基于单片机的智能涂料搅拌器设计

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目 录

摘 要 I
Abstract II
引 言 3
1 系统总体架构 6
1.1 需求分析与方案设计 6
1.2 系统架构 7
1.3 系统器件选择 7
2 系统硬件设计 9
2.1 单片机外围电路设计 9
2.2 LCD1602液晶显示电路设计 14
2.3 电机外围电路设计 15
2.4 供电电路设计 16
3 系统软件流程设计 17
3.1 系统总体流程 17
3.2 LCD显示程序设计 18
3.3 液位传感器的程序设计 19
3.4 电机定时与转速控制程序设计 19
3.5 按键控制程序设计 21
4 系统调试 25
4.1 焊接与调试 25
4.2 程序烧录与调试 25
4.3 系统调试 26
4.4 遇到的问题及解决方法 27
结 论 28
参考文献 29
附录1 原理图 31
附录2 源程序清单 32
致 谢 52

摘 要

目前，在社会主义现代化建设中，涂料市场也在不断发展，因而对搅拌设备的需求也越来越高。为了通过新型的涂料搅拌器设计使得涂料生产的成本降低，减少大量的人力物力提高工作效率，本文进行了基于单片机的智能涂料搅料器设计。
基于单片机的智能涂料搅料器设计可以通过外部按键进行控制，利用内部单片机对外部按键以及传感器进行响应，进而控制电机的转速、转向和转动时间。可以适应不同情况下的搅料需求，能够进行正反转，转速调整，定时搅拌等功能。本文首先分析了基于单片机的智能涂料搅料器设计的设计需求，完成了系统架构设计。在此基础上进行了单片机外围电路设计，液晶显示外部电路设计，电机外部电路设计，开关电路设计。在完成硬件电路设计的基础上，进行了软件流程设计，包括对LCD液晶显示控制程序，电机定时以及转速控制程序，按键控制程序。
经过实验验证，结果表明基于单片机的智能涂料搅料器设计可以灵活调整工作模式，在启动、停止，正反转，定时设置等模式之间灵活调整。真正实现“一套设备，一机多用，一步到位”。

关键词： 单片机；LCD；控制程序

Abstract

At present, with the continuous development of the paint market, the demand for mixing equipment is higher and higher. In order to reduce the cost of coating production, reduce a large number of human and material resources and improve the work efficiency through the design of a new type of coating agitator, an automatic mixing system based on single chip microcomputer is designed in this paper.
The design of intelligent paint agitator based on single chip microcomputer can be controlled by external keys. The internal single chip microcomputer can respond to external keys and sensors, and then control the rotation speed, steering and rotation time of the motor. It can adapt to the needs of mixing materials in different situations, and can carry out positive and negative rotation, speed adjustment, timing mixing and other functions. Firstly, this paper analyzes the design requirements of intelligent paint agitator based on MCU, and completes the system architecture design. On this basis, the peripheral circuit design of MCU, the external circuit design of LCD, the external circuit design of motor and the switch circuit design are carried out. On the basis of hardware circuit design, the software flow is designed, including LCD display control program, motor timing and speed control program, key control program.
The experimental results show that the design of intelligent paint agitator based on single chip microcomputer can adjust the working mode flexibly, and adjust between the start, stop, forward and reverse, timing setting and other modes. Truly realize “one set of equipment, one machine with multiple functions, one step in place”.

Keywords： MCU； LCD； Control program

引 言

目前，随着涂料市场的不断发展，对搅拌设备的需求也越来越高。为了使新型的涂料搅拌器设计能够降低涂料生产的成本，减少大量的人力物力提高工作效率，因此对涂料搅拌设备进行了大量的研究。建筑涂料是涂料工业重要的组成部分之一，建筑涂料种类繁多，主要包括室内涂料、外墙涂料、地坪涂料、防火涂料等多种功能性涂料。建筑涂料的种类的多少、质量的好坏对美化城乡居住建筑、改善城乡环境具有重要意义。
智能涂料搅拌设备有着广阔的发展空间，不仅仅是市场推动其发展，而且新材料、新工艺的产生，必将对化工设备要求更高，研究基于单片机的智能涂料搅拌有着重要的意义。
众所周知，在建筑材料生产过程中需要对一些配制好的涂料进行搅拌，这些配制好的涂料一般呈粘稠状液体，经过搅拌以后使各种成分混合均匀，涂料的性质才会达到最佳，才能用于下一道工序的使用，因此，搅拌的工序就显得尤为重要。
国外搅拌器械的发展历史悠久，18世纪40年代，在德国、美国、俄罗斯等国家，出现了以蒸汽机为动力源的自落混合搅拌器，其混合室由多面体木质圆筒组成，直到1880年钢铁才开始代替木板，但形状仍然是多面体的[1]。1888年，法国申请了一项用于修建战前道路的混凝土搅拌机的专利。20世纪初，圆柱形混合搅拌器开始流行起来。形状的改善避免了涂料在搅拌筒内壁的凝固和沉积，提高了搅拌质量和效率。1908年，美国出现了第一台由内燃机驱动的搅拌器，随后电动机成为主要动力源[2]。从1913年到1950年，亚洲大陆的日本开始用搅拌机生产预混料。在此期间，各种有无叶片的自落式搅拌机的发明和应用仍然是主流。自落式搅拌机依靠搅拌筒将物料提升到一定高度的自落来完成搅拌。在操作过程中，随着搅拌筒的转动，物料被固定在搅拌筒内壁上的叶片提升到一定高度，然后靠自身重量下落。由于颗粒下落高度、时间、速度、下落点和滚动距离的不同，材料中的颗粒相互渗透、渗透和扩散，最终达到均匀混合。该搅拌方式结构简单，可靠性高，维护简单，功耗小，搅拌筒和搅拌叶片磨损轻，但搅拌强度低，生产效率低，搅拌质量差。根据搅拌筒的形状和出料方式，有筒式搅拌机、双锥反转出料搅拌机、双锥斜卸式搅拌机[3]和对开式搅拌机等，其中筒式简易搅拌机技术性能落后，1987年被建设部列为淘汰产品。随着各类涂料的广泛使用和施工规模的大型化、复杂化，对质量和产量的要求不断提高，有效地促进了搅拌设备性能和技术水平的提高和发展。来自世界各地的研究人员开始对涂料搅拌机的结构、传动方式、搅拌室内衬材料和调漆生产工艺进行改进和探索。20世纪40年代末，德国Elba公司发明了强制搅拌器[4]，与自落式搅拌器不同，强制式搅拌器是利用旋转的叶片迫使物料按照预定的轨迹进行剪切、挤压、滚压和抛掷，使物料在剧烈的相对运动中均匀搅拌。与自落式搅拌机相比，强制式搅拌机混合效果强，混合质量好，混合效率高，但搅拌筒和搅拌叶片磨损大，功耗大。根据不同的结构特点，主要有立轴涡流式浆机、立轴行星式浆机、立轴对流式浆机、单横轴式浆机和双横轴式浆机[5]。
目前国内常用的有两种搅拌工序，第一个是人工搅拌，这种方式会耗费大量的劳动力，而且人工搅拌力量有限，只能用于搅拌份量很小的涂料，在涂料用量很大的情况下，效率很低，无法实用。此外，在遇到一些黏度较大或颗粒较大的混合粉时，由于人工搅拌力量速度有限，涂料可能发生凝集，导致出现混炼不足、搅拌处理时间长，无法充分混合，工作效率非常低下。
第二种是利用机器来进行，在过去相当长的一段时间里，涂料生产中的分散研磨设备主要由分散机、砂磨机和三辊磨床组成。这些传统设备具有各自不同的功能，实现了涂料生产的不同需求。然而，也有不同的局限性。如分散机：用于中高档涂料的生产，只能用于预分散，不能达到中高档涂料所要求的碎浆效果；砂磨机：可连续生产，但不适用于炭黑等难分散颜料的加工；浆体粘度高，加工难度大；清洗困难，残留物多，这是砂磨机的主要限制；三辊磨床[6]：适用于加工高粘度浆体和难分散颜料。但露天作业使作业环境恶劣，作业安全性差，散料损失大。结构复杂，调试困难，生产效率低。传统的涂料生产设备已经使用多年，但其局限性也很明显。然而，现有的混合搅拌器也存在许多缺点，其结构过于简单。只有一个旋转轴被添加到桶。桶里的油漆是通过轴的连续转动而搅拌的。运行过程中噪声较大，建成后均匀性不理想，容易出现分层和残渣问题。同时，会消耗大量的电能，造成浪费。
本文设计了基于单片机的智能涂料搅料器设计，基于单片机的智能涂料搅料器设计可以通过外部按键进行控制，内部单片机对外部按键以及传感器进行响应，进而控制电机。可以适应不同情况下的搅料需求。所设计的基于单片机的智能涂料搅料器设计，主要需要实现以下一些功能，首先系统能够接收外部人为控制，实现电机的正转反转，使得涂料能够充分搅拌；第二点是电机能够以不同的速度进行搅拌，使用过程中可以实现灵活的加速与减速操作；第三点是如果搅拌时间较长，可以设置定时，同时通过液位传感器也可进行定时，实现无人值守，减轻工人压力，提高效率；第四点是以上这些操作、流程、转速等都可以实时显示，让使用者能够清楚目前的状态。

1 系统总体架构

1.1 需求分析与方案设计
本次所设计的基于单片机的智能涂料搅料设计，主要需要实现以下一些功能，首先系统能够接收外部人为控制，实现电机的正转反转，使得涂料能够充分搅拌；第二点是电机能够以不同的速度进行搅拌，使用过程中可以实现灵活的加速与减速操作；第三点是如果搅拌时间较长，可以设置定时，同时通过液位传感器也可进行定时，实现无人值守，减轻工人压力，提高效率；第四点是以上这些操作、流程、转速等都可以实时显示，让使用者能够清楚目前的状态。
为了实现上述功能，初步设定了两种方案，第一种是利用涂料气动搅拌装置，结合计时与供电设计实现搅拌系统的定时。优点是气动混合搅拌器可以无级调速。只要控制进排气门的开度，即控制压缩空气的流量，就可以调节电动机的输出功率和转速。气动混合器可以正向或反向旋转。只要用控制阀简单地改变气动马达的进排气方向，就可以实现气动马达输出轴的正反转，实现瞬时换向。气动混合搅拌器的工作环境不受振动、高温、电磁、辐射等的影响，适用于恶劣的工作环境，能在易燃、爆炸、高温、振动、潮湿、粉尘等不利条件下正常工作。气动混合搅拌器的配套气动马达具有过载保护功能，不会因过载而失灵。如果过载，气动马达的速度只会降低或停止。当过载消除后，电机可以立即恢复正常运行，而不会对零件造成任何损坏。可长时间满负荷连续运行，气动电机温升小，气动混合器起动转矩大，可直接带负荷起动。启动和停止都很快，不像电动搅拌机有时会烧坏影响使用。但气动搅拌装置容易产生涂料搅拌不彻底， 容易产生死角，在完成工作后清洗困难等问题。同时在气动装置升降以及操作过程中需要两人配合完成， 操作非常繁琐。
第二种方案是利用单片机作为处理器，接收外部的按键控制来对电机工作模式进行调整，电动机可实现正转以及反转操作，同时也可以进行变速操作便于针对不同材质的涂料进行换挡工作[7]。在不同环境中电动机搅拌器也可正常稳定运行，适应能力强，对于粉尘，潮湿等不利条件下都可正常工作。利用LCD1602液晶对系统的操作、流程、转速等都可以实时显示。对于操作人员来说无疑是提供了极大的便利，不需要像以往那样凭借经验来判断系统的工作状态，大大增加了工作的 安全性。通过液位传感器来设定搅拌时间，即使初次操控也可实现操作。该方案具有成本低，易于操控，在不同环境下系统工作情况均表现良好对于设计提出的要求也能很好的实现。
对上述两种方案进行对比，首先是从系统复杂度上进行考虑，方案一中需要添加一些传感器，这必然会增加系统硬件的设计复杂度，对这些数据进行处理又会增加软件复杂度；其次我们从实现及使用上来讲，通过单片机控制电机来形成一套搅拌系统，要比通过气动马达更为可靠有更高的性价比，同时在后期保养时相对比较容易。因此选用单片机作为处理器来控制电机进行涂料搅拌器的设计。
1.2 系统架构
如图1.1所示为基于单片机的智能涂料搅料器设计系统架构框图，系统以STC89C51单片机作为中央处理器。单片机接收外部晶振以及复位控制，为了实现不同情况下的电机工作，通过不同的按键开关来分别对应控制，单片机对按键进行检测，检测到对应的按键按下后，输出信号控制电机执行正转、反转、转速调整、定时等。同时液位传感器检测搅拌深度从而控制搅拌时间，上述过程统一通过LCD1602来进行实时显示。

图1.1 基于单片机的智能涂料搅拌设计系统架构
1.3 系统器件选择
结合上文的系统需求分析，为了接收外部对系统工作模式的控制与改变，在基于单片机的智能涂料搅料器设计中使用按键电路来实现，单片机实时进行检测外部输入命令，调整电机状态。
整个系统的运行都依靠单片机来进行操控，不同的单片机类型功能也不一样，经过仔细考虑和结合实际情况，采用的是STC89C51单片机。因为此程序的代码不是十分的繁多，所以为了节约成本没有采用比较复杂成本比较昂贵的STM32或者是MSP430等单片机。而去采用STC89C51单片机。
显示部分用LCD1602液晶来显示当前的信息，相比于数码管显示， LCD1602显示的字符量更多，弥补信息量比较少，显示内容有限的缺陷，它可以显示字母，数字还可以显示特殊的符号。
选用谐振式液位传感器来探测搅拌涂料的深度，从而控制搅拌时间，该传感器同其他传感器相比性价比高，不需要传感器深入到涂料当中探测，更加安全。</

本文标签： 搅拌器单片机涂料智能