（冶金行业）昆明冶金
昆明冶金高等专科学校
毕业论文
题目：自动输送带及机械手设计制作
学院：自动化和电力学院
专业：应用电子技术
班级：电子 0202班
指导教师：周遐金瑞
制作人：陆关树陈佳陈进林王军
目录
壹、前言…………………………………………………2
二、设计…………………………………………………3
三、制作过程…………………………………………………22
四、特点和价值………………………………………………24
五、总结.………………………………………………25
摘要：在现代化生产中，如烟厂的生产流水线和码头的集装箱吊运等场合，自动输送带和机
械手的应用越来越广泛，本毕业设计课题就是模拟实际工程现场的设备而设计制作的。该设
计综合运用了单片机技术、光电检测技术、电气控制技术和机械传动技术，以单片机为控制
核心，可实现输送带的自动起动、停止和对产品的自动计数显示等功能；当产品运送到输送
带末端时，能自动起动完全由同学自行设计制作的机械手，将产品吊运到指定位置。该课题
充分体现了同学综合运用所学知识的能力、创新能力和实际动手能力。
关键词：自动输送带机械手设计制作
壹、前言
随着经济的发展，在各行各业的生产及运输过程中，自动运输带及机械手的使用已经相
当普及了，如我们所见过码头集装箱的装卸等等。也正是因为这些现代化设备的使用，大大
节省了人力、物力资源，极大地提高了生产效率。
我们能够见到，在不同的场合，传送带的方式有许多种，机械手也壹样，输送带和机械
手的复杂程度不同，随着生产工艺和自动化程度的不同，控制方式各异，然而，虽然存在之
上差别，可是，在控制思想和电路方面，有很多的共同之处，中间都少不了检测输入、数据
处理、决策判断、驱动控制等环节，所以，由于这些，我们做了壹套模拟生产线的输送带及
机械手，相当于是把规模庞大的设备成倍缩小。
在整个设计过程中，我们使用了模拟、数字电子技术，单片机技术，光电检测技术，电
气控制技术。虽然我们是应用电子技术的学生，可是这次毕业设计的制作，我们把三年中所
学的理论知识全部都联系起来，理论联系实际使我们三年中所学的理论知识得到了升华。
本次我们毕业设计的课题主要分俩个部分：输送带和机械手。输送带上我们采用光电检
测技术，在开始端我们检测有没有产品，如果有，使之运行;在末尾，如果检测到有产品，
同时使之停止。产品停止后，机械手旋转到产品上方，向下接触到产品，电磁铁通电，机械
手将产品提起，而后将产品送到指定位置。
二、设计
（壹）单片机简介
1、单片机的发展史
1974年,美国仙童(Firchild)X公司研制的世界第壹台单片微型机 F8.该机有俩块集成电
路芯片组成,结构奇特,具有和众不同的指令系统,深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重
视.从此,单片机开始迅速发展,应用领域也在不断扩大.现已成为微型计算机的重要分支,单
片机的发展过程通常能够分为壹下几个发展过程.
（1）第壹代单片机(1974-1976):这是单片机发展的起步阶段.在这个时期生产的单片机特点
是,制造工艺落后和集成度低,而且采用了双片形式.典型的代表产品有 FairchildX公司的 F8
和 Mostek387X公司的 3870等.
（2）第二代单片机(1976-1978):这是单片机的第二发展阶段.这个时代生产的单片机随眼已
能在单块芯片内集成 CPU,且行口,定时器,RAM和 ROM等功能部件,但性能低,品种少,应用范
围也不是很广,典型的产品有 InrelX公司的 MCS-48系列机.
（3）第三代单片机(1979-1982):这是八位单片机成熟的阶段.这壹代单片机和前俩代相比,
不仅存储容量和寻址范围大,而且中断源,且行 I/O口和定时器/计数器个数都有了不同程度
的增加,更有甚者是新集成了全双工穿行通信接口电路.在指令系统方面,普遍增设了惩处法
和比较指令.这壹时期生产的单片机品种齐全,能够满足各种不同领域的需要.代表产品有
IntelX公司的 MCS-51系列机,MotorolaX公司的 MC6801 系列机,TIX公司的 TMS7000系列机,
此外,Rockwell,NS,GI和日本松下等 X公司也先后生产了自己的单片机系列.
（4）第四代单片机(1983年以后):这是十六位单片机和八位高性能单片机且行发展的时代,
十六位机的特点是,工艺先进,集成度高和内部功能强,加法运算速度可达到 1us之上,而且允
许用户采用面向工业控制的专用语言,如 PL/MPLUSC和 Forth语言等.代便产品有 intelX公
司的 MCS-96系列,TIX公司的 TMS9900,NECX公司的 783××系列和 NSX公司的 HPC16040等.
然而,由于十六位单片机价格比较贵,销售量不大,大量应用领域需要的是高性能,大容
量和多功能新型八位单片机.这些单片机有 IntelX公司的 88044(双 CPU工作),ZilogX公司
的 Super8(含 DMA通道),MotorolaX公司的 MC68CH11(内含 E2prom及 A/D电路)和 WDCX公司
的 65C124(内含网络接口电路),等等.
目前,八位高性能单片机以成为主流,单片机发展具体体当下以下几个方面:
功能增强;2.内部资源增多.3.引脚的多功能化.4.低电压低功耗.
2、单片机的发展方向
计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展；这三个方向就是：巨型化，单片化，网络化。
以解决复杂系统计算和高速数据处理的仍然是巨型机在起作用，故而，巨型机在目前在朝高
速及处理能力的方向努力。单片机在出现时，IntelX公司就给其单片机取名为嵌入式微控制
器（embeddedmicrocontroller）。单片机的最明显的优势，就是能够嵌入到各种仪器、设
备中。这壹点是巨型机和网络不可能做到的。
在目前，用户对单片机的需要越来越多，可是，要求也越来越高。下面分别就这四个方面说
明单片机的技术进步状况。
①内部结构的进步
单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括壹般常用的电路，例如：定时器，比
较器，A/D转换器，D/A转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。有的单片
机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块 CAN。例如，InfineonX公
司的 C505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；MotorolaX公司的 68HC08AZ系列等。
特别是在单片机 C167CS-32FM中，内部仍含有 2个 CAN。因此，这类单片机十分容易构成网
络。特别是在控制，系统较为复杂时，构成壹个控制网络十分有用。为了能在变频控制中方
便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。有的单片机内部设置了专门用于变频
控制的脉宽调制控制电路，这些单片机有 FujitsuX公司的 MB89850系列、MB89860系列；
MotorolaX公司的 MC68HC08MR16、MR24等。在这些单片机中，脉宽调制电路有 6个通道输出，
可产生三相脉宽调制交流电压，且内部含死区控制等功能。
特别引人注目的是：当下有的单片机已采用所谓的三核（TrCore）结构。这是壹种建
立在系统级芯片（Systemonachip）概念上的结构。这种单片机由三个核组成：壹个是微控
制器和 DSP核，壹个是数据和程序存储器核，最后壹个是外围专用集成电路（ASIC）。这种
单片机的最大特点在于把 DSP和微控制器同时做在壹个片上。虽然从结构定义上讲，DSP是
单片机的壹种类型，但其作用主要反映在高速计算和特殊处理如快速傅立叶变换等上面。把
它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功能。这是目前单片机最大的进步之壹。这种
单片机最典型的有 InfineonX公司的 TC10GP；HitachiX公司的 SH7410，SH7612等。这些单
片机都是高档单片机，MCU都是 32位的，而 DSP采用 16或 32位结构，工作频率壹般在 60MHz
之上。
②功耗、封装及电源电压的进步
当下新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式
包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等工作方式。PhilipsX公司的单片机 P87LPC762是壹个
很典型的例子，在空闲时，其功耗为 ，而在节电方式中，其功耗只有 。而在功
耗上最令人惊叹的是 TIX公司的单片机 MSP430系列，它是壹个 16位的系列，有超低功耗工
作方式。它的低功耗方式有 LPM1、LPM3、LPM4三种。当电源为 3V时，如果工作于 LMP1方
式，即使外围电路处于活动，由于 CPU不活动，振荡器处于 1～4MHz，这时功耗只有 50?A。
在 LPM3时，振荡器处于 32kHz，这时功耗只有 LPM4时，CPU、外围及振荡器 32kHz
都不活动，则功耗只有
当下单片机的封装水平已大大提高，随着贴片工艺的出现，单片机也大量采用了各种合符贴
片工艺的封装方式出现，以大量减少体积。在这种形势中，MicrochipX公司推出的 8引脚的
单片机特别引人注目。这是 PIC12CXXX系列。它含有 ～2K程序存储器，25～128字节数
据存储器，6个 I/O端口以及壹个定时器，有的仍含 4道 A/D，完全能够满足壹些低档系统
的应用。扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是今天单片机发展的目标之壹。目
前，壹般单片机都能够在 ～的条件下工作。而壹些厂家，则生产出能够在 ～6V
的条件下工作的单片机。这些单片机有 FujitsuX公司的 MB89191～89195，MB89121～125A，
MB89130系列等，应该说该 X公司的 F2MC-8L系列单片机绝大多数都满足 ～6V的工作电
压条件。而 TIX公司的 MSP430X11X系列的工作电压也是低达 的。
③工艺上的进步
当下的单片机基本上采用 CMOS技术，但已经大多数采用了
别的 X公司，如 MotorolaX公司则已采用
地提高了单片机的内部密度和可靠性。
AT89C2051单片机简介
我们设计的自动输送带及机械手的设计和制作主要由 AT89C2051这块单片机控制，因为
AT89C2051是壹个低电压，高性能 CMOS8位单片机，片内含 2kbytes的可反复擦写的只读程
序存储器（PEROM）和 128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用 ATMELX公司的高
密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51指令系统，片内置通用 8位中央处理器和
Flash存储单元，功能强大 AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。
AT89C2051是壹个功能强大的单片机，但它只有 20个引脚，15个双向输入/输出（I/O）端
口，其中 P1是壹个完整的 8位双向 I/O口，俩个外中断口，俩个 16位可编程定时计数器,
俩个全双向串行通信口，壹个模拟比较放大器。
同时 AT89C2051的时钟频率能够为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方
式有 RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，
片内 RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。
这块芯片的主要功能特性：
·兼容 MCS51指令系统·2k可反复擦写(）1000次）FlashROM
·15个双向 I/O口·6个中断源
·俩个 16位可编程定时/计数器·的宽工作电压范围
·时钟频率 0-24MHz·128x8bit内部 RAM
·俩个外部中断源·俩个串行中断
·可直接驱动 LED·俩级加密位
·低功耗睡眠功能·内置壹个模拟比较放大器
·可编程 UARL通道·软件设置睡眠和唤醒功能
（二）自动输送带
1、硬件设计
我们的输送带，是链板运输机的模型，采用的是交流单相异步电动机，利用蜗杆蜗轮传
动带动齿轮传动，使输送带缓速运行，从而满足了我们的要求。
同时，我们采用光电检测，作为输送带各项功能控制的检测输入，在开始端，我们检测
有没有产品。如果有，单片机发出通电指令，输送带通电开始工作，到了末尾，同样，检测
到了产品以后，单片机发出断电指令，让输送带断电停止工作。同时，进行计数。
（1）计数的过程：
设定好壹定的产品数量，进行减计数，到末端进行打包，再进行加计数，从而能够容易
的得到产品的产量、打了多少包，实现了统计自动化。到了生产线末端，产品由机械手从生
产线上搬送到货车上。
（2）自动输送带实物图
（3）自动输送带控制电路图
（4）自动输送带显示部分
（5）光电传感器电路图
2、软件设计
ORG0000H
SETBSTART
SETBSTOP
SETBSETC
SETBT
MOV30H,#03H
MOVR0,#00H;BAG
MOVR1,30H;TIME
ACALLDISPLAY
WAIT:JBSTART,KEY1
ACALLTIME10MS
JBSTART,KEY1
LJMPTURN
KEY1:LCALLKEY
SJMPWAIT
KEY:JBSETC,NOKEY
ACALLTIME10MS
JBSETC,NOKEY
MOVA,30H
ADDA,#01H
DAA
CJNEA,#10H,ROOT1
CLRA
ROOT1:MOV30H,A
MOVR1,30H;TIME
MOVR7,#20H
ROOT2:ACALLTIME10MS
DJNZR7,ROOT2
ACALLDISPLAY
NOKEY:RET
TURN:CLRT
LCALLTIME10MS
ACALLDISPLAY
TURN1:JBSTOP,$
LCALLTIME10MS
JBSTOP,TURN1
SETBT
LCALLTIME10MS
ACALLDISPLAY
CLRRUN
CLRC
MOVA,#99H
ADDA,R1
DAA
MOVR1,A
JNZBAG
MOVR1,30H
MOVA,R0
ADDA,#01H
DAA
MOVR0,A
BAG:ACALLDISPLAY
ROOT10:JNBSTOP,$
LCALLTIME10MS
JNBSTOP,ROOT10
SETBRUN
CLRT
LCALLTIME10MS
ACALLDISPLAY
LJMPTURN1
DISPLAY:MOVSCON,#00H
MOVA,R1
MOVSBUF,A
JNBTI,$
CLRTI
MOVA,R0
MOVSBUF,A
JNBTI,$
CLRTI
NOP
RET
TIME10MS:NOP
MOVTMOD,#01H
MOVTH0,#0D8H
MOVTL0,#0F1H
SETBTR0
JNBTF0,$
CLRTF0
RET
END
（三）机械手
1、硬件设计
（1）机械手实物图：
（2）机械手的工作过程：
（3）机械手控制电路图：
（三）机械手的软件设计
org0000h
ljmpmain
org0030h
main:clrl
movp1,#1fh
mova,#16h
cjnea,p1,reset
ajmpwait
reset:setbtvs
setbtv
jbup,$
clrtv
clrtvs
setbth
jbright,$
clrth
sjmpwait
auto:setbth
jbleft,$
clrth
setbtv
jbdown,$
clrtv
setbl
acallwait2
setbtvs
setbtv
jbup,$
clrtv
clrtvs
setbth
jbright,$
clrth
setbtv
jbdown,$
clrtv
clrl
acallwait2
setbtvs
setbtv
jbup,$
clrtv
clrtvs
ajmpwait
wait:jbstart,$
sjmpauto
wait2:mova,#0ah
wait20:movtmod,#01h
movth0,#3ch
movtl0,#0b0h
setbtr0
jnbtf0,$
deca
jnzwait20
ret
end
三、制作过程
在制作当中，我们考虑了诸多因素，比如：产品的检测，我们采用了红外对射管，开始
由于可见光含有较强的红外线，对单片机的输入信号造成干扰，使单片机产生误动作的信号
造成电路不能稳定工作。后来，我们采用了 NE567集成电路对输入信号的频率进行检测，因
为可见光和红外发射管产生的红外线频率有所不同，所以检测它们的频率后，很有效的解决
了干扰问题，保证了单片机系统的正常稳定运行。
我们的输送带，是链板运输机的模型，采用的是交流单相异步电动机，壹个蜗轮蜗杆传
动和齿轮传动，这样有助于降低电动机的输出力矩和转速，使输送带缓速运行，从而满足了
我们的要求。
在机械手的制作过程当中，壹开始我们就考虑了很多种方案，后来，结合我们的实际情
况，我们采用了很简单的螺杆传动，因为这样做有很多好处：
1、它很有效的降低了电动机的输出转速；
2、很大程度的增加了输出力矩；
3、制作成本低，材料易购
同时，为了保证机械手的牢固可靠，我们在起重臂上加了俩根不锈钢支杆，采用不锈钢
是因为他表面光滑，省去了这壹道加工工序。同时，为了保证接触面积足够大，我们仍在不
锈钢支杆上加了铜套管，避免了起重臂上下运动时卡死的现象。
机械手的左右旋转：
我们采用了壹个 4W的交流同步电机用来驱动，虽然只有 4W，但其里面有齿轮减速机构，
大大的增强了输出的力矩，所以它很容易地带动整个机械手臂的旋转。同时，为了保证左右
停止的精确定位，我们除了加上限位开关之外，仍加了左右定位销子，从而保证了机械手能
在左右俩个方向精确停止。为了满足要求，我们能够调整定位销子及行程开关接触连杆的位
置，从而实现了不同角度的旋转及停止定位。
在抓取产品时，我们壹开始就设想采用电磁铁，在开始试验的时候，我们试过交流电磁
铁，主要是因为交流电磁铁在断电后没有剩磁，产品和电磁铁的分离干脆，但其有壹个缺点：
就是交流磁场有趋肤效应。在提起产品的时候，产生了磁力线都集中在产品的轮廓边缘，有
可能在运行过程当中产生的震动就会使产品从电磁铁上脱落，造成工作不可靠。后来，经过
反复试验，采用了直流电磁铁，因为直流电磁铁是壹个均衡的磁场，容易将产品磁化。在断
电后，会产生剩磁现象，造成机械手和产品分离不干脆。后来，我们想到采用软磁体包装产
品因为软磁体不易被磁化，避免了上述问题。由于市场上很难买到符合我们要求的直流电磁
铁，所以，我们采用变压器改制。改制方法如下：
将变压器铁心全部拆除，只留下 E字型的硅钢片，然后顺同壹方向插入线圈的中心，将
电磁铁和产品的接触面加工成平面以保证电磁铁和产品的表面有良好的接触，保证磁场的稳
定，从而可靠的将产品平稳的吸取。
另外，考虑到起重臂下降时的速度，我们采用了弹簧将电磁铁和起重臂本身实现了软连
接，使电磁铁在接触到产品后有壹顶的活动间隙，这样就保证了机械手在下降过程中的精度
和灵活度。
四、特点和价值
本系统在思路上有很大的创新。有以下几个特点：
1、 我们制作的输送带及机械手，完全是我们自己开动脑筋想出来我的，在制作的过程当
中，我们遇到了许多问题，特别是干扰问题，我们想了很多解决问题的办法，在我们
的努力下，最终得到了壹壹解决。
2、 在本次毕业中，我们的动手能力和解决问题的能力有了很大的
提高，同时也煅练了我们团结协作的能力，这是很重要的。
由于控制核心采用单片机，这对我们来说是很有意义的，在设计制作过程中，使我们
对单片机的原理，有了更进壹步的理解和巩固，也使我们对单片机的应用水平有更进
壹步的提高，所以此次毕业设计能够说是对我们三年来所学知识的综合，单从这个角
度来说，意义是非常大的。
五、总结
我们制作的输送带及机械手，很大程度上是模拟了生产现场的实际情况，比如产品的数
量计数、打包计数，这些都是我们大家壹起开动脑筋设计出来的。我们之所以采用单片机对
其进行控制，是因为我们想通过此次毕业设计，提高我们的单片机理论和应用水平，虽然见
起来整个系统且不复杂，可是在制作过程当中，我们的思维得到了很大的开阔，同时也锻炼
了我们团结协作的能力，所以我觉得此次毕业设计我们所学到的知识是多方面的，这对我们
以后是非常有帮助的。
我们制作的成本且不高，之所以这样，是因为我们从材料上下手，很多材料、工具都是
几位指导老师帮助提供的，所以我们的成本降低到了最大限度。我们觉得在制作过程当中不
仅学到了无价的知识，同时也融入了壹种师生感情，这壹价值是无法衡量的。由此，我们由
衷的感谢几位指导教师。
我们非常感谢学校为我们提供的学习机会，也非常感谢老师们三年以来对我们的教导！
毕业后，我们壹定再接再厉，为我们美好的明天和母校的更加辉煌努力奋斗！
