基于单片机的包装业流水线产品计数器的设计

摘要：本设计以AT89C51为主控芯片，利用反射式光电传感器，对包装业流水线产品的数目进行监测，并将计数值通过数码管显示，且可自行设定计数的容限值，当计数值超过容限值时启动报警装置并进行后续处理。该设计可将机械或人工计数方式变为电子计数方式，操作便捷，经济可靠，可广泛应用于包装业的流水线产品计数，提高工作效率，满足现代工业生产方式的需求。

关键词：光电传感器 产品计数器 单片机

Design of the Line Production Counter in Packaging Industry Based on MCU

Abstract：The design uses AT89C51 as its main control chip， and reflected photoelectric sensor is applied in the system to monitor the number of product line of packaging. While it displays the count value on nixie tubes. When the count value exceeds the capacity limit value which can be set automatically， it will start the warning device and alert the operator to subsequently process. The design can change the way of mechanical or manual into electronic counting. Its operation is convenient， and its run economic and reliable， could be widely used in product line of packaging. It could not only improve working efficiency， but also can fit for the demand of modern industrial scale production.

Keywords：Photosensor Production Counter MCU

1 研究背景及意义

在现代化生产生活中，包装业领域已渐趋智能化和高效化，对流水线的包装数量可通过非接触式完成自动化控制，越来越多的产品装配线上及各种公共场所都需要自动计数。传统的计数器为数字集成电路组件，存在诸多缺点，电路组件复杂，故障率较高，维修困难，且不能很方便设置预定容限值，功能较单一，适用范围窄。因此，基于单片机的自动计数器计数直观、显示准确稳定，已经被广泛应用于各个行业，前端可利用红外光电传感器，将光信号转换成电信号，当传送带上有产品通过该装置时，光电发射装置发出的光被挡光一次，光电接收装置的输出电压就变化一次，这个变化的电压信号通过放大和处理后输入单片机进行计数，并可增加数码显示和超限报警等功能。该光电检测方法具有精度高、处理快、结构简单等优点，适用于包装业产品计数检测和辅助控制，可大大节省流水线的人力，提高包装业的生产效率。

2 系统设计方案

本设计以AT89C51单片机作为主控芯片，利用光电传感器检测光信号并做转换，将转换后的电信号送入单片机进行电平值的处理，处理完成后通过LED显示屏进行计数值的显示；前端设按键装置，进行包装容限值的阈值设置，当判断达到容限值时可启动报警装置，及时提示流水线上产品的计数值，此时，继电器断开，传送带停止传送，提醒工作人员打包。几秒后，打包完成，继电器吸合，传送带恢复工作，报警声停止报警，计数器重新计数，如此循环。依据设计方案，系统结构如图1所示。

图1 流水线产品计数器结构图

3 系统硬件设计

3.1 光电传感器模块

光电传感器常用的一种称为光电开关，能够探测到由红外线发射出的信号并且转换成电信号，包括发射装置、接收装置和检测装置三部分。光电传感器是通过红外线发射和接收进行计数，有直射式和反射式两种，通常用于流水线作业工件计数，其发射光束为红外发光二极管，接收装置由光电二极管组成，将红外发光二极管与光电接收管相对放置，每当传送带上的物体通过该装置一次，红外光就被遮挡一次，光电接收管的输出电压就发生一次高低电平值的变化，此变化的信号通过放大处理后，形成计数脉冲，通过光电隔离耦合并行输入单片机中，将光电传感器的输出端与单片机I/O口连接，通过软件程序设置单片机内部寄存器，当传感器的高低脉冲被单片机接收到时，单片机产生中断，中断产生后进入中断服务程序，通过设置中断服务程序，进行计数。光电传感器测量与被测对象无直接接触，从而具有无摩擦、灵敏度高、响应速度快的优势。

3.2 按键模块

根据设计的需求，按键装置需实现对计数容限值的设置及计数值的清零等操作，因此，本设计选用独立式按键，设置四个按键，功能设置为清除、加数、减数、切换；单片机初始化后，通过切换键来切换设置十位和个位数，加减按键实现初始计数值的设置，清除按键实现计数值清零功能。存储器记下设定的值，当计数达到设定值时报警并清零重新计数。相比于矩阵键盘，操作便捷，功能设置简单。

3.3 主控模块

单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。该系统采用AT89C51为核心的单片机控制系统，实现逻辑控制、门控、计数等设计要求。设置单片机定时/计数器的方式控制寄存器TMOD中的门控位GATE=1，即可利用 引脚的外部输入信号来监测所需的计数值。

单片机的控制电路容易实现扩展，例如语音模块、测温I2C模块、时钟模块、A/D模块等，本系统也可扩展声光报警、定时等功能。

3.4 显示模块

LED数码管是常用的单片机应用系统的显示设备，本设计中需要实时显示流水线产品数量，因此，采用LED屏可清晰显示、亮度高、低电压、使用寿命长等特点，且和单片机接口连接方便，基本能够满足单片机应用系统的需求。本设计中采用2位LED数码管，显示计数值范围可以达到0～99，开机时显示00，最大可显示计数值为99，即可实现0-99计数，当计数值达到99时报警两秒后可自动清零。

本系统中采用静态显示方式，将两位LED显示器的每一段与一个独立的并行口连接，公共端连接至VCC端，采用共阳极数码管，此连接方式的每一个显示器都要占用一个单独的具有锁存功能的I/O端口，若要在某一位数码管上显示某个字符时，只需从对应的I/O口输出并锁存其显示代码即可。此连接方式亮度较高、接口编程容易且管理简单。

3.5 报警模块

报警电路由蜂鸣器、三极管和电阻组成。蜂鸣器发声的原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动膜发声，单片机的输出电平无法驱动蜂鸣器，需加一个电流放大电路。当计数器的显示值与初设的计数容限值相等或超出时，单片机发出控制信号到报警电路发出声音，当声音持续两秒之后停止发声。

4 系统软件设计

软件设计过程中，综合按键设置子程序、计数值检测子程序、显示子程序、报警子程序、继电器子程序等，将前端的红外检测及按键设置阈值相结合，后端的继电器工作、显示及报警相结合，先设置阈值，然后进行红外高低电平值检测，通过单片机的I/O口进行数据的输入输出，并通过LED显示，蜂鸣器发声和继电器启停，依据设计流程，该系统的主程序流程图如图2所示。

图2 流水线产品计数器主程序流程图

5 设计结论

本系统通过非接触式光电传感器检测信号，利用单片机进行处理，最终调试运行后，实现了以下功能：（1）可通过按键装置设置100以内的任意计数容限值；（2）利用两位LED数码管实时显示当前计数值；（3）当计数值达到设置容限值时，继电器断开，传送带停止工作，蜂鸣器发出报警信号；待发声时间持续几秒后，代替打包工作结束后，显示器清零，继电器吸合，传送带继续工作，进入下一个计数循环过程。该系统实现成本低，制作简单，检测精度高，可广泛应用于包装业流水线产品的实时监测，节省人力资源，实用性较高。

参考文献

[1]童敏明.传感器原理与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2014.1.

[2]郁有文.传感器原理及工程应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.5.

作者简介

石蕊（1983-），女，陕西蒲城人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：信息通信。