机电一体化课程设计说明书

浙江科技学院机械与汽车工程学院机电一体化课程设计——饮料灌装生产流水线的控制设计学院：机械与汽车工程学院班级：机制071班姓名：吴亮学号： 107011012指导老师：王移凤日期：目录一、设计任务与总体方案确定 (3)1.设计任务 (3)2.课题内容简介与设计要求 (3)1）课题内容简介 (3)2）设计要求 (3)二、总体方案设计思路 (3)三、机械系统结构的设计 (4)1、机械本体的结构设计 (4)2、传动方式的结构设计 (4)（1）齿轮的设计与计算 (5)（2）齿轮设计的校核 (6)四、控制系统硬件设计 (8)1、步进电机控制 (8)1）步进电机启动力矩的计算 (8)2）步进电机的最高工作频率 (9)2、LED显示屏及键盘及警报LCD (10)3、传感器 (10)五、控制系统软件设计 (11)1、流程图 (11)2、硬件电路图 (12)3、控制程序 (13)六、总结 (23)七、参考文献 (23)一、设计任务与总体方案确定1.设计任务饮料灌装生产流水线的控制设计2.课题内容简介与设计要求1）课题内容简介该灌装设备利用单片机系统控制，达到自动控制饮料灌装过程的要求，但相对于目前市场上的复杂系统而言，该灌装设备自动化程度还有待完善，仅适合于小型企业进行投资使用。

2）设计要求（1）系统通过开关设定为自动操作模式，一旦启动，则传送带的驱动电机启动并一直保持到停止开关动作或罐装设备下的传感器检测到一个瓶子时停止。

（2）瓶子装满饮料后，传送带驱动电机必须自动启动，并保持到又检测到一个瓶子或停止开关动作。

（3）当瓶子定位在罐装设备下时，停顿1秒，罐装设备开始工作，罐装过程为5秒钟，罐装过程应有报警显示，5秒后停止并不再显示报警。

（4）一旦系统启动，记录罐装瓶数，设最多不超过9999瓶。

（5）可以手动对计数值清零（复位）。

二、总体方案设计思路根据课题要求，该灌装设备是针对小型企业生产灌装饮料的单片机控制，自动化运作系统。

作为自动化设备，其机械结构，电路硬件设备和软件控制程序必须相对可靠，在系统运作过程中能够对于一般的意外情况作出相应的防护措施。

并且在系统维护方面能够相对容易的找到失效点，及时得到修复。

故其机械机构底座采用铸铁铸造，并利用齿轮传动结构使传送带转动；灌装机构的储料桶应密闭，防止细菌等有害物质进入影响产品质量，利用活塞压缩运动使储料达到罐装的目的。

其控制系统硬件采用单片机控制，联接三个按钮，分别为启动、停止和复位。

联接一个LCD作为灌装报警指示牌，一块4位LED数码显示屏用于记录灌装数量。

另外利用8155H扩展I/O接口联接一个步进电机，使传送带达到即行即停的效果，为灌装设备提供准确的灌装位置，以便达到自动化设备的要求。

三、机械系统结构的设计1、机械本体的结构设计该灌装设备仅提供于小型企业生产作业，故只在一台灌装设备上设计一个灌装口，其下方设置一条滚动的皮带传动设备，使饮料瓶能随皮带自动到达灌装口。

2、传动方式的结构设计经过对机械传动的力学和运动分析，该灌装设备对于皮带轮与步进电机之间的传动方式选用圆柱直齿轮，起到减速和增大力矩的效果。

同时由于灌装设备体积较小，对于步进电机的减速要求并不是很高，故采用一级减速。

经计算和校核采用如下材料与减速比。

齿轮材料：45钢；i=3:1、1220,60,40,10d mm d mm a mm b mm ====（1）齿轮的设计与计算取系统整个过程中max min 1.5/,1500/min,5V m s n r F N ===所以得到15 1.57.5P FV W ==⨯=1max 1500/min n n r ==1、选择齿轮材料和热处理方法，确定齿轮的疲劳极限由于齿轮尺寸较小，故参考《机械设计》表8-1，拟大小齿轮均选用20CrMnTi ，渗碳淬火，查出齿轮的疲劳极限，确定许用应力为lim1lim2lim1lim21500400H H F F MPa MPaσσσσ==== 2、初定齿轮主要参数按齿面接触强度估算齿轮中心距其中，齿数比12/3i n n ==。

小齿轮齿数，参考《机械设计》表8-7选取120Z =，得2160Z iZ ==。

按标准齿轮，查《机械设计》图8-24得124.86, 3.95FS FS Y Y ==。

考虑载荷有轻微冲击，轴承非对称布置，初取载荷因数2K =。

齿宽因数*0.3a b =。

将齿宽因数转换为*d b ，**(1)/20.3(31)/20.6d a b b i =+=⨯+= 取min 1.6F S =。

故许用接触应力 124002/1.6500FP FP MPa MPa σσ==⨯=小齿轮传递名义转矩 1119550/0.05.T P n N m ==因为1122/>/FS FP FS FP Y Y σσ，所以应以小齿轮参数代入弯曲强度设计公式。

按公式计算模数133*22120.05 4.8612.612.60.200.620500FS n d FP Y KT m mm b Z σ⨯⨯≥⨯==⨯⨯ 取标准模数1n m mm =12()1(2060)4022n Z Z m a mm +==+⨯=满足接触强度要求的中心距40a mm =齿轮分度圆直径1120120n d Z m mm ==⨯=,2260160n d Z m mm ==⨯= 计算圆周速度，选择齿轮精度等级：圆周速度11201500/ 1.57/601000601000d n v m s m s ππ⨯⨯===⨯⨯参考《机械设计》表8-2及表8-3，可选8级精度。

（2）齿轮设计的校核1.校核齿面接触疲劳强度由《机械设计》式（8-6）和式（8-10）齿面接触应力 A V H H t H H E 1K K K K F 1Z Z Z u Z bd u βαεβσ±=⨯接触强度安全因数 lim lim H NT L V R W X H H H Z Z Z Z Z Z S S σσ=≥ 查资料得相关因数代入式子得11 1.25 1.09 1.54 1.15312.45189.80.780.9910010203A V H H t H H E K K K K F u Z Z Z Z MPa MPa bd u βαεσ±⨯⨯⨯⨯+==⨯⨯⨯=⨯lim11115000.930.921112.9100H NT L V R W X H H Z Z Z Z Z Z S σσ⨯⨯⨯⨯=== lim2221500 1.020.921114.0100H HT L V R W X H H Z Z Z Z Z Z S σσ⨯⨯⨯⨯=== 按一般可靠度要求，选用min 1.1H S =，可见两轮的计算安全因数均大于min H S ，接触强度安全。

2 .齿轮尺寸该对齿轮尺寸如下：121,20,60,3,m mm Z Z u ====1220,60,40,10d mm d mm a mm b mm ====3.绘制齿轮的零件工作图样根据总体布置要求及传动箱总图，两齿轮的工作图样如下：①大齿轮图②小齿轮图3、饮料灌装的结构设计该灌装设备，是将饮料储存于一密闭储料桶内，故要将其传送到灌装口需要一定的压力，介于这种情况，采用活塞和电磁阀配合使得饮料能在一个限定的时间内完成灌装。

具体工作过程如下：1、电磁阀1得电，灌装口下移。

2、电磁阀2得电，活塞上移进行灌装。

3、电磁阀2失电，活塞下移储料罐重新装满。

4、电磁阀1失电，灌装口上移。

灌装结构示意图四、控制系统硬件设计1、步进电机控制1）步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为T ,负载力为P ,根据能量守恒原理，电机所做的功与电机所做的功有如下关系：T Ps ϕη=式中ϕ为电机转角，s 为移动部件相应的位移，η为机械传动效率。

若取b ϕθ=，则p s δ=，且()s z P P G P μ=++。

所以：36[()]2P s z bP G P T δμπηθ++=式中： 为移动部件负载()N ，G 为移动部件质量()N ，z P 为重力方向一致的作用在移动部件上的负载力()N ，μ为皮带轮的摩擦系数，b θ为步进电机的步距角()rad ，T 为电机轴负载力矩()N cm ⋅。

取0.4μ=（皮带轮与皮带之间的摩擦系数），0.8η=，150.56s P N =。

考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此5G N =,所以有：360.01[150.560.4(55)]7.382 3.140.8 1.5T N cm ⨯++==⋅⨯⨯⨯ 考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩： 0.30.5Q TT =取系数为0.4，则：7.3818.450.4Q T N cm ==⋅ 对于工作方式为三相六拍的步进电机：max 18.4521.30.8660.866Qj T T N cm ===⋅ 2）步进电机的最高工作频率max max 1000166760600.01p v f δ===⨯ 为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率max f ，同时电机最大静转矩要足够大，查表选择36BF003型三相磁阻式步进电机。

电机有关参数如下：型号 主要技术参数相数步距角 电压()V 相电流()A 最大静转矩max j T ()N m ⋅ 空载启动频率 空在运行频率 分配方式 36BF003 3 1.5 27 1.5 0.0783100 三相六拍 外形尺寸重量()kg转子转动惯量()kg m ⋅ 外直径长度 轴直径 φ36 43 0.222、LED显示屏及键盘及警报LCD3、传感器五、控制系统软件设计 1、流程图START无有停止启动检测到瓶子主程序流程初始化（置堆栈、工作寄存器清零、开中断）判断有无按键按下 判断按下的是哪个按键 报警灯开，计数器加1，LED 显示延时5秒步进电机停（延时1秒） 开始灌装 步进电机启动 灌装结束，步进电机启动2、硬件电路图3、控制程序LED EQU 7FFFH ; 定义LED选通入口CMD8155 EQU 0FFFBH ; 定义8155选通入口PA8155 EQU 0FFFCH ; 定义PA口PB8155 EQU 0FFFDH ; 定义PB口PC8155 EQU 0FFFEH ; 定义PC口KEYSIGN EQU 05HKEYCS EQU 0C00CHWCOMADDR EQU 0C008HWDATADDR EQU 0C009HRCOMADDR EQU 0C00AHDIWEI EQU 30HGAOWEI EQU 31HORG 0000H ; 程序入口地址LJMP START ; 调用初始化ORG 0003H ; 中断入口地址LJMP INT0 ; 调用中断ORG 0010H ;LJMP INT1START: MOV SP, #60H ; 置堆栈指针SETB IT0 ; 置边沿触发方式MOV IP, #01H ; 置高优先级MOV IE, #81H ; 开中断SETB IT1 ; 置边沿触发方式MOV IP, #04H ; 置高优先级MOV IE,#81H ; 开中断LJMP MAIN ; 转主程序XRAM_INIT:MOV SFRPAGE, #0FH ;外部数据存储器接口初始化MOV EMI0CF, #00000111BMOV SFRPAGE, #00HRETINT0_INIT:MOV IT01CF,#01100101B ;选择P0.5为INT0,P0.6为INT1 SETB IT0SETB EX0SETB EARETIT0P_INIT:MOV TMOD,#00H ;定时器中断初始化MOV DIWEI, #0CHMOV GAOWEI, #0F0HMOV TL0, DIWEIMOV TH0, GAOWEISETB TR0SETB ET0SETB EARETPCA_INIT:MOV PCA0CN, #01000000B ;Watchdog初始化MOV PCA0MD,#00000000BRETCHKBF:PUSH ACC;检测bf标志子程序MOV DPTR, #RCOMADDRCHKBF0: MOVX A,@DPTRJB ACC.7, CHKBF0POP ACCRETORG 0100H ; 中断服务程序首地址INT0: PUSH PSW ;INT0中断服务程序PUSH ACCPUSH DPHPUSH DPLSETB KEYSIGNMOV DPTR, #KEYCSMOVX A,@DPTR ;读键值ANL A, #0FHMOV R1,APOP DPLPOP DPHPOP ACCPOP PSWRETIIT0P: PUSH PSW ;定时器中断服务程序PUSH ACCPUSH DPHPUSH DPLMOV TL0, DIWEIMOV TH0, GAOWEICPL P2.2POP DPLPOP DPHPOP ACCPOP PSWRETIORG 0030HMAIN: LCALL KEY ; 调用键盘子程序LOOP: LCALL RUN ; 调用步进电机运行子程序LCALL FILLING ; 调用灌装子程序LCALL DISPLAY ; 调用LCD显示子程序AJMP LOOP ;ENDKEY: MOV A, P1 ;ANL A, 07H ;CJNE A, 04H, KEY ; 判断有无键按下RETI ;RUN: MOV DPTR, CDM8155 ; 设8155入口地址MOV A, #00000011B ; 设8155工作方式MOVX @DPTR, A ;MOV DPTR, PA8155 ;MOV A, #01H ;MOVX @DPTR, A ;MOV DPTR, PB8155 ;MOV A, #03H ;MOVX @DPTR, A ;MOV DPTR, PC8155 ;MOV A, #02H ;MOVX @DPTR, A ;MOV DPTR, PA8155H ;MOV A, #06H ;MOVX @DPTR, A ;MOV DPTR, PB8155 ;MOV A, #04H ;MOVX @DPTR, A ;MOV DPTR, PC8155 ;MOV A, #05H ;MOVX @DPTR, A ;MOV A, P1 ;ANL A, 04H ; 判断有无传感器信号CJNE A, RUN ; 若无，步进电机继续运转RETI ; 回主程序FILLING: MOV A, #02H ;MOV P1, A ; 电磁阀1开LCALL DELAY1 ; 调用延时1秒MOV R1, 10H ;MOV P1, R1 ; 灌装警报灯开MOV A, #14H ;MOV P1, A ; 电磁阀2开LCALL DELAY5 ; 调用延时5秒RETI ; 回主程序DISAPLAY: LCALL PORT_IO_INITLCALL OSC_INITLCALL XRAM_INITLCALL INT0_INITLCALL IT0P_INITLCALL PCA_INITLCALL LCDINITMOV SP,#60HMOV A, #92H ;第一行显示'灌装中' LCALL WRITE_COMMOV DPTR,#KEY0LCALL WRITE_HZLOOP5: CLR KEYSIGNLOOP6: JNB KEYSIGN,LOOP6CLR KEYSIGNMOV A,R1RL AADD A,R1MOV DPTR,#TAB1JMP @A+DPTRPORT_IO_INIT: MOV SFRPAGE,#0FH ;选择特殊功能寄存器MOV P0MDIN, #11100111B ;P0.3-P0.4设置为模拟量输入MOV P0MDOUT,#10000011B ;P0.0、P0.1、P0.7推拉式输出MOV P0SKIP, #11111001B ;P0.1-P0.2不被交叉开关跳过，用于TX、RX串行通信接口MOV P1MDIN, #0FFH ;P1设置为数字量输入MOV P1MDOUT,#0FFH ;P1设置为推拉式输出MOV P1SKIP, #0FFH ;P1被交叉开关跳过MOV P2MDIN, #0FFHMOV P2MDOUT,#0FFHMOV P2SKIP, #0FFHMOV P3MDIN, #0FFHMOV P3MDOUT,#0FFHMOV P3SKIP, #11111011B ;P3.2不被交叉开关跳过，用于/SYSCLK输出MOV P4MDOUT,#0FFHMOV XBR0, #09H ;使能UART、/SYSCLKMOV XBR1, #0C0H ;禁止弱上拉、允许交叉开关MOV SFRPAGE,#00HRETOSC_INIT: ;内部振荡器初始化MOV SFRPAGE, #0FHMOV A,OSCICLADD A, #04HMOV OSCICL, AMOV OSCICN,#11000010BMOV CLKSEL , #11000010BMOV SFRPAGE, #00HRETWRITE_COM: ;写指令子程序PUSH DPLPUSH DPHLCALL CHKBFMOV DPTR,#WCOMADDRMOVX @DPTR,APOP DPHPOP DPLRETWRITE_DAT: PUSH DPL ;写数据子程序PUSH DPHLCALL CHKBFMOV DPTR,#WDATADDRMOVX @DPTR, APOP DPHPOP DPLRETLCDINIT: MOV A, #00110000B;LCD模块初始化LCALL WRITE_COMMOV A, #00000001BLCALL WRITE_COMMOV A,#00000010BLCALL WRITE_COMMOV A,#00001100BLCALL WRITE_COMRETTAB1: LJMP KEY0WRITE_HZ: CLR AMOVC A,@A+DPTRINC DPTRLCALL WRITE_DATCLR AMOVC A,@A+DPTRINC DPTRLCALL WRITE_DATCLR AMOVC A,@A+DPTRINC DPTRLCALL WRITE_DAT RET ;写3个汉字子程序KEY0: DB '灌装中'DELAY: MOV R7, #01H ; 延时1毫秒子程序DL1: MOV R6, #8EH ;DL0: MOV R5, #02H ;DJNZ R5, $ ;DJNZ R6, DL0 ;DJNZ R7, DL1 ;RETI ;DELAY1:MOV 72H, #100 ; 延时1秒子程序LOOP3: MOV 71H, #100 ;LOOP1: MOV 70H, #47 ;LOOP0: JNZ 70H, LOOP0 ;NOP ;DJNZ 71H, LOOP1 ;MOV 70H, #46 ;LOOP2: JNZ 70H, LOOP2 ;NOP ;DJNZ 72H, LOOP3 ;MOV 70H, #48 ;LOOP4: JNZ 70H, LOOP4 ;RETI ; 回主程序DELAY5:MOV 75H, #500 ; 延时5秒子程序LOOP9: MOV 74H, #500 ;LOOP8: MOV 73H, #235 ;LOOP7: JNZ 73H, LOOP7 ;NOP ;DJNZ 74H, LOOP8 ;MOV 73H, #230 ;LOOP9: JNZ 73H, LOOP9 ;NOP ;DJNZ 74H, LOOP9 ;MOV 73H, #240 ;LOOP10: JNZ 73H, LOOP10 ;RETI ; 回主程序六、总结通过这次课程设计，我学会了如何查阅现有的技术资料、如何举一反三、如何通过改进并加入自己的想法与观点，使之成为自己的东西。