单片机控制卷纸机的设计说明书.doc

本 科 毕 业 设 计 第 32 页 共 32 页1 引言卷纸机是配置在造纸机最末端的一个联动设备。它的主要功能是将纸机生产出的纸幅卷成纸辊，便于后加工工序进一步加工。卷纸机不仅用于纸机上，还广泛用于机外涂布和机外压光等整饰生产线上进行再卷取。在纸张生产中，卷纸也是非常重要的技术之一。卷纸机的性能直接影响卷纸质量、纸卷结构、纸张损失、纸机和后加工工序的整体生产效率以及企业的经济效益；同时，还影响印刷用户的印刷质量、印刷效率和印刷过程的运行性能。因此，近10多年来，世界各国也包括我国的广大造纸工作者和造纸机械制造厂商，都在努力研究改进卷纸技术和提高卷纸机性能。在20世纪80年代前的100多年里，世界各国的造纸机主要是使用传统的老式卷纸机，也称作第一代卷纸机。而在1992年出现了第二代卷纸机。20世纪末又出现了崭新的现代卷纸机，也称第三代卷纸机，诸如Valmet公司的OptiReel Plus卷纸机、Voith Sulzer公司的Sirius卷纸机和原Beloit公司的TNT卷纸机。20世纪90年代造纸机的发展空前迅猛，新概念、新技术、新装备不断涌现，纸机设计车速高达2500m/min；与此同时，涂布、超级压光等后加工技术也有了长足的进步，在试验厂，涂布机的运行速度高达3000 m/min。随后，卷纸技术也取得了同步发展，采用了新设计理念，应用了许多新技术、新装备和现代调控技术，获得了可喜的成果。本课题设计的是单片机控制的卷纸机，相信它会以其结构简单，使用灵活、方便，易于控制等优点进入造纸业市场。2 本课题的具体方案2.1 设计要求本次毕业设计的内容是单片机控制卷纸机的设计。技术要求：1) 能将纸张生产线生产出来的纸卷绕成卷轴纸。卷绕速度要求：50100m/min；要卷的纸的宽度可调，最大850mm，最小210mm；2) 要求进纸的速度能平稳上升或下降；3) 并且能测量显示生产纸的长度；4) 纸张运行过程中，如出现断纸现象，要求立即停机报警。2.2 本设计的组成本设计主要由两部分组成：机械部分和控制部分。机械部分主要由电气控制系统、卷纸系统和液压控制系统三部分构成；电气部分是由单片机组成的中央控制单元，尤其实现对整个系统的控制。2.3 卷纸机的工作原理图2.1 卷纸机的工作原理图本设计为一台单片机控制的卷纸机，它是用于纸张生产厂的一种设备，纸张生产线生产出来的纸可以再次自动卷绕，达到一定的紧度。并且进纸的速度能平稳上升或下降，还能测量显示生产纸的长度。纸张运行过程中，如出现断纸现象，可以立即停机报警。纸材进入牵引辊后经过张力传感器，在张力传感器的控制下，纸材被收卷电机卷入卷纸辊上。本设计卷成卷的最大直径为450mm。3 中央控制系统中央控制系统是整套卷纸机控制系统的控制中枢，采用单片机实现上述系统的协调控制，并且通过一台图形显示界面将整套系统运行时的重要参数显示给操作员。转速控制采用了可以调节速度的直流电机调速系统；驱动电路由晶闸管电路构成；控制电路主要包括转速给定、转速反馈、比例-积分-微分调节器，以及晶闸管脉冲触发电路；走纸的长度控制主要由纸长设定和纸长脉冲反馈构成。4 电气传动系统电气系统中，由于交流电动机调速困难，直流电动机调速性能好，所以，采用直流传动。所使用的调速单元均为全数字式调速单元。采用一个直流电动机带动卷纸辊。4.1 电动机的选择在此系统中，由于所选择负载的转矩并不太大，所以选择3.0kW的直流电动机即可满足要求。所选直流电动机的型号和技术数据如下表4.1所示： 表4.1 直流电动机的型号及技术参数型号额定功率/kW额定电压/V额定电流/A额定转速/(r/min)励磁电压/V励磁方式励磁电流/AZ2-413.022017.01500220并0.6075 纸宽调节装置由于所设计的卷纸机要求可以卷210mm850mm不等宽度的纸，所以此设计的卷纸机中采用一端固定，一端滑动的方案，而两端都安装有可以拆开的对开式滑动轴承，为保证卷纸辊可以方便装入。此设计装置要求对于每一种不同宽度的纸要有和它匹配的不同长度的卷纸辊，但长度不一的卷纸辊的共同特点是，他们的两个端部必须一样，这才能保证其顺利安装到滑动轴承上。本设计采用手动安装方式更换不同的卷纸辊。6 卷纸系统的设计6.1卷绕系统张力模型张力控制系统实质上是一种输入量按某种可调节的衰减规律而变化的特殊的随动系统。张力的控制可以说是卷纸机系统控制的核心，要实现良好的张力控制，建立一个数学模型进行分析是必要条件。我们假定纸在传动辊上没有滑动摩擦，只有粘滞摩擦，纸的线速度等于胶辊的线速度。考虑两个连续胶辊，从前一个胶辊的第一接触点到后一个胶辊的第一接触点之间的张力分布，如图6.1所示。图6.1 张力模型由胡克定律可知，纸内的张力T：式中：是纸的横截面积，是杨氏弹性模量，L传动点之间的距离，V1是压辊的线速度，V2是卷筒的线速度，t是纸传送时间，t=L/V1。应当注意的是，弹性模量会随着温度和湿度等环境的影响而改变。可见，纸在作为张力调节对象时，是一个积分环节。在启动过程中，我们总是控制令V2V1，以使纸内产生一定的张力，当纸达到我们所要求的合适张力后，应该及时调节动力机构使V2稳定，这样，纸就在此张力下稳定运行。实际系统中，纸上的初始张力是借由轻质浮动辊上相连的低摩擦的液压缸产生，如图6.2所示： 图6.2 张力的产生在系统运转之前通过液压缸设定纸上的初始张力值F，设纸张力为T，浮动重力为G，液压缸摩擦力为f，系统的力平衡方程如下：当系统加减速时，需要保持压辊和卷筒的线速度相等，即V1=V2，以保证纸不会在过程中由于张力过大而受损。在调整低摩擦液压缸1压紧纸使V1稳定后，通过控制V2的大小使浮动辊保持在设定的初始张力位置。当由于扰动使得纸上的张力产生变化时，浮动辊的力平衡被打破，张力增大时浮动辊会向上方运动，张力减小时浮动辊会向下方运动。此时只需要保持V1不变，调整V2的大小便可以调整纸上的张力大小。调整后的张力又反过来影响浮动辊的力平衡，直至浮动辊返回原位，即张力为F时位置，则张力扰动就被消除了。因此张力控制系统实际上也是线速度跟随系统。图6.3 控制系统框图由图6.3可以看出，每个张力模块都是双闭环系统，由张力检测装置测出张力大小，通过计算得出电机转速的调整量，将调整量放大输出到变频器以控制电机作相应的动作。同时采用光电编码器测出当前电机的转速，并反馈回变频器以控制电机按照程序设定的转速运行。其中转速闭环由变频器附加PG同步卡实现，张力闭环则由张力控制器实现。6.2 张力检测本系统采用浮辊式张力检测方式，其原理图如图6.4所示。图6.4 浮辊式张力传感器原理图当张力稳定时，纸上的张力与低摩擦液压缸作用力保持平衡，使浮辊处于中央位置。当张力发生变化时，张力与低摩擦液压缸作用力的平衡被破坏，浮辊位置会上升或下降，此时连杆转动并导致浮辊电位器的输出产生变化。这样，浮辊电位器准确地检测出浮辊位置的变化，它将位置信号以电压信号的形式反馈给张力控制器。浮辊式张力传感器在张力有发生变化趋势时就去调整前后级的速度差。通过浮动辊的位置移动，来迅速保持张力的恒定。由于浮辊式张力检测装置本身是一种储能结构，利用其自身的冗余作用，对大范围的张力跳变有良好的吸收缓冲作用，同时也能减弱料卷的偏心（椭圆）以及速度变化对张力的影响。此系统要求低摩擦液压缸磨擦系数小，响应速度快。浮辊和连杆的重量要轻，转动要灵活。图中采用模拟输出方式。在连杆的活动端接有电位器，将浮动辊的位置变化转换为电阻值的变化。这种方式检测精度取决于模数转换器的精度，可以通过更换更高位数的模数转换器来实现更精确地张力检测。7 卷纸质量的改进由于纸辊的半径随着卷纸过程的进行，其值是不段增大的，随之而来的就是卷纸辊上所承受的重力越来越大，防止卷纸辊变形，其下端采用双底辊支撑。而所成卷的半径是不断增大的，而双底辊是不上下运动的，所以卷纸辊必须可以上下运动。故本设计将电动机和卷纸辊放在同一支撑架上，它们整体可以在双底辊的支撑下，直线上升。在双底辊卷纸机卷大直径纸过程中会出现一些问题，如卷纸容易出现皱褶，破碎，盘面不整和纸芯偏移等情况。纸卷直径越大，这些问题越严重。根据不同种类的卷纸材料，使双底辊卷纸机具有最大程度的适应性，以努力提高卷纸机的运行速度，并消除各种卷纸材料中出现的问题。采用不同底辊可使之具有不同的自然频率，能有效防止振动带来的问题。底辊及压纸辊的表面必须经过特殊处理，使卷纸机能够适应不同的纸材。最好在前底辊上覆盖一层碳化钨，在后底辊上覆盖一层包覆层。包覆层优良的适应性可以增加接触面积，减少压区载荷，同时允许有一定程度的变形，可以去除由于纸幅横向波动所产生的压区载荷峰值。此外，包覆层可以有效的防止空气卷入，从而防止出现盘形曲卷。为卷出高质量的纸卷，要控制纸张横向的均一性。在前底辊上，包覆层可以使纸卷的硬度趋向均一，从而防止纸张星形曲卷和破碎出现，避免由于振动引起的层间偏移及纸张滑动引起的斑点问题。底辊的外形可以自调，良好的旋转曲线，可以避免由于纸横向性质不均匀和压力过大造成的引纸绳印痕类纸病。采用包覆层能够有效避免在卷纸过程中纸张厚度的损失，降低压区载荷带来的压区力高峰。8 液压系统的设计及计算8.1 液压传动系统的原理及特点以液体作为工作介质来进行能量传递的传动方式成为液体传动。按其工作原理的不同，液体传动可以分为液压传动和液力传动。液压传动主要利用液体的压力能来传递能量；而液力传动主要是利用液体的动能来传动能量。液压传动是基于以密闭容器中流体的静压力传递力和功率这一原理来实现的。8.1.1 液压传动的优点1）传动平稳 在液压传动装置中，由于油液的压缩量非常小，在通常压力下可以认为不可压缩，依靠油液的连续流动进行传动。油液有吸振能力，在油路中还可以设置液压缓冲装置，故不像机械机构因加工和装配误差会引起振动扣撞击，使传动十分平稳，便于实现频繁的换向；因此它广泛地应用在要求传动平稳的机械上，例如磨床几乎全都采用了液压传动。2）质量轻体积小 液压传动与机械、电力等传动方式相比，在输出同样功率的条件下，体积和质量可以减少很多，因此惯性小、动作灵敏；这对液压仿形、液压自动控制和要求减轻质量的机器来说，是特别重要的。例如我国生产的1m3挖掘机在采用液压传动后，比采用机械传动时的质量减轻了1t。3）承载能力大 液压传动易于获得很大的力和转矩，因此广泛用于压制机、隧道掘进机、万吨轮船操舵机和万吨水压机等。4）容易实现无级调速 在液压传动中，调节液体的流量就可实现无级凋速，并且凋速范围很大，可达2000：1，很容易获得极低的速度。5）易于实现过载保护 液压系统中采取了很多安全保护措施，能够自动防止过载，避免发生事故。6）液压元件能够自动润滑 由于采用液压油作为工作介质，使液压传动装置能自动润滑，因此元件的使用寿命较长。7）容易实现复杂的动作 采用液压传动能获得各种复杂的机械动作，如仿形车床的液压仿形刀架、数控铣床的液压工作台，可加工出不规则形状的零件8）简化机构 采用液压传动可大大地简化机械结构，从而减少了机械零部件数目。9）便于实现自动化 液压系统中，液体的压力、流量和方向是非常容易控制的，再加上电气装置的配合，很容易实现复杂的自动工作循环。目前，液压传动在组合机床和自动线上应用得很普遍。10）便于实现三化 液压元件易于实现系列比、标准化和通用化也易于设计和组织专业性大批量生产，从而可提高生产率、提高产品质量、降低成本。8.1.2 液压传动的缺点1）液压元件制造精度要求高 由于元件的技术要求高和装配比较困难，使用维护比较严格。2）实现定比传动困难 液压传动是以液压油为工作介质，在相对运动表面间不可避免的要有泄漏，同时油液也不是绝对不可压缩的。因此不宜应用在在传动比要求严格的场合，例如螺纹和齿轮加工机床的传动系统。3）油液受温度的影响 由于油的粘度随温度的改变而改变，故不宜在高温或低温的环境下工作。4)不适宜远距离输送动力 由于采用油管传输压力油，压力损失较大，故不宜远距离输送动力。5）油液中混入空气易影响工作性能 油液中混入空气后，容易引起爬行、振动和噪声，使系统的工作性能受到影响。6）油液容易污染 油液污染后，会影响系统工作的可靠性。7）发生故障不易检查和排除。8.2 液压系统的工作原理对应不同的纸张调整压辊压力，此时就需要预先设定好压辊下面液压缸的压力值。当系统加减速时，需要保持压辊和卷筒的线速度相等，以保证纸不会在卷纸过程中由于张力过大而受损。在调整低摩擦液压缸1压紧纸使V1稳定后，通过控制V2的大小使浮动辊保持在设定的初始张力位置。当由于扰动使得纸上的张力产生变化时，浮动辊的力平衡被打破，张力增大时液压缸带动浮动辊会向上方运动，张力减小时液压缸带动浮动辊会向下方运动。此时只需要保持V1不变，调整V2的大小便可以调整纸上的张力大小。调整后的张力又反过来影响浮动辊的力平衡，直至浮动辊返回原位，即张力为F时位置，则张力扰动就被消除了。8.3 液压缸的选择及设计计算液压缸在液压系统中的作用是将液压能变为机械能。液压缸主要是输出直线运动和力，但有的则是输出往复摆动运动和扭矩。液压缸的结构简单、工作可靠，与杠杆、连杆、齿轮齿条、棘轮棘爪和凸轮等机构配合使用还能实现多种机械运动，或与其他传动形式组合以满足各种要求，因此在液压传动系统中得到了广泛应用。液压缸有多种形式，本设计中选择单作用液压缸。8.3.1 液压缸缸筒的设计和计算1)液压缸内径的计算计算液压缸内径和活塞直径均与设备的类型有关。根据液压缸的载荷力和系统工作压力计算式中 D-液压缸内径（m）； F-液压缸推力（kN）； P-选定的系统工作压力（MPa）。2）缸筒壁厚计算式中 t-缸筒壁厚（m）； -许用应力（MPa）； P-缸筒试验压力（MPa）。3）缸筒结构设计缸筒两端分别与缸盖和缸底相连，构成密闭的压力腔，因而它的结构形式往往和缸盖及缸底密切相关。因此，在设计缸筒结构时，应根据实际情况，选用便于装配、拆卸和维修的连接形式，缸筒内外应根据标准进行圆整。8.3.2 活塞杆的设计与计算活塞杆是液压缸传递力的主要零件，它要承受拉力、压力、弯曲力和震动冲击等多种作用，必须有足够的强度和刚度。1） 活塞杆直径计算式中 d-液压缸活塞杆直径（m）； -速比2） 活塞杆强度计算3） 活塞杆的结构设计活塞杆的外端头部与负载的拖动机构相连接，为了避免活塞杆在工作中产生偏心负载力，适应液压缸的安装要求，提高其作用效率，应根据负载的具体情况，选择适当的活塞杆端部结构。8.3.3 缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两个端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不大于缸体内径的2030倍。8.3.4 确定液压缸综合以上计算以及本装置的需要，选定冶金设备用标准液压缸系列产品，其产品一般缸径在40320mm范围内，工作压力不大于16MPa，可用液压油机械系统损耗油和乳化液等工作介质，使用温度范围为-1080C。型号：Y-E 40/20160 FF6HL1Q8.4 液压比例控制元件的原理、特性及选择比例控制的特点是输出量随输入量变化而相应的变化，输出量与输入量有一定的比例关系。比例控制有开环控制和闭环控制之分。开环控制的输出量与输入量之间不进行比较，而闭环控制的输出量不断的被检测，与输入量进行比较，其差值成为误差信号，以误差信号进行控制。闭环控制也称反馈控制。闭环控制的特点是能在存在扰动的条件下，逐步消除误差信号，或使误差信号减小。液压比例控制阀由可动部件驱动机构及液压放大器两部分组成。将功率较小的机械信号转换成较大的液体流量和压力输出的元件称为液动放大器。驱动控制阀部件 的功率一般只需要几瓦，而放大器输出液动的功率可达数千瓦。在液压比例压力、流量控制系统中，同样包括比较元件，校正系统放大元件，执行元件，检测元件。其核心分为四大部分：电控制单元、液动控制阀、液动执行元件以及检测元件。液动系统的原理图如下图8.1所示：图8.1 液动系统的原理图8.4.1 液压比例流量控制阀两位三通液动比例流量阀是由一个两位四通硬配阀阀体和一动铁式的比例电磁铁构成，当输入电压信号经过比例放大器转换成与其成比例的驱动电流，该驱动电流作用与比例电磁铁的电磁线圈，使电磁铁产生成比例的推力并作用与阀芯并使其移动，阀芯的移动与反馈弹簧力相抗衡，直至两作用力相平衡，阀芯不再移动为止。9 中央控制系统的设计9.1 硬件部分的总体方案确定一个微机控制系统是有硬件和软件两部分组成的。硬件是软件的运行基础，而只有配置了软件的硬件才是工作的控制系统。构成微机控制系统的基本硬件一般有以下四部分组成：1） 中央处理单元，即CPU；2） 总线，包括数据总线（DB）、地址总线（AB）、控制总线（CB）；3） 存储器，包括只读存储器和随即读写存储器；4） 输入、输出接口电路。其中CPU是整个系统的核心，是控制其他各部分协调工作的“大脑”；存储器是监控软件（系统软件）及系统运行中各数据的驻留空间；I/O接口电路是系统与外界进行信息交换的桥梁；总线是连接CPU、存储器和I/O接口电路的纽带，是各部分进行通行的线路。微机控制系统的硬件设计，主要是上述四部分的具体设计。另外，还要根据机械系统的要求配置一些外围设备和信号交换电路。其中CPU、存储器以及I/O接口是任何一个机械系统必不可少的环节，其余部分并非所有控制系统都具备。某一类控制系统可能只包含其中的一部分或几部分。一般，CPU通过I/O接口可连接的人机交换外设是键盘、打印机、磁盘记录机等通信接口；信号交换电路包括A/D转换、D/A转换、光电隔离、功率放大等，它是实现微机与控制对象之间的信号匹配与转换的中间电路。这两部分可根据控制对象的特性进行取舍。9.1.1 主控制器CPU的选择 在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下要素： （1）时钟频率和字长（控制数据处理的速度）。 （2）可扩展存储器（ROM/RAM）的容量。 （3）指令系统的功能是否强（即编程的灵活性）。 （4）I/O口的扩展能力（即对外设的控制能力）。（5）开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。 除此之外，还应根据系统应用场合、控制对象以及对各种参数的要求选择CPU。目前在数控系统中常用的芯片有8086、8088、0386以及8098、8096等16位机的CPU。也有8080、80和8051、031、751、T89系列等8位机的CPU。一般的控制系统中，推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器。 MCS-51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051和8751。该系列产品是集中CPU、I/O端口及部分RAM等为一体完整的微机控制系统，并且开发手段完备，指令系统功能强，编程语言丰富灵活性大，硬件资料很丰富。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少许差异。可以说8031是没有ROM的8051，而8751又是用EPROM代替ROM的8051。目前，工业控制中应用最多的是8031单片机。采用的单片机有MCS-518031，74LS373，2732，6264，74LS138，8155及8279。国内开发应用单片机自80年代初起步，以intel公司的MCS-48系列单片机为主导机种渗入微机控制中的各个领域，取得了一定的应用成果。在我国目前和今后相当长的一段时间内，8位单片机仍然是实际应用中的主导品种，大多数单片机的应用仍以MCS-51单片机为主。8031单片机使用方便，价格低廉，是目前国内使用最多的品种。8031单片机有1个8位的CPU,1个128字节RAM，21个特殊功能寄存器，4个8位并行I/O端口，1个全双工异步串行接口，2个16位定时器/计数器，5个具有优先级别的终端袁。在8031外接一片程序存储器后，就构成了一个有完整功能的微机应用电路。在软件方面，当8031的晶振频率为12MHz时，指令周期为1s，绝大多数指令执行时间为12s,最长4s。大部分指令为1字节或2字节，最长3字节。此外，8031所具有的乘除法指令、多种形式的位操作类指令和逻辑运算质量能够也是独具特色的。其引脚图如图9.1所示。图9.1 8031单片机引脚图8155片内具有156个字节的静态RAM，2个8位和1个6位的可编程并行I/O端口，1个14位的有多种工作方式的减法计数器，以及1个地址锁存器。8031单片机外接一片8155后，就综合地扩展了数据RAM、I/O端口和定时器/计数器。74LS373为8D透明锁存器，其主要特点在于，控制端G为高电平时，输出Q0Q7复现输入D0D7的状态（透明），G为下调沿时，D0D7的状态被锁存在Q0Q7上。利用这一特点，在把ALE与G相连后，ALE的下调沿正好把P0端口上此时出现8位指令地址A7A0所存在74LS373的输出端上，从而给出从2732取指令码的低8位地址。指令码的高4位地址A8A11则直接由P2.0P2.3提供。与2732的输出允许信号相连，的上升沿前有效，2732中A0A11指定了地址的单元中的指令码，从2732的输出，被正好处于读入状态的P0端口输入到单片机内执行。这就是从外存指定地址单元中取出1自节指令加以执行的整个过程。8279是一种通用的可编程的键盘/显示器接口器件，可对64个开关矩阵组成的键盘进行自动扫描，接受键盘上的输入信息，并在有键输入时想单片机请求中断。8279还能对8位或16位LED自动扫描，使显示缓冲器的内容在LED上显示出来。单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，复位操作使单片机内电路初始化，使单片机从一种特定的初态开始运行。时钟电路如图9.2示。图9.2 单片机时钟电路9.1.2 单片机的基本特性（1）.具有8位中央处理单元（CPU）。（2）.一般外接晶振频率为12MHz，指令周期为1s，每执行一条指令时间绝大多数为1s-2s，最长为4s。（3）.片内具有128字节的RAM。（4）.具有21个特殊功能寄存器。（5）.可寻址64k字节的片外数据存储器和64k的片外程序存储器。（6）.具有4个8位的并行I/O端口、具有一个全双工导步串行I/O端口，共32根I/O线。（7）.具有5个中断源，配备两个优先级。（8）.具有两个16位定时器/计数器。（9）.具有位寻址能力，逻辑运算灵活。 8031的大部分指令为1字节或者字节，最长为3字节。此外，8031所具有的乘除法指令、多种形式的位操作类指令和逻辑运算类指令也是独具特色的。9.1.3 MCS-51系列单片机的引脚及其功能MCS-51单片机是一个具有40根引脚的双列直插式器件，引脚图及其功能分类如图9.3所示。其引脚功能如下：Vcc：编程和正常操作时的电源，电压为+5V。Vss：接地端。XTAL1：接外部晶体的一个引脚。当单片机采用外部时钟信号时，次脚应接地。XTAL2：接外部晶体的一个引脚。当单片机采用外部时钟信号时，外部时钟信号由此引脚接入。RST/Vpd：复位控制输入，再振荡器运行时，使RST脚至少保持两个机器周期为高电平，可实现复位操作。CPU通过执行内部复位来响应，在RST为高电平的第二周期时执行内部复位。在Vcc关断前加上Vpd（掉电保护），RAM的内容将不变。：访问外部存储器时，用于锁存地址底字节的地址锁存允许输出。即使不访问外部存储器，ALE以震荡频率的1/6为固定频率输出，因而它能用作外部时钟或定时 。ALE主要是提供一个定时信号，再从外部程序存储器取指时把P0口的底地址字节锁存到外接的锁存器中，每个机器周期ALE有效两次。这个引脚也是EPROM编程时的编程脉冲输入。：程序存储器允许。输出读外部程序存储器的选通信号。取指令操作期间，的频率为振荡频率的1/6；但若此期间有访问外部数据存储器的操作，则有一个机器周期中的信号将不出现。：当=0时，单片机只访问外部程序存储器。对8031此引脚必须接地。=1时，单片机只访问内部程序存储器。对8051和8751此引脚应接高电平，但若是地址超过4K范围（0FFFH），则单片机将自动访问外部程序存储器。在8751单片机内的EPROM编程期间，此引脚引入编程电源。P0口：一个8位的开漏双向I/O口，数据/外部存储器低8位地址总线端口，在程序检验时它也输入指令字节，P0口能吸入8个LSTTL输入。P1口：具有提升电阻的8位双向I/O接口，专门供用户使用，在程序检验时（指8051和8751）它也接收低位地址字节，P1能吸入或放出3 个LSTTL的输入。P2口：具提升电阻的8位双向I/O口，可供系统扩展时作高8位地址线用。在没有外部存储器扩展时，它也可以是为用户作I/O线使用。在程序检验时，它也接收高位地址和控制信号。P2口能吸入或放出3个LSTTL的输入。P3口：具有提升电阻的8位I/O口，该I/O口的每一位均可以独立的定义为第一功能或第二功能。作为第一功能使用时，与普通的I/O口没有什么不同。作为第二功能时，该口才具有了它独有的串行通讯功能。图9.3 8051、8751、8031系列单片机引脚图单片机内的硬件电路已经构成了具有基本形式的微机系统，可满足许多控制场合的需要。但如在应用中，片内的这些已有资源不够使用，就需用在片外加以扩展。MCS-51系列单片机通过外接具有相应电路的外围芯片来实现系统的扩展。单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用EPROM芯片。其型号分别为：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分别为：2K、4K、8K、16K、32K。在选择芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配。此外还需要考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量，使系统简化。若单片机内有程序存储器，而该程序又不大于其存储空间，就不必再扩展外部程序存储器了。此设计中，选择程序存储器2732。74LS373为8D透明锁存器，其主要特点在于，控制器G为高电平时，输出Q0Q7复现输入的D0D7的状态，G为下跳沿时，D0D7的状态被锁存在Q0Q7上。利用这一特点，在把ALE与相连后，ALE的下跳沿正好把P0端口上此时出现的8位指令地址A7A0锁存在74 LS373的输出端上，从而给出从2732取指令码的低8位地址。9.2 I/O口扩展电路设计8031单片机共有4个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此大部分应用系统中都不可避免的要进行I/O口的扩展。9.2.1 可编程接口芯片81558155片内具有256字节的静态RAM，2个8位和1个6位的可编程并行I/O端口，1个14位的有多种工作方式的减法计数器，以及一个地址锁存器。8031单片机外接一片8155后，就综合的扩展了RAM、I/O端口以及定时计数器。8155的内部结构框图及芯片引脚如图9.4所示。图9.4 8155的内部结构框图及芯片引脚图9.2.2 引脚介绍AD0AD7：三态地址/数据输入线，可以用来与8031单片机的总线直接相连。ALE：由于8155片内没有地址锁存器，有总线送来的地址信号在地址锁存允许信号ALE有效时（下跳沿）与以锁存。IO/M：为端口存储器选择信号，当IO/M为低电平时，选中片内RAM，当IO/M为高电平时，选中片内I/O端口。RD和WR：是用来读写片内和实现数据由I/O端口输入/输出的操作信号。TIME IN：为片内定时器的时钟输入信号。TIME OUT：为计时器计满回零后的输出信号。RESET：为复位信号，高电平有效后使各端口处于基本输入状态。PA PB PC端口：PA、PB端口可工作在基本I/O方式和选通工作方式，PC端口只能工作在基本输入状态，当PA或PB端口工作在选通工作方式时，PC端口的部分或全部端口将用作PA或PB端口的应答选通信号。9.2.3 工作方式的设定8155I/O口的工作方式选择通过对8155内部寄存器设定命令控制字来实现。I/O口可以有四种工作方式。9.2.4 8155的定时功能8155片内有一个14位的减法计数器，可对输入脉冲进行减法计数。引脚TIME IN为不定时器的时钟输入，由外部输入时钟脉冲；TIME OUT为定时器的输出端。定时器启动后，能对加到输入端的脉冲信号进行计数，当减法计数器减至零时，由在TIME OUT端输出 一个矩形波或脉冲信号。启动定时器前要先装入时间常数。9.3 A/D、D/A转换器微机在实时控制时，有时需要把数字量转换成模拟量，有时需要把模拟量转换成数字量，这就必须经过转化器来完成。D/A转换器是把数字量转换成模拟量的线性电路器件，已做成了集成芯片。A/D转换器是把模拟量转换成数字量的转换器件。由于实现转换的原理和电路结构及工艺有所不同，出现了各种各样的D/A、A/D转换器。目前，在国内外市场上已有上百种产品出售，它们的转换速度、转换精度，分辨率以及使用价值上都各有特色。9.3.1 转换器的主要参数分辨率：指转换器能够转换的二进制的位数。位数越多，分辨率就越高。转换时间：指数字量或模拟量从输入到转换、输出达最终值并稳定为止所需的时间。精度：指转换器实际输出值与理论值之差。一般采用数字量的最低有效位作为衡量标准。线性度：指转换时，数字量与模拟量按比例关系变化的程度。9.3.2 D/A转换器的连接特性DAC是系统或设备中的一个功能单元，把它连入到设备或系统中与其它器件发生关系时，需用了解它的连接特性：输入缓冲能力：DAC是否带有三态输入缓冲期或锁存器来保存输入的数字量，这对不能长时间在数据总线保持数据的微机系统中使用D/A转换器，十分重要。输入数据的宽度：DAC有8位、10位、12位、14位、16位等。当DAC的分辨率高于微机的数据总线时，需分两次输入。输入码制：一般单极性输出的DAC只能接收二进制码或BCD码。双极性输出的DAC只能接收偏移二制码或补码。输出模拟量的类型：DAC输出的可以是电流，也可以是电压。输出电流的叫电流型DAC，输出电压的叫电压型DAC。输出模拟量的极性：DAC的输出有单极性输出，也有双极性输出。9.3.3 A/D转换器的外部特性：各厂家的产品不仅型号五花八门，性能各异，而且功能相同的引脚命名也各不相同。但从A/D转换的连接来看，任何一种A/D转换芯片一般都有以下输出信号之分：（1） 模拟信号输入线：来自被转换的对象，有单通道输入与多通道输入之分。 对于具有多通道模拟量输入的A/D转换器，还设有通道地址线，以便进行通道选择。（2） 数字量输入线：是ADC将数据送给CPU的数据线。数据线的根数表示ADC的分辨率。（3） 转换启动线：它是由系统控制器发生的一种控制信号，此信号一到，转换就开始了。（4） 转换结束线：转换完毕时，由ADC发出A/D转换结束信号，它是一种状态信号。转换结束信号的逻辑定义有的是高电平，有的是低电平。9.3.4 A/D转换器A/D转换器主要完成以下操作：进行通道选择、发转换启动信号、取回转换结束信号、读取转换的数据、发采样保持器控制信号。ADC0809：是一种8路模拟输入8位数字输出的逐次逼近式A/D转换器件，转换时间约为100ms，其引脚功能为：多路开关为8路模拟量输入端，最多允许8路模拟量分时输入，共有一个A/D转换器。八路模拟开关的切换有地址锁存器和译码控制，3根地址线A、B、C通过ALE锁存。改变不同的地址，可以切换八路模拟通道，选择不同的模拟量输入。A/D转换结果通过三态输出锁存锁存器输出，允许直接与系统数据总线相连。OE为输出允许信号，可与系统读信号相连。EOC为转换结束信号，表示一次A/D转换已完成，可以作为中断请求信号，也可以被程序查询以检测转换结束与否。VR（+）和VR（-）是基准参考信号，决定了输入模拟量的范围。CLK为时钟信号输入端。START为启动转换信号，用来控制启动A/D转换。9.3.5 D/A转换器DAC0832是分辨率为8位的乘法型DAC，芯片内有两级缓冲寄存器。其中有两个独立的数据寄存器，即输入寄存器和DAC寄存器，要转换的数据先送到输入寄存器，但不能转换，只有数据送到DAC寄存器才能开始转换，因而称为双缓冲。为此设置了5位信号控制这两个数据寄存器进行数据的锁存。10 系统控制10.1 系统结构控制纸机电机运行的电气系统框图如图10.1所示。图中，转速控制采用了带有转速单闭环的直流电动机调速系统；驱动电路由晶闸管-直流电动机构成；控制电路主要包括转速给定、转速反馈、比例-积分-微分调节器，以及晶闸管脉冲触发电路；走纸的长度控制主要由纸长设定和纸长脉冲反馈构成。单片机在控制电路中主要完成的功能如图中虚线框所示，也就是转速的给定、纸长的设定、转速和纸长反馈的检测，以及转速偏差的形成和PID运算。完成这些功能的系统硬件结构原理图如图10.2所示。10.1 单片机控制系统原理框图10.2 卷纸机系统硬件原理图转速的给定由模拟电压经A/D器ADC0809转换后设置。6位数码管分别用于显示转速和走纸长度，前2位显示运行转速的m/min值，后4位显示当前剩下纸张的米数，纸长从设定值开始，每走纸1m则减1。为了化简显示电路，采用了串行口的位移寄存器方式，以接口数码管。由光电码盘送来的反馈脉冲信号，经光电隔离器4N30并整形后送入单片机的计数器T1和外部中断INT0，前者用于计量走纸长度，后者用于检验纸机的转速。单片机通过计量两反馈脉冲的时间或计量单位时间内出现的脉冲个数，即可得到转速值的大小，反馈信号与转速设定值形成偏差后，作PID运算，并把结果经D/A转化器DAC0832输出，从而提供晶闸管脉冲触发电路的控制信号。10.2 系统控制功能10.2.1 转速的设定在调速过程中，要求转速能够平稳地调节，为此，系统采用了用模拟电压设定转速大小的方法。利用模数转换器ADC0809实现A/D转换，并把转换结果读入单片机内作为转速设定值。10.2.2 纸长检测与控制前已述及，走纸长度的设置由4位拨盘设定，走纸的检测信号来自速度不变的码盘脉冲。由于两脉冲间的距离表示了一定的纸长（脉冲当量），当反馈脉冲的引入量达到一定数量后，可使设定值不断作减1计数，直到为零后停车。若系统采用的脉冲当量为1cm/脉冲，当计纸长度单位为10cm时，1000个反馈脉冲可使纸长设定值减1。这一功能可由单片机的定时器/计数器T1来实现。由于1000D=03E8H，T1 的计数初值应为（03E8H）补=FC18H。当T1处于工作方式的计数状态时，每引入T1脚个脉冲后，单片机自动进入T1的中断服务程序，使计数值减并重置计数初值。由于拨盘的设定值为码，走纸长度的显示值也应为码。所以在不断作减法运算的T1中断服务程序中应注意逐次减的运算方法。在硬件上，为了使反馈脉冲的信号与单片机的电平相适应，并减小反馈信号对单片机的冲击影响，采用了光电隔离器把两端信号隔离开来，并用放大电路和运算放大器来整形反馈输入信号，电路形式如图10.4所示。图10.4 反馈信号的整形、隔离和放大10.2.3 转速反馈量的求取纸机的反馈信号仅来自光电码盘的脉冲，该脉冲信号除用于检测纸长外，也用于求取纸机运行的线速度。计算速度的基本方法如下：设在单片机系统中产生了一固有频率的计量信号，其周期为，由设两光电反馈脉冲间的距离为，当纸机运行时，在两反馈脉冲间计量到个测量信号，则纸机的线速度可表达为 固定频率的计量信号可由8155中的计数器对单片机的ALE信号分频后得到。当单片机的晶振频率fOSC=6MHz时，ALE的频率为1MHz，要得到周期为10ms的计量信号，需对ALE作104分频。这通过对8155计数器初值的设置可方便地实现。获取两反馈脉冲间计量信号的个数，可由外部中断INT0和定时器T0的联合使用来实现，硬件接线见图10.2。其方法是将8155输出的计量信号直接引入定时器T0的外部引脚，以自动加1的方式累加计量信号的个数；反馈脉冲则接入INT0，通过程序将其设置成由下降沿引起中断的工作方式，两次中断间的时间正好反映两反馈脉冲间的持续时间过程，在每次中断服务程序中，读出T0中已有的测量脉冲个数，并在主程序中加以运算，就可得出纸机运行的线速度。10.2.4 单片机PID调节器单片机在获得了转速的给定值和反馈值以后，就要形成转速的偏差，并且利用调节器算法所得到输出值去控制晶闸管-直流电动机系统，从而实现对整个直流传动系统的闭环控制。传动系统的性能在很大程度上取决于调节器的形式和参数，对于图10.1所示的转速单闭环调速系统，调节器往往采用比例-积分（PI）的形式。比例项用来放大转速偏差，积分项可使偏差消除，也就是使系统转速的输出值与给定值在静态保持一致。单片机要构成比例-积分调节器只能采用离散差分式算法。图10.5所示为单片机要实现的调节器结构及等效电路。 （a）调节器结构 （b）调节器等效电路10.5 闭环系统的调节器结构极等效电路图中Ug：转速给定 Uf：转速反馈e：转速偏差 Kp：比例系数Ki：积分系数 u:调节器输出根据调节器应实现的运算：u(t)=KPe(t)+Kie(t)dt将此式写成离散形式：U()=KPe()Kie(i)T其中T为采样周期。两步之间的增量采用后向差分形式：U(K)= U(K)- U(K-1) =KPe（K）-e(K-1)+KiTe(K) =KPe（K）-e(K-1)+KIe(K)其中KI=KiT，这就是用增量式表达的比例-积分调节器算法公式。为了实现的方便，可用递推式将上式改写为U(K)= U(K-1)+ U(K)U(K)=（KP+KI）e(K)-R(K-1)R(K)= KPe(K)其中，R（K）和R（K-1）都是递推中间值。由于转速偏差e可正可负（转速超调时为负），并且从运算精度上考虑，宜采用双字节算法，因此上面的递推算式主要包括双字节补码数的乘法运算。在实际编程过程中，首先，为了扩大运算的范围，可先把反馈量和给定量都缩小几倍（例如8倍），形成偏差，利用上一步的R（K-1）进而算出U(K)，之后再扩大相同的倍数还原；然后由U(K)和上一步的U（K-1）算出U(K)；作为PI调节器的本步输出值。在求取U(K)之后，还要算出R（K）以作为计算下一步U（K+1）的中间值。对于双字节补码数的乘法运算，由于MCS-51系列单片机有直接乘法指令，因此能既快又简便地实现。根据系统实际运行中对转速最高速有一定限制的要求，程 序中还可以设置U(K)的最大限幅值。此外，为了加快启动过程，也可以使U(K)具有一定初值。比例-积分调节器的参数可根据电力拖动自动控制系统中介绍的方法求取。若求得的比例系数KP =0.5，积分系数Ki=1，采用周期T=10ms，则KI=KiT=0.01。比例积分递推算式中的系数（KP+KI）=0.51，KP=0.5。11 调速操作与保护纸机启动前已把纸张安装在机器上，因此，要求启动从零平稳地达到给定过纸速度，不能出现阶跃信号给定的速度冲击。在运行过程中，调节过纸速度的上升或下降亦要求平稳地完成，不能出现转速突变。此外，纸机在达到了设定运行的纸张后，机器能自动从给定的线速度逐渐缓慢地下降到零。纸张运行过程中，如出现断纸现象，应要求立即停机。上述操作及保护功能的实现对单片机系统来说是十分简便的。为了使启动和调速过程中的速度变化平稳，单片机可采用给定积分的形式，也就是启动时，从零开始，每延时一段时间后便增加一定量，直到达到给定的过纸速度为止。调速时，速度的增加或下降都采用不断延时时，不断缓慢加减的方式。纸机运行过程中，是否出现断纸现象的检测来自光电信号，此信号经静态口线P3.3引入单片机内。为了区别是过纸出现空洞还是确实出现断纸现象，单片机根据无纸信号出现的长久加以判断。例如，当无纸信号持续1s后消失，说明无断纸现象，则微机系统仍然正常运行；如超过此时间后，无纸信号依然存在，则判断为出现了断纸现象，单片机立即停机。结 论通过这一段时间的毕业设计，使我对以前学过的知识有了更好的