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弹簧弹性力测试分选机论文
摘要
弹簧弹性力测试分选机是对大批量生产的弹簧依据其弹性系数不同，按照预先规定的指标进行测试自动筛选出合格与不合格产品，并在不合格产品范围内依据是否可以修复将弹簧进一步细分，自动流入不同的装料箱，以用于不同场合。
随着计算机技术的发展，弹簧分选系统用电子控制技术代替机械式的分选系统，大大提高了分选系统的速度和准确性。
本文就弹簧分选的原理、系统任务分配、硬件控制系统的结构及软件设计等几方面进行了论述。
本文对弹簧分选机的工作原理做了详细说明。
硬件控制器部分采用MCS-51单片机为主控制器，进行适当扩展与丰富的外围设备。
成功的设计了气动回路和电机的驱动模块。
根据实验结果，分选部分可以安全精确的把弹簧送到预定的地点。
AD采集模块采用8位逐次逼近式采集芯片ADC0809。
CPU控制程序在汇编语言环境下实现。
本课题的完成，为研发低成本的弹簧分选设备提供了思路。
关键词：
弹簧分选；低成本；MCS-51单片机；AD采集；汇编程序设计
Abstract
Automaticspringclassificationmachineisthemachinethatcantestlargequantitiesofsprings,whichhavedifferentflexibilitycoefficientsandusedforthedifferentsituation,andsieveautomaticallythequalifieddifferentfromtheunqualifiedaccordingtotherulesproceededinadvance,alsofurthersubdividethespringcoilaccordingtowhethercanrepairwithinthescopeoftheunqualified,automaticallyaffluxanticipatebox.Withthedevelopmentofcomputertechnology,thetraditionalmechanicalmethodwasreplacedbyelectronictechnology;thenewmethodimprovestheaccuracyandthespeedofthesystemic.
Automaticspringclassificationmethod,thestructureofcontrolsystemanditsapplicationsoftwaredesignarealldiscussedinthispaper.
Theautomaticspringclassificationmethodwasintroducedindetailinthispaper.ControlhardwaresystemadoptsMCS-51astheprincipalmachine,weproceedtheproprietyoftheenlargetomakecommunicationwiththeperipheryequipment.Thesuccessfulpneumaticreturncircuitofdesignanddrivemoduleoftheprinter.Theexperimentresultexpresses,thesendingpartsdesignedcansendthespringcoiltothemeasuredpositionsafely,dependablyandaccurately.TheblockofA/DgatherbuiltwiththechipofADC0809,whichmadeinUSAbyIntel.ThesourceprogramwasbuiltontheenvironmentofCompileLanguage.
Accomplishmentofthistaskofferednewfashionfordesigninglowercostspringclassificationdevice.
KeyWords:
Springclassification；Lowcost；MCS-51MCU；CompileProgram
目录
1绪论1
1.1弹簧分选仪的发展现状1
1.2本课题的意义1
1.3本课题设计的任务2
2弹簧分选机系统概述2
2.1分选机的组成2
2.2分选机的设计要求3
2.3功能概述4
2.3.1总体功能描述4
2.3.2弹簧分选系统的硬件原理描述4
2.4系统工作原理及具体操作5
3分选控制系统模块化设计6
3.1键盘显示模块方案的选择和设计7
3.2数据采集模块设计12
3.2.1AD转换器的选用12
3.2.2AD转换软件设计15
3.2.3称重压力传感器的选择15
3.3电机和PLC驱动电路设计17
3.3.1电机驱动设计17
3.3.2驱动控制系统组成18
3.3.3步进电机的综合设计21
3.3.4PLC的选用和程序设计22
4控制系统总体设计23
4.1系统硬件设计23
4.2系统软件设计26
4.2.1系统初始化程序27
4.2.2电机驱动及控制子程序设计27
4.2.3AD转换器的转换控制程序设计28
4.2.4系统总程序设计29
5设计小结32
参考文献33
致谢34
附录
附录一外文资料
附录二中文翻译
附录三系统汇编语言源程序
附录四MCS-51控制板电气原理图
附录五控制系统电气接线图
1绪论
1.1弹簧分选仪的发展现状
实现弹簧检测的智能化分选设备的开发，成为弹簧工业发展的需要和必然趋势。
到目前为止，国内还没有企业能生产弹簧分选机，而一台进口弹簧分选机的售价约为80元万人民币，国内仅有有限的几台弹簧分选机。
我国目前生产的弹簧分选机的售价约为10万元（不带自动上料机构）--15万元（带自动上料机构）、静态精度（负荷值）0.5%、弹簧直径15—50mm、弹簧长度（自由长度）25—100mm、分选门数5；以上关于弹簧直径、弹簧长度、分选门数均可由用户选定，但若不在提出的范围内则须增加费用（尤其是门数的增加）。
开发性价比较高的弹簧分选机能够迎合市场的需要。
高性价比的分选机能够满足各种形式的弹簧参数的检测，如定长压力值、定拉力（压力）伸长（压缩）量等的检测，提高的机电产品的性能，具有广阔的市场前景和成长空间。
1.2本课题的意义
国内弹簧工业的产品设计制造工艺生产设备以及弹簧的材料等方面都有了新发展，同时对应用弹簧的要求也越来越高。
在各种螺旋弹簧中，内燃机的气门弹簧是其中较为重要的弹簧之一，它是国家质监部门要求负荷值全检的弹簧，也就是说装入内燃机的每一只气门簧，都必须经过符合一定要求的，弹簧分选机就成了气门弹簧分类的重要设备。
它将采集到的数据与预设数值相比较将不同负荷范围的弹簧送到不同的地点，以达到自动分类的目的，其可靠性与用人来分类是不可同日而语的；它用高性能的气缸与气阀相配合产生动力，其效率也是以往的分选机所不能比拟的。
除了气门弹簧外，离合器弹簧一般也要用到弹簧分选机；虽然离合器弹簧对负荷的要求不是很高，但是离合器弹簧有个特点，就是一个离合器总成上的所有弹簧的负荷值要一致，这样才能保证离合器可靠地分离与结合，如果在同一离合器中采用的弹簧的负荷值不一样，将会导致离合器的分离不彻底，产生起步时的抖动现象。
并且离合器弹簧的负荷值也必须能达到一定的值。
压力过大，离合器分离操作困难；压力过小，则离合器会在汽车高负荷运行时产生打滑现象，严重时导致离合器摩擦片的烧蚀。
综上所述，弹簧分选机对弹簧生产企业是十分必要的检测设备，对提高产品质量与企业的劳动生产率起着重要的作用，必将带来可观的经济效益和社会效益。
1.3本课题设计的任务
设计完整的控制系统，实现对弹簧压力参数的检测，并通过对压力参数的检测、比较实现对弹簧压力性能级别的自动分选。
主要的设计部分在于前向通道的设计、后向通道的设计和人机接口的设计。
前向通道的设计主要包括传感器的选用、压力模拟信号的处理和数据采集和转换；人机接口的设计包括键盘的设计和显示接口设计，如功能键的定义、数字键的定义、键码的识别和处理、按键的数值显示、上下差值的显示、压力值的显示等；后向通道的设计主要是电机驱动的设计和分选电磁阀的控制设计。
在完成基本功能的情况下，还要求系统的人机交互面板要具有一定的友好性。
在系统人机接口的程序设计过程中，要求系统具有错误输入的识别和处理能力。
整个系统在人为设定参数后应该具有自动运行的能力。
通过本设计的学习过程，应该掌握单片机控制系统设计的一般方法。
学会使用电气控制系统设计的基本软件和开发工具，如Protel电子电路设计软件、单片机仿真器、编程器等。
2弹簧分选机系统概述
2.1分选机的组成
一般来说，机器由原动部分、工作（执行）部分、传动部分、控制系统及一些辅助装置等组成。
本设备为弹簧分选仪。
其也由原动部件、工作（执行）部件、传动部件和控制系统四大部分组成。
[1]原动机
原动机是驱动整个机器以完成预定功能的动力源。
它把其它形式的能量转换为机械能。
原动机的动力输出绝大多数呈旋转运动的状态，输出一定的转矩。
如电动机，其把电能转化为机械能，输出具有能承受一定载荷的转矩。
再如内燃机（汽/柴油机）其是一种把化学能转化为动能，以转矩形式输出的一种机械装置。
在一个机械系统中，原动机是不可少的。
本设计也必须使用原动机为执行部件提供动能，拟选择三相混合式步进电动机为原动机。
⑵执行部分
执行部分是用来完成机器预定功能的组成部分。
一部机器可以只有一个执行部分，也可以把机器的功能分解成好几个执行部分。
执行部件是完成系统工作目的的最终部件，如气缸、步进电机、液压马达等均是常见的执行元件。
本设计的执行元件为电磁阀控制的执行气缸。
在本设计中，根据气缸的功能，气缸可以分为主气缸和子气缸。
主气缸的作用在于为弹簧提供必要的压力，通过检测施加在弹簧上的压力值来控制子气缸的分选动作。
⑶传动装置
传动装置是用来连接原动机部分和执行部分，它将原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。
机器的传动部分大多数采用机械传动系统，有时也采用液压或电力传动系统。
机械传动系统是绝大多数机器不可缺少的重要组成部分。
⑷控制系统
控制系统是一个具有相当自动化和智能机电设备的必须的装置。
其一般为电子部件，是当今计算机技术和电子技术发展的必然要求。
控制系统多由微电脑芯片及其外围电路构成。
通过微机芯片对外部信号的处理，检测输入信号和外部位置、位移等状态中断信号，并进行处理，控制执行部件准确有序地动作。
2.2分选机的设计要求
机电设计具有众多的约束条件和设计要求，设计要求就是产品设计所应该满足的约束条件。
⑴技术性能要求
技术性能包括产品功能、制造和运行状况在内的一切性能，既指静态性能，也指动态性能。
例如，产品所能传递的功率、效率、使用寿命、强度、刚度、抗摩擦、磨损性能、振动稳定性、热特性等。
技术性能要求是指相关的技术性能指标必须达到产品功能特定的要求。
⑵标准化要求
与机电产品设计有关的主要标准大致有：
①概念标准化：
设计过程中所涉及的名词术语、符号、计量单位等应符合标准；
②实物形态标准化：
零部件、原材料、设备及能源等的结构形式、尺寸、性能等，都应按统一的规定选用。
③方法标准化：
操作方法、测量方法、试验方法等都应按相应规定实施。
标准化准则就是在设计的全过程中的所有行为，都要满足上述标准化的要求。
⑶可靠性要求
可靠性：
产品或零部件在规定的使用条件下，在预期的寿命内能完成规定功能的概率。
可靠性准则就是指所设计的产品、部件或零件应能满足规定的可靠性要求。
可靠性在机器设计中的表现中在元件（包括机械元件和电器元件）工作的可靠性，即要求系统元件能完成预期的任务。
在自动化机电设备中，电气元件的可靠性更显得重要，它不仅要保证自身工作可靠，也要保证系统其他部件，如执行部件的工作可靠，进而保证产品的质量可靠。
机电产品中的可靠性的保证应当从电子元件的可靠性、系统设计的可靠性和操作可靠性等方面来保证。
⑷安全性要求
一个好的机械系统应是足够安全的系统，应具有自动保护装置，保证人机安全。
机电产品的安全性包括：
①零件安全性：
指在规定外载荷和规定时间内零件不发生如断裂、过度变形、过度磨损和不丧失稳定性等等。
②整机安全性：
指机器保证在规定条件下不出故障，能正常实现总功能的要求。
③工作安全性：
指对操作人员的保护，保证人身安全和身心健康等等。
④环境安全性：
指对机器周围的环境和人不造成污染和危害。
安全性的保证和故障的自动诊断也是一个应用控制系统设计中必须考虑的问题。
通过相应的软件和硬件设计，应使系统具有事故报警、自动停机和故障自诊断的能力。
2.3功能概述
2.3.1总体功能描述
弹簧分选机作为一个分选系统，其主要功能在于对弹簧相关参数的检测，实现对弹簧质量的分选和相关参数的匹配。
比如在汽车离合器中的压力弹簧要求其压缩力相等，才能实现汽车的平稳启动和准确离合，因此，我们要控制好弹簧的压力值，保证其在一定的范围内进行选配使用。
本弹簧分选机的功能就是要求实现对不同弹簧的压力值的检测，通过对压力值的数字化处理，实现对弹簧的分选。
2.3.2弹簧分选系统的硬件原理描述
图2-1分选机系统硬件原理图
本系统的主控制器为MCS-51系列单片机搭建的核心控制板，采用AT89S52单片机芯片。
称重传感器检测到的压力值模拟信号通过有源放大、信号调理、AD采集模块后转换成可以接收的数字信号，由CPU接收分析后进行后置处理[1]。
本系统的执行部件为PLC（可编程逻辑控制器）控制的气缸，驱动部件为三相混合式步进电机，同时提供数值显示功能。
其硬件结构如图2-1所示。
2.4系统工作原理及具体操作
作为完善的弹簧分选系统，除了要完成基本的弹簧分选功能，还要实现数据统计、故障排除等多方面的功能，系统对任意一个弹簧的分选过程包含三部分的工作：
标定清零工作、分选工作、后置工作。
具体操作过程如下：
（1）标定清零
①对称重传感器的标定：
称重传感器在用过一段时间后，需要重新标定。
下面简述标定步骤：
第一步：
将标定传感器置于压头上，而后按下主机按键；
第二步：
按下清零键对使用传感器及标定传感器清零；
第三步：
用加压或者放置重物的方法，置与标定传感器上。
此时使用传感器的显示单元将显示此刻的读数，而标定传感器也有相应的读数。
第四步：
如果读数不符，调放大电阻进行机器标定。
第五步：
标定完成，根据使用传感器显示读数重新清零。
②每次换不同的弹簧时，需要调定其压缩高度及确定弹簧的正常受压力：
第一步：
通过调整丝杆及螺丝，把压头抬高（保证气缸压到下限时与弹簧不接触）。
第二步：
按下显示键，而后按下主机按键，此时，传感器显示模块会有读数，不为零，则先按下清零键清零，清零完成，按下气缸下压键，此时主气缸会向下压到最底层。
第三步：
缓慢的调整丝杆，压头向下运动，并直到压至所需位置为止，在这个过程中，显示模块不断显示使用传感器的读数。
用户根据自己需要调整到相应位置，并记下读数。
第四步：
关闭显示按键，气缸下压键。
弹簧分选机完成整个过程。
第五步：
将读数作为标定值通过键盘输入，并据需要把上下偏差以同样方式输入。
（2）分选工作
第一步：
打开称重传感器电源，预热半小时，接通系统供电。
第二步：
初始化过程，气缸回到原始位置及一些数据初始化过程。
第三步：
等待电机是否已经运动一个工位，已经运动则使气缸向下运动。
第四步：
停留一段时间，通过算法测出该弹簧的压缩力。
并与键盘的设定值比较确定该弹簧是否超差。
第五步：
气缸回程，根据分选结果，驱动分选气缸对弹簧进行分选。
3分选控制系统模块化设计
弹簧分选机的控制系统设计就是要实现弹簧分选功能的数字化，基于微型计算机的控制系统是本控制系统设计的核心。
本设计以MCS-51系列8位单片机AT89S52作为微处理器，所有的控制功能都是在MCS-51系列单片机AT89S52及相关的外围电路上来实现的。
本系统以AT89S52微型单片机为核心。
其前项通道为压力输入和ADC0809构成的电路，后项通道为由反向驱动器74ls04构成的驱动电路，由AT89S52的I/O口输出，分别驱动执行气缸和步进电机。
除了前向通道和后向通道外，我们还需要做一些人机交互界面进行人机交互，实现对机器的相关参数的设计和必要的人工干预。
详细的电气结构图如图2-2所示：
图2-2电气结构框图
整个系统以MCS-51系列单片机AT89S52为核心处理器，通过输入的模拟量来控制输出。
输入的模拟信号由ADC0809的模拟通道0输入。
并口扩展芯片8255的A、B、C端口均工作于双向I/O的0工作方式。
74LS373为P0口的地址信号进行锁存，除此之外，我们还要为各驱动电路实现驱动，在本设计中，通过反向驱动来实现驱动。
常用的反向器为六反向器74LS04。
3.1键盘显示模块方案的选择和设计
在设计过程中，我们考虑了几个实现人机交互接口功能实现的方案[3]。
方案一：
采用8051为中央处理器，采用拨码盘输入，输入分选参数的上下差值。
其优点在于硬件电路相对简单。
但拨码盘输入不是很直观，而且拨码输入比较繁琐。
方案二：
人机接口使用键盘输入。
采用3mm轻触按键来实现构成4×4的16键键盘。
通过软件定义实现数字键和功能键，软件扫描和按键识别功能实现键盘的设计。
其优点在于数据输入比较直观，并且可以根据自身的需要来定义功能键。
但由于要通过软件的方式来解决按键识别和去抖动问题，其软件编程相对复杂。
方案三：
采用4×4的16矩阵键盘，在处理按键消颤时采用硬件。
这样做的好处是在于减轻软件的负担，但硬件设计相当复杂[4]。
图3-1键盘显示电路图
方案四：
采用8279芯片解决输入和显示功能的设计。
8279是一款键盘显示接口芯片，这个芯片可以实现显示，按键的程序控制，通过对8279芯片的控制来控制显示和键盘的输入和输出。
这样做就减轻了8051的负担并且简化了相关显示和按键硬件结构，但其硬件开支相对较高。
通过对上述4中方案的考虑和综合。
我们在设计中决定以方案二为按键实现方案，配以相关的接口电路和LED数码管显示电路来实现人机界面的设计。
键盘显示电路图如图3-1所示。
本系统设计采用了4×4的16矩阵键盘来实现数据的输入等人机交互功能，将占用大量的IO单元，因此需要对单片机系统的IO口进行扩展。
MCS－51单片机并行I/O口扩展的方法一般有以下几种[5]：
①总线扩展法。
在单片机应用系统中，经常采用TTL电路或是CMOS电路锁存器和三态门作为I/O扩展芯片。
这类TTL常用的芯片有：
74LS373、74LS244、74LS245等，一般通过P0口扩展。
②串行口扩展法。
在MCS－51单片机应用系统中，若串行口未被占用，这时可以用串行口的工作方式0来扩展并行I/O口。
用串行口扩展并行I/O口常用的是移位芯片74LS164、74LS165等。
③采用可编程器件扩展I/O口，常用的有8255、8155等。
使用8255做并口扩展的好处在于可对8255进行编程来定义扩展口的属性和功能。
本系统使用8255并口扩展芯片来实现单片机系统的I/O口的扩展。
本系统设计使用了8255的PA口的PA0－PA3作为列线，PC口PC0－PC3作为行线，组成了4×4的16键矩阵键盘。
PC口的PC4－PC7口作为动态数码管显示器5461H－AH的管选信号，PB口为LED数码管显示的数据输入口。
这样，就构成了由8255、3mm轻触按键开关和4LED数码管5641H-A组成的显示模块。
矩阵键盘由若干按键组成的开关矩阵，它是微型计算机最常用的输入设备，用户可以通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。
一般单片机系统中采和非编码键盘，非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单，使用灵活等特点。
矩阵键盘行扫描法的工作原理如下2个步骤描述[6]：
①判断键盘中有无键按下
将全部行线Y0-Y3置为低电平，然后检测再列线的状态。
只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。
如果所有的列线都为高电平，则键盘中无键按下。
②判断闭合键所在的位置
在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。
其方法是：
依次将行线设置为低电平，即在置某行线为低电平时，其它线为高电平。
在确定某行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。
若某列为低，则该列线和置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
按键开关键盘要解决的首要问题是按键去抖动问题，按键去抖动的方法一般来讲有硬件法去抖和软件去抖法，在设计中使用了软件延时的方法来实现去抖动功能。
通过扫描按键延时，再扫描按键的方法来实现按键的去抖动和键码识别[7]。
软件实现的程序框图如图3-2示。
图3-2软件实现键盘扫描程序框图
按键的键值处理采用程控行列扫描用软件的方法实现，流程如图3-3示。
图3-3键值计算程序流程图
键盘处理程序其功能在于判断有无按键按下。
键盘处理程序在按键处理过程中调用了键处理子程序和显示子程序，要是有按键按下，则键值送40H，并显示。
无按键按下就循环扫描。
键盘处理程序如下：
KEYPRO:
ACALLDISP；键处理子程序，键值送40H，并显示
ACALLKEXAM
JZKEYPRO
ACALLD10MS
ACALLKEXAM
JZKEYPRO
KEY1：
MOVR2,#0FEH；给行值模型
MOVR3,#00H
MOVR4,#00H
KEY2：
MOVDPTR,#7F02H；行值模型送C口
MOVA,R2
MOVX@DPTR,A；扫描第一行
MOVDPTR,#7F00H
MOVXA,@DPTR；读A口值（列值）
MOV40H,A；保存列值模型
ORLA,#0F0H
CPLA
ANLA,#0FFH
JNZKEY3；有键按下,求列值.无键按下,行值加4
MOVA,R4
ADDA,#04H
MOVR4,A
MOVA,R2
RLA
MOVR2,A
JBACC.4,KEY2
AJMPKEYPRO
KEY3:
MOVA,40H；恢复列值模型
KEY4:
RRCA
JCKEY9
AJMPKEY5
KEY9:
INCR3
AJMPKEY4
KEY5:
ACALLD10MS
ACALLKEXAM
JNZKEY5；若有键按下，则转ＫＥＹ５等待释放
MOVA,R4
ADDA,R3
MOV40H,A；键值送40Ｈ
RET
按键查询子程序：
KEXAM:
MOVDPTR,#7F02H；按键检查子程序
MOVA,#
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