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本 科 畢 業(yè) 論 文（設 計）
題目： 水果分選機構果盤的設計
學 院：
姓 名：
學 號：
專 業(yè)：
班 級：
指導教師
年 五 月
17
-
目錄
目錄 I
摘 要 II
1. 緒論 1
1.1 選題原因 1
1.2 國內(nèi)外水果機械發(fā)展概況 1
1.3 國內(nèi)水果機械化未來發(fā)展方向 2
1.4 國內(nèi)常見的水果分選機主要類型 2
2 果杯的設計 3
2.1 整體結構的設計 3
2.2 工作原理及優(yōu)缺點 3
2.3 打桿 3
2.4 感應片 4
3 步進電機及驅(qū)動器 5
3.1 步進電機 5
3.1.1 工作原理 5
3.1.2 步進電機種類 5
3.1.3 步進電機技術術語 7
3.2.1 FYQM415A步進電機驅(qū)動器介紹 7
4 單片機 10
4.1 單片機結構 10
4.2 單片機引腳功能 10
4.3 單片機復位電路 11
4.4 晶振電路 12
5 整體結構設計 13
5.1 主電路設計 13
5.2 程序的設計 14
參考文獻 16
致謝 17
摘 要
近年來，隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，國內(nèi)外水果品種越來越多，人們對水果品質(zhì)有了更高的要求。為了提高水果種類分選的質(zhì)量和出品的種類，需要進行對水果的分選。本文分析了研究和發(fā)展國內(nèi)外的中國水果分選機，展望未來，我們設計了一種新的水果杯水果分選機構類型，該水果分選機果杯是由一個果杯，和僅盛放水果的果盤不同，它由一個步進電機以及一個步進電機驅(qū)動器和果杯構成。采用的是步進電機提供動力，由單片機檢測信號并發(fā)送給步進電機驅(qū)動器來控制步進電機的運轉(zhuǎn)，從而達到分選水果的目的。其機構簡單，操作方便，易于維護，提高生產(chǎn)效率，降低勞動強度，降低生產(chǎn)成本，加快果實機械化的步伐，為大型水果實現(xiàn)現(xiàn)代化的前提
關鍵詞：果杯；步進電機；步進電機驅(qū)動器；單片機
Abstract
In recent years,?with the development of?agricultural science and technologyand?the improvement of people's living standard,?more and more?domestic and foreign?varieties of fruit,?people have higher requirements?on the?quality of fruits.?In order to?improve the quality of?fruit?species?species?sorting?and produced,?the need for?separation?of fruit.?This paper?analyzed the?research and?development at home and abroad?Chinese?fruit?sorting?machine,?looking to the future,?we designed a new?type?of fruit?cup of fruit?sorting mechanism,the?fruit sorting?machine?fruit cup?is composed of a?fruit cup,?different?and?onlycontaining the fruit?compote,?it consists of a?step motor and?a?step?motor drive and?fruit?cup.?Using the?stepping?motor to provide power,?sent by the?SCMdetects the signal and?to the stepper motor driver?to control the stepper?motor,so as to achieve?the purpose of?sorting?fruit.?It?has the advantages of simple structure,?convenient operation,?easy maintenance,?improve production efficiency,?reduce labor intensity,?reduce production costs,?speed up the?pace of?fruit?mechanization,?is the premise?to realize modernization?of large?fruit.
Key words : fruit cup；stepper motor；stepper motor drives；single-chip microcomputer
目錄
目錄 I
摘 要 II
1. 緒論 1
1.1 選題原因 1
1.2 國內(nèi)外水果機械發(fā)展概況 1
1.3 國內(nèi)水果機械化未來發(fā)展方向 2
1.4 國內(nèi)常見的水果分選機主要類型 2
2 果杯的設計 3
2.1 整體結構的設計 3
2.2 工作原理及優(yōu)缺點 3
2.3 打桿 3
2.4 感應片 4
3 步進電機及驅(qū)動器 5
3.1 步進電機 5
3.1.1 工作原理 5
3.1.2 步進電機種類 5
3.1.3 步進電機技術術語 7
3.2.1 FYQM415A步進電機驅(qū)動器介紹 7
4 單片機 10
4.1 單片機結構 10
4.2 單片機引腳功能 10
4.3 單片機復位電路 11
4.4 晶振電路 12
5 整體結構設計 13
5.1 主電路設計 13
5.2 程序的設計 14
參考文獻 16
致謝 17
摘 要
近年來，隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，國內(nèi)外水果品種越來越多，人們對水果品質(zhì)有了更高的要求。為了提高水果種類分選的質(zhì)量和出品的種類，需要進行對水果的分選。本文分析了研究和發(fā)展國內(nèi)外的中國水果分選機，展望未來，我們設計了一種新的水果杯水果分選機構類型，該水果分選機果杯是由一個果杯，和僅盛放水果的果盤不同，它由一個步進電機以及一個步進電機驅(qū)動器和果杯構成。采用的是步進電機提供動力，由單片機檢測信號并發(fā)送給步進電機驅(qū)動器來控制步進電機的運轉(zhuǎn)，從而達到分選水果的目的。其機構簡單，操作方便，易于維護，提高生產(chǎn)效率，降低勞動強度，降低生產(chǎn)成本，加快果實機械化的步伐，為大型水果實現(xiàn)現(xiàn)代化的前提
關鍵詞：果杯；步進電機；步進電機驅(qū)動器；單片機
Abstract
In recent years,?with the development of?agricultural science and technologyand?the improvement of people's living standard,?more and more?domestic and foreign?varieties of fruit,?people have higher requirements?on the?quality of fruits.?In order to?improve the quality of?fruit?species?species?sorting?and produced,?the need for?separation?of fruit.?This paper?analyzed the?research and?development at home and abroad?Chinese?fruit?sorting?machine,?looking to the future,?we designed a new?type?of fruit?cup of fruit?sorting mechanism,the?fruit sorting?machine?fruit cup?is composed of a?fruit cup,?different?and?onlycontaining the fruit?compote,?it consists of a?step motor and?a?step?motor drive and?fruit?cup.?Using the?stepping?motor to provide power,?sent by the?SCMdetects the signal and?to the stepper motor driver?to control the stepper?motor,so as to achieve?the purpose of?sorting?fruit.?It?has the advantages of simple structure,?convenient operation,?easy maintenance,?improve production efficiency,?reduce labor intensity,?reduce production costs,?speed up the?pace of?fruit?mechanization,?is the premise?to realize modernization?of large?fruit.
Key words : fruit cup；stepper motor；stepper motor drives；single-chip microcomputer
16
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1. 緒論
1.1 選題原因
近年來，隨著農(nóng)業(yè)科學技術和人民生活水平的日益進步，越來越多的國內(nèi)和國外的水果品種，人們追求更高質(zhì)量的水果。為了提高水果種類分選的質(zhì)量和出品的種類，需要進行對水果的分選。目前的水果分選機大多結構比較繁雜，大都以大型生產(chǎn)線為主，生產(chǎn)成本較高，分選率也比較低。因此有必要要生產(chǎn)成本低，操作方便，適用于中小型企業(yè)和水果種植戶地使用的一種水果分選的裝置。
當前，我國擁有先進的水果分選機的公司很少，大企業(yè)的生產(chǎn)線也緊緊是尺寸和質(zhì)量的分離，相對比較落后。所以，市場上銷售的水果大多是依賴機器組合人工的方法完成分選的。人工分選的重要弊端是：工作量大，工作效率低，且本錢相對較大，水果分選難以實現(xiàn)速度快，準確，無傷害。截止前為止，國內(nèi)外已經(jīng)有不少專家學者及科研人員在此領域取得了重大的進展。根據(jù)不同水果的指標，水果分選機可分為：尺寸分選機，品種分選機，重量分選機，外觀質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量分選機。
水果分選不僅是水果投入流通領域的一個緊要所在，而且直接關系到水果出產(chǎn)的效果。在市場經(jīng)濟迅速發(fā)展的當下，他地出售，大眾農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易和農(nóng)產(chǎn)品國際貿(mào)易等均離不開標準化。我國是水果生產(chǎn)國家，大多數(shù)是農(nóng)村集體和農(nóng)民個人，質(zhì)量差別很大，和采摘的作用過程，帶來一定程度上的難度的水果分選。因此，研發(fā)水果采摘后的自動處理設備，對水果機械化意義深遠。
1.2 國內(nèi)外水果機械發(fā)展概況
我過是世界水果生產(chǎn)消費大國，但還不是水果加工強國。果實品質(zhì)難以充分滿足消費者的需求，水果市場也主要在是在國內(nèi)。我國已經(jīng)加入WTO，水果銷售在全球市場競爭激烈。因此中國務必盡快提高水果分選水平，拉短與外國的差異。最近這么多年以來，國內(nèi)果實分選技術發(fā)展遲緩，是因為我國水果機械加工技術水平不高導致的。二十世紀六十年代年代之前，我國國內(nèi)幾乎很少食物機械產(chǎn)業(yè)，更別說水果加工。水果主要以手工的形式出產(chǎn)，根本屬于古老的操縱形式。僅在少許沿海的大城市具備少量機械化的水果加工企業(yè)，但是全部設備幾乎全都是國外設備。在20世紀50-70年代，水果加工機械行業(yè)取得了很大的發(fā)展。全國各地修建了大量的水果加工廠。但這樣還是沒有從根本上扭轉(zhuǎn)水果加工落伍的情況，這些加企業(yè)仍然屬于半機械半手工的加工方式。到了二十世紀八十年代之后，水果工業(yè)進步飛快，這是因為八十年代后改革開放。由于外資的引入，有許多外商獨資合資企業(yè)的外國水果加企業(yè)進入中國。這些工廠在將先進的水果生產(chǎn)技術引進海內(nèi)的時候，也將大量的水果機器引入海內(nèi)。經(jīng)過吸取國外先進的水果機械技能，使我國水果機械發(fā)展的程度的到了很大的進步。到了20世紀90年代之后，又迎來了新一輪的技術改造項目。經(jīng)過兩輪的偉大的技術水平改造，使得我國科學成果產(chǎn)業(yè)得到提升，配套產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為一個重要的工業(yè)機械。
1.3 國內(nèi)水果機械化未來發(fā)展方向
在第二十一世紀，我們的國家將達到水果生產(chǎn)和加工機械，以滿足水果生產(chǎn)規(guī)模，需要產(chǎn)業(yè)化，多樣化的產(chǎn)品，水果和無公害果品質(zhì)量和其他要求。水果機器將集電、機、液于一體化，并且向智能化、自動化的飛躍，擺脫古老的手工操作方法，提升水果出產(chǎn)的效率，減低人們的勞動作強度，達到更經(jīng)濟、更有效益、更簡單的目的。
1.4 國內(nèi)常見的水果分選機主要類型
現(xiàn)在分選機類型的水果生產(chǎn)方式在我國的種類繁多，大小不同。按照水果檢測的各個方面的不同，水果分選機大概可以分為大小分選機、重量分選機、外觀品質(zhì)分選機和內(nèi)部品質(zhì)分選機。
2 果杯的設計
2.1 整體結構的設計
果杯的組成結構主要有托輪、支架、撐桿以及連桿組成，果杯的大小主要根據(jù)水果的大小來確定，本文的設計主要針對的是贛南臍橙的大小來設計果杯的大小尺寸的。具體結構圖如圖2-1
圖2-1 果杯結構三維造型圖
2.2 工作原理及優(yōu)缺點
工作原理：水果從卸料口掉到果盤的托輪上，由于托輪是圓形設計，水果滾動至撐桿上，傳動鏈將果盤帶至信號采集區(qū)，采集到符合要求的信號后便將信號傳送給步進電機驅(qū)動器帶動步進電機轉(zhuǎn)動，步進電機帶動打桿轉(zhuǎn)動一圈將撐桿挑起水果便自動分選出來。
優(yōu)點：結構簡單、制造安裝容易、對物料減少了傷害、工作平穩(wěn)不存在不平穩(wěn)的現(xiàn)象、提高了分選的效率、大大降低了工作強度。
缺點：受到水果大小的局限性。
2.3 打桿
打桿是將步進電機輸出的動力傳到果杯上帶動果杯撐桿運動的一格部件，底部設計略寬于其他地方主要是為了防止打偏而沒有起到將水果卸下的分選結果，且底部中心設計一個圓孔是為了減小空氣阻力，具體設計如圖2-2。
圖2-2 打桿三維造型圖
2.4 感應片
當步進電機帶動打桿運行將水果分選出來后可能不會回到原來的位置，這個時候感應區(qū)沒有感應到感應片便會驅(qū)使電機運行使感應片回到感應區(qū)，步進電機便回到了工作之前的位子，感應片三維造型圖如圖2-3所示
圖 2-3 感應片三維造型圖
3 步進電機及驅(qū)動器
3.1 步進電機
步進電機是把電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或者線位移的開環(huán)控制元步進電機原件。電機的速度，位置，僅由脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它將通過一個固定的角度方向驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，稱為“步進角”，它是由一固定點的操作步驟旋轉(zhuǎn)。步進電機如圖3-1.
圖3-1 步進電機
3.1.1 工作原理
轉(zhuǎn)子電機通常是永久性的，當電流流過定子繞組，定子繞組產(chǎn)生的向量場。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度的磁場，轉(zhuǎn)子磁場定向和定子磁場方向。當一個角度的矢量磁場繞組的定子。由轉(zhuǎn)子角和旋轉(zhuǎn)磁場。只要一個電脈沖輸入，一個點的旋轉(zhuǎn)電機。脈沖的輸出的角位移與輸入成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。在序列改變電機的繞組。因此可以用它來掌握秩序，頻率和脈沖數(shù)，每相繞組的電機來控制步進電機的轉(zhuǎn)動。
3.1.2 步進電機種類
根據(jù)步進電機的結構和工作原理可以分為三大類：永磁式步進電機、反應式步進電機和混合式步進電。
（1） 反應式步進電機
反應式步進齒型結構的電機的定子和轉(zhuǎn)子，定子每極繞組，永磁體轉(zhuǎn)子。他的工作原理是給定子繞組通電之后，定子上的轉(zhuǎn)子永磁轉(zhuǎn)子的相互作用下的最小磁阻位置產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，繼續(xù)給各相繞組通電，轉(zhuǎn)子會不停的旋轉(zhuǎn)。應式步進電機圖如圖3-2。
圖3-2 反應式步進電機結構
（2） 永磁式步進電機
轉(zhuǎn)子永磁步進電機采用永磁材料而成，其工作原理是定子繞組通電時會產(chǎn)生勵磁磁場，轉(zhuǎn)子永磁體磁場和磁場由于扭矩的作用，轉(zhuǎn)子在該轉(zhuǎn)矩的作用下旋轉(zhuǎn)起來。不停地更換定子繞組通電的狀態(tài)，轉(zhuǎn)子便會不停的轉(zhuǎn)動起來。永磁式步進電機結構圖如圖3-3。
圖3-3 永磁式步進電機結構
（3） 混合式步進電機
混合式步進電機轉(zhuǎn)子的構造要比反應式的更加繁雜，他的轉(zhuǎn)子有兩段鐵心構成，在兩段鐵心的中心裝嵌的永磁體，所以轉(zhuǎn)子鐵心的一端為S極，另一端則為N極。混合式步進電機的結構，它具有反應式、永磁式步進電動機的特點。因此混合式步進電機也可以被看作是一種反應式，永磁式步進電機共同構成?；旌鲜讲竭M電機結構圖如3-4
圖3-4 混合式步進電機結構
3.1.3 步進電機技術術語
（1）相數(shù)：產(chǎn)生勵磁線圈的磁量 N。
（2）拍數(shù)：脈沖數(shù)的變化或?qū)щ姂B(tài)N需要表達的磁周期的執(zhí)行。
（3）步距角：對于一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角位移量用θ表示。θ=360度/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)*運行拍數(shù)）。
（4）定位轉(zhuǎn)矩：機件在不連接電源狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子鎖定所需要的力矩。
（5）靜轉(zhuǎn)矩：電機在額定靜電流狀態(tài)下，電機不轉(zhuǎn)，鎖定電機軸扭矩。這是電機尺寸的標準衡量，與已無關的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電源。
（6）步距角精度：每一步角的實際值和步進電機的旋轉(zhuǎn)誤差的理論值。用表達式來表示：誤差/步距角*100%。
3.2.1 FYQM415A步進電機驅(qū)動器介紹
Fymq415a細分兩相混合式步進電機驅(qū)動器，使用18-36v直流電源，小于35?~1.5A的直徑42毫米的兩相混合式步進電機電流。目前DSP Loop細分驅(qū)動交流伺服驅(qū)動控制，電機的轉(zhuǎn)矩脈動小，低速運行非常流暢，幾乎無振動和噪聲。高轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)矩顯著高于其他兩階段的驅(qū)動，定位精度高。如圖3-6
圖3-6 FYQM415A驅(qū)動器
3.2.2.1 驅(qū)動器功能
微步細分數(shù)：由sw4-sw6三個撥碼開關來設置驅(qū)動器微步細分的數(shù)量數(shù)，共有7檔微步細分數(shù)。用戶在設定細分時，應停止驅(qū)動操作。
輸出電流的設定：由sw1-sw3三個撥碼開關來控制驅(qū)動器輸出電流的大小，它的輸出電流一共有7檔。
信號接口：PUL是連接控制脈沖信號的端口；DIR是連接方向信號端的端口；OPTO是連接公共端口（Vcc）。
電機接口：A+和A-連接步進電機A相繞組的正端和負端；B+和B-連接步進電機B想繞組的正端和負端。當A、B兩相繞組相互調(diào)換的時候，可以使電機反向旋轉(zhuǎn)。
電源接口：直流電源，電壓范圍的建議24-36vdc，功率大于50W
指示燈：驅(qū)動器上面裝有紅綠兩個指示燈。綠色的燈是電源指示燈，當驅(qū)動器接上電后綠色指示燈一直亮；紅色的燈是故障指示燈，當出現(xiàn)電壓過大，過流電流過大等問題時，紅色的燈一直亮。當故障被排除后，紅燈滅。當驅(qū)動器存在問題時，唯有從頭接上電源和重新使能才能解除故障。
3.2.2.2 參數(shù)設定
Fyqm415a驅(qū)動器選用八位撥碼開關設定動態(tài)電流、細分精度。詳細描述見表3-1、3-2
工作電流設定：sw1-sw3；微步細分設定：sw4-sw6。
表3-1 工作電流設定
輸出平均電流
SW1
SW2
SW3
0.21A
off
on
on
0.42A
on
off
on
0.63A
off
off
on
0.84A
on
on
off
1.05A
off
on
off
1.26A
on
off
off
1.50A
off
off
off
表3-2 微步細分設定
步數(shù)/r
SW4
SW5
SW6
200
on
on
on
400
off
on
on
800
on
off
on
1600
off
off
on
3200
on
on
off
6400
off
on
off
12800
off
off
4 單片機
單片微型計算機通常簡稱為單片機，它不是一個邏輯功能的芯片完成，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上面去。單片機由控制器、運算器、輸入輸出設備、存儲器構成，相當于一個微型的計算機，和計算機對比，單片機缺乏了外圍設備等其他部件。概括的講：一塊芯片就成了一臺。它具有重量輕體積小，廉價，為應用，開發(fā)和學習提供了便利條件。同時，了解計算機原理和結構學習使用單片機是一個非常好的方式。
4.1 單片機結構
圖4-1為單片機的構造框圖，從圖中能夠看出在一個芯片上集成了一個微型計算機的主要部件。
（1）8位中央處理器（CPU）（2）時鐘電路 （3）64KB擴展總線控制電路（4）4KB程序儲存器（5）128B數(shù)據(jù)存儲器（6）2個16位定時/計數(shù)器（7）4個并行I/O口（8）1個全雙工串行I/O口（9）中斷系統(tǒng)，包括5個中斷電源，2個優(yōu)先級別
圖4-1 單片機內(nèi)部結構款圖
4.2 單片機引腳功能
STC89C52單片機引腳圖4-2
圖4-2 引腳圖
1~8腳: 通用I/O接口p1.0~p1.7；
9腳: rst復位鍵
10 .11腳:RXD串口輸入 TXD串口輸出
12~19:I/O p3端口口(12,13腳 INT0中止0?? INT1中止1)
14,15 : 計數(shù)脈沖T0 T1
16,17: WR寫控制 RD讀控制輸出端
18,19: 晶振諧振器 20 地線??
21~28 p2 接口高8位地址總線
29: psen 片外rom選通端?? 單片機對片外rom操縱時 29腳(psen)輸出低電平
30:ALE/PROG 地址鎖存器
31:EA rom取指令控制器 高電平片內(nèi)取 低電平片外取
32~39:p0.7~p0.0(此端口的順序和其它I/O端口存在區(qū)別， 和引腳號的排列順序相反)
40:電源+5V
4.3 單片機復位電路
在系統(tǒng)運行的過程中，有時可能需要重置系統(tǒng)，為了避免系統(tǒng)經(jīng)常性的由于開關閉合的損壞，進行了手動復位電路的設計。如圖4-3所示。對于這類電路的設計，在整個系統(tǒng)的工作過程當中需求復位時，只要讓開關關閉，在RST端便會出現(xiàn)相當時段的高電平信號，從而使單片機達到復位的目的。
圖 4-3 復位電路
4.4 晶振電路
單片機必需在時鐘的啟動下才可以進行正常的運行，單片機里面都有一個時鐘振蕩電路，只需要外接振源，便可以產(chǎn)生穩(wěn)定頻率的時鐘信號發(fā)送到單片機的里面的各個單位，決定單片機的工作速度。如圖4-4是內(nèi)部時鐘電路的電路圖。
圖4-4 晶振電路
5 整體結構設計
本文的設計選用STC89C52單片機，F(xiàn)YQ415A步進電機驅(qū)動器以及兩相混合式步進電機來帶動水果分選機果盤的運行來達到水果分選的目的。如圖5-1水果分選果盤的三維造型圖。
圖 5-1 水果分選果盤三維造型圖
5.1 主電路設計
主電路的功能是完成水果果杯運行到某一位置時將水果分選出來，電路圖如圖5-2所示。顯示部分用P10接到LED顯示燈處以顯示電路的運行情況。P14接脈沖信號端以便將信號傳給步進電機驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機。X1、X2連接晶振電路，RESET連接的是復位電路。P03端接PUL控制脈沖信號端以便控制脈沖信號，P04接DIR方向信號端以控制電機的轉(zhuǎn)動方向。P07接ENA使能端控制信號的輸入輸出。其電路接線圖如圖5-2所示。
圖 5-2 主電路接線圖
5.2 程序的設計
驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)將水果分選出來的程序設計如下：
///////////////////步進電機調(diào)試程序/////////////////
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
/********************************************************
控制位定義
********************************************************/
#define xifen 200
sbit shi_neng=P0^7; // 使能控制位
sbit fang_xiang=P0^4;// 旋轉(zhuǎn)方向控制位
sbit mai_chong=P0^3; // 脈沖控制位
sbit button=P1^4;
/********************************************************
延時函數(shù)
********************************************************/
void delay(uint i)//延時函數(shù)
{
uchar j,k;
for(j=0;j
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