的一些介绍，从而让我们对自动缝头机计数器有了一定的认知。2.整体方案设计2.1 整体方案本课题设计主要的主要任务是设计一款自动缝头机的计数器，使其能满足所需功能，同时使其成为学习计数器的应用实例。设计中，利用红外发光管发射红外线，红外接收管接收此红外线，并将其放大、整流形成低电平信号。当有人或物挡住红外光时，接收管没有接收到红外信号，放大器将输出高电平，同时将这个电平信号送入单片机进行控制技术，并且使数码管显示数值。这样就得到要统计的人或物的数量。2.2 方案论证与选择方案一如图2.2.1 所示：图2.2.1方案一专业检测芯片形成计数后送入控制单元AT89C51单片机，通过对它片内计数、显示编程。74LS245是LED驱动芯片，可以同时驱动4个7段数码管，AT24C02是EEPROM模块，可以保存单片机运算时的中间有用结果的芯片，是突然掉电，关断电源或瞬间电源电压不稳定时，不会造成数据丢失或数据误写，也可以在上电后从中读出其保存的数据内容，大大增强了抗干扰的能力。方案二如图2.2.2 所示：图2.2.2方案二原理阐述：红外发射电路（以NE555为核心）和红外接收电路（由LM567为核心）构成红外检测单元及形成计数脉冲，计数显示部分使用了四合一芯片CL102它是集译码、驱动、锁存、显示为一体。方案三如图2.2.3 所示：图2.2.3方案三原理阐述：利用红外接收发射管的特性（即红外接收头在有红外光电阻原理分压可取基准电压，然后通过电压比较器可输出高低电平，当有红外光照射的时候，红外接收管串联的电阻分得的电压很大，可使电压比较器LM324输出为低电平；当无红外光照射的时候，红外接收头串联电阻分得的电压很小，可使电压比较器LM324输出为高电平，然后通过单片机处理，可使输出精准的计数值。以上三个方案各有自己的优点：方案一既可完美的实现产品自动计数功能且能让系统处于异常状态和抗干扰时通过外围专用芯片到非常好的解决，外围电路架设相对简单、在市场上属于高端自动计数产品。同时它也暴露出一个重大问题；由于成本太贵的原因此类产品并没有得到普及。如果用此方案进行设计只需要了解各专用芯片的引脚功能以及外围连接方法就可以实现自动计数，并没有很好的达到我人做毕业设计的目的，故虽然这个方案最完美的一个方案也只有舍弃。方案二是一个简易的产品自动计数器，价格低廉、计数精确，但在系统处于异常状态时，工作十分不稳定，也是属于现在产品自动计数市场上的淘汰产品，仅用于在计数要求不高的场合中，这个方案太过于简单故不选用。方案三是这次毕业设计用的方案，之所以选用主要是这个方案涉及的知识面广且能达到精确、稳定的自动计数，但也有一个致使的缺点，整个系统的抗干扰力较弱，系统掉电后不能保存数据，在系统牌异常状态时容易出现误操作或死机，这也是此设计看重的问题。2.3电源供电电路设计如图2.3.1所示电源供电部分采用变压器降压、桥式整流、电容器滤波、三端稳压器lm7805稳压后供电，电源用220V的家庭用电经变压器降至9V交流电，然后经四个整流二极管（D1D4）组成的桥式整流成直流电压，经C1滤波后输入7805芯片稳压成5V直流电源供红外发射、接收电路、AT89C51等供电。图2.3.1电源供电电路2.3.1桥式整流与滤波电路分析如图2.3.2所示，桥式整流是利用整流二极管的单向导通的性质进行电路的整流，经常使用在将交流电转变成为直流电。桥式整流是其实是全波整流器。全波桥式整流是利用四个整流二极管，两两对接，输入的交流正弦波的两只二极管正半部分导通，输出为正，输入的交流正弦波为负半部分时，由于另外两只二极管是反接的，所以最后的输出还是为正。全波桥式整流对输入的交流正弦波的利用率比半波整流高一倍。桥式整流是交流转换成直流电的第一步。桥式整流也叫整流桥堆。桥式整流器是多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘塑料封装而成，大功率整流器在绝缘层外添加金属壳包封，增强散热。桥式整流器品种多，性能优良，整效率高，稳定性好，最大整流电流从0.5A到50A，最高反向峰值电压从50V到1000V。整流电路虽然可将交流电变成直流电，但其脉动成分较大，在一些要求直流电平滑的场合是不适用的，需加上滤波电路，以减小整流后直流电中的脉动成分。图2.3.2桥式整流电路2.3.2稳压电路X7805系列是三端正电源稳压电路，它的封装形式为T0-220.它有一系列固定输出电压，此处为5V，应用非常的广泛。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它们就能够提供大于1.5A的输出电流。虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。图2.3.3三端稳压芯片封装2.4红外线检测部分图2.4红外线检测部分如图2.4所示，红外线检测部分采用一对红外发送接收管完成，当电路正常工作时，无障碍物遮挡，红外接收头有红外线照射，这时，红外接收头的电阻很小，大部分电压都加在R3上，这正是电压比较器LM393的负向输入电压，而正向输入电压由R4和R5分压得到，而R3分得的电压要大于此基准电压值，故这时电压比较器LM324输出高电平；当在红外发射接收管间有一不透光的障碍物时，红外接收头无红外线照射，这时红外接收头的电阻很大，大部分电压都加在红外接收头上，这也是电压比较器LM393的负向输入电压，而正向输入电压也是由R4和R5分压得到，和原来电压一样，这时，R3分得的电压要小于此基准电压值，大部分电压都加在红外接收头上，故这时电压比较器|LM324输出低电平。2.5数码管显示部分图2.5.1数码管显示部分该设计中段码输出口是利用P0口作为输出口，而P0口是漏极开路，虽然有很强的灌电流能力，但拉电流能力很差，故在P0口上加一1K的排阻作为上接电阻。上拉电阻的作用是，当单片机的P0口上输入为0时，上拉电阻上的电流直接流入单片机中，使数码管的段码上保持低电平，故在这时数码管不发光；而当单片机的P0口输出为0时，这时上拉电阻的有能使电流灌入单片机中，故排阻上的电流流入数码管中，因此这时数码管发光（这里用的是共阴数码管）。 图2.5.2共阴数码管原理图图2.5.3共阳数码管原理图数码管实际上就是八个发光二极管，它们以两种方式连接，如果将其阴极连接在一起，这种方式构成的数码管成为共阴数码管；如果将其阳极连接在一起，这种方式构成的数码管为共阳数码管。2.5.1 LED数码管的特点（1）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL电路兼容。（2）发光响应时间极短（阀门控制纺织品抽吸管道负压气源：由异步电机带动的离心风扇产生阀门机构：阀门机构由0.6Mpa的真空气源通过电磁阀开关。当阀门开通时，缝制好的纺织品被抽吸；阀门闭合时纺织品不能被抽吸。纺织品抽吸管道：当纺织品通过透明的抽吸管道时，传感器（计数器）对纺织品进行计数。4.3 自动缝头机机械图设计分别绘制负压气源箱，空气阀，纺织品抽吸管道各装配图，最后经行整体装配。4.3.1 负压气源整箱装配图工作原理：利用与其相连的离心异步电机及离心风扇工作时，抽出负压气源箱内原本存在的空气，箱内空气变稀薄，形成负压区。负压气源箱如图所示4.3.1：如图4.3.1负压气源箱4.3.2空气阀装配图工作原理:作为开关作用，可控制是否抽吸以做好的纺织品。空气阀装配图如图所示4.3.2：图4.3.2空气阀装配图首先绘制空气阀的顶部，应用曲线设计，绘制出空气阀顶部的通气孔轮廓，通过共面，共线，共点的特征装配得到空气阀顶部。然后画出空气阀连接部分的大致轮廓，再通过拉伸凸台/基体和拉伸切除最后得到空气阀连接部分的零件图。空气阀滑动的部分有一块上下滑动的板子，还有一个与气缸配作的活动件，选择配合连接方式将两者装配。最后是气缸零件图的绘制，然后先在装配图中插入气缸，并固定，之后的安装都是在其基础之上，通过共面，共线，共点的特征装配完成装配图。4.3.3 纺织品抽吸管道装配图图4.3.3纺织品抽吸管道装配图4.3.4整体装配图将之前绘制好的负压气源装配图，空气阀装配图与纺织品抽吸管道装配图进行整体装配，如图4.3.3所示图4.3.4装配图工作原理：利用与其相连的离心异步电机及离心风扇工作时，抽出负压气源箱内原本存在的空气，箱内空气变稀薄，形成负压区 。打开空气阀，将出产的纺织品抽吸，带入抽吸管道，利用事先安装在阀门口的计数器进行纺织品的个数计数。4.4 本章总结本章的主要内容是利用solidworks2008分别绘制负压气源箱，空气阀，纺织品抽吸管道各装配图，最后绘制出整体装配图。总结和展望本设计方案指导老师的要求，以51单片机为控制核心，结合红外接收发射模块、数码管显示模块和电源提供模块实现自动缝头纺织机械计数器的基本计数功能。系统是通过软硬结合的方式，得到硬件信号后输入单片机各个对应的I/O接口，通过程序控制过程，自动缝头纺织机械计数器接收红外模块传入的信号，根据发出的指令完成所需的相应功能，从而实现有效计数。经过几个月的努力，整个自动缝头纺织机械计数器相比指导老师的要求，基本达到预期的要求，数码管能根据红外模块的信号，实现准确计数。不过，我觉得还有完善的可能，由于时间不足以及客观多方面的困难，在本设计中，还没有使其尽可能。这些也需从工作中学习实现，让自己更上一个台阶。主要参考文献1 杨汉祥,张琦.红外计数器的设计.赣南师范学院物理与电子信息学院,20072 李朝青.单片机原理及接口技术（第三版）.北京航空航天大学出版社,2005.103 王港元.电工实践指导.江西科学技术出版社,2009.34 杨颂华.数字电路技术基础.西安电子科技大学出版社,2005.4 5 苏士美.模拟电路技术.人民邮电出版社,2006.86 刘同法.单片机外围接口电路与工程实践.北京航空航天出版社,2007.27 晨锡.东北袜业园引进意大利电脑缝头机.纺织服装周刊出版,2010,27期8 余欣.LED显示屏及控制板的设计与实现.郑州大学,20119 刘立新.电路原理课程仿真实验系统的研究与开发.东南大学,200410 李秀芝.基于GPRS与STC单片机的LED显示屏控制系统设计.武汉科技大学,200811 Zheng Zhuquan. 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