《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于STC12C5410AD單片機(jī)的鑲嵌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2011年第8期
胡禮廣,王 剛
(浙江師范大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究中心,浙江 金華321000)
摘要: 設(shè)計(jì)了基于STC12C5410AD單片機(jī)的水晶鑲嵌控制系統(tǒng),闡述了該系統(tǒng)的構(gòu)成和控制原理,給出了硬件電路的設(shè)計(jì)原理和軟件流程圖。應(yīng)用證明該控制系統(tǒng)效果好、成本低廉,有助于提高生產(chǎn)效率。
Abstract:
Key words :

摘  要: 設(shè)計(jì)了基于STC12C5410AD單片機(jī)的水晶鑲嵌控制系統(tǒng),闡述了該系統(tǒng)的構(gòu)成和控制原理,給出了硬件電路的設(shè)計(jì)原理和軟件流程圖。應(yīng)用證明該控制系統(tǒng)效果好、成本低廉,有助于提高生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞: 單片機(jī);鑲嵌;控制系統(tǒng)

    近幾年以來,在浙江義烏、浦江一帶,水晶飾品鑲嵌行業(yè)的快速發(fā)展,引發(fā)了對(duì)水晶飾品鑲嵌工藝的各種改進(jìn),但由于鑲嵌過程的特殊性,目前主要采用人工方式,該工藝過程總的缺點(diǎn)是:成品率低,工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大。
    本文針對(duì)鑲嵌過程的工作特點(diǎn),開發(fā)設(shè)計(jì)了一種由單片機(jī)為控制核心的自動(dòng)化控制系統(tǒng),從而提供一種光電感應(yīng)、磁動(dòng)操作鑲嵌全過程自動(dòng)控制的水晶飾品鑲嵌機(jī),使飾品鑲嵌操作由最初的手工鑲嵌轉(zhuǎn)為自動(dòng)化鑲嵌,最終達(dá)到降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)過程的成品率的目的。
1 水晶飾品鑲嵌機(jī)
    水晶飾品鑲嵌機(jī)的工作原理是,放料槽中放入水晶后,按下控制面板上的控制按鈕,水晶在平動(dòng)振動(dòng)器的振動(dòng)下,沿送料道向前送進(jìn),同時(shí)通過控制系統(tǒng)將鑲嵌鏈送到?jīng)_頭上方的指定位置,當(dāng)水晶送到位后,由光電感應(yīng)器發(fā)出信號(hào),在系統(tǒng)的控制下,磁鐵通過電流產(chǎn)生沖力,完成鑲嵌,然后將沖壓好的鑲嵌鏈在系統(tǒng)的控制下送出,同時(shí)將下一節(jié)鑲嵌鏈送到指定位置。步進(jìn)送鏈的長(zhǎng)度與時(shí)間由單片機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)目的多少來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度,鑲嵌夾緊力的大小根據(jù)水晶的尺寸由單片機(jī)控制磁鐵的電流來實(shí)現(xiàn)。
    根據(jù)本次設(shè)計(jì)的實(shí)際需要、系統(tǒng)性能指標(biāo)、設(shè)計(jì)開發(fā)周期、資金成本等情況,選擇單片機(jī)控制人機(jī)界面的控制方式,系統(tǒng)控制方案結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

    整個(gè)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制單元、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、電磁鐵和人機(jī)界面等組成。其中單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心,通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)鑲嵌機(jī)的自動(dòng)控制。

 


2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 STC12C5410AD

    單片機(jī)一方面要通過各種指令對(duì)整個(gè)鑲嵌水晶系統(tǒng)動(dòng)作實(shí)施控制,另一方面通過人機(jī)界面與外界進(jìn)行通信,接受人的各種指令要求。單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,選用適當(dāng)?shù)膯纹瑱C(jī)很重要。單片機(jī)選型的基本原則是在滿足基本控制功能和容量的前提下,盡量保證工作可靠、維護(hù)使用方便以及最佳的性價(jià)比?;静襟E是先根據(jù)工藝控制條件對(duì)I/O 點(diǎn)數(shù)(數(shù)字量及模擬量)進(jìn)行準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì),在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上再增加10%~30%的余量來確定I/O總點(diǎn)數(shù),使得所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)有一定的擴(kuò)充性,同時(shí)方便調(diào)試階段臨時(shí)增加點(diǎn)數(shù)的需要。根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)際需要,選擇采用STMicroelectronics 公司生產(chǎn)STC系列單片機(jī)(STC12C5410AD),它屬于新一代高速M(fèi)CU,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,4 路PWM,8 路高速10 bit A/D 轉(zhuǎn)換,針對(duì)電機(jī)控制,適用于強(qiáng)干擾場(chǎng)合[1]。
2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)以STC微控器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器構(gòu)成的最小系統(tǒng)為核心,包括數(shù)據(jù)采集、鍵盤與顯示、控制與執(zhí)行及供電電源等單元。
    數(shù)據(jù)采集單元分為水晶位置檢測(cè)和水晶鑲嵌個(gè)數(shù)兩部分。
    鍵盤與顯示單元包括以可編程鍵盤顯示專用接口芯片ZLG7290為核心的鍵盤輸入以及LED數(shù)碼管和指示燈顯示部分。
    控制與執(zhí)行單元由光電耦合器件、功率器件、步進(jìn)電機(jī)及電磁鐵等組成。
    硬件主要控制組成部分如下:
    (1)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì):本設(shè)計(jì)充分利用了單片機(jī)STC12C5410AD的ADC、SPI、PWM、UART等內(nèi)部硬件資源,減小了系統(tǒng)體積,降低了系統(tǒng)成本,提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。包括擴(kuò)展了存儲(chǔ)器的STC12C5410AD微控器、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及總線驅(qū)動(dòng)電路等部分,其原理圖如圖2所示[2]。

    (2)步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì):鑲嵌送鏈的平穩(wěn)程度直接影響鑲嵌質(zhì)量,而送鏈速度的平穩(wěn)程度取決于送鏈電機(jī)的轉(zhuǎn)速,因此設(shè)計(jì)鑲嵌控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下兩個(gè)因素:①實(shí)現(xiàn)等速送鏈;②步進(jìn)電機(jī)的速度控制通過控制單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)。鑲嵌步進(jìn)電機(jī)控制原理框圖如圖3所示[3-4]。

    (3)信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì):本電路要接收信號(hào),其中STC單片機(jī)的P1.0~P1.3是采樣電壓信號(hào),P1.4~P1.7是采樣電流信號(hào),信號(hào)輸入電路原理圖如圖4所示。

    (4)信號(hào)輸出電路設(shè)計(jì):本電路要輸出4個(gè)信號(hào),分別控制步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵、光電檢測(cè)、送料機(jī)構(gòu),這些信號(hào)通過繼電器控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),來實(shí)現(xiàn)鑲嵌機(jī)的自動(dòng)化控制。信號(hào)輸出電路原理圖如圖5所示。

    (5)顯示面板電路設(shè)計(jì):本電路用STC單片機(jī)的一個(gè)引腳來接二極管顯示器的公共端,控制其顯示。其原理如圖6所示。

3 微機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    鑲嵌工藝流程是編寫程序的依據(jù),本控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖7所示。

    根據(jù)控制任務(wù),鑲嵌控制程序編寫如下:
    系統(tǒng)內(nèi)存分配(30H~6FH)
    XRUH    EQU    10H    ;步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行加減速步數(shù)高字節(jié)
    XRUL    EQU    11H    ;步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行加減速步數(shù)低字節(jié)
    XRDH    EQU    12H    ;步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行加減速步數(shù)高字節(jié)
    XRDL    EQU    13H    ;步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行加減速步數(shù)低字節(jié)
    XRNH    EQU    14H    ;步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行勻速步數(shù)高字節(jié)
    XRNL    EQU    15H    ;步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行勻速步數(shù)低字節(jié)
    XNNT    EQU    16H    ;步進(jìn)電機(jī)每走一步PCA2中斷次數(shù)
    XBNT    EQU    17H    ;步進(jìn)電機(jī)每走一步PCA2中斷次數(shù)
    ZRUH    EQU    18H    ;步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行加減速步數(shù)高字節(jié)
    ZRUL    EQU    19H    ;步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行加減速步數(shù)低字節(jié)
    ZRDH    EQU    1AH;步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行加減速步數(shù)高字節(jié)
    ZRDL    EQU    1BH;步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行加減速步數(shù)低字節(jié)
    ZRNH    EQU    1CH    ;步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行勻速步數(shù)高字節(jié)
    ZRNL    EQU    1DH;步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行勻速步數(shù)低字節(jié)
    ZNNT    EQU    1EH    ;步進(jìn)電機(jī)每走一步PCA2中斷次數(shù)
    ZBNT    EQU    1FH    ;步進(jìn)電機(jī)每走一步PCA2中斷次數(shù)
    KD        EQU    38H    ;開關(guān)量緩沖地址
    步進(jìn)電機(jī)控制(部分)
    ACP    BIT    P1.5    ;水晶輸送
    ACW    BIT    T0    ;A軸正反轉(zhuǎn)控制
    ……
    I0    BIT    78H    ;送鏈正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)
    I1    BIT    79H    ;送鏈反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)
    I2    BIT    7AH    ;送鏈分度
    I3    BIT    7BH    ;嵌珠點(diǎn)動(dòng)
    I4    BIT    7CH    ;嵌珠控制
    I5    BIT    7DH    ;送料控制
    I6    BIT    7EH    ;運(yùn)行控制
    I7    BIT    7FH    ;珠到檢測(cè)
    平行振動(dòng)器開關(guān)控制(部分)
    ……
    IQ0        EQU    0D800H    ;開關(guān)量輸入輸出端口0地址
    IQ1        EQU    0D900H    ;開關(guān)量輸入輸出端口1地址
    X0AD    EQU    0D900H    ;開關(guān)量輸入輸出端口1地址
    XQAD    EQU    0DA00H;0D900H
                        ;開關(guān)量輸入輸出端口1地址
    IQ2        EQU    0DA00H    ;開關(guān)量輸入輸出端口2地址
    IQ3        EQU    0DB00H    ;開關(guān)量輸入輸出端口1地址
    ZQAD    EQU    0DB00H    ;開關(guān)量輸入輸出端口1地址
    IN0    EQU    2FH    ;開關(guān)量輸入端口0緩沖地址
    IN1    EQU    2EH    ;開關(guān)量輸入端口1緩沖地址
    IN2    EQU    2DH    ;開關(guān)量輸入端口2緩沖地址
    IN3    EQU    2CH    ;開關(guān)量輸入端口3緩沖地址
    OUT0    EQU    2BH    ;開關(guān)量輸出端口0緩沖地址
    X0OUT    EQU    2AH    ;開關(guān)量輸出端口1緩沖地址
    XOUT    EQU    29H;2AH;開關(guān)量輸出端口1緩沖地址
    OUT2    EQU    29H    ;開關(guān)量輸出端口2緩沖地址
    ZOUT    EQU    28H    ;開關(guān)量輸出端口3緩沖地址
    最終完成控制系統(tǒng)接線圖。
    水晶鑲嵌控制系統(tǒng)采用STC12C5410AD單片機(jī)控制技術(shù)為核心,利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電磁鐵沖壓鑲嵌技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)水晶的快速可靠鑲嵌。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本較低,適合中小企業(yè)應(yīng)用,在工廠經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,性能穩(wěn)定,運(yùn)行良好,鑲嵌成品率由原來的手工鑲嵌80%左右提高到95%以上,鑲嵌效率是手工的8~10倍,大大提高了生產(chǎn)品質(zhì)和生產(chǎn)率。
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