剪板机的单片机控制设计说明书论文

- 1 - 摘要 本文根据实际工程自动化技术改造需要，完成了全自动剪板机智能控制系统的设计和调试。 说明书首先探讨了全自动剪板机智能控制系统的实现方案，根据实际需要，在常规的 PLC控制和单片机控制中选择了以单片机为主的控制方案。 然后分析了单片机在自动控制系统的应用，对硬件电路中的主要环节：如输入输出接口的扩展、键盘和显示器电路、步进电机的驱动控制、继电器及 CPU监控器 X25045电路等给出设计思路和具体实现方法。对软件设计中的主要环节：如编程器仿真器环境、控制软件流程、主要功能模块实现方法、软件调试等进行了论述。 考 虑到自动控制系统在实际工作环境中的可靠性和安全性，在硬件设计和软件编程中采取了抗干扰措施，如采用监控器芯片、设计检测工作状态程序等。 在设计自动控制系统的时侯，同时考虑今后技术改进和推广的需要，为系统的扩展留下了余地。 关键词 ： 自动剪板机 自动控制 单片机系统 硬件设计 软件编程 - 2 - Abstract According to the requirement of improving actual engineering automatic technology, the exploitation and debugging of the intelligent controlling system on complete automation board shears were finished in this paper. Firstly,the implement scheme of intelligent controlling system on complete automation board shears is discussed.according to the practical needs and requirement of clients,the SCM controller was chosen as main control scheme between the conventional PLC controller and SCM controller. Secondly,the executing organ needed in the automatic controlling system is analysed and then thedesign of mechanical part,such as the organ of feeding,the organ of precise length set and the organ of charge and discharge, is also finished. Finally, the application of SCM in the intelligent controlling system was analyzed. The designing idea and specific implement methods of the important section of hardware such as the expanding of I/O interface, the circuit of keyboard and display, the driving controller of step-by-step electric machinery, the circuit relya and CPU monitor were given. The main section of software such as the environment of programming editor and emulator, the flow chart of controller software, the implement methods of primary function module and the debugging of software wer discussed Considering the reliability and security of intelligent controlling system in the practical working environment, anti-jamming measure was adopted,such as usisng the COMS chip and designing the program to inspect working state etc. After it was debugged, the practical effect is very good. When designing the intelligent controlling system, the requirements of technology improvement and spread are also considered, which leaves the space for the extending of system. Keywords: complete automation board shears automatic control SCM system hardware designing software programming - 3 - 目 录 摘要 . 1 Abstract . 2 第一章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 课题研究目的与意义 . 1 1.3 低成本自动化概述 . 2 1.4 智能控制理论的发展及其应用现状 . 3 1.5 本课题的研究任务和工作 . 5 第二章 系统方案分析 . 7 2.1 总体方案分析 . 7 2.2 控制系统实现的总体设想 . 9 第三章 步进电机的单片机控制技术 . 13 3.1 概述 . 13 3.2 步进电机的选用 . 13 3.3 步进电机的驱动电路设计 . 17 3.4 步进电机的单片机控制 . 19 3.5 步进电机加减速控制查表法设计 . 26 第 四 章 控制系统硬件电路 设 计 . 35 4.1 系统硬件电路的基本组成 . 35 4.2 系统硬件电路设计原则 . 35 4.3 AT89C51单片机芯片简介 . 36 4.4 控制系 统扩展接口设计 . 37 4.5 主板硬件电路设计 . 39 4.6 输入电路设计 . 43 4.7 输出电路设计输出电路分为三部分 ： . 45 4.8 抗干扰电路设计 . 47 4.9 其它电路设计 . 48 第 五 章 软件设计 . 49 5.1 汇编语言及编程环境简介 . 49 5.2 系统程序设计 . 50 5.3 X25045程序模块设计 . 58 5.4 软件抗干扰设计 . 59 第 六 章 结论 . 62 参考文献 . 64 致谢 . 65 附录：英 文技术资料及翻译 . 66 第 1 页 共 74 页 第一章 绪 论 1.1 课题背景 自动化技术是本世纪以来发展极其迅速和影响极大的科学技术之一。现代自动化技术是一种完全新型的生产力，是直接创造社会财富的重要手段，对人类的生产活动和物质文明起着巨大的推动作用。因此，受到世界各国的广泛重视和越来越多的应用。 机械自动化，主要指在机械制造业中应用自动化技术，实现加工对象的连续自动生产，实现优化有效的自动生产过程，加快生产投入物的加工变换和流动速度。机械自动化技术的应用与发展，是机械制造业技术改造、技术 进步的主要手段和技术发展的主要方向。机械自动化的技术水准，不仅影响整个机械制造业的发展，而且对国民经济各部门的技术进步有很大的直接影响。因此，发展我国的机械制造业自动化技术，符合我国社会主义的基本原则，符合我国现代生产的发展规律。 发展我国的机械自动化技术 .应实事求是，一切从我国的具体国情出发，走中国的机械自动化技术发展之路。当前，我国机械制造业中自动化装备少、水准低，不仅在数量上同世界先进国家有较大差距，而且在品种上、质量上、应用上，同世界先进水准也存在阶段性差距。在这种国情下，要把庞大的劳动力大军从机械 制造业生产岗位上撤下来，投入巨额资金改造现有的大量落后设备和研制大量的现代自动化装备及控制装置，在科学技术水准和人员素质不太高的情况下采用先进的技术装备，都是不现实的。而大力发展低成本自动化技术，却是潜力大，前景广，投资省，见效快，可以收到事半功倍的经济效果，适合我国现阶段的发展需要和国情。 我国机械制造业存在大量的通用设备，在发展现代机械自动化技术时，可以应用微电子技术改造这些已有通用设备。比如用数显、数控装置改造通用设备，提高单机自动化程度；用可编程序控制器改造通用机床、专用机床、组合机床及其自动设备与半自动设备组成的生产线，这样可以把计算机功能完备、编程灵活、适应性强的优点和继电器控制简单、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来。这是一条低成本、高效益、符合我国国情的机械自动化技术发展应用新途径。 1.2 课题研究目的与意义 以计算机为核心的自动化技术是我国工业重点发展的高科技领域之一。工业自动化技术是推动我国科技进步、推动国民经济发展的重要手段。不断采用最新的电子信息技术来装备和改造传统产业，是我国进行现代化建设的必由之路。 上世纪 80年代后期，随着单片机技术的发展，传统机械设备的控制柜逐渐被新一第 2 页 共 74 页 代的智 能化仪表所代替。对于日益复杂的控制功能，传统控制柜显得无能为力，而单片机具有可编程序的特点，运行时可以根据要求，自动选择控制算法，适应性强；单片机采用以软件代替硬件的方法，可以简化线路，使仪器的性能价格比不断提高。本文的研究目的，在于探索在板材加工中，应用单片机控制技术，实现板材加工的自动控制。 在板材加工系统中，板料长度检测、板料进料、压紧、走刀、落料、长度调整等过程必须按一定的节拍一定的控制精确度动作。而且，不同长度、不同厚度、不同材料的扳材，各动作行程、先后顺序、刀具位置等要求都不一样。对于这样的控制 要求，传统控制柜很难实现，采用 PLC控制器价格又高，一些中小企业就采用人工控制，这不仅影响产品的质量，而且加工车间噪声大、粉尘多，操作人员的劳动条件十分恶劣。 随着现代控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，机械加工过程采用计算机控制为加工过程的规范化、标准化创造了条件，同时也可以大大地改善操作人员的工作环境。设各自动化是提高生产效率，增强竞争能力的保证。更新和改造传统设备是设备实现现代化的两个重要途径。采用新的低成本自动化技术改造老设备，是提高企业经济效益的好办法。 1.3 低成本自动化概述 设备老化是制约 技术创新的重要因素，应有目的，分层次地更新老设备，有重点地提高机械工业的装备技术等级，并根据国力，结合国情，逐渐地推进机械工业向技术密集产业方向发展，促使劳动生产率的提高。 低成本自动化 (LCA Low Cost Automation)是为了适应中小企业实现综合自动化的低成本自动化技术，也就是充分利用现有设备的潜力，以较少的投入实现基础自动化或局部综合自动化，提高生产效率和企业的竞争能力。这项研究领域受到越来越多人的关注。 1.3.1 低成本自动化 (LCA)主要特点 1)技术经济效益显著。产出投入比高。投资 回收期短，一般在 1-2年内即可全部回收投入的资金； 2)不要求对已有生产制造工艺过程做出重大改变，投资风险小 ; 3)实行 LCA在企业中构成了弱联系的自动化独立岛，需要充分发挥职工的主观能动性； 4)能够采用“短，平，快”的高新技术实现 LCA。它以高效、实用和可靠为目标，不需要处处追求最新的技术成就，应该做到“少花钱，多办事，办好事”。 第 3 页 共 74 页 1.3.2 低成本自动化系统的设计原则 通常进行系统设计既要系统先进自动化程度高，又要投入尽可能低。要解决这个基本矛盾，必须综合考虑多方面因素，在尽可能压低投资成本的前提下， 按一定设计原则实施。 1)满足需要原则。即把满足用户对产品功能及自动化水平等要求作为设计的中心任务。 2)最 小系统原则。即在考虑满足要求的前提下，用最简单的硬件、软件，最经济的方法构成系统，使系统的硬件及软件冗余功能最小。 3)可靠性原则。即在规定条件下和规定时问内无故障地完成某种功能的能力。 4)匹配性原则。要求系统各组成部分在功能和水平上尽可能接近一致，电平上相互匹配，以求功能得到充分利用。 5)标准化、系列化、通用化原则。对系统的元器件选择应尽可能使用标准化、系列化、通用化产品或己使用过的较成熟的组件 或子系统。控制部分尽可能使用专用模块、系列化的控制器及总线模块。以求降低研制成本，缩短开发周期，增强抗干扰能力和改善维修条件等。 6)先进性原则。在满足经济性能前提下，尽可能采用新的技术与方法，充分利用社会已取得的成果，如己发展成熟的新技术、新工艺及新的元器件等，使原有设备结构更加简单、功能更强、可靠性更高，体积重量更小更轻，操作与维修更加简便。 1.3.3 在我国发展低成本自动化的重要性 我国工业自动化总体水平不高。由于我国对设备折旧率的规定，设备更新较慢，期以来在很多行业普遍存在着耗能大效率低等弊端。 改革开放以后一些行业陆续引进了国外先进的生产线、新技术、新器件，使机械行业的面貌发生了巨大的变化。但是，对引进设备的消化吸收工作仍然做得不够，受财力因素的制约，只能不断引进必要的关键性设备，不可能全部依赖引进。这样，对正在使用的设备来说，如果它在生产原理方面与国外设备没有实质的不同，而设备的主体部件又比较耐用，那就可以充分利用已有设备、挖掘潜力，采用低成本自动化技术，在不停产或少停产的情况下，实施技术改造，达到少的投资，快的速度，高的效益。 上述设备在我国的机械行业恰恰是大量存在着的，用新的全套设备来取代， 经济上不许可，企业中的技术力量也难于胜任。发展低成本自动化是促进技术改造的有利手段，具有很好的前景。 1.4 智能控制理论的发展及其应用现状 自从 1932年奈魁斯特 (Hnyquist)发表了有关反馈放大器的稳定性论文以来，控制第 4 页 共 74 页 理论的发展已走过了 60多年的历程，其中前 30年是经典控制理论的成熟和发展阶段，后 30年是现代控制理论的形成和发展阶段。经典控制理论主要研究的对象是单变量定常线性系统。到了 60年代，经典控制理论已经成熟 .同时由于计算机技术的成熟和发展，以及多输入一多输出线性系统的控制需要，促使控制理论由 经典控制理论向现代控制理论过渡。 现代控制理论以庞特亚金的极大值原理、贝尔曼 (Belman)的动态规划、卡尔曼(Kalman)的线性辨识和估计理论为基石，形成了以最优控制 (二次型最优控制、 HX控制等 )、系统辨识和最优估计、自适应控制等为代表的现代控制理论分析和设计方法。系统分析的数学模型主要是状态空间描述法。然而，在现实生产实践中，许多复杂的生产过程不是连续的，而有些过程的控制目标本身难以定量研究，因此需要与数据处理方法、规则、经验相结合，才能取得满意的控制效果。智能控制是一门新兴的学科，它的发展得益于许多 学科，其中包括人工智能、认知科学、现代自适应控制、最优控制、神经元网络、模糊逻辑、学习理论、生物控制和激励学习等。上述各学科均以不同侧面反映了智能控制的要求、理论利方法。 1966年， J.M.Mendel首先提出将人工智能用于飞船控制系统的设计。 1971年，著名学者 K.S.FU(傅京逊 )从发展学习控制的角度首次提出智能控制这一概念，它在文献中归纳了三种类型的智能控制系统。 1)人作为控制器的控制系统。由于人具有识别决策和控制等功能，因此对于不同的控制任务、不同的对象及环境情况，人作为控制器的控制系统具有自学习 、自适应和自组织的功能，能自动采取不同的控制策略以适应不同的情况。 2)人机结合作为控制器的控制系统。在这样的系统中，机器完成那些连续进行的并需要快速计算的常规控制任务，人则完成任务分配、决策、监控等任务。 3)无人参与的自主控制系统。最典型的例子是自主机器人，这时的自主式控制器需要完成问题求解和规划、环境建模、传感信息分析和底层的反馈控制等任务。它实际上是一个多层的智能控制系统。 1985年 8月， IEEE在美国纽约召开了第一届智能控制学术讨论会。来自美国各地的60位从事自动控制、人工智能和运筹学研究的专家 学者参加了这次学术讨论会。会上集中讨论了智能控制原理和智能控制系统的结构。这次会议后不久，在 IEEE控制系统学会内成立了 IEEE智能控制专业委员会。 1987年 1月，在美国费城的第一次国际会议，来自美国、欧洲、日本、中国以及其他发展中国家的 150位代表出席了这次学术盛会。提交大会报告和分组宣读的 60多篇论文以及专题讨论显示出智能控制的长足发展；同时也说明了由于许多新技术问题的出现以及相关技术的发展，需要重新考虑控制领域和相近学科。这次会议是个里程碑，它表明智能控制作为一门独立学科，正式在国际上形成。 智能控制 作为一门新兴学科，还没有形成一个统一的完整的理论体系。智能控制第 5 页 共 74 页 研究所面临的晟迫切问题是：对于一个给定的系统如何进行系统的分析和设计。把复杂环境建模的严格数学方法研究同人工智能中的新兴学科分支“计算智能”的理论方法研究紧密地结合起来，有望导致新的智能控制体系结构的产生和发展；并预示这种研究将在“自上而下”和“自下而上”两个方向工作的交汇处取得突破性的进展，使智能控制系统的研究出现新的局面。综上所述，智能控制理论的研究领域相当广泛，且存在的问题也相当多。 智能在工业应用领域，意味着大量使用智能仪器 (Intelligent Instrument)，通常是指含有各种形态的计算机并可以通过编程的方法实现其功能的仪器。嵌入到仪器中的计算机必定是微型计算机，故也把智能仪器称为微机化仪器。 就广义来说，智能控制是指能随外界环境变化自主选择正确行动的能力。人工智能的创始者之一，获得诺贝尔奖的西蒙指出：人工智能的研究目的是在于学会编制计算机程序来完成机智的行动，这包括解决问题、学习、推理和做出决定。在信息科学中，信息技术发展分为信息化，自动化、最优化和智能化四个层次。智能化包括理解、推断、判断与分析功能，它是数值、逻辑、和知识经 验综合分析的结果：知识的表达和应用是智能化的标志。 从信息科学的智能概念来看，目前的智能仪器还处于智能化的低级阶段。但相对于传统仪器而言，这种仪器已能实现自动参数补偿、自动量程选择、自动校准。 1.5 本课题的研究任务和工作 本说明书的任务是结合钣金机械加工厂家的技术改造需要，在现有普通剪板机的基础上设计开发全自动剪板机控制系统，实现加工过程自动化，提高现代化水平。全自动控制器主要组成部分有单片微机、接口扩展电路、键盘输入显示电路、信号采集电路及输出驱动部分等组成。设计时根据功能需要选择控制精度高、灵活性 适应性好、成本低的控制器。通过各种控制电路的优劣对比、分析计算确定合理的控制电路，选用适当的集成电路芯片和电子元件完成组装测试。在电路设计中注意抗干扰设计。 1、控制系统软件设计 通过编程，完成全自动生产过程的控制，实现数据显示、实时信号采集、计算分析及实时控制处理。编制好控制软件并进行软件的仿真调试和修改。 2、软硬件联调 由于实际情况与理论推导可能不一致，或者考虑问题不全面，难免出现故障和问题，需要认真分析与排除，在失败和不足中总结经验，改进系统设计。 3、完成课题说明书 第 6 页 共 74 页 根据自动剪板机的工作原理及控制 器的功能要求，论证自动剪板机控制系统的实现方案。说明控制系统构造及配套执行机构设计，分析单片机在智能控制过程中的应用，针对控制器硬件主要环节、控制信号采集和电机驱动控制及人机交互等，从设计思想、实现原理、调试方法等角度进行了必要阐述。结合操作要求，介绍控制器的软件实现过程。并针对控制器的运行环境，就现场抗干扰的对策进行具体分析，说明利用软件和硬件措施确保系统可靠运行。 第 7 页 共 74 页 第二章 系统方案分析 目前，工业现场控制方法常用的有两种：一是采用可编程序逻辑控制器 (PLC)系统；二是采用单片机控制系统。其性能比较如下 ： PLC系统不需要附加硬件设计且软件编程简单，设计周期短，开发费用低。但是，PLC控制器价格高。工作速度比计算机慢，输出对输入的响应有滞后现象，对使用者文化水平有较高的要求。单片机控制系统需自行设计硬件电路，软件编程较 PLC控制系统复杂很多，设计周期较长，开发费用高。但是单片机控制器成本低，去掉复制及开发成本。而且灵活性更好，功能强大，体积小，易于产品化。工业用单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，它能够适应工业现场恶劣的环境，抗干扰能力强，所提供的接口丰富，指令系统强大，容易根据需要进行扩展构成各种 规模的应用系统。 通过综合考虑设备的性能 /价格比、显示直观性、外表美观性、灵活性等诸方面网素，本设计采用单片机控制系统。本章根据自动剪扳机对控制系统的要求进行设计方案分析。 2.1 总体方案分析 2.1.1 对控制系统的要求 根据剪板机的工作特点，对控制系统提出控制要求如下： 1)上电后，检测各工作机构的状态，控制各工作机构处于初始位置。 2)进料，由控制系统控制进料机构将待剪板料自动输送到位。 3)定剪切尺寸，采用伺服 电机控制挡料器位置保证精确的剪切尺寸，其尺寸可以是定值也可以设置 为循环变动值。 4)压紧 和剪切 .待剪板料长度达到设定值后由主电动机带动压料器和剪切刀具，先压紧板料 .然后剪断板料。 5)挡料器让刀并移动到下一定长位置。 6)板料托架及旋转卸料。 7)送料车的运行，包括卸载后自动返回。 8)剪切板料的尺寸设定、自动计数及每车板料数的预设定。 9)具备断电保护和来电恢复功能。 10)实现加工过程自动控制，加工参数显示，系统检测和异常报警。 11)保证板料加工精度、加工效率和安全可靠性。 第 8 页 共 74 页 12)具有良好的人机操作界面。 2.1.2 机械系统的结构组成及工作原理图 自动剪板机是一种精确控制板材加工尺寸 ，将大块金属板材进行自动循环剪切加工，并由送料车运送到下一工序的自动化加工设备。 图 2.1全自动剪板机结构组成及工作原理图 其 工 作流程及原理是： 1)开机后，输入板料加工尺寸、加工数量等参数，点击自动键，系统自动运行。 2)系统首先检查回零开关 ST3状态，挡料器不在零位置则启动步进电机带动挡料器回零，挡料器在零位置则检查小车的状态开关 ST5；若料车空载，就启动送料小车，使之左行到位，小车到位开关 ST4闭合小车停机。 3)挡料器运动至加工尺寸位置。 4)启动进料机构，带动板料向右移动。 5)当板料碰到挡料 器定长开关 ST2时，送料停止，同时制动器松开、电磁离合器结台，主电动机通过传动机构使压料器压下，压料器压紧行程开关 ST1闭合。 6)板利压紧触发步进电机带动挡料器让刀，完毕后主电动机带动剪刀下落剪断板料，接着电磁离合器断开主电动机传动，刀具和压料器在弹簧力作用下撤回，制动器制动。 7)卸料离合器结合，主电动机通过传动机构带动托架转动，剪切的板料滑入料车，卸料检测开关 ST8闭合，卸料离合器松开。 8)步进电机带动挡料器运动到下次加工尺寸位置。 9)剪好的板料由压块下压次数来计数。当料车上板料没达到设定数时，系 统自动循环加工，多次循环后，回零修正定长累积误差再返回。 10)当达到设定满车数量时，起动料车电动机带动料车右行，将板料送至下一工序位置即到位开关 ST7闭合。 11)卸载后，再启动料车左行，返回到剪板机下，进入下一车的工作循环。 2.1.3 剪板机的主要技术参数： 第 9 页 共 74 页 设计 对象是 Q-11型机械式剪板机。 工作原理：交流电机通过皮带轮、减速齿轮、飞轮带动主轴，主轴装有两个曲柄连杆机构 (偏 心 轮机构 )并带动滑动刀架做上下往复运动，实现剪切刀剪断板料。其中为了实现对主轴带动偏 心 轮机构的控制采用了电磁离合器和制动器。其铭 牌参数见表2.1。 表 2.1 Q-11型剪板机参数 2.2 控制系统实现的总体设想 全 自 动 剪 板 机 的 控 制 系 统电 气 部 分软件部分单片机最小系统电路伺服电机用其驱动电路交流电机及电磁离合器驱动电路工作状态检测电路5V,12V等稳压电源电路机 械 部 分自动进料机构挡料定长机构托料卸料机构小车送料装置图 2.2 总体方案设计简图 2.2.1 数控系统工作主电路 型号 Q-11 额定功率 3KW 剪切频率 32次 /分 剪板厚度 3mm 板宽 1200mm 出厂日期 05年 1月 第 10 页 共 74 页 图 2.3 自动剪板机的主电路图 各机构的运动动力来自电机，根据控制的特点和 经济性要求，采用交流电机来 实现进料、小车送料、托架下料，采用伺服电机控制挡料器精确定长。为了实现对交流电机的控制采 用图 2.3所示主电路，其中 KM1、 KM2、 KM3为中间继电器。 KM1控制进料电机， KM2、 KM3控制送料小车电机。 M1为剪切主电机， M2为进料电机， M3为小车电机。因为本系统为经济性数控系统，所以伺服电机采用步进电机，采用开环控制。本控制系统需要完成对工作机构的控制情况如下： 1)进料控制，执行器件为进料电机，通过对进料电机的起停控制，实现进给机构输送板料 ， 停止输送板料的控制。 2)刀具剪切控制执行器件为电磁离合器和电磁制动器。通过控制主电机传动路线中的电磁离合器，控制传动机构带动刀具完成向下剪切板料，撤回 利用弹簧完成。为了防止惯性造成连续剪切需要控制制动器剪切一次制动一次。 3)托架转动卸料控制，执行器件为电磁离合器。通过控制电磁离台器，控制传动机构带动托架完成转动卸料，复位利用弹簧完成。 第 11 页 共 74 页 4)小车往返运动及停止 控制执行器件为小车电机，通过控制小车电机的起停正反转，控制送料小车在剪扳机与下一工位往返送料。 5)挡料器定位控制执行机构为步进电机，通过对步进电机的运动步数和方向的控制，实现挡料器的前进和后退，完成板料剪切长度尺寸的定长功能。 其中， 1)、 4)执行机构都可采用强电、开关量控制。因单片机控制器是低压 直流输出，所以，我们使用了中间继电器作为控制器输出的第一级执行机构，通过继电器的触电控制大功率接触器的通断，从而控制交流电机的起停。 2)、 3)执行机构中的电磁离合器、制动器需要采用专用输出驱动控制电路。 5)的执行器件步进电机采用专业厂生产的或自行设计的驱动控制电路来控制。 2.2.2 系统控制器硬件及软件总体设想 1、硬件部分 考虑到系统的可靠性及安装的方便性，控制器硬件的设计分为三部分：主板部分、输入显示部分及输出部分。 1)主板部分完成信息处理和信号传输。布置在主板上的部件有：单片机 AT89C51、看门 狗 X25045、扩展接口芯片等。 单片机 AT89C51主要用于信号的采集、数据处理、控制信号的输出等，它是整个控制设备的核心。 X25045芯片在本系统中承担两方面的工作，一是看门狗功能，在系统遇到干扰，程序跑飞时，对系统复位。二是其内部具有的 512字节 EEPROM，在断电后用 于对关键数据进行保护，如：剪切次数、当前加工尺寸、各个工作机构当前状态等。 输入输出接口扩展芯片，主要考虑到采集各个工作机构当前状态信息、接收键盘输入信号及输出显示信号和执行机构控制信号。 2)输入显示部分完成键盘信息输入和 工作 状态显示。布置在输入显示板上的部件有显示器、键盘、及操作面 板等。采集工作状态数字量信号的电路另外做一块板。 键盘在本系统中完成加工参数的输入及干预信号的输入，如：各种手动操作、加工尺寸数量的设定、加工方法的选定、急停等，通过对剪板机整个生产过程的分析按键需要 18个，可使用薄膜开关矩阵键盘。 显示器，本系统对显示功能要求不高，采用一般的 LED八段码就能满足要求，需要显示八位数字。 3)输出部分完成控制信号的输出，驱动各执行元件控制元件工作。布置在输出板上的电路有：变压器电路、继电器驱动电路、步进电机驱动电 路、电磁离台器电磁制动器驱动电路等电路。分别布置在多块电路板上。 变压器用于将 220V强电转换为 24V、 12V和 5V弱电，为电磁离台器、继电器和单片机提供电源。 第 12 页 共 74 页 中间继电器在本系统中主要用于实现强、弱电的隔离，即将单片机输出的弱电信号转换为强电信号，实现系统对交流接触器及电机的控制。 交流接触器用于对强电回路进行控制，其触点接于电机回路中，线圈的控制信号来源于中间继电器的输出。 步进电机驱动电路用于光电隔离功率放大，将弱电信号转换为强电信号实现对步进电机的驱动。 电磁离合器在本系统中主要用于控制剪 切压料和卸料机构动作，控制电路需要控制 24V直流电对离合器电磁线圈通断电，使离台器结合脱离。电磁制动器控制电路与电磁离合器相同。 4)元器件的选用： 本控制系统使用到的主要元器件列于表 2.2。 表 2-2 主要元器件列表 序号 名称 型号 功能 1 单片机 AT89C51 2 接口扩展芯片（ 1） 8155/8255/8279 接收键盘输入 /输出显示 3 接口扩展芯片（ 2） 74LS273/8155/8255 采集信号输出电机控制信号 4 LED 数码管 八段五联和三联的 显示 5 看门狗芯片 X25045 断电参数保护和程序复位 6 中间继电器 JZC-33F 强弱电转换 7 按键 开关矩阵键盘 8 光电耦合器 TLP521 9 锁存器 74LS373 10 变压器 12V/5V/24V 输出 11 行程开关 检测工作状态 2、软件部分 根据剪切板料的自动化过程，设计顺序动作控制程序。采用模块化结构进行设计。为了保证加工尺寸的精度，设计的程序必须能控制步进电机在加速减速过程中不失步不过冲。设计掉电保护程序保存工作状态信息和加工参数，以便恢复生产。设计意外急停功能及手动操作和单 步调整程序。 2.2.3 系统控制器的电源 为了使系统能够可靠的工作，单片机的电源与外部控制通道的电源必须隔离。在这里，我们将外部 220V交流电通过变压器变压后得 5V、 12V及 24V交流电，再经整流、滤波、稳压得到 5V、 12V及 24V直流电。其中 5V为单片机供电， 12V为继电器供电， 24V为电磁离合器和电磁制动器供电。步进电机的电源根据需要单独配置。 第 13 页 共 74 页 第三章 步进电机的单片机控制技术 3.1 概述 步进电机广泛用于各种自动控制系统中，作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一。随着微电子技术和计算机技术的 发展，步进电机的需求与日俱增，应用范围也在不断扩大。步进电机的发展史可以追溯到 1831年 .当时其性能不是很好。到了本世纪初，西方各国蓬勃发展的造船业推动了步进电机的进一步发展。 20世纪 50年代晶体管技术的出现促使步进电机向小型化发展迈进了一步。数控机床的出现使步进电机的应用和发展进一步加深。 80年代，由于廉价的微型机算汁以多功能的形式山现，使步进电机的控制性能更加灵活多样。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受 负载变化的影响。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 3.2 步进电机的选用 3.2.1 步进电机的选择 步进电机选择需要遵循下述程序： 1、先选择要素。机械要素指负载转矩 1T 和负载惯量 1J 。时间要素指加速时间 1t 和2t (即从 1t 开始加速到 2t )和运行时间。 2、确认脉冲频率。其依据是将物体移动到目标位置的时间。 脉冲频率 360转 速 (rpm)/(60 步距角 )HZ (3.1) 3、计算需要的运行转矩。电动机带载运行所需的转矩为 aTTT 1(3.2) T 需要的运行转矩， kg.cm 1T 负载转矩， kg.cm aT 惯性体的加速转矩， kg.cm 负载转矩由实测或估算得到，惯性体的加速转矩可按下式计算 第 14 页 共 74 页 加速时间电动机希望的脉冲速率步距角驱动物的转动惯量 18014.3807.9aT(3.3) 4、决定电动机的型号。根据己得到的脉冲速率和运 行需求的转矩，从电动机产品的矩频特性曲线上选取 2 3种可用的电动机。 5、验证。根据选中的电动机，结合转子惯量再次用需要的运行转矩公式验算。将计算值再次与矩频特性曲线对照，确定是否在该曲线内侧，直到确定一种电动机。 3.2.2 实际应用设计计算 具体到本控制系统的实际挡料器定位机构，步进电机工作的己知条件为：挡料器在导轨上的滑动部件总重