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
2 系统硬件设计
结合第一章的系统需求分析以及器件选型，我们首先需要结合对基于单片机的智能涂料搅料器设计中的各个模块的硬件电路完成设计。
2.1 单片机外围电路设计
单片机对传感器和外设进行控制，对外部输入的数据和信号进行收集计算，并进行相应的操作。STC89C51单片机是基于单片机的智能涂料搅料器设计中的核心，围绕其需要展开很多电路实现系统中的相关功能，我们首先需要完成对单片机外围电路的设计。
2.1.1 STC89C51单片机介绍
STC89C51有32个I/O口可以连接更多的外设和传感器,8k字节的FLASH存储器可以进行更多的计算缓存，512字节的RAM大大提高了反应速度。STC89C51单片机的烧录也非常简单，通过TX和RX口，采用对应的编译器就可以将程序烧录进去。
图2.1 STC89C51单片机封装引脚
2.3 电机外围电路设计
本次使用的电机有四个接口：VDD是电源正极，设计中接12V电源，GND是使能端口，接单片机的P3.4口，用以接收控制信号，控制电机工作与否；CW/CCW端口是控制电机正转或者是翻转的端口，当搅料系统的转向需要发生改变的时候，由单片机的P3.5口输出控制信号即可；3端口是PWM端口[17]接收外部输入的方波信号，转速就是由方波信号的占空比来决定，当搅料系统的电机转速需要调节时，由系统中的单片机输出不同占空比的PWM即可。
图 2.9电机外围电路设计
3 系统软件流程设计
结合第二章的系统需求分析，在完成了系统电路的设计以后，系统的主要功能还需要通过软件实现，需要进行相关软件流程设计，实现基于单片机的智能涂料搅料器设计预定的相关功能。
软件流程设计采用模块化设计的方法，即在程序编写之前，首先结合基于单片机的智能涂料搅料器设计硬件电路以及系统需求对程序进行功能模块化，再编写各个模块的程序，使程序易于编写、调试和修改。程序设计过程中的软件开发环境选用Keil软件。
3.1 系统总体流程
基于单片机的智能涂料搅料器设计系统程序架构如图3.1所示，当整个系统运行时，首先是各个部分的初始化，由于系统要实现对电机的控制，还需要完成包括单片机的中断设置等。
图3.1 程序架构
初始化完成以后，LCD1602液晶需要显示系统初始状态：停止运行，正向，转速5000。同时按键检测程序不断对开关的状态进行判断，液位传感器对液位进行检测设置定时时间[18]，当开关按下后，根据之前的设定，不同开关执行相对应的程序，来对搅料系统的工作模式进行改变。在执行模式更改的同时，通过LCD1602液晶来实时显示目前所处的状态，便于使用者使用。
3.2 LCD显示程序设计
在基于单片机的智能涂料搅料器设计中，为了便于使用者直观了解系统目前的工作状态，LCD1602液晶需要显示系统工作状态（开始、停止）、电机的转向（CW、CCW）、电机转速、电机定时时间等，并根据开关对系统的控制，实时对自动搅料系统这些信息进行更新[19]。按照设置，第一行显示系统工作状态（开始、停止）、电机的转向（CW、CCW），第二行显示电机转速、电机定时时间。如图3.2为LCD1602子程序流程图。
图3.2 LCD1602子程序流程图
4 系统调试
4.1 焊接与调试
本次对基于单片机的智能涂料搅料器设计中使用的是Altium Designer软件完成电路板的绘制，在完成基于单片机的智能涂料搅料器设计的电路设计以后，生成PCB。当电路板原理图绘制完成后，确认各个模块功能没有错误[25]，在确定原理图没有出现错误的情况下我们开始进行焊接，使用市场上比较常用的万能板进行焊接。
最终得到的实物图如图4.1所示
图4.1实物图
4.2 程序烧录与调试
在整体系统上电调试前，大概观察下焊接的系统还存在问题，例如存在很显眼的断裂，正负极接反以及相连、虚焊、等问题，然后用万用表检测一下，电源正负极之间是否短路等严重的电源问题，最终保证系统焊接没有问题。
在搭建调试平台后我们对软件程序进行调试，在程序调试通过后开始验证系统功能是否满足要求，如果功能没有实现或实现不完全，需要继续调试程序，反复进行，直到所有功能都实现为止。
图4.2系统运行时实物图
4.3 系统调试
当单片机焊接好之后，将STC89C51单片机和各个模块都插上去，给系统12V供电，此时为系统初始状态如图4.3所示。
按下启动键以后，电源灯会常亮，屏幕的初始值：暂停状态，CW，5000转速，定时时间为0。按下运行按键系统开始以默认速度（5000）运行，按下暂停以后，电机停止转动。第三个按键是调节正转，初始设置就是正转，所以没有发生变化。第四个按键是翻转，按下以后屏幕显示CCW，再按下启动以后，可以看到电机逆时针方向转动。第五个和第六个分别是速度加和速度减按键，可以调整速度。第七个按键是设置定时时间，按下以后增加一分钟，第八个按键是每次增加10秒钟。设置好定时时间以后，系统就以设置的速度运行，如果按暂停，也可暂停。
经过调试与验证，基于单片机的智能涂料搅料器设计已经实现了初始的应用需求，并有很强的可靠性与实用性。
图4.3 程序初始状态
4.4 遇到的问题及解决方法
（1）由于按下按键就会产生机械抖动，当按下一次按键时可能会让系统读取到多次的按键按下的次数，从而导致无法设置。解决方法是进行软件消抖，延时时间要设置恰当。
（2）焊接完成后，发现显示器的第一位无法显示，初步怀疑电阻有损坏，但是用万用表测量后发现器件正常，单片机输出正常，进一步对各个器件测量后发现是管脚虚焊，从而导致电路不通，重新焊接后显示正常。
（3）上电打开电源开关，按动按键使系统运行，发现电机轴的转动不易察觉，因此在电机的轴上加上标志物，以便利于观察。
（4）程序编写完成后进行编译连接，显示“0 error 0 warning ”后说明无语法错误[26]，再次检查看是否有逻辑错误，检查无误后烧录进单片机内。
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