喷水织布机89C51单片机控制系统设计Word文档格式.docx

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本控制系统的控制程序分为主程序和中断程序。

主程序主要用于一些实时性要求不高的信号的输入/输出和工作状态管理。

中断程序用于处理一些实时性较高的信号的处理。

本控制系统是一以单片机为控制核心的织布机控制系统。

它比纯硬件控制系统柔性高、更可靠，比PLC控制系统开发成本更低。

经进一步的研究和开发，在喷水织布机上具有良好的应用前景。

关键词：

喷水织布机；

控制电路；

硬件设计；

软件设计

ABSTRACT

Accordingtotheprincipleandcontrolrequirementofthewaterjetloom,thedetaileddesignofthecontrolsystemelectriccircuit,thecontrolprogramforthewaterjetloom,includetheelectriccircuitdiagramandPCBdiagram,isintroducedinthispaper.

Thecontrolofthewaterjetloomiscomposedofmaincontrolcircuit,brakecircuit,malfunctionexaminationcircuit,commutateelectriccircuitandamplifiercircuit.An89C51microcontrollerwastakenasthecontrolunitofthemaincontrolcircuittorealizetheclockwise/anti-clockwiserotation,stepmovementofthemainmotorandon/offofthetwocoolingfans.Brakeelectriccircuitcontrolsthebrakingmovementoftheloomandtheconversionofbrakevoltage.Malfunctionexaminationelectriccircuitisusedtoexaminethebreakofthethread,overheatingofthemotor,theabnormaltensionandsoon.Thepowercircuitisusedtorealizethemotor’srotation,on/offcontrolandsoon.Commutateelectriccircuitsprovidethedirectcurrentelectricityforthecontrolsystem.

Thecontrolprogramsofthecontrolsystemwereclassifiedasmainprogramsandinterruptionserviceprograms.Mainprogramsaremainlyusedforinputoroutputofthelowreal-timesignalandthemanagementoftheworkstate.Theinterruptionserviceprogramsareusedtodealwithsomehigherreal-timesignal.

BecauseofitsMCS-51controlunit,theloomcontrolsystemdevelopedinthispaperhasahigherflexibilityandreliabilitythanthatofthehardwarecontrol.Atthesametime,thedevelopingcostismuchmorelowerthanthatofPLC.Withfurtherwork,ithasgoodapplicationforegroundinwaterjetloom.

Keywords：

Waterjetloom;

Controlelectriccircuit;

Hardware;

Software

第一章绪论1

1.1织布机的发展1

1.2织布机的控制1

1.3织布机控制技术的发展2

1.4本文的结构2

第二章织布机概述与设计要求3

2.1织布机概述3

2.1.1喷水织布机简介3

2.1.2喷水织布机喷纱原理3

2.2检测的内容与要求3

2.3织布机的控制要求4

2.3.1电机的控制4

2.3.2刹车的控制5

2.3.3指示灯要求5

2.3.4直流电源要求5

第三章织布机控制系统电路设计7

3.1设计方案的拟定7

3.2主控电路的设计8

3.2.1主控电路中单片机89C51的应用8

3.2.2主控电路中光电耦合器接口电路11

3.2.3主控电路中固态继电器接口电路13

3.3电磁刹车电路设计14

3.3.1刹车电路中的电气元件14

3.3.2刹车电路工作原理14

3.4六项自停电路设计16

3.5整流电路设计18

3.6强电控制电路设计19

第四章织布机控制系统软件设计21

4.1主程序设计21

4.2子程序设计30

第五章原理图与PCB图的绘制34

5.1Protel99SE的简介34

5.2如何用Protel画原理图34

5.2.1原理图的设计步骤34

5.2.2画原理图35

5.3织布机控制系统总原理图35

5.4如何用protel画PCB图36

5.4.1自动布线法画PCB图36

5.4.2部分元件的封装说明（表5-1）38

5.5织布机控制系统PCB图39

第六章结论40

致谢42

参考文献43

附录A：

英文资料44

附录B：

英文资料翻译57

附录C：

硬件设计原理图与PCB图60

附件：

毕业论文光盘资料

第一章绪论

1.1织布机的发展

喷水织机的研究开始于20世纪40年代，为了解决喷气引纬的气流急剧下降而造成的纬缩等疵点，原捷克斯洛伐克的斯瓦蒂发明了采用喷射水滴引纬的方法。

50年代初，喷水引纬技术进一步发展，原捷克生产出柯沃型喷水织机样机，当时只能制织人造纤维长丝织物。

60年代，日本日产、津田驹公司相继研制生产LW、ZW型喷水织机。

与此同时，我国天津、上海、丹东、北京等地也先后对喷水织机进行了研究和试验，有在原丝织机上改型的，也有重新设计的，都取得了一定的进展。

1.2织布机的控制

织机是一种周期性循环工作的机器，每织一根纬纱，各部分机构均按规定动作一次。

织机主轴曲柄的转角与各机构的工作状态相对应，即正常工作时主轴转到不同角度，必然发出某些规定信号或完成某些规定动作。

因此，织机的控制可分为如下几个方面。

1.投入控制

分为经、纬纱有无的控制、经、纬纱长度的控制、经、纬纱张力的控制、经、纬纱顺序的控制。

2.产出控制

分为织物长度的控制、织物宽度的控制、织物密度的控制、织物组织的控制、织物质量的控制。

3.加工过程控制

分为织机的启动与停机、织机运行状态的控制、润滑状态的控制、安全保护的控制。

4.人机交换的控制

实现以下功能：

自动对梭口、梭口中断纬自动修复、断经自动修复、机器状态的自动显示、机器信息的转贮、与中央计算机的双向通讯、织机键盘操作。

设置这些控制功能的目的是使织机达到高产、优质、低耗和方便操作。

一般来讲，织机控制功能越强，织机的性能越高，对操作人员的素质要求也越高，织机价格亦随之增加。

1.3织布机控制技术的发展

我国现拥有织机一百余万台，其中无梭织机约5万台，约占织机总数的5%，而目前世界上无梭织机拥有量已约占织机总数的15%以上。

在我国所使用的无梭织机中，绝大部分是进口机型，其中大部分织机是当前世界上先进水平的织机。

显然全靠进口织机来装备我国的纺织工业是不可能的。

因此我们必须根据我国的实际情况，结合我国国情制订合理的发展方向与措施，即多渠道加快发展无梭织机和多档次全面发展无梭织机。

目前，织布机有两种控制方式，一种是硬件控制，另一种是用PLC电气编程控制。

两者相比之下，硬件控制虽然成本较低，但是机器不易调节，变动很生硬，并且机器的使用寿命也不长。

而用PLC电气编程控制，尽管可靠性好，但是成本较高，现在被广泛使用。

本课题中，我采用了单片机控制织布机，这样无需改变硬件部分而是通过改变软件程序便能实现织布机所要求的不同功能，并且这样做可靠性高，柔性好。

第二章织布机检测与控制概述

2.1喷水织布机概述

2.1.1喷水织布机简介

喷水织布机是利用高压水与纬纱之间的摩擦力，拉动纬纱穿过交错排列的上下交替运动的一根根经纱。

经纱和纬纱交织过程中，经纱边交替上下运动边向前移动，每上下交替运动一次，高压水嘴喷出一根纬纱。

纬纱和经纱绕在各自的纱管上，自动放纱，每喷出一根纬纱，剪纱刀自动将其剪断。

为使纬纱排紧，每喷一根纬纱，紧纱装置紧纱一次，使纬纱排列紧密。

织成的布经吸水装置吸水后，卷到前方卷布筒上。

原理图如图2.1所示。

2.1.2喷水织布机喷纱原理

喷水织布机的投纬喷嘴由带导纱孔的织针和朝着喷嘴孔开口的供水孔的喷嘴主体组成；

织针插在喷嘴孔中，形成与供水孔连通的环状流路，环状流路包括在投纬方向上的整流流路和与整流流路连通的加速流路；

上游侧的整流子从织针的外周面朝喷嘴主体的内周面突出且在圆周方向形成布置了多个间隔的多个整流壁，下游侧的整流子从喷嘴孔的内周面朝织针的外周面突出且在圆周方向形成布置了多个间隔的多个整流壁，加速流路的流路剖面朝着下游逐渐减小并朝着射出口开口。

以此可充分地对压力水进行整流加速，以得到聚拢性好的高速喷射水。

2.2检测的内容与要求

在喷水织布过程中，遇到故障时必须立即停车，需检测的故障有：

1）断纬。

在正常工作中，每喷一次水，由接近开关产生一信号，同时探纬传感器也相应产生一信号，两信号同时送到探纬器。

若探纬器只收到接近开关信号，没有收到探纬传感器信号，说明已经断纬，此时，探纬器立即发出停车信号，切断主电机电源，随后发出刹车信号，刹住织布机，停止运动，以免经纱继续向前移动，造成布面缺纬，织出次品。

图2.1织布机原理

2）电机过热。

当电机工作温度过高，电机内部的过热保护装置发出信号，电机须停机，并立即刹车。

3）左、右捻边纱，缠纬纱断纱，卷布筒张力过大，需停止、刹车。

4）除了上述的故障发生，需停车外，当织布机织布的长度达到设定长度时，也需要立即停车。

2.3织布机的控制要求

2.3.1电机的控制

织布机共有三只电机，具体情况如下：

1.主电机

主电机主要为织布机运动装置提供运动及动力。

起动时，有两种方式：

①Y形起动，正常工作时也为Y形；

②Δ-Y形起动，Δ形起动（起动快），经延时后切换成Y形正常运转，起动方式可由操作者选择。

2.风机电机

风机电机共两只，一只吹风，一只吸水，将吹风机吹出的水汽吸走。

调整织布机各个运动机构位置时，可正、反点动主电机。

此时风机电机不需要起动。

织布时，要先起动风机电机，后起动主电机，否则主电机不起动。

（另外，调整织布机器时刹车装置要松开，否则不能实现点动。

）

2.3.2刹车的控制

刹车装置为电磁铁，起动主电机织布时，刹车装置必须处于有效状态，即遇到故障时停车后能立即刹车。

当刹车装置处于无效状态时，主电机不能起动。

点动调整织布机时，刹车也应处于有效状态。

松开点动按钮后，能立即刹住织布机。

当刹车装置处于无效状态时，可用手工盘动织布机，以调整织布机运动机构位置。

2.3.3指示灯要求

织布机有四盏指示灯。

红色为电源指示灯，接通电源后，该灯亮；

黄灯为织布（探纬）指示，正常工作时，该灯不停地闪烁，断纬停车后，该灯只亮不闪烁；

绿灯为电机过热、捻边纱、缠纬纱断纱指示，故障发生后停车时，该灯亮，故障不发生灯不亮；

蓝灯为计长指示，设定长度达到后停车且指示灯亮，长度未达到不停车灯不亮。

2.3.4直流电源要求

控制系统所需电源有四种直流电源：

单片机工作电压5V，探纬器工作电压12V，控制按钮工作电压12V，刹车装置直流电压110V。

上述四种直流电压经变压、整流后获得。

刹车时加在电磁铁上的电压为110V，停车后，降为24V，这是通过控制系统软件，使电磁铁线圈处于通—断—通—断……工作状态，改变通、断时间比，使线圈的平均电压为24V。

如图2.2所示。

图2.2刹车电压

第三章织布机控制系统电路设计

3.1设计方案的拟定

根据毕业任务书要求，设计织布机控制系统，如图3.1所示。

控制系统电路包括强电与弱电两部分。

弱电部分主要包含主控电路与整流电路的设计。

主控电路主要由单片机、控制电机实现正反转、点动、风机运转、电磁刹车、故障检测和各项运行指示电路组成，并使用光电耦合器对控制系统内部和外部的输入、输出信号进行耦合,固态继电器控制系统输出口与强电电路接口。

整流电路主要由整流变压器、二极管整流桥、滤波器和集成稳压器等环节组成。

强电部分主要包括电气保护元件、接触器开关、电机等。

图3.1整体电路布局图

3.2主控电路的设计

如图3.2所示，主控电路主要由单片机、控制主电机启动、停止、正反点动、风机启动信号输入电路，主电机正反转、星—三角连接电路切换、风机启动信号输出电路、指示灯控制信号输出电路、电磁刹车信号输出电路等组成，并在电路中为了抗干扰、强弱电耦合，使用光电耦合器件进行光电耦合，隔离单片机系统的输入、输出部分，并在电机控制信号输出电路当中采用了固态继电器与电机控制强电电路进行连接。

图3.2主控原理图

3.2.1主控电路中单片机89C51的应用

89C51是由ATMEL公司推出的一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。

芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。

使用89C51就不需要外扩程序存储器，而且其I/O端口引脚足以满足使用要求。

1）如图3.3所示，89C51共40条引脚。

以下是对引脚的说明：

1电源引脚：

Vcc（40脚）：

典型值＋5V。

Vss（20脚）：

接低电平。

②控制引脚：

RST/Vpd、ALE/

、

/Vpp组成了MSC-51的控制总线。

RST/Vpd（9脚）：

复位信号输入端（高电平有效）。

第二功能：

加+5V备用电源，可以实现掉电保护RAM信息不丢失。

ALE/

（30脚）：

地址锁存信号输出端。

编程脉冲输入。

（29脚）：

外部程序存储器读选通信号。

/Vpp（31脚）：

外部程序存储器使能端。

编程电压输入端（+21V）。

图3.389C51引脚图

2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2接外部振荡器信号，即把外部振荡器的信号直接连到内部时钟发生器的输入端。

当采用外部时钟信号时，XTAL2接振荡

信号，XTAL1接地。

原理图中使用了12MHz晶振，则根据单片机CPU的工作时序，其4个周期的具体值计算如下：

振荡周期=

；

时钟周期=

机器周期=

指令周期=

。

3）89C51单片机的P口特点

P0口：

是一个8位漏极开路输出型双向I/O端口。

作为输出端口时，每位能以吸收电流的方式驱动8 

个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。

在访问外部程序或数据存储器时，它是时分多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间将激活内部的上拉电阻。

P1口：

P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作输入口。

P2口作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

P2口：

P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

在访问外部程序存储器时和16位外部地址的外部数据存储器（如执行MOVX 

@DPTR）时，P2口送出高8位地址。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行 

MOVX 

@RI）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。

P3口：

P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

P3口作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

4）各引脚应用说明（表3-1）。

3.2.2主控电路中光电耦合接口电路

（1）光电耦合器的结构及特点光电耦合器由发光源和受光器两部分组成，并封闭在同一不透明的管壳内由绝缘的透明树脂隔开，如图3.4所示。

发光源引出的管脚为输入端，受光器引出的管脚为输出端。

光耦合器的封装形式有管形，双列直插式和光导纤维连接等形式。

光电耦合器的发光源常用砷化镓红外发光二极管，受光器常用光电三极管、光敏晶体管和光敏集成电路等。

表3-1引脚应用说明

引脚名称

引脚说明

VCC

接单片机工作电压+5V

P3.0

控制主电机反转

（反转点动）

GND

接地

P3.1

控制主电机正转

（正转点动）

P0.6

控制继电器CY输出电路

P3.2

控制系统停车

P0.5

控制继电器CΔ输出电路

P3.3

控制接近开关信号

P0.4

控制继电器ZC输出电路

P3.4

控制系统停止

P0.3

控制继电器FC输出电路

P3.5

控制两风机的启动

P0.2

控制继电器C输出电路

P3.6

刹车开关信号

P1.0

控制六项自停

P3.7

控制高压刹车

P1.1

控制主电机Y-Δ启动

P2.1

控制低压刹车

P1.2

控制计长自停

P2.3

控制计长指示灯

P1.3

控制电机过热自停

P2.4

控制五项指示灯

P1.4

控制右绞故障自停

P2.5

控制探纬指示灯

P1.5

控制左绞故障自停

P2.6

控制电源指示灯

P1.6

控制缠纬故障自停

RST

控制系统复位

P1.7

控制张力过大自停

XTAL1

接振荡器

XTAL2

（2）光电耦合电路如图3.5所示，为光电耦合器在控制系统电路中的应用方式。

图中光耦为晶体管输出型光电耦合器。

光电晶体管以光取代基极电流，作为晶体管的输入，当光电耦合器的发光二极管发光时，光电晶体管受光的影响在cb和ce间会有电流流过，电流受光照强度控制。

光电耦合器起到耦合脉冲信号和隔离单片机89C51系统与控制开关、输出部分的作用，使两部分的电流相互独立。

由于光电耦合器是电流型输出，不受输出端工作电压的影响，因此可以用于不同电平的转换。

图3.4光电耦合器的结构和符号

图3.5系统电路中的光耦接口电路

图中，当开关闭合时，发光二极管通电发光，受光部分受光导通，P3.5低电平有效；

当开关断开，光耦输入端电流为0，发光二极管不导通，输出相当于开门，P3.5为高电平。

图中电阻起限流保护作用。

流经发光二极管的电流大小有限制，不能太大也不能太小，其上的电阻RI1的阻值即为直流工作电压+12V除以发光二极管的工作电流4mA而求得。

3.2.3主控电路中固态继电器接口电路

固态继电器是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的电磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。

固态继电器有三部分组成:

输入电路，隔离（耦合）和输出电路。

按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。

有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。

固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。

固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。

交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。

图3.6为其在本控制系统中控制电机交流接触器的应用接口电路。

图3.6继电器型驱动接口电路

继电器的输入为单片机的逻辑电平，信号经光电耦合器耦合后，经驱动三极管进行转换，使输出的驱动电压能够适应继电器的要求。

图中PNP三极管为固态继电器的驱动管。

当单片机P0.3为低电平时，经光耦耦合，加在PNP基极的电位低于发射极，三极管导通，固态继电器导通，接触器FC线圈得电，FC常开触点闭合，电机运行。

继电器动作时，对电源有一定的干扰，为了提高单片机系统的可靠性，在单片机和继电器之间用光耦隔离，使两部分的电流相互独立。

不与交流电源的地线相接。

这样就避免了输出部分电源变化对单片机电源的影响，减少了系统所受上述干扰，提高了系统的可靠性。

3.3电磁刹车电路设计

如图3.7所示，为电磁铁刹车电路，电路主要由反