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1、提供全套毕业论文，各专业都有 电子仪器课程设计 题 目 钢坯识别光电触发智能控制仪 姓 名 学 号 成 绩 指导老师 指导教师职称 教授 年级专业班级 所 在 学院 2014年12月25日摘要：结合生产实际需要，为解决生产线上钢坯光电检测与识别问题，我们采用MSP430F149单片机作为处理器，利用现代光电传感技术与高速低功耗单片机技术的结合，实现运动钢坯的到位检测和钢坯图像的触发采集。本系统主要有三大部分组成：钢坯到位信息的光电检测，单片机信息采集与处理，系统的稳定性及直流稳压电源电路。针对实际操作过程中的干扰信号做了进一步的检测与处理，系统运行良好。关键字：钢坯到位检测，单片机，直流稳压电
2、源Abstract: To meet the needs of actual production, to solve the problem of production line billet photoelectric detection and recognition, we use MSP430F149 single chip as the processor, using modern photoelectric sensing technology combined with the high-speed low-power microcontroller technology t
3、o realize the movement of the billet in position detection and billet image acquisition to trigger.This system mainly consists of three parts: the billet photoelectric detection in place information, microcontroller information acquisition and processing, the stability of the system and dc regulated
4、 power supply circuit.In view of the actual operation in the process of jamming signal detection and treatment, further the system running well.Key word: Steel detection Single chip microcomputer power一、系统概要1.1课题背景及意义我国大型钢铁企业以及大型轧钢厂的钢坯号的识别主要靠人工来完成，在生产线上还未见钢坯号自动识别系统，严重影响钢坯生产线的自动化、智能化水平。因此，结合武钢轧钢生产线钢坯
5、号检测及自动识别的需求，我们研发了光电控制系统。在市场竞争日益激烈的今天，如何提高企业生产效率，降低生产成本，实现经济效益最大化的目标，智能化生产也就成了大多企业关注的焦点。我们的钢坯识别光电控制系统，解决了武钢重轨生产线以前钢坯号的人工记录所带来的劳动强度大、耗时耗力、生产效率低、资源浪费等困难，提高我国钢铁企业生产线的自动化和智能化水平。钢坯识别光电控制系统性能的一个重要影响因素，就是在复杂、恶劣的工业生产环境，能够很准确地获取到钢坯端面字符信息的控制信号。我们知道，很多传感器都可以很好地获取到各种检测信号，但考虑到获取钢坯端面字符信息的稳定性、可靠性，我们用光电控制系统设计思想，被控对象
6、为CCD工业摄像头，变送传感装置为光电传感器，控制器为单片机、去噪、降压、稳压电路。钢坯识别光电控制系统组成如下： 图1-11.2光电传感器简介 光电传感器是利用光电子应用技术，将光信号转换成电信号从而检测被测目标的一种装置。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温和气体成分等；也可用来检测能转换成光量的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度和加速度，以及物体形状、工作状态等。光电式传感器具有非接触，
7、响应快，性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用1.3、MSP430系列单片机简介 MSP430 是德州公司新开发的一类具有 16 位总线的带 FLASH 的单片机,由于其性价比和集成度高,受到广大技术开发人员的青睐.它采用 16 位的总线,外设和内存统一编址,寻址范围可达64K,还可以外扩展存储器.具有统一的中断管理,具有丰富的片上外围模块,片内有精密硬件乘法器、两个 16 位定时器、一个 14 路的 12 位的模数转换器、一个看门狗、 6 路 P 口、两路 USART通信端口、一个比较器、一个 DCO 内部振荡器和两个外部时钟,支持 8M 的时钟.由于为 FLASH型,则
8、可以在线对单片机进行调试和下载,且 JTAG 口直接和 FET(FLASH EMULATION TOOL)的相连,不须另外的仿真工具,方便实用,而且,可以在超低功耗模式下工作,对环境和人体的辐射小,测量结果为 100mw 左右的功耗(电流为 14mA 左右),可靠性能好,加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境,适合与做手柄之类的自动控制的设备。 二、硬件电路模块设计2.1光电传感器的组成及特点 1、光电传感器的组成 光电传感器是将非电信号转换为电信号来测量，在一般情况下,有三部分构成。 发送器、接收器和检测电路。发送器是提供光源的,光源一般来源于半导体光源,发光二极管(LED)、激光二极
9、管及红外发射二极管。接收器由三部分组成;光电二极管、光电三极管、光电池。检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号。 工作方式: 反射板反射式光电开关:在一个装置里装入发光器和收光器,前方装一反光板,利用反射原理的开关。一般看来，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到,要是被物体挡住了,收光器接收不到光时,光电开关就会做出相应的反应。输出一个开关控制信号它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器,只是没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。要是检测物体背光挡住了,只有部分光反射回,收光器就会收到信号,作出相应的反应。 2、光电传感器的使用特点 检测距离长。对检测物体的限制少。响应时
10、间短。分辨率高。能通过高级设计使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。可实现非接触的检测。可无机械接触地检测物体，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用。可实现颜色判别。通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。便于调整。在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。 3、系统光电传感器选择 本系统选择E3Z-T61A2M欧姆龙生产的通用对射式NPN型光电传感器。有电源逆接保护、输出保护电
11、路等特点，工作稳定可靠。 其主要性能参数如表1。 图2-12.2直流稳压电源的设计1. 可调式三端稳压电源设计 三端稳压电源构成直流可调原理框图如32.1所示。该方案需使用三端稳压芯片CW317作为稳压电路可调部分，其输出电压调整范围宽，但该稳压电路输出地基准电压是1.25V，而要求电压从0V起，还需设计电压补偿电路方可实现。原理框图如下：整流滤波电路三段稳压芯片补偿电路输出可调电压 图2-22、总体电路图接线图 如电路图42.1所示，在输入端加上220V交流电压经过变压器变压之后得到合适的电压；将降压后的交流电压通过整流电路变换为单向脉动电压。其中的整流元件（晶体二极管）；整流后的单向脉动电
12、压经滤波后减小了电压的脉动程度，逐渐达到负载的需要；经过滤波后的电压最后再由稳压电路稳压之后将会输出直流电U0。.而稳压环节是该方案的关键部分，根据要求输出电压从0V起可变输出，而我们在稳压部分选用的LM317输出的基准电压为1.25V，所以需要一个补偿电路来达到输出电压为0V。上图中由R2和稳压管Dz组成的稳压电路便可达到此效果（通过稳压管使A点为-1.25V，这样当Rp=0时，VA和输出的基准电压相抵消，便可近似认为U0为0V）；通过改变Rp的阻值大小，即可调节输出电压U0的大小，实现电压从0V起连续可调。 图2-3（1）、整流电路 在整流部分我们选用单相桥式整流电路，其电路图如图51.2
13、所示。我们先来分该环节的工作情况。 在变压器二次侧电压u的正半周时即a点电位高于b点电位，二极管D1和D3D3导通，D2和D4截止，电流i1的通路a到D1到RL到D3到b。这时负载电阻RL上得到一个半波电压。在电压u的负半周时，变压器二次侧则是上负下正D1和D3截止D2和D4导通。电流i2的通路是b D2 RL D4 a同样在负载电阻上得到一个半波电压。整流后的电压电流的波形如图52.2所示整流电路中二极管的参数计算：u0变压器二次侧电压有效值为U=15Vu0于是URM=1.414*1522V。ID=I0/2=100mA。i1i2i1i2查二极管分立元件参数表，二极管选用2CZ55B（IOM=
14、1000mA；URWM=50V）满足电 wt路需求。图52.2整流后的波形（2）、滤波电路如图53.1所示与负载并联的电容器就是一个最简单的滤波器，也是我们uC1 RL所选择的滤波电路。下面分析该电路的工作情况：如果电路不接电容滤波器，输出电压波形如图53.2（a）所示，加电容滤波器后就如图2-4电容滤波器该图（b）所示。电容器的端电压在电路状态改变时不能跃变，因此滤波器以此原理制成。 在二极管导通时，一方面供电给负载，同时对电容器C充电。在忽略二极管正向压降的情况下，充电电压uc与上升的正弦电压u一致，电源电压u达到最大值时，uc也达到最大值。而后u和uc都开始下降，u安正弦规律下降，当uu
15、c时，二极管承受反向电压而截止，电容器对负载放电，负载中仍有电流，而uc按放电曲线下降。在u的下个周期内，当uuc时，二极管再行导通，电容器再被充电，重复上述过程。u0u00（a）wt0(b)wt图2-5整流前后的波形对比整流电路输出电压与输出电流的外特性曲线如图所示。由图53.3可见，有无电容滤波时比较输出电压随负载电阻的变换有较大的变化，即外特性较差或者说带载能力较差。通常取 U0=U（半波） U0=1.2U（全波）采用电容滤波时输出电压的脉动程度与电U0容放电时间常数RLC有关系。RLC大一些1.4U电容滤波脉动就小一些。为了得到比较平直的输出电压一般要求RL（1015）1/ wC。0.
16、45U无电容滤波即RLC（35）T/2。式中T电源交流电的周期。0滤波电容参数计算：图2-6外特性曲线Ui=15V,Iimax=200mA,可得RL=15/0.2=75又RLC（35）T/2，T=0.02S；电容 C=（5*T）/（2R）=667F。应去电容常用值C=1000F。2.3、采样模块设计 1、AD7799工作原理 （1）、由于系统首先要检测光电传感器发出的信号，并且要检测低电平的时间，所以系统选用24位高精度、低功耗、低噪声的芯片AD7799。其内部结构如图所示： 图2-7 如图所示，数字接口有四条线，片选信号 CS，串行同步时钟 SCLK，数据输入线 DIN，数据输出 DOUT/
17、RDY， DOUT/RDY 的第二个功能是 AD 转换结束的通知信号，可以接单片机的外部中断口，当没有转换结束时， DOUT/RDY 为高电平，一旦转换结束DOUT/RDY 为低电平，触发中断。进入中断服务程序，首先禁止外中断，然后通过对430单片机的 IO 口编程模仿图所示示序，读写 AD7799 中各个寄存器的数据。读写过程 CS 为低电平。 单片机读数过程为：单片机发 SCLK 的下降沿 AD7799 输出一位数据， 单片机读入。写数过程为：单片机发 DIN，再发 SCLK 的上升沿，则 DIN的上 1 位数据移入 AD7799。多个 AD7799 的 DIN、 DOUT/RDY、 SC
18、LK 线可以公用，哪个 AD7799 的 CS 为低则访问哪个 AD7799。 （2）AD7799的工作时序图如下： 图2-7（3）应用原理图如下： 图2-82.4、单片机的选择及原理 1、系统选择TI公司16位超低功耗单片机MSP430f149，单片机内部有丰富的功能模块，其结构图如下： 图2-9其引脚图如下： 图2-102、MSP430系列单片机的特点（1）、超低功耗 MSP430 系列单片机的电源电压采用 1 .83.6V 低电压， RAM 数据保持方式下耗电仅 0.1uA， 活动模式耗电 250pA MIPS(MIPS：每秒百万条指令数)， IO 输入端口的漏电流最大仅 50nA。 M
19、SP430 系列单片机有独特的时钟系统设计， 包括两个不同的时钟系统： 基本时钟系统和锁频环(FLL和 FLL+)时钟系统或 DCO 数字振荡器时钟系统。 由时钟系统产生 CPU 和各功能模块所需的时钟， 并且这些时钟可以在指令的控制下打开或关闭， 从而实现对总体功耗的控制。 由于系统运行时使用的功能模块不同， 即采用不同的工作模式， 芯片的功耗有明显的差异。 在系统中共有种活动模式(AM)和 5 种低功耗模式(LPM0LPM4）。 另外， MSP430 系列单片机采用矢量中断， 支持十多个中断源， 并可以任意嵌套。用中断请求将 CPU唤醒只要 6us， 通过合理编程， 既以降低系统功耗， 又
20、可以对外部事件请求作出快速响应。 (2)、强大的处理能力 MSP430 系列单片机是 16 位单片机， 采用了目前流行的、 颇受学术界好评的精简指令集(RISC)结构，一个时钟周期可以执行一条指令(传统的 MCS51 单片机要 12 个时钟周期才可以执行一条指令)， 使MSP430 在 8MHz 晶振工作时， 指令速度可达 8MIPS(注意：同样 8MIPS 的指令速度，在运算性能上 16位处理器比 8 位处理器高远不止两倍)。 （3）、高性能模拟技术及丰富的片上外围模块 MSP430 系列单片机结合 TI 的高性能模拟技术， 各成员都集成了较丰富的片内外设。 视型号不同可能组合有以下功能模块
21、： 看门狗(WDT)， 模拟比较器 A， 定时器 A(Timer_A)， 定时器 B(Timer_B)， 串口 0、1 (USART0、 I)， 硬件乘法器， 液晶驱动器， 10 位， 12， 14 位 ADC， 12 位 DAC， 1 2C 总线， 直接数据存取(DMA)， 端口 1 -6(P1 -P6)， 基本定时器(Basic Timer)等。 （4）、系统工作稳定 上电复位后， 首先由 DCO_CLK 启动 CPU，以保证程序从正确的位置开始执行， 保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。 如果晶体振荡器在用做 CPU 时钟 M
22、CLK 时发生故障， DCO 会自动启动，以保证系统正常工作。 这种结构和运行机制，在目前各系列单片机中是绝无仅有的。 另外， MSP430 系列单片机均为工业级器件， 运行环境温度为-40+85C， 运行稳定、 可靠性高， 所设计的产品适用于各种民用和工业环境。三、软件模块 1、MSP430F149开发环境介绍 目前广泛使用的MSP430软件是IAR Embedded Workbench for MSP430软件，它是一种能够开发不同目标处理器类型的、灵活的集成开发环境，在软件中包括快速编译、高效连接器、对应处理所需的库文件，具有高亮语法显示和自动缩进功能的编辑器、Make工具和C-SPY调
23、试工具及项目管理工具。 IAR运行及调试界面如下： 图3-12、软件流程设计 当AD7799采集到光电传感器的的低电平信号是，430单片机对其进行判断，如果是不连续的低电平，430单片机不响应系统请求，即不输出驱动信号，CCD工业摄像机仍处于待机状态；如果AD7799采集到的是连续的低电平信号，则立即向连接IO口的CCD工业摄像头发出信号，驱动摄像头工作。程序流程图如下： 系统初始化AD7799开始工作连续低电平 驱动摄像头 N Y 三、系统原理概述 1、系统总体方案 在钢坯运动轨道两边的恰当位置安装红光对射型光电传感器，给光电开关供电，光电开关持续输出常态高电平。当钢坯在轨道上运动经过时，发
24、射极发出的光被钢坯挡住，接收极接收不到红光信号，光电传感器输出一个下降沿触发信号。CCD相机接收到触发信号，摄取钢坯端面图像。最后识别钢坯号。 系统通过AD7799实时采样被触发的下降沿信号，MSP430F149对此信号进行判断，如果此下降沿信号不连续，切不是持续低电平，则430单片机不向CCD工业摄像机发送驱动信号，如果经过判断，是连续低电平信号，则单片机触发CCD摄像头开始采集钢坯端面图像。 2、系统框图 光电传感器AD采样CCD工业摄像头MSP430F149 单片机直流稳压电源按键、复位电路四、系统总结分析 刚开始做的时候，完全不知道做什么，后来找老师的研究生分析了一下，这个系统主要是做
25、控制着一块，也就是控制单元的选择和外设资源的合理搭配利用，我想了一下，自己以前用过STM32F103开发板，并对其中的串口相当熟悉，准备用他来作为处理器，控制摄像头，但后来发现本系统不需要那么多快的处理速度，就用自己比较熟练地MSP430F149单片机，它的IO口比51单片机要丰富的多，并且用外部ADC的话，处理能力完全够用，然后就开始做，开始光电传感器的信号，AD芯片总是采集不到，通过用示波器观察，发现光电传感器根本就没有触发信号，一直是高电平，通过检查发现，光电传感器由于供电不足，没有正常工作。在接收到信号后，149单片机进行处理分析，发现程序有问题，自己写的程序好像不能检查出干扰信号，后来上网查了一些资料，借用网上的算法，成功实现了系统要求的功能。通过这次课程设计，进一步增强了自己的动手实践能力和分析问题，解决问题的能力，为自己以后的工作打下基础。