食堂自动盛饭机设计.doc

食堂自动盛饭机设计谢飞龙摘 要本文主要介绍了针对食堂用的自动盛饭机的应用背景、功能特点、硬件设计思路及软件设计思路。简单介绍了8031单片机、可编程并行I/O接口芯片8255A、外部程序存储器2764的外部引脚及部分特性。由8031单片机、可编程并行I/O接口芯片8255A、外部程序存储器2764组成自动盛饭机系统，能够实现自动盛饭的目的。人工盛饭（稀饭）很不健康和卫生，自动盛饭机能够代替现在的人工盛饭（稀饭），它使用简单、操作方便、健康卫生，并且特别适用于学校食堂。关键词 厨房革命，自动盛饭机，单片机，系统设计，系统控制ABSTRACTThis text mainly introduces to the applied background, function characteristics, the hardware design way of thinking and the software design way of thinking of The Fill Bowl With Rice Of Auto Machine that dining room use.Introduced The Leadfeet and parts of characteristicses of The 8031 Singlechip, The Programmable Proceed Together The I/ O Intoface Chip 8255 A,and The Saving Machine Of The Exterior Procedure 2764 in brief.From The 8031 Singlechip, The Programmable Proceed Together The I/ O Intoface Chip 8255 A, The Saving Machine Of The Exterior Procedure 2764 constitutes the minimum system of The Fill Bowl With Rice Of Auto Machine , It can carry out the purpose that fill bowl with rice automatically. The artificial fill bowl with rice( gruel) very the ill-health and hygiene, The Fill Bowl With Rice Of Auto Machine can replace the artificial now enough to fill bowl with rice automatically( gruel), it use simple, operation convenience, healthy hygiene, and be applicable to the school dining room specially.Keywords Kitchen Revolution，The Fill Bowl With Rice Of Auto Machine, The Singlechip ,The System Design,The System Control目 录摘 要ABSTRACT1 绪论12系统设计思路及功能描述2 2.1系统设计思路22. 2 系统设计框架22. 3 功能描述22. 4 系统工作步骤32. 5 系统功能模块33系统技术方案43.1 单片机4 3. 1. 1 8031单片机的特点4 3. 1. 2 8031单片机的芯片引脚及说明43.2可编程并行I/O借口芯片8255A5 3. 2. 1 8255A概述5 3. 2. 2 8255A引脚及引脚说明5 3. 2. 3 8255A接口电路63.3外扩8KBEPROM 2764EPROM6 3. 3. 1 2764EPROM概述6 3. 3. 2 2764EPROM引脚及引脚说明6 3. 3. 3 2764EPROM接口电路63.4 电机控制8 3. 4. 1 交流伺服电动机的特点9 3. 4. 2 交流伺服电动机的控制方式10 3. 4. 3 交流伺服电动机的驱动线路及接口103.5 控流电磁阀10 3. 5. 1 控流电磁阀结构原理10 3. 5. 2 控流电磁阀分类10 3. 5. 3 控流电磁阀接口1113.6 LED数码管12 3. 6. 1 LED数码管概述12 3. 6. 2 LED数码管显示方式13 3. 6. 3 LED数码管接口144 自动盛饭机硬件设计15 4.1 电源电路15 4.2 复位电路16 4.3 键盘电路17 4.4 显示电路17 4.5 控制电路174. 5. 1 信号检测电路184. 5. 2 电机控制电路184. 5. 3 发光二极管D4控制195 盛饭机软件设计20 5.1 系统软件设计流程20 5.2 系统内存单元分配20 5.3 编程实现216 结论27 参考文献28附录A：延时程序的延时时间周期设定磨难实验29附录 B： YHD系列化工用全塑料电磁阀简介30致 谢32211 绪论饮食要卫生，然而，现在的大多数食堂、饭店，无论其就餐环境还是其饮食都很不卫生。我们应当发起“厨房革命”，那就是应用科学技术实现无人做厨，建造“智能厨房”，提高饮食的卫生质量，让人们健康饮食。人类已经部分实现了做厨无人化，但大多数是针对家庭单位。事实上我们更应当关注公共的食堂、饭店，而这也是“厨房革命”所要解决的最主要的对象。据观察，我们学院食堂的稀饭是用瓷盆盛装的，在用餐时段，稀饭长时间暴露在空气中，加上吃饭时人来人往，稀饭很不卫生；如果盛饭去的晚了，就只能喝冷的稀饭，这对大家的身体不好。为了让全校同学吃到热的、卫生的稀饭，为了方便食堂，特设计了针对食堂用的自动盛饭机。如彩图所示，该图描述了盛饭机的设计外观，外观看该机由两部分组成：1：桶体部分，2：传送带部分。事实上盛饭机系统被设计成由桶体、一个传送带、一个搅拌器、一个电磁阀、两个光电检测器等组成。传送带用来传送盛饭餐具，其功能是把已经装满的餐具运走，并用一只空的餐具来代替。为使餐具恰好对准稀饭流出的出口，使稀饭刚好流入餐具中，在传送带的中间装光电控制器1，用以检测餐具是否到位，电磁阀则控制稀饭流出，当餐具到位时，阀门打开稀饭会自动流入餐具内。检测器2用于检测桶体稀饭液位是否符合要求。每次稀饭盛装的量可以由键盘输入给定值并用软件延时计数的方法来控制。搅拌器用于搅拌稀饭以便稀饭随时保持一定的稠密度。自动盛饭机不但可以实现稀饭的自动盛饭功能，还可以用于开水、免费汤的自动盛装，加之其系统结构简单，操作方便，其应用前景可观。目前该机在生活中、市面上尚无。相信该机能够方便同学们用餐，也能够方便食堂。采用先进的科学技术实现人类衣、食、住、行等方面自动化已经很久了，而采用单片微机更是实现人类衣、食、住、行等方面自动化的有效工具。单片微机正在朝着人性化的方向发展，虽然单片微机技术有着日新月异的发展，但MCS-51系单片机在实际生活中的应用却很广泛。本设计亦是采用单片微机来实现食堂稀饭的自动盛装，利用MCS-51系列中的8031单片机设计了一个最小系统，系统中扩展了一片8255A可编程接口及程序存储器EPROM 2764，再加上输入、输出及辅助设备便组成了自动盛饭机系统。2 系统设计思路及功能描述2.1 系统设计思路自动盛饭机被设计成密闭桶式，可以保证稀饭的卫生，并可以在一定时间内保证稀饭的热量。自动盛饭机利用单片机完成控制功能，同时利用按键、LED数码管、发光二极管为使用提供便利。其内部装有控流电磁阀，可以根据按键的输入定量盛饭，很是方便。 22.2 系统设计框架设计系统框架时，除了需要考虑实现自动盛饭功能外，系统的可操作性和安全性也是很重要的。盛饭机必须设计良好的操作按键及显示系统，在设计中还须考虑报警措施，完善供电电源的设计。图2.1所示为系统的设计框架，包括按键输入与LED显示、发光二极管状态指示与报警输出、供电电源输入、光电检测输入、电机控制和电磁阀控制。单片机控制系统电机、电磁阀控制键输入LED显示发光二极管供电电源光电检测图2.1 系统设计框架2.3 功能描述自动化盛饭机由单片机控制，根据实际需要用到了传送带、搅拌机、控流电磁阀、LED数码管和发光二极管等。按照设计要求，其可以完成如下功能：a 保温功能，桶体是由外壳(通常可用印花钢板或不锈钢板材料)和内壳(通常可用镀铝钢板材料)，以及在内、外壳之间填充的保温层(一股可用绝缘和绝热的玻璃纤维或硅酸铝纤维材料)组成，这样它的密封性能和保温效果均可达到良好。b 按键、显示功能，通过按键可以方便设定所要求的饭量，并通过LED数码管显示出来。发光二极管显示当前盛饭机的工作状态。c 报警功能，在盛饭机内装有光电检测器，可以检测液位是否符合要求，如不符合启动报警。d 搅拌功能，为了使稀饭的稠密适当，设计了搅拌系统。e 自动盛饭功能，使用皮带传送机传送盛饭餐具，当光电检测器检测到盛饭餐具时，皮带传送机停止运动，同时电磁阀打开，稀饭就自动流出。2.4 系统工作步骤 自动盛饭机系统工作步骤如下：a 用键盘设置每次盛饭的量，并存放在PARTS单元中。b 接通电源，通过检测光电传感器2的状态，来判断稀饭液位是否符合要求，符合则系统继续运行，不符合则启动报警程序。符合时使传送带的驱动电机运转，带动餐具一起运动。搅拌器电机也启动开始搅拌。通过检测光电传感器1的状态，判断传送带上的餐具是否到位。c 当餐具运行到检测器1的光源和光传感器的中间时，关断电机电源，使传送带和搅拌器停止，等待盛饭。d 启动电磁阀，阀门打开，使饭流入餐具中。e 当阀门打开的同时，启动延时计数程序，并将计数结果与键盘给定值即存放在PARTS单元中的值进行比较。f 当值未达到给定值时，电磁阀保持打开状态，当值与给定值相等时，停止电磁阀，阀门关闭，同时启动传送带电机和搅拌器电机。让传送带带走盛满的餐具，并带来下一个空的餐具到指定位置，并继续上述过程。2.5 系统功能模块自动盛饭机的主要功能模块可划分为5部分： a 按键输入与LED指示部分。该模块负责09按键的信号输入，并利用数码管显示按键的输入，发光二极管显示工作状态。3b 报警提示输出部分。该模块完成盛饭机当饭量不足时，发出报警，即发光二极管闪烁。c 电源部分。该模块实现单片机系统从交流电中整流输出稳定的+5V供电电压。d 电机、电磁阀部分。电机、电磁阀采用220V市电供电。e 光电检测部分。该模块检测液位和检测餐具，并发出相应控制。43 系统技术方案针对上述任务及功能，采用8031单片机设计一个最小系统。为了读键盘给定值及完成检测和控制，系统中扩展一片8255A可编程接口及程序存储器EPROM 2764。其原理系统电路图，如图3.2所示。 如图3.2中所示，8031，74LS373，2764组成最小系统。8031通过8255A的PB口实现给定值显示。PA口读入键盘的给定值，PC口高4位设为输入方式，用于检测光电管和START,STOP两个键的状态。PC口低4位设为输出方式；其中PC0控制传送带的动力电机；PC1 控制电磁阀；PC2控制搅拌器的动力电机。 为了提高系统的可靠性及减少误操作，用PC3这条IO线控制状态指示灯D，D为红色，当系统出现问题，例如没有设置给定值时，启动START键，则D灯闪烁，提醒操作者注意，需重新设置参数后再启动。如果系统操作运行正常，则D保持亮的状态。下面简单介绍本设计系统的技术方案。43.1 单片机单片机作为自动盛饭机系统的主控制单元，它控制所有的输入输出，并根据用户按键信息发出相应的控制信号。本设计选用MCS-51系列单片机中的基本型号8031。3.1.1 8031的特性 8031单片机具有如下特性：a 内部包括一个8位CPU，128B RAM，21个特殊功能寄存器(SFR)，4个8位并行I/O口，一个全双工串行口2个16位定时器、计数器。b 片内无程序存储器，需外扩EPROM芯片。c 工作电压单一+5V电源。d 片外数据存储器的寻址范围为64K字。e 程序存储器的寻址范围为64K字节。3.1.2 8031的芯片引脚图及说明 8031单片机的制造工艺为HMOS，采用40引脚的双列直插式(DIP)封装。如图3.1所示，8031单片机有40个管脚，其中可用作I/O功能的管脚有32个，即P1.x、P2.x、P3.x、P4.x。在本设计系统中将利用8031的P0口和P2口。3.2 可编程并行I/O接口芯片 8255A3.2.1 8255A概述8255A是Intel公司生产的可编程的并行I/O接口芯片，它有A、B、C三个可编程的8位I/O接口，有3种工作方式。8255A共40个引脚，采用双列直插式封装。由于8255A使用灵活方便，通用性强，在本设计中用8255A作为8031单片机与执行器的中间接口。 1 402 39 3 384 375 366 357 346 337 328 319 3010 2911 2812 2713 2614 3515 3416 2317 2218 21 P1.0 VCC P1.1 P0.0 AD0 P1.2 P0.1 AD1P1.3 P0.2 AD2P1.4 P0.3 AD3P1.5 P0.4 AD4P1.6 P0.5 AD5P1.7 P0.6 AD6RST/VPD P0.7 AD7RXDP3.0 EA/VPPTXDP3.1 ALE/PROGINT0 P3.2 PSENINT1 P3.3 P2.7 A15T0P3.4 P2.6 A14T1P3.5 P2.5 A13WR P3.6 P2.4 A12RE P3.7 P2.3 A11XTAL2 P2.2 A10XTAL1 P2.1 A9图3.1 8031外部引脚图VSS P2.0 A3.2.2 8255A引脚及引脚说明1) 8255A的引脚如图3.3所示。2) 引脚说明：a D7-D0：三态双向数据线，与单片机数据总线连接，用来传送数据信息。b CS ：片选信号线，低电平有效，表示芯片被选中。c RD ：读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。d WR ：写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。e VCC ：+5V电源。f PA7-PA0：A口输入/输出线。5g PB7-PB0：B口输入/输出线。h PC7-PC0：C口输入/输出线。i REST：复位信号线。j A1-A0：地址线，用来选择8255A内部端口。3.2.3 8255A接口电路由于8255A是标准的通用可编程I/O接口，因此单片机与8255A的接口电路相当简单，单片机的数据线与8255A的数据线对应相连；8255A的地址线A0、A1连接到单片机的地址总线A0、A1 上，8255A的片选线CS连接到单片机的地址线的高位上；单片机的读写线RD、WR对应地连接到8255A的读写线RD、WR；其它口线的连接取决于8255A的工作方式。图3.4为8255A与8031单片机的一种接口电路，其中PA口设置成输入方式，PB口设置成输出方式，PC口高四位设置成输入方式，PC口低四位设置成输出方式。在本设计系统中，8255A的PA口用于键盘控制，PB口用于LED显示，PC口高四位用于输入，PC口低四位用于输出控制。其详细接口电路如图3.2所示。3.3 外扩8KBEPROM 2764EPROM3.3.1 2764EPROM概述根据程序需要选择2764，它是一种8KB的紫外线擦除、可电编程的只读存储器，单一+5V供电，工作电流为100mA，维持电流为50mA，读出时间最大为250ns。3.3.2 2764EPROM引脚及引脚说明1) 2764为28脚双列直插式封装，其引脚配置如图3.5所示。2) 引脚功能：a A0-A12：地址线。b I/O0-I/O7：数据输出线。c CE：片选。d OE：数据输出选通线。e VPP：编程电源，+12.5V。f PGM：编程脉冲输入线。3.3.3 2764EPROM 接口电路2764与8031的接口电路如图3.6所示，它是一个8031单片机的最小系统。2764的存储容量为8KB，它的A8A12与8031的P2.0P2.4连接，形成高5位地址线，而P2.5P2.7未用，在一般情况下它们也不能移作它用。图中地址锁存器采用芯片8382，其特性与74LS373类似。本设计系统采用74LS373作为8031与2764的地址锁存器，本设计中2764EPROM 6图3.2 原理系统电路图71 402 393 384 375 366 357 348 339 3210 3111 3012 2913 2814 2715 2616 2517 2418 2319 2220 2121PA3 PA4 PA2 PA5 PA1 PA6 PA0 PA7 RD WR CS RESET GND D0 A1 D1 A0 D2 PC7 D3 PC6 D4 PC5 D5 PC4 D6 PC0 D7 PC1 VCC PC2 PB7 PC3 PB6 PB0 PB5 PB1 PB4 PB2 PB3图3.3 8255A的外部引脚图3.4 8255A的扩展接口电路的详细接口电路如图3.2所示。 3.4 电机控制伺服电动机亦称执行电动机，在信号来到之前，转子停止不动，信号来到之8后，转子立即转动；信号消失之后，转子又能即时停止转动。由于这种“伺服”性能，因而将这种控制性能较好、功率不大的电动机称做伺服电动机。常用的伺服电动机有交流伺服电动机和直流伺服电动机两大类。本系统由于直接采用市电供电，因而使用交流伺服电动机。下面简单介绍交流伺服电动机。1 282 273 264 255 246 237 228 219 2010 1911 1812 1713 1614 15 VPP VCC A12 PGM A7 NC A6 A8 A5 A9 A4 A11 A3 OE A2 A10 A1 CE A0 I/O7 I/O0 I/O6 I/O1 I/O5 I/O2 I/O4 GND I/O3图3.5 2764引脚配置9图3.6 扩展2764AEPROM3.4.1 交流伺服电动机的特点交流伺服电动机的任务是将电信号转换为轴上的角位移或角速度的变化。交流伺服电动机的输出功率一般是（0.1100）W，最常用的是30W以下的。其电源频率为50Hz是，电压是36V，110V220V，380V；电源频率为400Hz时，电压10是20V，26V，36V，115V。3.4.2 交流伺服电动机的控制方法交流伺服电动机不仅须有启动和停止的伺服性，因而还须具有对转速大小和方向的可控性。根据不同的用途，可以采用以下三种不同的控制方法：a 幅值控制 即保持控制电压的相位不变，仅仅通过改变其幅值来进行控制。b 相位控制 即保持控制电压的幅值不变，仅仅通过改变其相位来进行控制。c 幅-相控制 同时改变控制电压的幅值和相位来进行控制。3.4.3 交流伺服电动机的驱动线路及接口如图3.7所示是单相交流伺服电动机驱动线路，他仅控制伺服电动机停止、旋转和停转。为了提高抗系统干扰能力，系统采用了光电隔离技术。在该电路中采用固态继电器（SSR）控制电机，当PCX端口为高电平时，经过反向变为低电平，交流固态继电器接通，电动机启动。当PCX端口为低电平时，电动机停止旋转。图3.7 电机控制3.5 控流电磁阀3.5.1 控流电磁阀结构原理控流电磁阀结构原理如图3.8所示它是由线圈、固定铁芯、可动铁芯及阀体等组成。线圈不通电时，可动铁芯受弹簧作用与固定铁芯脱离，阀门处于关闭状态。当线圈通电时，可动铁芯克服弹簧的弹力作用而与固定铁芯吸合，阀门处于打开状态。这样，就控制了液体和气体的流动。3.5.2 控流电磁阀分类电磁阀有交流和直流两类。交流电磁阀使用方便，但容易产生颤动，启动电流大，并引起发热。直流电磁阀可靠，但需专用电源，如12V，24V，48V等。图3.8 电磁阀结构原理图3.5.3 控流电磁阀接口由于电磁阀是由线圈的通断电来控制的，起工作原理是带动活动芯运动，其与微型计算机接口如图所示，它是由光电隔离及开关电路等控制交流电磁阀。由于线圈要求交流电，所以通常用双向可控硅驱动或使用直流继电器作为中间继电器控制。如图3.9所示接口电路。图中交流电磁阀线圈由双向可控硅KS驱动。KS的选择要满足：额定工作电流为交流电磁阀线圈工作电流的2-3倍，额定工作电压为交流电磁阀线圈电压的2-3倍。对于中小尺寸交流220V工作电压的交流电磁阀，可以选择3A，600V的双向11可控硅。光电隔离器MOC3041的作用是触发双向可恐硅KS以及隔离微机和电磁阀系统，光电隔离器的输入端接7407，由8255A的PC1口控制。当PC1输出低电平图3.9 交流电磁阀接口电路，双向晶闸管KS导通，电磁阀吸合；当PC1为高电平，双向晶闸管KS断开，电磁法释放。MOC3041内部带有过零电路，因此双向晶闸管KS工作在过零出发方式。3.6 LED数码管3.6.1 LED数码管概述LED数码管是由发光二极管组成的，由于制造材料的不向，可相应发山红、黄、蓝、紫等各种单色光。发光二极管可以有多种组成形式，其中7段数码管应用最多，其次为“米”形数码管。根据显示块内部发光二极管的连接方式不同，又有共阴极和共阳极两种形式，如图3.12所示 。利用LED组成的数码管，将十进制数码分成7个字段，每段为一发光二极管，其字型结构如图3.10和图3.11所示。由于发光二极管通常需要十几到几十毫安的驱动电流才能正常发光，因此,由12图3.10 “米”字外形引脚图3.11 数码管的外形及引脚微型机发出的显示控制信号必须经过驱动电路才能使显示器正常工作。现在已经生产出集成电路驱动器，以及带有译码功能的多功能芯片。采用这类芯片，可同时完成BCD码至7段数码管显示模型的转换和电流驱动工作，使用起来很方便。 图3.11中，使不同“段”的二极管发光即可构成不同的字母或数字，例如使图3.11中的a，b，g，e和d段同时发光，则组成一个“2“字；当abcdefg这7 （a）共阴极接法 (b) 共阳极接法图3.12 发光二极管的接法13个字段全亮时，显示8；当bc段亮时，显示1。各种数字和字母与7段代码的关系，如表3.1所示。3.6.2 LED数码管显示方式在微型计算机控制系统中，常用的显示方法有两种：一种为动态显示，一种为静态显示。a 动态显示动态显示，就是微型计算机定时地对显示器件扫描。在这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示。但由于人的视觉有暂留现象，所以，仍感觉所有的器件都在显示，如许多单片机的开发系统及仿真器上的6垃显示器即采用这类显示方法。此种显示的优点是使用硬件少，因而价格低，线路简单。但它占用机时长，只要微型计算机不执行显示程序，就立刻停止显示。由此可见，这种显示将使计算机的开销增大，所以，在以工业控制为主的控制系统中应用较少。b 静态显示静态显示，是由微型计算机一次输出显示模型后，就能保持该显示结果，直到下次发送新的显示模型为止。这种显示占用机时少，显示可靠，因而在工业过程控制中得到了广泛的应用。这种显示方法的缺点是使用元件多，且线路比较复杂。但是，随着大规模集成电路的发展，目前已经研制出具有多种功能的显示器件，例如锁存器、译码器、驱动器、显示器四位一体的显示器件，用起来比较方便。表3.1 数字、字母与7段代码关系表字母或数字代码（十六进制）字母或数字代码（十六进制）共阴极共阳极共阴极共阳极(A)7788（r）50AF(b)7C83(U)3EC1(C)39C6(u)1CE3(c)58A7(y)6699(d)5EA1(0)3FC0(E)7986(1)06F9(F)718E(2)5BA4(H)7689(3)4FB0(h)748B(4)6699(I)06F9(5)6D92(J)1EE1(6)7D82(L)38C7(7)07F8(n)54AB(8)7F80(O)3FE0(9)6F90(o)5CA3(-)40BF(p)738C(?)53AC(n)空格00