基于单片机构成环境温湿度实时测控系统的研究毕业设计论文.docx
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基于单片机构成环境温湿度实时测控系统的研究毕业设计论文
编号
本科生毕业论文
基于ARM的数控冲床自动送料系统设计
ARM-basedCNCpunchautomaticfeedingsystemdesign
毕业设计（论文）原创承诺书
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所呈交的毕业设计（论文）《基于单片机构成环境温湿度实时测控系统的研究》，是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。
2．本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。
3．在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。
4．本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
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以上承诺的法律结果将完全由本人承担！
作者签名：
年月日
摘要
数控冲床送料系统主要用于与冲床实现配套，在冲孔过程中按照程序设定控制板料移动和冲床冲孔，实现冲孔的高度自动化。
本文采用目前广泛使用的32位ARM微处理器，Samsung公司基于ARM920T的S3C2440A作为系统的主控制器，该处理器主要面向嵌入式设备，具有性价比高功耗低的特点，并且在嵌入式Linux操作系统下可移植性好，具有较强的控制能力和丰富的片内资源。
该系统能实现数控冲床的自动送料，软硬件结构简单，定位精度高，操作简单方便，具有良好的人机界面。
论文首先根据生产实际要求和控制系统设计原则，确定了送料系统的软硬件总体设计方案。
关键字：
自动送料系统嵌入式系统ARMS3C2440
ABSTRACT
Numericalcontrolpunchfeedingsystemismainlyusedtomatchwiththepunch,controlthepanelveneertomoveandthepunchtopunchaccordingtothesettingsoftheprogramsintheprocessofpunching,toachieveahighdegreeofautomationofpunching.Inthispaper,S3C2440A,（Samsung'sARM920Tbasedcontroller）,whichisdelyusedasa32-bitARMmicroprocessor,isusedasthemaincontroller,theprocessorismanilyforembeddeddeviceswhichhasahighcost-effectiveandlowpowerconsumption,it'seasytomigrationintheembeddedLinuxoperatingsystemandhasastrongcontrolabilityandrichchipresources.Thesystemenablesthemachinetofeedpunchingautomatically,thestructureofhardwareandsoftwareissimple,andit'seasytooperate,thesystemhasahighaccuracyofpositioningandgoodhuman-machineinterface.Thepaperalsointroducesantijammingtechnologyofthehardwareandsoftwareofthesystem.
Keywords：
AutomaticFeedingsystemEmbeddedSystemARMS3C2440
第1章前言
1.1嵌入式系统概述
20世纪70年代末，微处理器出现，并随着计算机技术和半导体技术的发展而迅速发展起来，以微处理器为核心的微型计算机具有体积小、成本低、功耗低、可靠性高、计算能力强等特点.人们按照各自需求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制，把这种嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的计算机系统称作嵌入式计算机系统。
在多数网站和书籍资料中，对嵌入式系统的定义大多是这样的：
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能，嵌入式系统的三个基本要素是：
嵌入性、专用性与计算机系统【1】。
嵌入式系统与通用计算机系统有很大的不同，与通用计算机系统相比，具有以下特点：
（l）嵌入式系统通常是面向特定应用，因此嵌入式CPU大多工定用户群设计的系统中，能够把PC中许多由板卡完成的任务集中在芯片内部，通常具有低功耗、体积小、集成度高等特点；
（2）按照嵌入式系统的定义，它是某种技术过程的核心处理环节，满足技术过程的时限要求，.自然具有实时处理的特性嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，系统要精简；
（3）嵌入式产品的使用人员多为非计算机专业人士，使用环条件往往恶劣，其健壮性及可靠性是该类产品的必备条件，为提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统的软件一般都是固化在存储器芯片中，而不是存储与磁盘等载体中【2】。
嵌入式系统是硬件和软件的综合体，所以嵌入式系统可以分为硬件和软件两部分。
（1）嵌入式系统的硬件
嵌入式硬件包括处理器、存储器、外设、I/O端口等，嵌入式处理器是系统的硬件核心。
近年来，随着大量先进的微处理器制造技术的发展，越来越多的嵌入式系统用嵌入式处理器建造，而不是用通用目的的处理器，这些嵌入式处理器是为完成特殊的应用而设计的特殊目的的处理器，目前使用较多的嵌入式处理器有：
嵌入式微处理器（EMPU）
嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU嵌入式处理器目前主要有PowerPC、68000、MIPS和ARM系列。
嵌入式微控制器（MCU）
嵌入式微控制器又称单片机，一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM等各种必要功能和外设、微控制器是目前嵌入式系统工业的主流，目前的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051等。
嵌入式DSP处理器（EDSP）
DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，适合执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高，嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texashistruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。
嵌入式片上系统（SOC）
SOC是随着EDI的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现的一个更为复杂的系统，各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中，用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以制作样品。
目前有代表性的产品是Tricore、M-core、Neuron芯片等等【3】。
（2）嵌入式系统的软件
嵌入式系统的软件部分主要包括嵌入式操作系统和应用软件，而嵌入式操作系统是核心，是嵌入式应用的基础平台，是连接硬件和应用程序的系统程序。
操作系统发展到现在，广泛使用的主要有：
多道批处理操作系统、分时操作系统以及实时操作系统。
由嵌入式系统的特点可以看出，嵌入式操作系统主要是实时操作系统，实时操作系统是事件驱动的，它能对来自外界的作用和信号在限定的时间范围内做出响应，它强调的是实时性、可靠性和灵活性，与实时应用软件相结合成为有机的整体，起着核心作用，由它来管理和协调各项工作，为应用软件提供良好的软件运行环境及开发环境。
1.2冲压生产自动送料装置的概况及发展趋势
冲压成形作为一门古老而又年轻的制造技术，几乎渗透到国民经济的每一个部门。
随着我国工业的发展，冲压制件类型、工艺的复杂化以及人性化生产要求，手工送料的冲压加工生产由于存在着效率、速度、精度、安全等方面的一系列问题，冲压生产的手工送料已逐步由自动送料机构所取代，从而进一步满足了冲压生产自动化，大幅度提高生产节拍、生产质量等的要求【4】。
随着电子、计算机、自动控制以及精密机械与测试技术的不断提高和发展，数冲压设备与自动送料装置也在随着数控机床的发展而在迅速发展和演变，概括起来要表现在以下一些方面：
（1）高精度化
当代工业产品对精度的要求越来越高，很多精密零件的误差范围要求在微米内，与之相适应，在计算机技术发展的推动下，各种加工精度补偿技术得到了应用发展。
作为数控自动化的辅助装置，自动送料装置的精度会直接影响产品的精度，追自动送料装置的高精度化是永恒的主题，这主要表现在定位和进给量的大小上。
（2）高速度化
提高生产效率主要表现在提高机床主轴的转速和送料的进给量方面，如日本DIMAC公司生产的NC伺服辊轮送料机，能实现连续高速送料，最高速度可以达100m/min，使机床的加工效率大幅提高。
（3）高柔性化
市场竞争的日益激烈，利用最少的设备来生产尽可能多的冲压制件，间接的降生产成本成为各个厂家竟相追求的目标之一；同时当代产品的多样化和个性化，对机床提出了更高的柔性加工要求，如在一台冲压设备中完成不同的模具加工等。
（4）高自动化
自动化是指在全部加工过程中，减少“人”的介入，而能自动地完成规定的任务，特别是现代数控机床与自动送料装置的结合，使其真正的高度自动化成为可能。
（5）高可靠性
大规模集成电路及计算机的应用，使得数控机床越来越可靠。
但是，由于使用场环境的复杂性，往往会受到很多的干扰，所以追求高可靠性是研究的一项重要课题随着我国冲压行业的发展，冲压设备性能与世界的接轨，冲压生产自动化程度的一步提高，对冲压生产的送料技术也提出越来越高的要求，以满足与冲压设备的配套。
（6）交流伺服系统自动送料机构
近20多年来，由于电力电子技术的发展，计算机控制技术以及现代控制理论的应用，交流伺服驱动技术得到了飞速发展。
交流伺服自动送料的动力来自交流伺服电机，具有柔性化、能化的特点，工作性能和工艺适应性很强。
在我国，较先进的动送料装置是深圳力豪公司的NCHF系列三合一伺服系统送料机，它适合于各种五金电子、电器、玩具伺服送料及汽车零件连续冲压加工，送料矫正；送料时可任意设送料长度，操作容易，安全及稳定性高【5】。
1.3选题的背景和意义
数控冲床送料系统主要用于与冲床实现配套，在冲孔过程中按照程序设定控制板料移动和冲床冲孔，实现冲孔的高度自动化。
该系统在许多行业都有着广泛的应用，例如，灯箱制作，饭金、瓶盖、低压灯饰。
如果没有采用数控冲床送料系统，只能将板料裁减成一条一条的，然后人工送料，存在着危险、效率低、工序多材料利用率低等问题。
近年来，由于计算机控制技术、检测技术及电力电子技术的发展进步，交流伺服技术越来越多的应用到冲压生产领域，使得冲压生产自动化、智能化、柔性化的水平大大提高，但作为数控冲床的辅助装置——自动送料机构，一直没有得到应有的重视。
自动送料机构作为冲压加工生产实现自动化的最基本的要求，它的自动化程度高低，直接影响着冲压生产效率、生产节拍以及冲压生产整体自动化水平，只有其自动化程度与冲压设备相匹配甚至高于冲压设备，才能够实现冲压生产的完全自动化.因此，在发展冲压成形设备的同时，给予送料机构足够的重视和研究是有着其实际的意义。
1.4本课题的研究现状
我国从1958年开始研制数控机床，自20世纪60年代中期进入实用阶段，80年代开始，引进日本、美国、德国等国外著名数控系统和伺服系统制造商的技术，使我国数控系统在性能、可靠性等方面得到了迅速发展。
经过“六五”、“七五”“八五”及“九五”，科技攻关，我国已掌握了现代数控技术的核心内容。
目前我国已有数控系统（含主轴与进给驱动单元）生产企业五十多家，数控机床生产企业百余家【6】。
随着电子、计算机、自动控制以及精密机械与测试技术的不断提高和发展，数控冲压设备与自动送料装置也在随着数控机床的发展而在迅速发展和演变。
冲压生产的自动化，手工送料逐步由自动送料机构所取代，从而进一步满足冲压生产自动化，大幅度提高生产节拍、生产质量，己是“大势所趋”，但结合我国的实际国情及生产设备的现状，传统的冲压设备在相当长的一段时间里可能还要进行“服役”，要完全实现自动化可能还要有很长的一段路要走【7】。
数控冲床送料系统由冲床、两坐标工作台及数控系统组成，数控系统根据用户输入的程序及冲孔工艺要求，控制工作台承载着板料作相应的移动，走到该冲孔的地方便控制冲床冲孔【8】，根据现有控制系统的结构形式，大致可以分成如下几类：
（l）专用的数控系统
国外的有法那克、西门子等数控系统，国产的有武汉华中、广州数控等，专用的数控系统具有控制精度高，编程能力强，系统可靠性高，待开发的功能多等优点，但对于冲床来说由于它是属于点位控制，控制相对简单如果选用造价昂贵的专用系统无疑是资源上的一种浪费。
（2）单片机控制
单片机具有结构简单、使用方便、价格便宜等优点，它更善长于数据计算与数据处理，一般更广泛的被应用于数据采集和中央控制室控制，完全由单片机控制，特别是运动控制台也由单片机直接发送脉冲控制，这种方式下，单片机的负荷特别重。
再者，由于单片机不是专门针对工业现场的自动化控制而设计的，所以应用到现场时必须对烦琐的接口电路进行设计，比如输入输出接口电路中的祸合电路、隔离电路及驱动电路，另外工业现场的电磁等干扰信号，会对单片机产生强烈的干扰，所以采用单片机直接进入现场控制对其进行抗干扰处理也是不得不考虑的问题。
（3）PLC控制
这种设计方案简单，硬件可选范围广，并且软件编程容易，直接通过梯形图编程即可完成相应功能，调试一般也不会出现太大问题"但是这种方案系统造价比较高，在成本要求严格的场合很难考虑，灵活性也比较差，容易造成系统资源浪费。
所以这种方案一般用在比较大型的流水线生产设备上，在数控冲床的自动送料系统，特别是在中小型生产线中，很少采用这种方案【9】。
通过综合分析以上各种控制形式的特点，我们可以看出现有自动送料系统并不能很好满足数控冲床的控制要求和实际生产需要。
因此，.根据数控冲床的控制特点，选用新型的控制器，设计出数控冲床自动送料系统，对于实际工业生产和制造具有重要意义。
1.5论文的主要内容和结构
本课题主要采用上下位机的形式设计自动送料装置，主要工作是下位机电机控制系统的设计。
采用32位ARM微处理器S3C2440A作为主控制器，移植实时操作系统Linux构成嵌入式系统的操作平台，使用Qt/Embeded设计可视化图形用户界面，通过ARM的PWM输出脉冲控制X、Y轴电机运动。
本论文的各章节内容安排如下：
第一章绪论。
介绍本课题的背景和意义!
数控冲床及自动送料系统发展现状与趋势及论文各章节内容的安排；
第二章数控冲床自动送料系统运动控制器的软!
硬件总体设计；
第三章运动控制原理。
介绍了本系统采用的粗插补和精插补算法及速度控制策略；
第四章基于ARM9的嵌入式自动送料运动控制器进给伺服系统硬件设计。
设计了运动控制器的接口电路；
第五章自动送料系统运动控制器的软件设计；
第六章总结
第2章自动送料运动控制系统总体设计
2.1系统设计原则
基于PC结构的数控冲床自动送料系统功能强大，但成本过高，结构复杂，可靠性低，不适用于中小型的数控系统。
在进行数控冲床自动送料系统的运动控制研究设计时，吸取了国内外高档数控系功能低档化应用的成功经验，适当地运用了中高档数控系统设计的思想，系统采用犯位ARM芯片作为从CPU进行控制，以研制适用于传统数控冲床的通用型自动送料运动控制系统为目标，对原有传统数控机床进行改造，节约技术改造成本。
为了使设计合理，使系统最优化和获得最佳的设计效果，必须遵循一定的设计原则：
（l）模块化：
软硬件设计时要对系统进行模块划分，得出模块框架，这样可以使系统层次更加清晰，设计工作更有针对性，设计时可按照模块框架对系统进行设计!
调试和纠错。
（2）先进性：
硬件设计时根据功能需求选择适用于系统的功能强大的最新芯片，这样的芯片不仅可以保证系统技术新，市场上的生命周期长，而且可以满足高精度和高可靠性的要求，大大简化电路设计，保障系统的性能和稳定性。
（3）可扩展性：
设计电路时要留有余地，以便将来修改和扩展的需要。
硬件电路不像软件那样可以通过修改或添加某个算法就可以升级，它往往需要彻底替换和重新设计来更新换代。
因此，在选择芯片时，可在满足实际需求的基础上选取较大容量的型号，留有一定的存储空间以便以后添加数据：
设计电路时也要考虑到系统发展趋势，预留一些接口以便将来进行功能扩展。
（4）软件功能代替硬件功能：
软件一旦被调试好，其寿命、稳定性和扩展性都比硬件好得多。
因此，在实时性允许的条件下，能够用软件完成的功能，就不用硬件，这样不仅节省了成本，而且提高了系统的可靠性。
（5）可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分。
从芯片、器件选择、滤波、印刷电路板布线、输入/输出通道隔离等等各方面下功夫，最大限度地降低干扰【10】。
2.2数控冲床系统的组成
数控冲床系统主要由数控装置伺服系统和冲床本体组成，结构如图2-1所示：
图2-132位ARM9芯片数控冲床组成框图
工作过程是通过键盘把加工程序输入给数控装置，经过数据处理后把控制信息送给伺服系统，然后完成冲头和工作台之间相互协调的循环运动。
2.3冲床数控自动送料系统的总体设计
数控系统是数控机床的核心，自动完成用户加工程序的输入存储处理功能、字符及图形显示、自诊断、数据运算、插补计算以及位置控制等功能【11】。
其中数控机床对实时性要求较高的功能有数据运算、插补计算、位置控制。
自动送料系统主要通过伺服进给系统进行运动控制来完成自动送料的加工过程【12】。
本文硬件设计重点在于对伺服进给系统核心运动控制卡和与伺服电机接口电路的设计。
2.3.1冲床数控系统硬件结构设计
考虑到数控冲床自动送料系统功能分配的合理性和工作的协调性，系统硬件采用32位ARM9芯片结构模式来实现对伺服电动机的控制。
CPU系统由犯位ARM9芯片、液晶显示器、键盘输入装置、数据存储器等构成，负责处理键盘、显示、网络通讯等非实时性工作：
输入输出接口、数据存储器等构成，负责实时性运动控制工作。
本文重点完成了犯位ARM9芯片设计的运动控制器设计，控制系统硬件结构如图2-2所示。
图2-2上下位机冲床数控系统硬件结构图
可以与上位计算机通讯，通过上位机编制加工数据，与RAM进行指令的接受以及数据的交换工作。
上下位机的结构模式可大大提高人机界面的友好性，可通过编程加工文件实现复杂图形的加工。
2.3.2冲床数控系统软件结构设计
根据数控冲床自动送料系统的不同设计，系统可采用以ARM9为核心的单片机控制形式，也可采用以上位机为加工数据编程的上下位机的控制形式。
因此，系统的软件设计可以分别设计。
以ARM9为核心的单片机控制软件包括实现人机对话、系统监控、指挥整个数控系统软件协调工作等，包括CPU系统的初始化、冲床运动状态和参数监控、用户加工程序的编辑修改等功能模块，键盘输入输出口状态的定时扫描、插补计算、工作台X向和Y向的位控输出、电机速度控制、数据处理等功能模块。
系统主要通过C语言和ARM汇编相结合来实现对各功能模块的控制。
以ARM9为核心的单片机控制软件冲床数控系统结构如图2-3所示：
图2-3ARM9单片机冲床数控系统软件结构图
采用上、下位机控制软件模块分别如图2-4、2-5所示。
图2-4上位机软件主程序模块
图2-5下位机冲床控制软件模块
本文重点完成了以ARM9为核心的单片机运动控制系统软件设计。
2.3.3ARM9芯核简介
ARM是AdvancedRISCMachines的缩写，是微处理器行业的一家知名企业，是全球领先的16/32位RISC（ReducedInstructionSetComputer）微处理器知识产权设计供应商。
1985年，Acorn公司负责技术的小组开发了世界上第一个商用单片RISC微处理器。
1990年11月ARM公司在英国成立，全称是“AdvancedRISCMachinesLtd.”由苹果电脑、AcornComputerGroup和VLSITechnology联合建立。
ARM在市场上很快就因他们的“低价位”的定位和竞争对手区分开来，而其他公司的定位于“高性能”的微处理器架构则主要是高端工作站方面的应用。
和Intel等生产厂商不同，ARM公司的产品并不是芯片，而主要是IP（Intel1ectualProPerty），即一整套的设计成果，包括处理器体系结构规范、具体的电路图、布线图、分层掩膜图等，可供芯片生产厂商来生产面向特定应用的微处理器/微控制器芯片【13】，ARM公司自1990年正式成立以来，在32位RISCCPU开发领域不断取得突破，其结构己从V3发展到V6。
ARM公司设计一的芯核具有低功耗，低成本等显著优点，获得众多半导体厂家和整机厂商的大力支持，在32位嵌入式应用领域已经占有70%以上的产品市场，在低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位【14】。
现在设计、生产ARM芯片的国际大公司已超过50多家，国内中兴通讯和华为通讯等公司也已购买ARM公司的芯核用于通讯芯片设计。
目前非常流行的ARM核有ARM7TDM7，ARM9，ARM9E，ARM10和SecureCore。
ARM芯片还获得了许多实时操作系统RTOS（RealTimeOperatingSystem）供应商的支持，比较有名的有：
WindowsCE，Linux，pSOS，VxWorks，Nueleus，uC/OS等。
ARM9系列处理器是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器，主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列。
新一代的ARM9处理器，通过全新的设计，采用了更多的晶体管，能够达到两倍以上于ARM7处理器的处理能力。
这种处理能力的提高是通过增加时钟频率和减少指令执行周期实现的。
（一）时钟频率的提高
ARM7处理器采用3级流水线，而ARM9采用5级流水线。
增加的流水线设计提高了时钟频率和并行处理能力。
5级流水线能够将每一个指令处理分配到5个时钟周期内，在每一个时钟周期内同时有5个指令在执行。
在同样的加工工艺下，ARM9TDMI处理器的时钟频率是ARM7TDMI的1.8-2.2倍。
（二）指令周期的改进
指令周期的改进对于处理器性能的提高有很人的帮助。
性能提高的幅度依赖于代码执行时指令的重叠，这实际上是程序本身的问题。
对于采用最高级的语言，一般来说，性能的提高在30%左右。
1．Loads指令和Stores指令
指令周期数的改进最明显的是loads指令和stores指令。
从ARM7到ARM9这两条指令的执行时间减少了30%。
指令周期的减少是由于ARM7和ARM9两种处理器内的两个基本的微处理结构不同所造成的。
（1）ARM9有独立的指令和数据存储器接口，允许处理器同时进行取指和读写数据。
这叫作改进型哈佛结构。
而AR
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