基于(89C52)单片机的全自动粉料包装机控制系统设计毕业设计论文

基于单片机的粉料包装机控制系统设计
摘要
粉料自动包装机是实现薄膜材料包装粮食等粉料产品的一种包装设备，广泛应用于食品、化工、医药、小五金等生产包装部门。

随着人们对包装的需求多样化、人性化，粉料自动包装机的应用愈加普遍。

目前国产的设备大多是对国外进口产品的简单仿制，因此针对粉料自动包装机关键部分的深入研究，对原理、结构、运动、功能等分析，提供结构简单可靠、操作方便、自动化程度高、使用范围广的包装机很有必要。

本文在粉料自动包装机的包装工艺和使用要求的基础上，通过对关键部件的理论分析，提出一种使用简单、可靠和通用的传动系统，将单一包装尺寸拓展为袋长和产量可调的结构形式；对包装袋制造结构、装袋封口结构、传送结构等关键部件的设计原理、结构特点等做了较为详细的研究设计；本文分析各种机构的运动学规律，提出可行的优化结构满足包装工艺；对关键部件提出完整的设计方法，旨在满足市场需求，推动企业创新步伐。

本文借助了AutoCAD、protel-DXP、Microsoft Office Visio、keli等软件进行原理图绘制，流程图绘制，编写程序等。

这种利用计算机作辅助设计和分析的方法，可以用于其他类型包装机设备的设计和分析中。

关键词：自动包装机，封口系统，称重系统，包装工艺，计数显示系统
Design of Automatic Powder Material Packaging Machine Based
on MCU
ABSTRACT
Powder automatic packing machine is the realization of thin film materials such as packaging of food products as a powder packaging equipment, widely used food, chemical, daily necessities, medicine, hardware and other departments. As the demand for packaging diversification, personalization, automatic powder packaging machine applications more generally. Most of the current China-made equipment is Simple import of imitation products,the automatic packing machine for powder-depth study of key components, the basic principles, structure, movement, functional analysis, to provide a simple and reliable structure, convenient operation, high degree of automation with a wide range of packaging machines is necessary.
Based on the analysis of powder packing machine automatic packaging processes and the use of the requirements on the basis of the key components of the theoretical analysis, a practical, simple, reliable and versatile drive system, a single package for the bag to expand the size and output of long adjustable structure, for delivery of the film structure, the structure of closed traction, closed-end structure, such as cutting off key parts of the design principles, structural features, such as doing a more detailed study and design,This paper analyzes the law of the Kinematics , optimizing the structure and put forward feasible to meet the packaging process,a key component of a complete design method, designed to meet the market demand, Promoting innovation.
In this paper, using the autocad, pro-e, such as movement of software analysis and structural design, such as the use of computer-aided design and analysis methods can be applied to other types of packaging equipment design and analysis.
KEYWORDS:automatic,packingmachine ,packing sealing system,weighing system，Counting display system
目录
前言 (1)
第1章绪论 (2)
1.1 粉料自动包装机控制系统发展情况 (2)
1.1.1 国外发展情况 (2)
1.1.2 国内发展情况 (2)
1.1.3我国包装机控制系统的发展方向 (3)
1.2 粉料自动包装机控制系统的应用及适用范围 (3)
1.3 粉料自动包装机控制系统现存问题 (4)
1.4 研究开发的意义 (4)
1.5 研究的内容与目的 (5)
1.5.1 研究内容 (5)
1.5.2 研究目的 (5)
1.6 本章小结 (6)
第2章粉料自动包装机控制系统总体方案设计 (7)
2.1粉料自动包装机控制系统的组成和各部分的功能 (7)
2.2粉料自动包装机控制系统总体方案 (8)
2.2.1 设计要求和适用范围 (8)
2.2.2 工艺流程分析 (9)
2.2.3 设计步骤 (12)
2.3 本章小结 (13)
第3章粉料自动包装机控制系统硬件设计 (14)
3.1硬件选型 (14)
3.1.1 封口模块元件设计 (14)
3.1.2 装料模块元件设计 (15)
3.1.3 称重模块元件设计 (16)
3.1.4 光电检测模块元件设计 (17)
3.1.5 放大电路元件设计 (18)
3.1.6 显示模块元件设计 (20)
3.1.7 主处理器的选用 (21)
3.2粉料自动包装机控制系统的原理图设计 (22)
3.3 本章小结 (23)
第4章粉料自动包装机控制系统软件设计 (24)
4.1 keil软件简介 (24)
4.2 软件设计 (25)
4.2.1 包装袋制作系统的程序分析 (25)
4.2.2 数码管显示程序分析 (26)
4.2.3 MAX485与单片机间数据传递程序分析 (27)
4.3 本章小结 (29)
第5章系统调试 (30)
5.1 Keil软件调试 (30)
5.2 Protel-Dxp软件的介绍 (31)
5.3 Microsoft Visio软件的使用 (31)
5.4 本章小结 (32)
结论 (33)
谢辞 (34)
参考文献 (35)
附录 (36)
前言
近年来，随着经济的迅速增长和人名生活水平的不断提高，作为传统行业之一的包装工业，呈现快速发展的态势，是人们普遍看好的“朝阳产业”，随之而来的是包装机应用需求的大幅增长。

电气自动化技术已越来越受到各方面的关注，在改善人民生活、提高工作效率，节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力方面起着很大的作用。

在电气自动化技术迅速发展的今天，新型的包装机已经全部实现自动化，只有一些陈旧的设备还没有及时得到更换。

自动包装机分为半自动包装机和全自动包装机两种。

由人工供给包装材料的（容器）和内装物，但能自动完成其他包装工序的包装器称为半自动包装机；自动完成主要包装工序和其他辅助包装工序的机器成为全自动包装机。

本设计是基于89C52系列单片机的全自动包装机。

可以广泛应用于面粉、大米、饲料、水泥等粉料包装行业。

该全自动包装机要求制袋、取袋、称料、装袋、封口、传送等工序全自动完成。

装料质量、制袋长度可以调整。

采用89C52单片机控制的全自动包装机是集机电一体化、光电检测、智能计数、自动跟踪纠偏等功能于一体的多用途全自动包装机。

该包装机具有光电检测、计数显示、自动称量、自动装料的功能，符合产业标准和行业需求，并且具有性能稳定、操作维护方便、效率高等特点，保证了包装袋的长度稳定，封口美观。

根据工艺要求，该全自动包装机采用89C52单片机进行自动控制，主要包含制袋模块、装料模块、称重模块、显示模块、封装模块。

能够实现包装袋的制作、原料的自动称量、原料自动装袋、传送带传送、自动计数显示等功能，并可对生产过程进行实时监控，完成自动诊断、数据上传等功能。

本课程设计的目的就是自主设计一个新型粉料包装机电气控制系统，提高原有包装及系统的包装性能，能更好的满足工业生产的要求，提高生产效率，减轻人工劳动的强度。

达到传统包装机械达不到的效果。

着重解决人工装袋、人工封口浪费劳动力的问题，使传统包装机械的自动化程度更好。

因此本设计具有很好的发展前景。

第1章绪论
1.1 粉料自动包装机控制系统发展情况
1.1.1 国外发展情况
粉料自动包装机控制系统，最初是由美国于上世纪五十年代开发出来的产品。

后来日本得到发展，并于上世纪六七十年代随日本经济高速发展，技术性能得到长足的进步。

美国、日本、德国、意大利是世界上包装机械四大强国，从目前情况来看，全世界的包装机械需求预计每年5.3%的增长速度增长，美国拥有最大的包装设备制造商，其次是日本，其他主要生产商还包括德国、意大利和中国。

但是到2013年，包装设备生产增长最快的是发展中家和地区。

发达国家将从刺激国内需求中获利，并在发展中国家巡展当地核实的生产厂家，特备是在视频加工工厂进行投资，提供包装机械设备。

粉料包装机市场潜力巨大。

那些传统上不使用包装系统的工业将成为包装机械市场的新客户。

从而成为刺激销售增长的因素之一。

已经具备包装设备的公司未来更新货增加包装生产线的比例将提升，特别是面粉、饲料包装行业的需求最为殷切
1.1.2 国内发展情况
我国包装机械起步较晚，在新中国成立时几乎是一片空白，只有少数工厂货作坊生产一些简单的手工包装工具，或为少数进口机器进行修配服务。

上世纪八十年代初，我国才大量引进粉料自动包装机并生产出自己的产品，但只能生产几种水平很低的包装机械。

以日清品牌为代表，主要针对方便面生产线配套使用。

上世纪九十年代，由于改革开放，我国经济迅猛发展，社会对包装机械的需求不断增加，市场需求，政府的重视政策引导和积极扶持，我国包装机械得到迅速发展，这种机型开始大量用于粮食流通，同时派生出各种各样的类似包装机。

我国包装机械产品与发达国家相比，其差距主要表现在：控制技术和
产品可靠性方面较差。

且技术更新的速度太慢，新技术、新材料、新工艺推广的范围太窄，从整体水平上看，比发达国家要落后20年。

随着机电一体化的应用，粉料自动包装也向着高速全自动模块化的方向发展及创新。

现今国外开发的粉料自动包装机已极其人性化:高速、节能、全自动、模块化。

1.1.3我国包装机控制系统的发展方向
随着包装机械竞争的日益加剧，包装机械在技术发展方向上朝着一下四个方向发展：
（1）机械功能多元化。

工业产品已经趋向精致化、多元化、弹性化。

具有多种切换功能的包装机更适应市场需求。

（2）结构标准化、模块化。

充分利用原有机型模块化设计，可以在短时间内转换新机型。

（3）控制智能化。

未来包装机必须具有多功能化，调整操作简单的等特点，基于电脑的智能仪器将成为食品包装控制发展的新趋势。

（4）结构运动高精度化。

结构设计及运动控制等关系到包装机械的性能的优劣，可以通过马达、编译器及数字控制、动力负载控制等搞疆独控制器来实现，并适度的做产品延伸。

1.2 粉料自动包装机控制系统的应用及适用范围
现代经济生活中，绝大多数产品都需要经过包装成为商品，才能进入市场销售。

而粉粒类产品的包装要借助包装技术及装备。

所以粉料包装设备在包装过程中是不可或缺的工艺手段。

粉料包装机控制系统是包装设备中较为重要的一种形式，适合均匀细颗粒、无粘性粉体物料（生物肥、饲料、添加剂、奶粉、农药、兽药等物料）各类粉料、粉剂、粉体的全自动计量包装，可自动完成上料、计量、制袋、包装、封口、计数等整套包装流程。

尤其适用于大批量的粮食转移、称重、封口等过程。

自动包装是提高装袋速度，减轻工人劳动强度的有效方法
1.3 粉料自动包装机控制系统现存问题
我国包装机械发展较晚，目前正处于起步应用阶段，虽然从九十年代后，我国的制袋充填机有了较快发展，通过参考国内外产品进行消化吸收，自主开发研制，技术上有了很大的提高，但与国外相比，国内大多数产品都是用于中小袋的粉料包装机，技术含量低，包装品种单一，不能适应粮食类粉料的大规模包装运输。

成熟产品技术易模仿和抄袭，造成低水平重复，阻碍了对包装机的技术创新和发展。

过去的包装机需要人工套袋，不仅影响了包装速度，包装过程中产生的粉尘对工人的身体健康也有伤害，同时也也有一定的危险性。

过去的粉料自动包装机已经不能满足人们对包装机高效、安全、卫生的要求了。

在产品技术方面，国内粉料包装机的主要特点如下：
（1）速度低，品种少
国外大多数制袋充填包装机根据包装物料的不同和产量的大小，一般在20-100袋/分之间，大多为单列式包装，封合形式一般是三边封，四边封和背封式。

（2）精度低
采用螺杆充填的粉料计量充填系统，当充填量为100g～1000g时，国外机器的计量精度一般<1%，而国内一般在62%～63%之间。

（3）可靠性低
国内一些企业为了能在产品初期快速赚钱，低价格倾销，采用无质量保证的电子元件、控件或低级的原材料，再加上无规范的加工和装配工艺，没有针对具体情况进行改造，导致产品不稳定或不适合用户使用要求。

（4）自动化程度低
国内一些现用的包装机没有实现完全的自动化，还停留在半自动化的水平，迫切需要改良和改进。

1.4 研究开发的意义
针对国内许多粮食部门对先进粉料自动包装机的需求，本设计着重探
讨粉料自动包装机的整体结构设计和模块化结构，开发出具有包装速度快，通用性好以及结构简单可靠、操作方便、自动化程度高的新颖包装机，对我国包装行业发展有着积极的意义。

1.5 研究的内容与目的
1.5.1 研究内容
根据包装过程的需要和被包装物的性状特点，粮食类粉料自动包装设备主要由下各系统组成：
（1）制袋系统；
（2）装料系统；
（3）计数显示系统；
（4）包装袋上、下封口系统；
（5）转运系统；
（6）取袋系统；
（7）机身；
1.5.2 研究目的
通过理论研究，对关键部件理论分析，提出一种使用简单、可靠和通用的传动系统，将单一包装尺寸拓展为袋长和产量可调的结构形式；对包装袋制造结构、装袋封口结构、传送结构等关键部件的设计原理、结构特点等做了较为详细的研究设计，设计出一个多用途的粉料包装机，使其能够完成不同粉料的包装。

能够自动制作包装袋，完成剪切、封口、摆放等一系列复杂的动作；能够自动称量粉料并装袋，完成下料、称料、取袋、装料、封口、放到传送带等动作。

改进原有包装机包装速度慢、设备体积大、自动化水平低等不足，使得新设计出的包装机能够更好的适应生产需求，提高包装速度和包装质量。

从而是包装出的产品更加的受到消费者的欢迎，具有很深的现实意义。

1.6 本章小结
本章详细介绍了包装机的起源、发展、以及现状。

从国外到国内，从起步到发展，从落后到先进，详细的介绍粉料包装机从最初的手动包装机到半自动包装机再到全自动包装机的发展历程。

本章还阐述了设计全自动粉料包装机的现实意义是为了让传统的包装机实现全自动化，节省人力，节省能源。

鉴于现有的企业包装还停留在半自动包装的时代，因此设计开发新型的全自动粉料包装机非常必要，也非常有市场前景。

第2章粉料自动包装机控制系统总体方案设计
2.1粉料自动包装机控制系统的组成和各部分的功能
如图2-1，完整的包装机一般由制袋装置、给料装置、称重系统、装料系统、封口装置、运输装置组成。

图2-1 包装机的整体结构
（1）制袋装置：包装粉料需要包装袋，制袋装置是为了将筒状的塑料薄膜通过剪切封口等动作，制作成一端封口，另一端开口的包装袋。

供装料装置装料，制袋的速度要比装袋的速度快，这样才不会使装料装置停止，浪费工作时间。

（2）给料装置：给料装置由给料部分和料斗组成。

给料部分形式较多, 通常有直落式、螺旋给料、刮刀式、振动式和皮带给料，根据物料和厂房的不同可选择不同的方式。

这一部分选择是否合适直接影响到定量包装机的包装速度和精度。

料仓的主要作用就暂存物料。

对其形状没有什么特殊的要求。

一般选用漏斗状料仓，便于下料。

当料仓内倒入物料时，传感器发出信号，使电机带动皮带运动。

（3）称重系统：定量包装需要控制包装物料的质量，这就需要称重装置称量好相应质量的粉料再去装袋，以保证包装出来的产品质量一定，体积规格。

给料装置将物料装入称量斗，称量装置称量质量并反馈称量数据，同过反馈的数据来判断下料斗和装袋系统的下一步动作。

计量方式主要有两种：采用称重式动态包装计量装置和采用容积式定量包装计量装置，容积式称重适应于均匀的颗粒，达到标准容积后，装包。

称重式由称重传感器称量，当物料流入包装袋时，重力传感器产生信号，将这个信号转变为相应的电量变化，传给单片机。

达到预置重量后，发出信号，传给电磁阀门。

虽然速度相对容积式慢，但是其精度高。

（4）装料系统：将称量斗称量好的一定质量的物料装入准备好的包装袋中，这里需要控制好装料的速度，速度过慢会影响包赚进程，速度过快容易出现拥堵等现象，选择合适的下料阀是装料系统的关键。

（5）封口装置：当装料系统装料完毕后，需要对包装带进行封口，以完成包装操作。

封口机的选择也是非常关键的，我们需要选择一种性能稳定、封口迅速、封口牢固的封口机。

（6）运输装置：我们一般采用传送带，机械臂将包装好的商品直接放置在传送带上，送离包装区，供给下一个环节装车或囤积。

2.2粉料自动包装机控制系统总体方案
2.2.1 设计要求和适用范围
1. 设计要求：
能够自动完成粉料的制袋、储料、称量、装料、封口传送等一系列工序，包装出适合工业要求的粉料包装产品。

包装过程中要求全自动，没有人工的参与。

当遇到机器故障的时候要能够停下来，等待故障排除后，还能恢复之前的工作。

2. 适用范围：
（1）包装材料：采用塑料编织袋，编织袋是筒状的筒状编制薄膜经制袋装置制成，包含在包装机的工作流程中。

（2）包装物料：面粉、大米、私聊、水泥等分钟物料。

还可以包装
颗粒体积不大于3mm³颗粒状物料。

（3）包装规格：包装袋长度为70cm，包装袋宽度为50cm，走纸精度为±1mm；装料质量可以根据程序设定。

（4）生产能力：50-80袋/分钟。

（5）电压等级：380V交流电源。

2.2.2 工艺流程分析
1.包装机的工作流程如下：
（1）包装袋的制作：
按下启动按钮，电机M1转动，使筒状包装袋开始垂直向下运动。

硬件规定位置传感器1与封口机1之间的距离是70cm，当筒状包装袋穿过封口机1到达位置传感器1时，传感器1发出信号使封口机1工作，在很短的时间内将包装袋一端封口并剪断（此时包装袋的长度刚好为70cm），同时后机械臂夹紧包装袋。

封口机1返回到原位，后机械臂工作将封口后的包装袋放置在机械臂下方的后备箱内，筒状包装袋一直保持着垂直向下运动，如此往复，包装袋不断的产生并储存。

当包装袋的储存高度达到位置传感器3的时候，电动机M1停止转动，包装袋停止生产。

当包装袋的储存高度低于位置传感器2的位置时，电动机M1继续转动，继续生产包装袋并储存，如此往复，避免包装袋生产过剩，大量堆积。

（2）面粉装袋流程：
按下启动按钮后，开始制作包装袋的同时，前机械臂延时10秒。

传送带电机M1开始工作，传送带转动。

下料斗大阀门打开，开始快速往称量斗中加料，称量斗内置有称重传感器，当加料质量达到24.5kg时，下料斗大阀门迅速关闭，小阀门迅速打开，减缓下料速度，当加料质量达到25kg 时，下料斗小阀门迅速关闭。

以此来保证后备箱有充足的包装袋，并保证刚开始称量斗有25千克的面粉。

10秒之后，前机械臂开始工作，前机械臂从后备箱取出包装袋并送至称量斗下料口，此时称量斗下料口阀门打开，开始装料，当装料结束后（质量传感器参数变为0），使称量斗阀门关闭，并使下料斗继续开始工作。

此时前机械臂保持装料状态，封口机2开始封口，封口完毕后触发脉冲计数器，计数器加1（初值为0）并将结果显示在
显示屏上，同时机械臂打开，面粉落在传送带上随传送带运走，第一次循环结束。

前机械臂进入下一个循环，继续到后备箱取袋并装袋，当取袋完毕并且称量斗中称够25kg时，开始装袋，如此往复。

当包装的面粉数量达到规定产量时，按下停车按钮，传送带延时十秒关闭。

其他所有工作机构复位，包装机停止工作。

（3）故障处理：
此包装机未设自动处理故障的机构，故障出现时，按下紧急停车按钮，所有装置断电，并惯性复位。

排除故障后，可重新按下启动按钮工作。

2. 根据包装机的设计要求，全自动粉料包装机的包装过程循环如图2-2所示。

（1）工位
包装机的工位分为单工位和多工位。

单工位包装机的所有包装操作都几种在一个工位上完成，当一件（组）物品完成全部包装并输出之后，下一件（组）物品才能进去机器开始包装。

多工位包装机，物品从输入到输出必须经过多个工位，而且在不同工位上一次完成各个包装操作。

由于全自动粉料包装机的包装过程比较复杂，需要较多的使用执行机构（制袋、供料、填充、封口、计数、传送等），将包装操作分散在不同工位上同时进行，能够提高生产率，所以全自动粉料包装机选择多工位。

（2）运动形式
包装袋的传送方式可以分为间歇运动和连续运动。

间歇运动是指物品由一个工位转移到另一个工位间歇步进运动。

主要包装操作可在物品静止时完成。

一般适用于执行机构比较多的机器。

连续运动时指物品及传送系统均作连续等速运动。

在包装机进行工作时，各个执行机构是并行工作的。

根据全自动粉料包装机的分析，本设计采用间歇运动，当包装纸袋传送装置传送一个袋长后，封口机随后开始工作，封口机封口完毕后，立即停止封口等待下一次封口。

根据上述分析，本课题研发的纽扣自动包装机采用多工位、间歇运动型。

图2-2 全自动包装机工艺流程图
2.2.3 设计步骤
由于此设计是参照原有国外引进包装机的基础上进行的控制系统的重新设计，所以需要对全自动粉料包装机的过程及控制原理等进行深入理解，特确定设计和实施项目的基本步骤如下：
步骤一：熟悉全自动粉料包装机的生产流程；各种原材料供给及去向；按照各原材料的流向清理全生产过程；同时确定包装机的基本操作。

步骤二：确定传动系统和执行机构不见型号和参数，为了去顶包装材料的最佳加热区间，本研究针对封口装机进行了封口工艺参数实验研究，通过实验研究，试得出在封口过程中，有关参数与封口质量的关系，并进行优化设计。

步骤三：确定所要研究的包装机类型，各部分的组成，以及工作流程，并使用visio绘制出工艺流程图，使用CAD包装机整体结构图，为硬件设计打下基础。

步骤四：参考糖果包装等近似控制系统的控制原理图，电气接线图等资料并结合实地考察，找到个传感器及执行机构最终链接在那些单片机接端子上，同时标出这些端口的位置，分析出新设计的控制系统对单片机的要求，参考原生产流水线各种位置图实地考察，确定新控制系统中各个模块等的安装位置，参考源控制系统的电气接线图，分析系统中电源的供给、动力分配等情况，位新控制系统的电控部分设计提供原始依据。

步骤五：单片机控制系统设计，首先需要对硬件设计。

需要确定设计系统需要完成什么样的功能，相应的功能需要什么样的控制元件，包括继电器、传感器等。

有些电信号需要放大的地方我们需要用相应的放大器进行处理（如：达林顿管）；单片机的输出信号比较微弱不能直接驱动电机的运转，我们一般采用中间继电器来解决。

还需要采用protel-dxp绘制包装机原理图。

步骤六：软件设计，单片机要驱动整个包装机系统，必须有正确等程序去驱动，根据原理图和各部分的实时功能，需要编写出正确的程序。

由于C语言是较为常用的编程语言，所以采用C语言来编写程序要比汇编简单多，也更容易理解。

步骤七：对设计出的包装机进行仿真处理。

实现机组运行时间和停机。