钢球智能计数系统设计

计算机控制技术课程设计课题题目：钢球智能计数系统设计学生姓名： 学号：学院：目录第一章 绪论21.1 设计背景21.2 设计目的和意义21.3 国内外研究现状21.3.1 国内研究情况21.3.2 国外研究情况31.4 设计内容3第二章 系统总体设计52.1 系统测控对象简介52.2 系统整体结构和工作原理52.2.1 结构框图52.2.2 计数原理52.3 设计方案与选择62.3.1 系统工作组成流程图62.3.2 系统设计方案6第三章 系统硬件设计73.1 上位计算机选型73.2 控制器选型73.2.1 远程 I/O 选型73.2.2 A/D 扩展模块选型9第四章 系统软件设计114.1 总体设计114.1.1 软件功能需求114.1.2 结构框图114.1.3 开发工具介绍114.2 设计各模块实现114.2.1 新建工程项目114.2.2 制作图形画面124.2.3 定义串口设备124.2.4 定义变量134.2.5 建立画面连接154.2.6 编写命令语言15第五章 分析总结164.1 系统设计总结164.2 设计过程总结16参考文献169第一章 绪论1.1 设计背景工件钢球加工完成之后，在装箱之前需要对产品的数量进行计数是每个工厂必须进行的一个项目，在旧时代则是依靠的传统的计数方法。传统的计数方法不仅仅费时费力而且准确性也会有偏差。但时代随着科技进行了革新，经过科学家不屑的努力，各种新式科技产品慢慢取代了传统古老的生产力，人们创造出了计数器，这样工厂的流水线计数便十分轻松。电子计数器便是其中具有代表性的一员，他的延伸便是单片机微型计算机技术。科学技术是第一生产力一点都不夸张，某些行业单片机微型计算机技术的确促进了其发展的速度。大大提高了生产力，在机械化日益发展的今天，有十分重要的意义。除了现场采用专门的计数器外， 有时还需要传送到计算机中进行存储记录，报表统计等工作。1.2 设计目的和意义当今生活是信息时代,是获取信息和处理信息以及信息应用的时代。传感信息与检测技 术的重要性在于它是获得信息并对信息进行一定处理的基础技术,是获取信息和信息加工处 理的重要手段之一。传感与检测技术是一门知识面广、综合程度高、实用性很强的专业课程。它从传感器的基本理论入手，着重讲叙传感器的结构与感测原理，传感器是一个二端口的装置，不同的传感器输入-输出特性不同，同一传感器适应不同的被测信号呈现的特性也有所不同。尤其当被测信号为静态信号时两种状态下，传感器的输入-输出特性完全不同。感测技术在许多新知识里都有应用，以信息的传感、转换、处理为核心，从基本物理概念入手，阐述热工量、 机械量、几何量等参数的测量原理及方法。产品计数器是完成对在一定时间内通过某一区间的物体计数，在实际生产生活中具有广泛的应用，对通过的物体进行计数，实现统计数据的搜集，可用于自动化生产线的产品计数， 如机械零件、瓶装产品等。能节省劳动力有能高效地完成任务。随着工业自动化和管理现代化的进展，自动在线计数、快速在线计数有了很大发展。进一步采用新技术，开发各种自动计数系统，提高动态计数的准确度，加强网络功能是当今各 国发展的重点。1.3 国内外研究现状1.3.1 国内研究情况国内相关领域的研究已经有不少可见的成果，目前使用最为广泛的方法是使用霍尔传感器计数法。霍尔传感器是一种基于霍尔效应的通用传感器。在 1879 年由美国物理学元件专家霍尔首先在金属材料中首次发现了霍尔效应。霍尔传感器被广泛的使用在压力、加速度、振动等方面的测量中。利用钢球的霍尔效应，霍尔传感器也可以用于钢球计数，目前是钢球计数领域内应用最为广泛的测量方法。该方法主要是利用导体以及霍尔传感器的电磁感应特性，在钢球经过霍尔传感器的感应范围时，产生电压差，并以此为 控制量，来测量钢球量。但由于霍尔传感器本身固有的原因，在应用于大量计数的时候，往往误差率较高，不适合应 用于大量精确计数。除了传感器计量法，我国的一些科研院所，也研发出来了一些全新的钢球计数方式。 如昆明理工大学的钢球自动计数及排列装置如图 1.1 方法是：在钢球料仓的上方设置料斗， 料仓中开有与两侧开口相通的滑槽，滑槽中插入与其间隙配合的计数板，计数板上开有一系 列按预定图形排列的通孔，通孔与钢球为间隙配合，计数板厚度为钢球直径的 1.02 一 1.1倍，且通孔直径为钢球直径的 1.05 一 1.3 倍，工件装于工作台上， 工件上表面与计数板的下表面平齐，并由气缸驱动。该方法计数较为准确，但是效率较低，且对应不同尺寸钢球 的工装的更换较为复杂，无法应用于大量计数中。另外国内还有一种拨叉式钢球计数上料装置，这种拨叉式计数上料装置，主要由圆锥储 料罐，振动给料盘，拨叉装置，振动发生器，料斗杠杆和称重料斗组成；在振动给料盘上设 置有一个导槽，导槽的终端设置有一挡铁，有一个可以旋转的拨叉装置 放置在与挡铁接近处，拨叉装置使用轮轴与皮带轮相连，皮带轮通过皮带与电机相连，这一种拨叉式计数上料 装置，拨叉装置由若干个呈“U”形的推球拨叉平衡连接轴盘，轴盘固定在带轮轴上所述的 一种拨叉式计数上料装置，导槽由两个导槽挡板构成“Y”形通道。由于采用如上所述的技 术方案，该种拨叉式计数上料装置，能保证每次都在超过配重的最后一粒球，而非数粒落下 后切断振料和拨叉，防止再有不等数量的钢球流入称重料斗，从而保证每个上料周期上料粒 数完全一致，实现大尺寸钢球的精确计数上料，从而保证钢球计数精度。国内现有的精确计数方法，存在着效率低下，可适配钢球尺寸带窄，以及误差较大等等 不足之处，距离投入实际的工业化生产，还有一些问题等待解决。1.3.2 国外研究情况国外方面，实际上根据最新的研究成果和趋势，对计数器的研究大体分为通用与专用两 个大类。而光电计数器就是其中的一种。国内外至今已出版了大量有关光电计数器理论研究 和技术应用的专门书籍。在 60 年代以后，各种光电材料得到了全面的研究和广泛的应用。它们的结构有单晶和多晶薄膜的，也有非晶的，它们的成分有元素半导体的和化合物半导体的，也有多元混晶的。 其中最重要的两种是硅和碲镉汞。硅的原料丰富,工艺成熟,是制造从近红外到紫外波段光电器件的优良材料。碲镉汞是碲化汞和碲化镉的混晶，是优良的红外光敏材料。光电式传感器的最新发展方向是采用有机化学汽相沉积、分子束外延、单分子膜生长等新技术和异质结等新工艺。光电式传感器的应用领域已扩大到纺织、造纸、印刷、医疗、环 境保护等领域。在红外探测、辐射测量、光纤通信，自动控制等传统应用领域的研究也有新 发展。例如，硅光电二极管自校准技术的提出为光辐射的绝对测量提供了一种很有前途的新 方法。同时，国内的制造技术水平远不如国外，制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志,也是国际间科技竞争的重点。我国正处于经济发展的关键时期,制造技术是我们的 薄弱环节。总之,在我国研究和发展先进制造技术势在必行。1.4 设计内容本论文针对企业需求，研制了钢球智能计数系统。该系统实现了钢球的精确计数、数据传送的功能。随着机电产品各行各业应用快速迈入工业现代化发展，采用各种传感器来检测、 监视和控制各种静态、动态参数，使设备或系统智能化操作就应运而生。霍尔自动计数装置能满足钢球多规格多功能的机械作业，简单又实用。整个计数、分拣的动作流程采用了工业控制用计算机进行控制，控制软件采用远程 I/O 加 PC 技术 ，运用模拟电路 ，数字电路的原理 ，再加上信号处理技术成功地实现了所要求的内容。达到了计数准确无误，误差小 ， 代价低的设计目的。第二章 系统总体设计2.1 系统测控对象简介钢球是重要的基础零部件，尤其是精密工业钢球在国民经济发展中起着巨大作用。在一些特殊条件下，常常需要特殊材质的钢球，来完成不同环境下所要求达到的功能。它们的推广应用，不仅推动了钢球生产业的发展，而且也促进了相关行业的技术发展和科技进步。在以前钢球计数是以人工繁重的重复劳动计算钢球数量，这样不仅麻烦，而且由于人们的记忆力不同，会导致可能忘记计数数量，这样就得从头开始，十分繁琐。但是现在有了供球机构、 检径筛选机构、分组计数机构、控制系统和霍尔计数装置这一系列的机构设计，完全由机器劳动代替了人工劳动，机器工作出错少而且效率高。2.2 系统整体结构和工作原理2.2.1 结构框图图 2-1 钢球计数工作示意图图 2-1 中对钢球进行检测采用霍尔开关传感器（包括配套的磁体），它能感受到很小的磁场变化。当钢球不在传感器上方时，穿过霍尔开关传感器霍尔元件的磁场较弱，输出电压 较小。2.2.2 计数原理霍尔开关传感器 SL3501 具有较高灵敏度的集成霍尔元件，能感受到很小的磁场变化， 因而可对金属零件进行计数检测。下图是对钢球进行计数的工作示意图和电路图。当钢球通 过霍尔开关传感器时，传感器可输出峰值 20mV 的负脉冲电压，该电压经运算放大器（A741 放大后，驱动半导体三极管 V(2N5812) 工作，V 输出端便可接计数器进行计数，并由显示器显示检测数值。图 2-2 钢球计数电路原理示意图2.3 设计方案与选择2.3.1 系统工作组成流程图图 2-3 开关量检测系统组成框图2.3.2 系统设计方案1.传感器选型霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879 年美国物理学元件家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应, 但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。 霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。2.检测并计数当钢球输送到传感器上方时，穿过传感器霍尔元件的磁场变强，传感器可输出峰值20mv 的脉冲电压，该电压经运算放大器 A 放大后，使电路中晶体管基极电位升高，晶体管导通，其集电极 N 点变为低电平，计数器开始计数，并由显示器检测数值。同时晶体管集电极低电平信号通过输入模块送入 计算机，计数程序进行计数。这个霍尔电压的信号将经过 LM393 集成运放后驱动 2N5812 型三极管，完成导通和截止过程。将计数显示部分接在2N5812 型三极管的输出端即可以构成霍尔计数器。3.信号传输及计数显示通过 PC 与 ADAM4000 系列远程 I/O 模块组成的开关量输入系统对检测电路中检测到的钢球信号进行转换处理，并将转换后的数字信号在电脑中计数并显示。从而完成整个系统的 计数显示工作。第三章 系统硬件设计3.1 上位计算机选型上位机是指可以直接发出操控命令的计算机，一般是 PC，屏幕用于显示音频信号变化。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。合适的上位机可以提高程序运行的效率以达到最佳效果。本系统中，上位计算机型选择 ThinkCentre E74 Y，下面对其配置进行简单介绍。最高搭载全新第六代智能英特尔酷睿 i7 处理器-6700，性能卓越；选用 512GB 固态硬盘，容量足够大，能够迅速响应，答复增强系统速度；DDR4 全新一代内存芯片，贷款频率提升至2133MHz，提供更流畅的运行体验；显卡配备为 AMD Radeon R9 Series Graphics 独立显卡， 支持 4K