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1、2012届本科生毕业论文 绕线机的单片机控制系统设计 （论文） 院 系： 机电工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 姓 名： 指导教师： 毕业论文诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文单片机剪切机控制系统是本人在指导老师的指导下，独立研究、写作的成果。论文中所引用是他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人独自承担。 毕业论文作者签名： 2011年 12月 5 日 基于单片机的绕线机控制系统的设计目录摘要2第一章 绪论31.1提出问题确定设计方案31.2研究方法和内容51.3本课题的研究意义和发展趋势6第二章 控制系统硬件电路的设计72.1
2、开关量接口电路72.2 扩展RAM接口电路112.3 复位、时钟中断部分电路162.4 执行机构接口电路192.5 键盘和显示部分接口电路22第三章 控制系统软件的设计263.1 RAM地址分配及初始化263.2 控制系统主程序的设计293.3 控制系统子程序的设计31第四章 控制系统可靠性设计、综合调试和误差分析344.1 控制系统可靠性设计344.2 控制系统的综合调试354.3 误差分析36第五章 总结与展望37致谢38参考文献39附录一40附录二44附录三51摘要PLC绕线机存在着成本高，更换绕组品种困难，工作方式单一和人机交互不便等缺点。 原来的PLC绕线机生产的绕组已很难满足不断发
3、展的机电产品的要求。为解决此问题，我们研制了一种能代替PLC控制系统的新的控制系统单片机控制系统。本文论述了绕线机单片机控制系统的设计方法和过程，包括：硬件设计、软件设计、可靠性设计等方面。硬件电路采用89C52单片机、先进的接口技术和大规模的集成电路设计而成。精密排线是通过单片机输入的CP脉冲信号和方向信号准确控制步进电机的步进、跳段等工作状态来实现的。方便良好的人机交互界面是用8279键盘/显示集成芯片来实现的。本绕线机控制系统，既可以预先设定800种规格或型号的绕组，又可以根据用户需求随时设定新型绕组。单片机控制系统的绕线机具有自动化程度高、成本底、体积小、控制精确等优点，具有很好的经济
4、效益和广阔的发展前景。 关键词：绕线机 单片机 控制系统 ABSTRACT PLC winders have many disadvantages, such as not accomplishing accurate winding threads, being difficulty in work patterns and being not convenient in the exchange between people and machines. Winders controlled by PLC have not been satisfied with the mechanical
5、 and electrical products need. To overcome these problems, we researched into a new control systemSCM system for winder, This paper introduced the design method and reach process of SCM system for winder, including hardware design, software design, reliability design and so on. Hardware circuits are
6、 designed by means of 89C52, advancing interface technology, large integrated circuits and so on. Accomplishing accurate wind thread relies on the SCMCP pulse and direction signal, which can accurate control step motors step moving and jumping. The convenient control system can not only design 800 k
7、inds of winding in advance, but also design winders at any time. SCM winders have many advantages, such as automatic work, price in prospects. The research success of SCM system for winder marked great advancement in the development of winder. Key words: wind SCM control system 第一章 绪论1.1 提出问题确定设计方案一
8、、问题的提出现行的绕线机主要是PLC绕线机，这种绕线机存在着更换绕组困难人机交互不便，工作方式单一，整个控制系统体积大。成本高等缺点。尤其是随着机电产品对绕组质量要求的不断提高，原有的控制系统已很难实现高质量绕组的要求。为此迫切要求有新型的绕线机的出现。二、明确课题任务本单片机控制的绕线机是用来生产机电产品所使用的绕组，为了实现高质量的绕组，绕组的生产过程必须有一套精密的自动控制系统来实现，对控制系统的要求是：1、提高绕组质量，实现精密排线。2、整个控制系统自动化程度高、控制精确、操作简便，成本低，体积小。3、有一个方便良好的人机界面，设计一个输入键盘和两个显示部分，一部分显示出：绕组规格的编
9、号、绕组的总匝数、慢绕匝数、跳距、排幅和线径等数据，另一部分指示出工作状态。4、厂家既可以预先设定800多种绕组，又可以根据用户需要随时设定新型绕组。5、绕线机工作系统方框图和单片机控制系统方框图参见图1-2-1和图1-2-2。三、确定设计方案明确课题任务后我们认为单片机控制系统能代替原来的PLC控制系统，并能很好的满足对绕组质量的要求。方案如下：1、 确定系统的I/O点数和通道：(1)输入量点数的确定：系统的输入量主要包括：主轴电机的测速信号、键盘输入和一组开关量输入。其中开关输入量有8个，分别是：左限、右限、起止位置、断线、起止位置、断线、热继电保护器、气压欠压、刹车、脚踏。(2)输出量点
10、数的确定：输出量包括： 驱动步进电机的信号(2个)、驱动继电器工作的信号(5个)、驱动工作状态的指示灯、驱动键盘显示器18位7段LED数码管。 (3) 输入输出通道： 除了键盘显示器输入输出外，输入通道2个分别是：转速检测信号的输入通道和开关输入量的输入通道。输出通道3个，分别是：驱动步进电机信号的输出通道、驱动继电器执行机构的输出通道、驱动工作状态指示的通道。2、 选择单片机：根据控制系统所需要的控制精度、响应速度、开发环境、I/O点数、输入输出通道数等情况，选择了MCS-51系列的8位单片机89C52，它具有8KEEPROM，256B RAM，全双工UART与8032 完全兼容。3、 确定
11、存储器和键盘显示器： 单片机运行的程序存放在存储器ROM中，其中有关的数据和参数存放在RAM中。本单片机控制系统选择的是intel2732EPROM芯片。 8279是INTER公司生产的可编程键盘/显示I/O专用芯片，8279能够以较简单的硬件电路和较少的硬件开销实现单片机与键盘和显示器接口。利用8279，可以实现对键盘/显示器的自动扫描，并识别键盘上闭和的键号，不仅可以大大的节省CPU对键盘/显示器的操作时间，而且显示稳定、程序简单很少出现误操作。因此，本设计键盘/显示器部分选用8279芯片。4、 设计绕线机工作系统方框图： 如图1-2-1所示，是绕线机工作系统方框图。(1) 绕线机的工作过
12、程： 用一个3K的三相异步电动机，通过皮带轮带动绕线机主轴的转动，丝通过丝杠上的穿孔送到绕线机绕组的模子上。由步进电动机带动主轴的转动和三相步进电动机推动丝杠的步进来完成绕组的绕线过程。绕组的模子套在绕线机的主轴上，绕线机的主轴由汽缸固定，脚踏开关控制汽缸的动作来完成装载和卸下绕组模子的工作。电磁刹车阀可以用单片机控制系统控制，也可以由操作工手动控制。通过单片机发出的信号去控制变频器，在由变频器控制主轴电机的速度，变频器有快速、慢速、停三个控制挡。步进电机的运动由步进电动机控制/驱动器控制的。 5、 设计单片机控制系统方框图：如图1-2-2所示，是单片机控制系统的方框图。其中转速检测接口电路、
13、开关输入量接口电路、步进电机接口电路、执行机构接口电路与 单片机连接。1.2 研究内容和方法本课题的主要任务是设计一套绕线机单片机控制系统，主要研究内容和方法如下：一、 研究内容1、 主要研究内容是：通过单片机控制系统对步进电机的工作状态和主轴转速的控制，实现不同尺寸线径的精密排线。2、 用LED显示器组成的高亮度的显示电路完成数据的输入输出显示，包括绕组型号及其地址、匝数、慢绕匝数、线径排幅和跳距等。3、 用LED发光管完成工作状态的指示。4、 设计单片机控制系统的硬件电路。5、 编制控制系统的软件二、研究方法主要的研究方法是：用单片机及其接口技术，通过软硬结合，实现对绕线机工作状态的自动控
14、制和精确控制，以实现不同尺寸线径的精密排线。用一个三相异步电动机，通过皮带轮带动绕线机主轴的转动，丝通过丝杠上的穿孔送到绕线机绕组的模子上。由步进电动机带动主轴的转动和三相步进电动机推动丝杠的步进来完成绕组的绕线过程。绕组的模子套在绕线机的主轴上，绕线机的主轴由汽缸固定，脚踏开关控制汽缸的动作来完成装载和卸下绕组模子的工作。电磁刹车阀可以用单片机控制系统控制，也可以由操作工手动控制。通过单片机发出的信号去控制变频器，在由变频器控制主轴电机的速度，变频器有快速、慢速、停三个控制挡。步进电机的运动由步进电动机控制/驱动器控制的。精密排线是通过单片机输入的CP脉冲和CP脉冲的个数，准确控制步进电机的
15、步进、跳段等工作状态来实现的。通过单片机发出的CP脉冲的个数，控制步进电动机推动丝杠向前移动的距离，如480个脉冲，使步进电动机推动丝杠向前移动5mm。通过单片机发出的方向信号，控制步进电机的运动方向。1. 3本课题的研究意义和发展趋势一、研究意义单片机控制系统的研制成功是绕线机发展中的一次较大的进步，它表明了目前正在使用的许多PLC控制系统完全可以由单片机控制系统来代替。这种绕线机的控制系统采用单片机控制技术和先进的接口技术，具有良好的人机交互界面：厂家可以预先设定800多种绕组，又可以根据用户需要随时设定新型绕组；具有三种工作方式，可以同时绕三排绕组，每排10绕组；可以实现0.01-1.0
16、0mm线径，10-80mm的排幅；克服了PLC绕线机更换绕组品种困难，能节省大量的人力、物力、财力，能很好的满足许多机电产品对绕组质量的要求，具有很好的推广市场和广阔的发展前景。二、发展趋势随着机电产品对绕组质量要求的不断提高，如何实现精密排线是绕线设备上档次上水平首先要解决的问题，因此如何把排线的精密程度作为反馈信号构成闭环系统是下一步绕线机的发展方向。第二章 控制系统硬件电路的设计2.1开关输入量接口电路一、 开关输入量接口电路 开关输入量经8255A扫描输入口输入，由89C52发出的读信号，从74LS373芯片读入。二、8255A接口芯片1. 8255的主要功能有2个独立的8位并行数据通
17、道（A、B口），2个4位的并行数据通道（C口高4位、低4位）；占用4个IO端口地址（A、B、C、控制端口）；A、B通道具有基本输入/输出、选通输入/输出以及双向3种传输方式；C口除了具有简单输入/输出功能外，还具有另外3个功能：其部分信号线可作为CPU与外设之间的应答联络信号；具有按位置位/复位功能；在CPU读取8255A状态时，C口又可作为状态口2. 8255内部结构：4 部分组成（1）数据端口A、B、C（称为PA、PB、PC）：端口A具有1个输入锁存器和1个输出锁存器/缓冲器。作输入或输出时，数据均受到锁存。所以可用作双向数据传输。端口B只有1个数据输入缓冲器和1个输出锁存器/缓冲器。只能
18、工作在输入或输出方式，不具有双向功能。端口C每个4位的端口对应1个输入缓冲器和1个输出锁存器/缓冲器。C口只有在端口A、B都工作在简单I/O方式时，才具有2个4位的I/O功能。在更多情况下是作为A、B口的应答联络信号，分别为端口A和端口B提供控制信号和状态信号。（2） A组控制和B组控制这两组控制电路接收CPU输出的控制字，以及读/写控制逻辑电路命令，决定两组端口的工作方式和读/写操作。A组控制电路控制端口A和端口C的高4位（PC7PC4）的工作方式和读/写操作。B组控制电路控制端口B和端口C的高4位（PC3PC0）的工作方式和读/写操作。（3）读/写控制逻辑电路接收及来自系统总线的信号A1、
19、A0（在8086系统中为A2、A1）和控制总线的信号 ，将这些信号进行组合，以完成对数据、状态信息和控制信息的传输。（4）数据总线缓冲器双向三态的8位数据缓冲器，8255A通过它与系统数据总线相连。用来传送输入/输出数据、CPU发给8255A的控制字 图2-2.1 2-2扩展RAM接口电路本单片机控制系统数量巨大，内部RAM不够用，还需要外接RAM电路，作为外部数据储存器扩大存储容量。根据本设计系统的实际需要，在兼顾芯片容量和价格的情况下，选择一片容量为8K的6264芯片。6264扩展RAM芯片的主要作用是存储800多种预置绕组的参数数据。一、 扩展RAM接口电路的工作原理：单片机CPU与存储
20、器有两种联系方式，或者CPU向数据存储器写数据或者CPU从其中读数据。当CPU向数据时，先把要写入的数据的单元地址经P0接口、P2接口送出，锁存后连接到6264的地址端A0-A12，然后再把欲写入的数据写入6264指定单元中。当从数据存储器6264读数据时，同样先经过P0、P2口送出要读数据的单元地址，一旦8031的读选通信号R0为低电平，使得6264的读允许端OE为低电平，则把指定单元的数据经P0口读如单片机RAM中。二、 电路中地址线、数据线、控制线的连接方法：1.地址线:：6264低8位地址A0-A7经地址锁存器74LS373与P0口P0.0-P0.7相连通，高5位地址A8-A12直接与
21、P2接口P2.0-P2.4连接，P2接口有锁存功能，共13根地址线。2.数据线：6264的数据线D0-D7与P0接口P0.0-P0.7直接相连，P0接口兼做数据线和地址线。3.控制线：6264的CP连接89C52的ALE端，ALE作为锁存扩展地址的控制端。6264的输入使能端OE(低)接89C52的WR(低)端通，WR(低)端通，WR(低)是片外数据存储器写选通控制线，低电平有效。三、随机存储器RAM6264： 6264是8*8K位的静态随机存储器芯片，它采用CMOS工艺制造，由单一+5V供电，额定功耗20mw，典型的存取时间200ns，为28线双列直插式封装。1. 6264各引脚的功能：A0
22、-A12：地址输入端D0-D7： 双相数据线CE1: 低电平有效CE2: 片选线2，高电平有效WE 写选通信号输入线，低电平有效OE 读选通信号输入线，低电平有效 GND 接地线2. RAM6264引脚功能与工作方式表：见表2-2.1 _WE _CE1 _CE2 _ OE方式 D0-D7 X H X X 未选中(掉电) 高阻 X X L X 未选中(掉电) 高阻 H L H H 输出禁止 高阻 H L H L 读 Dout L L H H 写Din(6264D0-D7) L L H L 写Din(D0-D76264) 表2-2.1 由上表得，当片选2为低电平时，6264芯片处于未选中状态，在一
23、般情况下需将此引脚拉至高电平。当把该引脚拉至小于0.2V时，RAM就进入数据保存状态。一般将作为片选信号，接译码器，在不许保持状态时必须接高电平。 3. 6264的主要技术指标： 见表2-2.2 参数 6264 容量 8K 引脚数 28 维持电流 2 工作电流 40 存取时间 200 工作电压 5 表2-2.2四、 地址锁存器74LS373： 1. 74LS373是地址锁存器，是电平触发器的8D锁存器，三状态输出。它的8位由8个D形触发器组成。74LS373是电平触发器送数。当CP=1时D0-D7进入锁存器。当CP=0时数据被锁存。当OE(低).为低电平时，触发器输出。当使能端OE(低)为高电
24、平时，D0-D7为高阻抗。在图中74LS373的OE端接地。当锁存允许端(LE)为高电平时，Q随数据而变。当LE为低电平时，Q被锁存在已建立的数据存储器中。由于LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗干扰度被改善400mv。2. 引出端符号： D0-D7: 数据输入端OC 三态允许控制端(低电平有效)LE 锁存允许端 1Q-8Q: 输出端3. 功能表： 见表2-2.3 输入 输出 OC C D Q L H H L L H L L L L X Q0 H X X Z H-高电平 L-低电平 X-任意 Z-高阻 Q0-规定的稳态输入条件前Q的电平4. 工作条件： 见表2-2.4表2-2.
25、4 最小 额定 最大 极限值 单位电源电压VCC 4.75 5 5.25 V输入高电平电压V1h 2 V 输入低电平电压V11 0.8 V输出高电平电流I0h -2.6mA输出低电平电流I01mA脉冲宽度TwCh 15 nSC1 15建立时间TestD 0nS保持时间ThD 10电源电压 7V输入电压 7V输出高阻态电压 7V工作环境温度 0-70 C存储温度 -65-150C 图2-2.12.3复位、时钟、指示灯和中断部分电路一、复位电路单片机在启动或断电后，程序需要从头开始执行，机器内部全部寄存器，端口等都必须重新复位，这个功能由复位电路来完成。1. 专用电源电压检测集成芯片，TL7705
26、CP芯片是专用以排除电源干扰的芯片，此芯片不仅具有电源接通时的复位功能，并且在电源电压上升到正常时具有自动解除复位信号的功能，此外，还能检测出电源的瞬时短路和瞬时压降，同时产生复位信号。片内还含有温度补偿的基准电压和正负两种逻辑功能输出，（集电极开路30mA）。可以在较宽的范围内调节输出脉冲的宽度它是一片具有8条引脚的双列直插式的集成芯片。 (1). 引脚功能及外围元件：1脚 基准电压输出端，输出电压为2.5V。为防止电源线索引起的冲击杂音及振荡，需要旁路电容，其输出电流必须小于30，若使电流大于30，则必须加缓冲放大器。2脚 复位输入端，低电平有效。用以强制复位端有效。3脚 定时电容连接端。
27、连接定时电容以确定复位脉冲的宽度。脉冲可调范围从10010。4脚 接地端5脚 复位输出端，低电平有效。其输出时集电极开路方式，故必须接上拉电阻。6脚 复位输出端，高电平有效。其输出是集电极开路方式，故必须接上拉电阻。7脚 被测电压的输入端，监测4.5V以上的电平。8脚 电源端。工作电压范围3.518。 （2）电源电压变化和输出状态变化图：在本设计中，是对+5V电压监视与复位。如图2-3.2所示，位电源电压的变化及输入状态变化的波形。由图2-3.2可知，当电源接通，电压开始上升、瞬间电压降和瞬间干扰时，电源监视器都能正确而及时的输出复位脉冲，图2-3.2中，Vs为被检测电平，对+5V来说，一般大
28、与4.5。Top是复位脉冲的宽度，大小由Ct 来决定。对89C52来说， ts为反应时间，对该芯片而言均为500ns同时可外加RC延时网络来延长ts的时间，用以降低燥声影响和器件的灵敏度。上电时reset有效，直到vcc达到+5V以后，经过ts时间reset无效。当vcc下降或有干扰时只要vcc小于vs，经过ts后，reset有效。当vcc恢复到vs以上或干扰脉冲后，在经过ts时间reset无效。 图2-3.22. TL7705CP控制RESET复位时需配合软件使用： 当用TL7705CP控制8031RESET0时，如图2-3.1 所示，还需要软件配合。因为89C52有效时，89C52被初始化
29、，使程序计数器从0000开始执行。若89C52正在执行某一程序当中，系统受到干扰，器件在微秒级内便又有反映，使整个系统复位，包括接口部分。待干扰过后，程序从0000开始执行，而不是从原来干扰时的短点处执行，这就破坏了整个系统的工作。所以程序初始化部分要加上软件开关或相应的状态标志，即在执行程序前，首先打开与自身相关的软件开关或之相应状态标志，然后再执行程序。这样做以后，当程序受到干扰而初始化时，首先判断各个标志，继而程序自动转向被中断的程序继续进行。二、工作状态指示电路 工作状态指示电路的主要作用是指示10中工作状态。在图2-3.1中，IC2、74LS374、DS301DS310、R304R3
30、13为工作状态指示部分的电路，10个LED发光管指示出10种工作状态，从DS301DS310依次指示的工作状态是：电源、左限、右限、起止位置、脚踏开关、断线、气压、刹车、热继电器保护、设定。74LS373是8D触发器，三态输出，详细介绍见2-2节当138的14脚=0时74LS373的11脚CLK就有触发脉冲输出信号，指示工作状态。三、LED显示电路 在附图中，本设计系统的操作面板上共需18位显示，而8279只能提供16位，所以用IC36、IC37两位静态显示，这样16位动态显示，2位静态显示共同组成18位数据显示。 图2-3.12-4执行机构接口电路一、译码器74LS138IC7 74LS13
31、8芯片选择问题，根据本设计系统电路的地址分配设计，对P2.5，P2.6，P2.7译码器产生的片选信号Y3、Y5，Y3加到IC3 74LS374的CLK端，作为IC3的时钟信号，Y5加到IC4 74LS374的CLK端，作为IC4的时钟信号。74LS138有两组输入信号，一组是地址输入端A、B、C另一组是输入端G1、G2A、G2B、Y0-Y7是输出端。在同一时间内最多只有一个输入端被选中，被选中的输出端为低电平，其余的为高电平。在本设计中74LS138的A、B、C分别接P2口的P2.5、P2.6、P2.7三端译码后，用输出片选信号Y3、Y5，Y3加到IC3的CLK端，作为IC3的时钟信号，Y5加
32、到IC4 74LS374的CLK端，作为IC4的时钟信号。1. 74LS138真值表：见表2-4.1 输入 输出使能选择 Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8_ _ _G1AG2AG3C B A1 0 01 0 01 0 01 0 0 1 0 01 0 01 0 01 0 00 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 0 1111111 1 0 1 1 1 1 1 11101111111101111111101111111101111111101111111100 x xx 1 xx x 1X x xX x xX x x11111111111111111111
33、11112 . 输出端符号 _ _A0-A12： 译码地址输入 端 _ _ _ G1、G2A G2B 选通端（低电平有效）_ _Y0-Y7：译码输出端（低电平有效）3 .工作条件 最小额定最大极限值单位电源电压VCC4.7555.257V输入高电平电压V1h2V输入低电平电压V1l0.8V输出高电平电流 I1h-400mA输出低电平电流I1l8mA输入电压7V工作环境温度0-70C存储温度-65-150C二、8D触发器74LS373 74LS373 是8D触发器，三态输出，CLK是送数触发器脉冲输入端，CLK实是密特输入，增大了对触发脉冲的抗干扰能力，当输出使能端OE（或OC）为低电平时1Q-
34、8Q为高阻抗，在电路图中OC接地。三、 信号流程：在执行机构电路图中，光电耦合器的输入电流Ip=10ma，这是光耦的输出电流Ic=113Ua，Ic=113Ua是很小的电流不能直接用于驱动继电器，所以在光耦的输出端加了三极管Q521Q505对光耦输出信号进行放大，放大后，再去驱动继电器。Q501Q505三极管根据要求选择了9013，其放大倍数B=40400，Icmax500ma，Ic501Ic505=B*Ic=(40400)*113uA=4.5245.2mA。用此信号去驱动继电器工作。J12接口接的电阻1K*8，是三极管的基极偏置电阻。D501D505五个二极管是释放二极管，起保护作用，其型号均
35、为IN401。继电器K501的常开触点接变频器的制动开关，K502的常开触点接变频器的夹紧开关。K503的常开触点接控制电磁阀的开关，K504的常开触点接变频器的快转开关，K505的常开触点接变频器的慢转开关，五个继电器的型号均是JZC-23F（DF41230）10A/28V DC；5A/220V AC；DC 6V 图2-4.12.5键盘和显示部分接口电路 本设计键盘和显示部分选用8279芯片方便良好的人机界面是用8279键盘显示芯片来实现的。它具有键盘处理功能，能自动消除键抖动，本键盘控制部分可控制5*5=25个按键。本设计有18位LED显示，其中后16位LED动态显示，是用8279来实现的
36、，前两位采用静态显示。一、 8279的内部结构和工作原理1. I/O控制及数据缓冲器数据缓冲器是双向缓冲器，连接内、外总线，用于传送CPU和8279的命令和数据。 2控制与定时寄存器及定时控制控制与定时器用来寄存键盘及显示的工作方式以及由CPU编程的其它操作方式。这些寄存器一旦接收并锁存送来得命令，就通过译码电路产生相应的控制功能。定时控制包括基本计数器。首级计数器是一个可编程的N级计数器。N可以在2-31之间，由软件编程，以便把外界时钟CLK分频得到内部所需的100KHZ时钟，为键盘扫描提供适当的逐行频率和显示扫描时间。 3扫描计数器扫描计数器有两种输入方式。一种为外部译码方式，计数器以二进制方式计数。四位计数状态从扫描线SL0-SL3输出，经外部译码器译码出16位扫描线；另一种扫描计数器的低二位译码后从SL0SL2输出. 4. 键输入控制