自动工件检测计数器)

成绩评定：

传感器技术

课程设计

题目自动工件检验计数传感器

摘要

设计了一套适用于工件检测计数的自动计数仪控制系统。该系统使用光电耦合器传感器作为检测元件，当有工件通过时光电耦合器，传感器接收端产生相应的脉冲信号，通过对脉冲信号进行计数，实现对工件的自动计数。对控制系统的硬件电路和软件控制流程作了详细介绍并进行了样机验证，结果表明，该系统能对工件进行快速、准确地检测计数。

关键词：控制电路数据采集电路单片机光电耦合器

目录

一、设计目的-------------------------- 4

二、设计任务与要求---------------------- 4

2.1设计任务--------------------------- 4

2.2设计要求--------------------------- 4

三、设计步骤及原理分析----------------------- 5

3.1设计方法--------------------------- 5 3.2设计步骤--------------------------- 5

3.3设计原理分析----------------------- 13

四、课程设计小结与体会 ----------------- 21

五、参考文献-------------------------- 22

一、设计目的

1、了解自动工件检验计数器的基本知识以及相关电工电子学、单片机、传感器等技术，通过设计加深对电子电路方面知识的理解；

2、能够熟悉传感器的检测以及应用电路，加深对于光电元件的了解，学会应用光电元件进行实际检测和应用。

二、设计任务与要求

2.1 设计任务

针对工厂工件数量庞大人工计件与检测过于繁杂，且容易出现错误计数等弊端，设计并实现一个自动检测计数器辅助生产。

2.2 设计要求

1、利用光电元件设计自动工件检验计数器；

2、通过该传感器可以给自动生产线上的工件产品自动贴商品标签，同时对贴好标签的工件产品自动计数。

3、画出你所设计的自动工件检验计数器的电路原理图并予以说明；

4、给出你所选择的元件明细表；简要说明你所设计的传感器的测量特点；

5、要有相应的控制算法（软件流程图）。

三、设计步骤及原理分析

3.1设计方法

光耦合器是把发光器件和光敏器件同时封装在一个外壳内，以光为媒介把输入端的电信号耦合到输出端的一种器件。电路光控电路，放置在流水线旁。当有产品通过光电门时，都会先触发光控电路，而计数系统是利用AT89C2051定时／计数器来工作的。当有物体通过时将信号挡住，会遮断红外信号，红外接收器接收不到信号。每次遮断电压信号通过电压比较器产生高电压通过电压比较器和非门使AT89C2052单片机的P3．2产生低电平，经内部程序运算后进行加法处理，其结果通过六个LED 数码管显示出来AT89C2052单片机的P 口分时输出数据(段选码)，用于点亮六个数码管，AT89C2051单片机的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3，P0.4,P0.5,P0.6,P0.7则选通A,B,C,D,E,F,G,DP.根据光控电路产生触发脉冲令计数器进行加计数，要求计数器的最大计数容量是99个，并用数码管显示数字。

整个光电计数器系统是由光电传感电路、运算放大电路、AT89S51单片机系统电路、显示计数电路、报警电路五个部分组成的，如图

2-1所示。光电传感电路把被计数的物体的变化转换成电信号，由显示计数电路计数，再由数码显示管显示，当传感器长时间无反应时，报警电路发出报警。

设计框图

图1

3.2设计步骤

3.2.1 传感器

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件，它由发光源和受光器两部分组成。为了能准确地远距离地感应到产品经过光电门，就必须选择敏感性高且稳定的信号感应器件，而光电耦合器满足这个条件。光电耦合器是发光源和受光器件组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器件的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等，实际电路发光源选用高亮发光管和硅光电池。L1和L2为高亮发电管，BT1和BT2是硅光电池，光电传感器的电路图如图2所示。

图2

其工作原理：

在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。

3.2.2 数据采集电路

光耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光耦合器的抗干扰性能不晶体管好因此，由它构成的逻辑电路更为可靠。下图3所示电路为“与门”逻辑电路，器逻辑表达式为L=AB，图3中两只晶体管串联，只有当输入逻辑电平A=1，B=1时，输出L=1为高电平。即当有工件经过时，工件将发射端的光线遮住A,B两端为低电平，电路此时处于截止状态，输出端的L=0。用输出端的高低电平交替变化代替工件的数量，完成数据的采集工作。

图3 3.2.3 单片机部分设计

将传感器测量电路接入单片机；

图4

3.2.4 计数部分设计

由于光电技术电路需要在数码管上显示通过光电门的产品数量，因此可以在内部存储器空间定义它的显示缓存区，用来暂存数码管显示的当前值。

系统在初始化程序之中，设置外部中断0产生中断标志T0,并初始化值为0。当有外部中产生时，相应的中断置1。

当外部中断0产生中断时，在主程序中扫描T0是否为1。当T0为1时，调用光电计数子程序，将显示暂存变量加1，。每当通过光电门的产品数量达到12时，蜂鸣器响一声，并清零缓存，继续计数。

图5

3.2.5 贴标签部分设计

利用单片机控制机器在输入低电平时向前推送完成标签的粘贴

工作。

图6

3.2.6 无反应报警部分设计

在生产中，可能由于各种各样的原因导致传感器或其 电路无法正

常工作。故设计一个具有检验效果的预警装置十分有效。

当单片机接收到传感器的脉冲信号时，正常工作即计数与贴标签。 我们使用16位的定时器，定时30分钟。设定定时器的工作状态，当定时器计时到溢出时溢出标志置一，无反应报警装置启动。具有延迟程序的蜂鸣器开始报警。

3.3设计原理分析

本设计利用遮光式背对背光耦合器来测量工件的个数与有无。当工件经过时，光线被遮住后电路断开，输出低电平。机械手接通，向工件贴上标签。当工件离开，传感器接收到光线，数据采集电路接通，输出高电平，单片机接收到脉冲信号，计数器记录一次。

传感器电路只是起到采集数据作用，主要功能有单片机完成。即编写贴标签，计数与报警功能。

传感器检测部分使用红外对管：发射管和接收管。当有物体穿越光路时，接收头输出为高电平，反之则为低电平，接收头的电平信号经由一电压比较器反相后送入CPU。接单片机P3．2口，启动计数器开始计数，并将计数后所得的数据送给LED显示，并调用贴标签程序，贴标签装置启动。当长时间脉冲无变化时，定时器溢出，触发报警装置自动报警。需要计算工件运输速度与电路单片机的反应时间，计算出贴标签的最佳时间与位置，才能使流水线正常运作。

原件清单

3.3.1主要元器件介绍

（1）光耦合器

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。

亦称光电隔离器，简称光耦。光电耦合器以光为媒介传输电信号。

它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

光电耦合器实物图

图7

光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。（外形有金属圆壳封装，塑封双列直插等）。

基本工作特性：

1、共模抑制比很高

在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF 以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。

2、输出特性

光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。当IF>0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。IC 与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。其测试连线如图2，图中D、C、E三根线分别对应B、C、E极，接在仪器插座上。

3、隔离特性

1．入出间隔离电压Vio（Isolation Voltage）

光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。

2．入出间隔离电容Cio（Isolation Capacitance）：

光耦合器件输入端和输出端之间的电容值

3．入出间隔离电阻Rio：（Isolation Resistance）

半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。

4、传输特性：

1．电流传输比光电耦合器CTR（Current Transfer Radio）

输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR。

2．上升时间Tr （Rise Time）& 下降时间Tf（Fall Time）

光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的10%到90%，所需时间为脉冲上升时间tr。从输出脉冲后沿幅度的90%到10%，所需时间为脉冲下降时间tf。

其它参数诸如工作温度、耗散功率等不再一一复述。

5、光电耦合器可作为线性耦合器使用。

在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号

和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。

（2）AT89S52单片机

随着大规模集成电路（LSI）制造技术的飞速发展，单片机也随之迅猛发展，其发展历史大致分为三个阶段：

第一阶段（1976年—1978年）：初级单片微处理器阶段。以Intel 公司的MCS-48为代表。此系列的单片机具有8位CPU，并行I/O端口，8位时序同步计数器，寻址范围不大于4KB，但是没有串行口。第二阶段（1978年—现在）：高性能单片机微处理器阶段，如Intel 公司MCS-5，Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等，该类型单片机具有串行I/O端口，有多种中断处理系统，16位时序同步计数器，RAM，ROM容量加大，寻址范围可达64KB，有的芯片甚至还有A/D 转换接口。由于该系列单片机应用领域极其广泛，各公司正大力改进其结构与性能。

第三阶段（1982年—现在）：8位单片机，经处理器改良型及16位单片机微处理器阶段。

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS -51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

MCS-51单片机采用异步通信的串行通信方式，有一个全双工的串行接口电路，整个串行通信可以通过编制的程序设定，串行接口电路的内部结构如图2-2所示。

串行通信与并行通信不同，并行通信是一次性传送8位数据，传输快捷方便，但硬件较复杂，远距离传输成本较高，串行通信是一位一位的传送，一个字节的八位二进制数至少需要传送8次，结构也比较简单，串行通信是通过串行口来实现的，MCS-51单片机有一个全双工的异步串行接口可以用于串行数据的数据通信，串行通信的两种基本方式有异步传送方式和同步传送方式。

图8

SBUF是独立的两个缓冲器，主要功能存放接收到的数据和存放将要发送的数据，起缓冲作用，TXD是发送引脚，数据从TXD一位一位的向外设发送，RXD是接收引脚，数据从RXD一位一位的接收到单片机内。