基于80C196MC單片機(jī)的自動(dòng)定位系統(tǒng)

1引言?

包裝機(jī)上卷筒型包裝紙印有連續(xù)的商標(biāo)，當(dāng)機(jī)器開動(dòng)時(shí)，連續(xù)的標(biāo)紙由送紙輥牽引向機(jī)器內(nèi)輸送，再經(jīng)切紙刀輥將連續(xù)標(biāo)紙分切成單張的包裝紙。刀輥每旋轉(zhuǎn)一周，切下一張包裝紙，若要使實(shí)際切紙線與理論切紙線重合，送紙輥的直徑和單張包裝紙的長(zhǎng)度必須滿足嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系。由于送紙輥加工有公差，包裝機(jī)工作過(guò)程中卷筒的半徑逐漸減小，標(biāo)紙所受張力發(fā)生變化等等因素，使得刀輥切下的包裝紙和理論切紙線之間有偏差，即使這種偏差很小。例如，某張標(biāo)紙偏差只有0?1mm，刀輥速度為300r/min，機(jī)器運(yùn)行10min，累計(jì)偏差即達(dá)300mm。此時(shí)，包裝紙上的圖案就會(huì)明顯偏離正確位置，不符合工藝要求。然而，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們審美情趣的提高，人們對(duì)商品的包裝效果提出了更高的要求。為解決這一問(wèn)題，必須在包裝機(jī)上設(shè)計(jì)商標(biāo)自動(dòng)定位系統(tǒng)。?

2自動(dòng)定位系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理?

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為單片機(jī)控制的交流伺服系統(tǒng)，因?yàn)榻涣魉欧姍C(jī)與直流伺服電機(jī)相比，具有體積小、過(guò)載能力強(qiáng)、輸出轉(zhuǎn)矩大、不存在電刷磨損、無(wú)需經(jīng)常維修等優(yōu)點(diǎn)。而且由于無(wú)電刷壓降因素影響，因此可以達(dá)到很低轉(zhuǎn)速，并且有硬的機(jī)械特性。定位系統(tǒng)框圖如圖2—1所示，其調(diào)節(jié)原理為：在送紙輥上，光電裝置利用印在卷筒包裝紙上的色標(biāo)，即可檢測(cè)標(biāo)紙的輸送位置；與刀輥旋轉(zhuǎn)同步的光電碼盤通過(guò)光電裝置，可以反映刀輥的切紙時(shí)間；上述光電裝置產(chǎn)生的光電脈沖均送入單片機(jī)進(jìn)行邏輯處理，然后決定伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。伺服電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間由單片機(jī)的定時(shí)器中斷控制，以伺服電機(jī)的輸出作為補(bǔ)償量，它通過(guò)差動(dòng)輪系與主動(dòng)輪系相合成，帶動(dòng)送紙輥，從而補(bǔ)償?shù)遁亴?shí)際切線與理論切線的偏差，實(shí)現(xiàn)標(biāo)紙的自動(dòng)定位。?

3自動(dòng)定位系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)?

經(jīng)過(guò)比較，選用Intel公司的80C196MC作為系統(tǒng)的CPU。其性能優(yōu)越，功能強(qiáng)大，專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)，特別適用于與軸式光電碼盤和伺服電機(jī)接口。而且，與MCS—51相比，不僅在主頻和90°相移記數(shù)方式方面有很大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其片內(nèi)還增加了波形發(fā)生器和大量的存儲(chǔ)空間。考慮80C196MC 片內(nèi)有這樣豐富的硬件資源，本系統(tǒng)由80C196MC單片機(jī)組成最簡(jiǎn)單、最基本的單片機(jī)系統(tǒng)，如圖3—1所示。這樣，可以大大簡(jiǎn)化許多外部硬件和控制軟件，達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)的目的。?

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3.1存儲(chǔ)空間的確定?

80C196MC片內(nèi)存儲(chǔ)器容量可達(dá)65536Bytes,除了0000H～01FFH、1F00H～1FFFH和2000H～207FH 3個(gè)專用區(qū)及標(biāo)明“保留”的個(gè)別單元共896 Bytes外，其余都可作為程序存儲(chǔ)區(qū)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)或存儲(chǔ)器影射的外設(shè)區(qū)，共計(jì)64642 Bytes，約計(jì)64KB可用。因此，不需片外擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。?

3.280C196MC的前向通道設(shè)計(jì)?

單片機(jī)80C196MC的前向通道配置由光電開關(guān)、脈沖整形電路、光耦電路和緩沖電路組成。光電開關(guān)采用機(jī)電部電氣傳動(dòng)研究所研制的最新產(chǎn)品，光源進(jìn)行脈沖調(diào)制，GaAs紅外發(fā)光二極管，對(duì)外界雜亂光和電氣噪聲的抗干擾能力強(qiáng)。光電開關(guān)1LS和2LS檢測(cè)碼盤的旋轉(zhuǎn)位置，亦反映刀輥的旋轉(zhuǎn)位置，光電脈沖信號(hào)分別送入P1.0和P1.1腳，供邏輯處理用。光電開關(guān)3LS檢測(cè)卷筒包裝紙輸送位置，EXTINT為外部中斷輸入端，光電脈沖信號(hào)送入計(jì)數(shù)脈沖輸入端T1CLK，實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)的自動(dòng)計(jì)數(shù)。?

復(fù)位采用一種簡(jiǎn)單而又實(shí)用的上電及手動(dòng)復(fù)位電路，低電平有效，由腳引入。?

3.380C196MC的后向通道設(shè)計(jì)?

80C196MC的后向通道由緩沖電路、光耦電路、達(dá)林頓功放電路及固態(tài)繼電器等組成。由PWM0(P6.6)和PWM1(P6.7) 輸出定時(shí)和邏輯處理程序運(yùn)行結(jié)果，因PWM模塊本身包含脈沖寬度調(diào)制計(jì)數(shù)器和內(nèi)部時(shí)鐘，所以不必另增硬件，控制伺服電機(jī)運(yùn)行的時(shí)間。輸出信號(hào)經(jīng)固態(tài)繼電器 1SSR和2SSR控制伺服電機(jī)正、反轉(zhuǎn)。固態(tài)繼電器具有無(wú)機(jī)械噪聲、無(wú)抖動(dòng)、開關(guān)速度快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適合伺服電機(jī)正、反轉(zhuǎn)頻繁起動(dòng)。?

3.4系統(tǒng)顯示和鍵盤電路設(shè)計(jì)?

因80C196MC單片機(jī)本身的雙向I/O端口已經(jīng)夠用，故不須另擴(kuò)展并行I/O接口，可直接由P3和P4口建立顯示和鍵盤電路，設(shè)置6位LED共陰極顯示器，段選碼由P3提供，位選碼由P4口提供。鍵盤與顯示電路合并，列輸入依次由P4.1～P4.6提供，行輸出由P4.0提供，共設(shè)置6個(gè)功能鍵：?jiǎn)?dòng)、停止、增加定時(shí)時(shí)間、減少定時(shí)時(shí)間、顯示定時(shí)時(shí)間、顯示包裝數(shù)量。

3.5系統(tǒng)報(bào)警和停車電路設(shè)計(jì)?

由P2.1輸出邏輯處理程序運(yùn)行結(jié)果，再經(jīng)緩沖器、光耦和達(dá)林頓電路控制中間繼電器KA，從而實(shí)現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警和包裝機(jī)自動(dòng)停車。?

4自動(dòng)定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)?

在主傳動(dòng)軸上裝有光電碼盤，如圖4—1a所示，采用2圈光欄，可同時(shí)確定位置和方向，分別控制兩個(gè)光電開關(guān)1LS和2LS，碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)可產(chǎn)生不同時(shí)序的脈沖信號(hào)。碼盤分成4個(gè)控制區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)4種不同的工作狀況。?

①若標(biāo)紙的輸送速度與刀輥的線速度相等，則檢測(cè)卷筒包裝紙輸送位置的光電脈沖3LS出現(xiàn)在I區(qū)域，此時(shí)無(wú)需補(bǔ)償，伺服電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。?

②若標(biāo)紙的輸送速度落后于刀輥的線速度，則光電脈沖出現(xiàn)在Ⅱ區(qū)，此時(shí)要求伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)差動(dòng)輪系增加送紙輥的速度，從而使標(biāo)紙輸送速度得到正的補(bǔ)償。?

③若標(biāo)紙的輸送速度超過(guò)刀輥的線速度，光電脈沖3LS出現(xiàn)在Ⅲ區(qū)，此時(shí)要求伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，通過(guò)差動(dòng)輪系減慢送紙輥的速度，從而使標(biāo)紙輸送速度得到負(fù)的補(bǔ)償。?

④若是光電脈沖出現(xiàn)在Ⅳ區(qū)，說(shuō)明包裝紙圖案位置的偏差超過(guò)允許值，此時(shí)要求包裝機(jī)自動(dòng)停機(jī)，并由蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，停機(jī)后重新調(diào)整。?

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應(yīng)該指出的是，80C196MC中的EXTINT中斷不同于其它80C196系列的外部中斷，它是由波形發(fā)生器的保護(hù)電路產(chǎn)生中斷，可以選擇4種外部中斷的觸發(fā)方式：上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)、低電平觸發(fā)和高電平觸發(fā)。和邊沿觸發(fā)方式比較起來(lái)，電平觸發(fā)中斷更適用于噪聲環(huán)境中。本系統(tǒng)選用低電平觸發(fā)產(chǎn)生中斷的方式。有光照射時(shí)，光電開關(guān)向CPU輸入低電平“0”；否則輸入“1”。CPU輸出低電平“0”時(shí)，繼電器接通；否則繼電器斷開。依據(jù)上述控制原理和輸入輸出控制規(guī)律，可得輸入輸出時(shí)序圖(圖4—1b)，并寫出狀態(tài)表(見(jiàn)表4—1)。

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MCS—96布爾指令集，在解決邏輯控制問(wèn)題上是一個(gè)強(qiáng)有力的工具，所以求解上述狀態(tài)方程的程序十分簡(jiǎn)單。?

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利用80C196MC中PWM模塊本身包含的脈沖寬度調(diào)制計(jì)數(shù)器和內(nèi)部時(shí)鐘，能夠很準(zhǔn)確地控制伺服電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短，從而控制每一張標(biāo)紙的補(bǔ)償量。通過(guò)增、減定時(shí)時(shí)間的按鈕，可以很方便地修正定時(shí)時(shí)間。同時(shí)，利用80C196MC的定時(shí)器1記錄包裝機(jī)的生產(chǎn)量。系統(tǒng)主程序框圖如圖4—2所示。?

5結(jié)束語(yǔ)?

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便靈活，通過(guò)PWM可編程的占空比和頻率或功能鍵盤，可以很方便地調(diào)整控制伺服電機(jī)運(yùn)行的時(shí)間，以便產(chǎn)生精確的補(bǔ)償控制量，使刀輥實(shí)際切紙線與理論切紙線很好地吻合。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，屬80C196MC最基本、最簡(jiǎn)單系統(tǒng)，為日后開發(fā)、改造系統(tǒng)留有較大的裕量。?

以80C196MC單片機(jī)為中央控制單元的補(bǔ)償自動(dòng)調(diào)節(jié)定位系統(tǒng)，它比目前基于繼電器控制線路的傳統(tǒng)型包裝機(jī)，大大提高了自動(dòng)定位系統(tǒng)工作的可靠性和定位精度，減少了產(chǎn)品不合格率，可提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。具有一定的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

［參考文獻(xiàn)］?
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