剪板机的单片机控制.docx
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剪板机的单片机控制
摘要
本文根据实际工程自动化技术改造需要，完成了全自动剪板机智能控制系统的设计和调试。
说明书首先探讨了全自动剪板机智能控制系统的实现方案，根据实际需要，在常规的PLC控制和单片机控制中选择了以单片机为主的控制方案。
然后分析了单片机在自动控制系统的应用，对硬件电路中的主要环节：
如输入输出接口的扩展、键盘和显示器电路、步进电机的驱动控制、继电器及CPU监控器X25045电路等给出设计思路和具体实现方法。
对软件设计中的主要环节：
如编程器仿真器环境、控制软件流程、主要功能模块实现方法、软件调试等进行了论述。
考虑到自动控制系统在实际工作环境中的可靠性和安全性，在硬件设计和软件编程中采取了抗干扰措施，如采用监控器芯片、设计检测工作状态程序等。
在设计自动控制系统的时侯，同时考虑今后技术改进和推广的需要，为系统的扩展留下了余地。
关键词：
自动剪板机自动控制单片机系统硬件设计软件编程
Abstract
Accordingtotherequirementofimprovingactualengineeringautomatictechnology,theexploitationanddebuggingoftheintelligentcontrollingsystemoncompleteautomationboardshearswerefinishedinthispaper.
Firstly,theimplementschemeofintelligentcontrollingsystemoncompleteautomationboardshearsisdiscussed.accordingtothepracticalneedsandrequirementofclients,theSCMcontrollerwaschosenasmaincontrolschemebetweentheconventionalPLCcontrollerandSCMcontroller.
Secondly,theexecutingorganneededintheautomaticcontrollingsystemisanalysedandthenthedesignofmechanicalpart,suchastheorganoffeeding,theorganofpreciselengthsetandtheorganofchargeanddischarge,isalsofinished.
Finally,theapplicationofSCMintheintelligentcontrollingsystemwasanalyzed.ThedesigningideaandspecificimplementmethodsoftheimportantsectionofhardwaresuchastheexpandingofI/Ointerface,thecircuitofkeyboardanddisplay,thedrivingcontrollerofstep-by-stepelectricmachinery,thecircuitrelyaandCPUmonitorweregiven.Themainsectionofsoftwaresuchastheenvironmentofprogrammingeditorandemulator,theflowchartofcontrollersoftware,theimplementmethodsofprimaryfunctionmoduleandthedebuggingofsoftwarewerdiscussed
Consideringthereliabilityandsecurityofintelligentcontrollingsysteminthepracticalworkingenvironment,anti-jammingmeasurewasadopted,suchasusisngtheCOMSchipanddesigningtheprogramtoinspectworkingstateetc.Afteritwasdebugged,thepracticaleffectisverygood.
Whendesigningtheintelligentcontrollingsystem,therequirementsoftechnologyimprovementandspreadarealsoconsidered,whichleavesthespacefortheextendingofsystem.
Keywords:
completeautomationboardshearsautomaticcontrolSCMsystemhardwaredesigningsoftwareprogramming
第一章绪论
1.1课题背景
自动化技术是本世纪以来发展极其迅速和影响极大的科学技术之一。
现代自动化技术是一种完全新型的生产力，是直接创造社会财富的重要手段，对人类的生产活动和物质文明起着巨大的推动作用。
因此，受到世界各国的广泛重视和越来越多的应用。
机械自动化，主要指在机械制造业中应用自动化技术，实现加工对象的连续自动生产，实现优化有效的自动生产过程，加快生产投入物的加工变换和流动速度。
机械自动化技术的应用与发展，是机械制造业技术改造、技术进步的主要手段和技术发展的主要方向。
机械自动化的技术水准，不仅影响整个机械制造业的发展，而且对国民经济各部门的技术进步有很大的直接影响。
因此，发展我国的机械制造业自动化技术，符合我国社会主义的基本原则，符合我国现代生产的发展规律。
发展我国的机械自动化技术.应实事求是，一切从我国的具体国情出发，走中国的机械自动化技术发展之路。
当前，我国机械制造业中自动化装备少、水准低，不仅在数量上同世界先进国家有较大差距，而且在品种上、质量上、应用上，同世界先进水准也存在阶段性差距。
在这种国情下，要把庞大的劳动力大军从机械制造业生产岗位上撤下来，投入巨额资金改造现有的大量落后设备和研制大量的现代自动化装备及控制装置，在科学技术水准和人员素质不太高的情况下采用先进的技术装备，都是不现实的。
而大力发展低成本自动化技术，却是潜力大，前景广，投资省，见效快，可以收到事半功倍的经济效果，适合我国现阶段的发展需要和国情。
我国机械制造业存在大量的通用设备，在发展现代机械自动化技术时，可以应用微电子技术改造这些已有通用设备。
比如用数显、数控装置改造通用设备，提高单机自动化程度；用可编程序控制器改造通用机床、专用机床、组合机床及其自动设备与半自动设备组成的生产线，这样可以把计算机功能完备、编程灵活、适应性强的优点和继电器控制简单、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来。
这是一条低成本、高效益、符合我国国情的机械自动化技术发展应用新途径。
1.2课题研究目的与意义
以计算机为核心的自动化技术是我国工业重点发展的高科技领域之一。
工业自动化技术是推动我国科技进步、推动国民经济发展的重要手段。
不断采用最新的电子信息技术来装备和改造传统产业，是我国进行现代化建设的必由之路。
上世纪80年代后期，随着单片机技术的发展，传统机械设备的控制柜逐渐被新一代的智能化仪表所代替。
对于日益复杂的控制功能，传统控制柜显得无能为力，而单片机具有可编程序的特点，运行时可以根据要求，自动选择控制算法，适应性强；单片机采用以软件代替硬件的方法，可以简化线路，使仪器的性能价格比不断提高。
本文的研究目的，在于探索在板材加工中，应用单片机控制技术，实现板材加工的自动控制。
在板材加工系统中，板料长度检测、板料进料、压紧、走刀、落料、长度调整等过程必须按一定的节拍一定的控制精确度动作。
而且，不同长度、不同厚度、不同材料的扳材，各动作行程、先后顺序、刀具位置等要求都不一样。
对于这样的控制要求，传统控制柜很难实现，采用PLC控制器价格又高，一些中小企业就采用人工控制，这不仅影响产品的质量，而且加工车间噪声大、粉尘多，操作人员的劳动条件十分恶劣。
随着现代控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，机械加工过程采用计算机控制为加工过程的规范化、标准化创造了条件，同时也可以大大地改善操作人员的工作环境。
设各自动化是提高生产效率，增强竞争能力的保证。
更新和改造传统设备是设备实现现代化的两个重要途径。
采用新的低成本自动化技术改造老设备，是提高企业经济效益的好办法。
1.3低成本自动化概述
设备老化是制约技术创新的重要因素，应有目的，分层次地更新老设备，有重点地提高机械工业的装备技术等级，并根据国力，结合国情，逐渐地推进机械工业向技术密集产业方向发展，促使劳动生产率的提高。
低成本自动化（LCALowCostAutomation）是为了适应中小企业实现综合自动化的低成本自动化技术，也就是充分利用现有设备的潜力，以较少的投入实现基础自动化或局部综合自动化，提高生产效率和企业的竞争能力。
这项研究领域受到越来越多人的关注。
1.3.1低成本自动化（LCA）主要特点
1）技术经济效益显著。
产出投入比高。
投资回收期短，一般在1-2年内即可全部回收投入的资金；
2）不要求对已有生产制造工艺过程做出重大改变，投资风险小;
3）实行LCA在企业中构成了弱联系的自动化独立岛，需要充分发挥职工的主观能动性；
4）能够采用“短，平，快”的高新技术实现LCA。
它以高效、实用和可靠为目标，不需要处处追求最新的技术成就，应该做到“少花钱，多办事，办好事”。
1.3.2低成本自动化系统的设计原则
通常进行系统设计既要系统先进自动化程度高，又要投入尽可能低。
要解决这个基本矛盾，必须综合考虑多方面因素，在尽可能压低投资成本的前提下，按一定设计原则实施。
1）满足需要原则。
即把满足用户对产品功能及自动化水平等要求作为设计的中心任务。
2）最小系统原则。
即在考虑满足要求的前提下，用最简单的硬件、软件，最经济的方法构成系统，使系统的硬件及软件冗余功能最小。
3）可靠性原则。
即在规定条件下和规定时问内无故障地完成某种功能的能力。
4）匹配性原则。
要求系统各组成部分在功能和水平上尽可能接近一致，电平上相互匹配，以求功能得到充分利用。
5）标准化、系列化、通用化原则。
对系统的元器件选择应尽可能使用标准化、系列化、通用化产品或己使用过的较成熟的组件或子系统。
控制部分尽可能使用专用模块、系列化的控制器及总线模块。
以求降低研制成本，缩短开发周期，增强抗干扰能力和改善维修条件等。
6）先进性原则。
在满足经济性能前提下，尽可能采用新的技术与方法，充分利用社会已取得的成果，如己发展成熟的新技术、新工艺及新的元器件等，使原有设备结构更加简单、功能更强、可靠性更高，体积重量更小更轻，操作与维修更加简便。
1.3.3在我国发展低成本自动化的重要性
我国工业自动化总体水平不高。
由于我国对设备折旧率的规定，设备更新较慢，Ｋ期以来在很多行业普遍存在着耗能大效率低等弊端。
改革开放以后一些行业陆续引进了国外先进的生产线、新技术、新器件，使机械行业的面貌发生了巨大的变化。
但是，对引进设备的消化吸收工作仍然做得不够，受财力因素的制约，只能不断引进必要的关键性设备，不可能全部依赖引进。
这样，对正在使用的设备来说，如果它在生产原理方面与国外设备没有实质的不同，而设备的主体部件又比较耐用，那就可以充分利用已有设备、挖掘潜力，采用低成本自动化技术，在不停产或少停产的情况下，实施技术改造，达到少的投资，快的速度，高的效益。
上述设备在我国的机械行业恰恰是大量存在着的，用新的全套设备来取代，经济上不许可，企业中的技术力量也难于胜任。
发展低成本自动化是促进技术改造的有利手段，具有很好的前景。
1.4智能控制理论的发展及其应用现状
自从1932年奈魁斯特（Hnyquist）发表了有关反馈放大器的稳定性论文以来，控制理论的发展已走过了60多年的历程，其中前30年是经典控制理论的成熟和发展阶段，后30年是现代控制理论的形成和发展阶段。
经典控制理论主要研究的对象是单变量定常线性系统。
到了60年代，经典控制理论已经成熟.同时由于计算机技术的成熟和发展，以及多输入一多输出线性系统的控制需要，促使控制理论由经典控制理论向现代控制理论过渡。
现代控制理论以庞特亚金的极大值原理、贝尔曼（Belman）的动态规划、卡尔曼（Kalman）的线性辨识和估计理论为基石，形成了以最优控制（二次型最优控制、HX控制等）、系统辨识和最优估计、自适应控制等为代表的现代控制理论分析和设计方法。
系统分析的数学模型主要是状态空间描述法。
然而，在现实生产实践中，许多复杂的生产过程不是连续的，而有些过程的控制目标本身难以定量研究，因此需要与数据处理方法、规则、经验相结合，才能取得满意的控制效果。
智能控制是一门新兴的学科，它的发展得益于许多学科，其中包括人工智能、认知科学、现代自适应控制、最优控制、神经元网络、模糊逻辑、学习理论、生物控制和激励学习等。
上述各学科均以不同侧面反映了智能控制的要求、理论利方法。
1966年，J.M.Mendel首先提出将人工智能用于飞船控制系统的设计。
1971年，著名学者K.S.FU（傅京逊）从发展学习控制的角度首次提出智能控制这一概念，它在文献中归纳了三种类型的智能控制系统。
1）人作为控制器的控制系统。
由于人具有识别决策和控制等功能，因此对于不同的控制任务、不同的对象及环境情况，人作为控制器的控制系统具有自学习、自适应和自组织的功能，能自动采取不同的控制策略以适应不同的情况。
2）人机结合作为控制器的控制系统。
在这样的系统中，机器完成那些连续进行的并需要快速计算的常规控制任务，人则完成任务分配、决策、监控等任务。
3）无人参与的自主控制系统。
最典型的例子是自主机器人，这时的自主式控制器需要完成问题求解和规划、环境建模、传感信息分析和底层的反馈控制等任务。
它实际上是一个多层的智能控制系统。
1985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一届智能控制学术讨论会。
来自美国各地的60位从事自动控制、人工智能和运筹学研究的专家学者参加了这次学术讨论会。
会上集中讨论了智能控制原理和智能控制系统的结构。
这次会议后不久，在IEEE控制系统学会内成立了IEEE智能控制专业委员会。
1987年1月，在美国费城的第一次国际会议，来自美国、欧洲、日本、中国以及其他发展中国家的150位代表出席了这次学术盛会。
提交大会报告和分组宣读的60多篇论文以及专题讨论显示出智能控制的长足发展；同时也说明了由于许多新技术问题的出现以及相关技术的发展，需要重新考虑控制领域和相近学科。
这次会议是个里程碑，它表明智能控制作为一门独立学科，正式在国际上形成。
智能控制作为一门新兴学科，还没有形成一个统一的完整的理论体系。
智能控制研究所面临的晟迫切问题是：
对于一个给定的系统如何进行系统的分析和设计。
把复杂环境建模的严格数学方法研究同人工智能中的新兴学科分支“计算智能”的理论方法研究紧密地结合起来，有望导致新的智能控制体系结构的产生和发展；并预示这种研究将在“自上而下”和“自下而上”两个方向工作的交汇处取得突破性的进展，使智能控制系统的研究出现新的局面。
综上所述，智能控制理论的研究领域相当广泛，且存在的问题也相当多。
智能在工业应用领域，意味着大量使用智能仪器（IntelligentInstrument），通常是指含有各种形态的计算机并可以通过编程的方法实现其功能的仪器。
嵌入到仪器中的计算机必定是微型计算机，故也把智能仪器称为微机化仪器。
就广义来说，智能控制是指能随外界环境变化自主选择正确行动的能力。
人工智能的创始者之一，获得诺贝尔奖的西蒙指出：
人工智能的研究目的是在于学会编制计算机程序来完成机智的行动，这包括解决问题、学习、推理和做出决定。
在信息科学中，信息技术发展分为信息化，自动化、最优化和智能化四个层次。
智能化包括理解、推断、判断与分析功能，它是数值、逻辑、和知识经验综合分析的结果：
知识的表达和应用是智能化的标志。
从信息科学的智能概念来看，目前的智能仪器还处于智能化的低级阶段。
但相对于传统仪器而言，这种仪器已能实现自动参数补偿、自动量程选择、自动校准。
1.5本课题的研究任务和工作
本说明书的任务是结合钣金机械加工厂家的技术改造需要，在现有普通剪板机的基础上设计开发全自动剪板机控制系统，实现加工过程自动化，提高现代化水平。
全自动控制器主要组成部分有单片微机、接口扩展电路、键盘输入显示电路、信号采集电路及输出驱动部分等组成。
设计时根据功能需要选择控制精度高、灵活性适应性好、成本低的控制器。
通过各种控制电路的优劣对比、分析计算确定合理的控制电路，选用适当的集成电路芯片和电子元件完成组装测试。
在电路设计中注意抗干扰设计。
1、控制系统软件设计
通过编程，完成全自动生产过程的控制，实现数据显示、实时信号采集、计算分析及实时控制处理。
编制好控制软件并进行软件的仿真调试和修改。
2、软硬件联调
由于实际情况与理论推导可能不一致，或者考虑问题不全面，难免出现故障和问题，需要认真分析与排除，在失败和不足中总结经验，改进系统设计。
3、完成课题说明书
根据自动剪板机的工作原理及控制器的功能要求，论证自动剪板机控制系统的实现方案。
说明控制系统构造及配套执行机构设计，分析单片机在智能控制过程中的应用，针对控制器硬件主要环节、控制信号采集和电机驱动控制及人机交互等，从设计思想、实现原理、调试方法等角度进行了必要阐述。
结合操作要求，介绍控制器的软件实现过程。
并针对控制器的运行环境，就现场抗干扰的对策进行具体分析，说明利用软件和硬件措施确保系统可靠运行。
第二章系统方案分析
目前，工业现场控制方法常用的有两种：
一是采用可编程序逻辑控制器（PLC）系统；二是采用单片机控制系统。
其性能比较如下：
此处省略 NNNNNNNNNNNN字。
如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：
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该论文已经通过答辩
4.6输入电路设计
4.6.1键盘和显示电路
图4.5键盘和显示电路
说明：
8279芯片与键盘、显示器连接电路原理圈。
如图4.5所示，其地址为07FFH。
8279键盘配置为4
4，扫描线由SL0～SL2通过74LSI38译码提供，查询线由反馈输入线RL0～RL7提供。
8279显示器最大配置为16位数码管。
位选线由扫描线SL0～SL2经8位译码器、驱动器提供；段选线由B0～B3，A0～A3通过驱动器提供。
键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，是最简单的单片机输入设备，操作员可以通过键盘输入数据和命令，实现人机通讯。
键盘上闭合键的识别由专门的硬件实现的称为编码键盘：
靠软件识别的称为未编码键盘。
本着降低成本的角度出发，本系统键盘电路的设计采用未编码键盘方式，各键定义见表。
表4-2各键定义见表
按键号
功能定义
按键号
功能定义
S0
0
S9
9
S1
1
S10
尺寸和数量消零
S2
2
S11
多个加工尺寸输入
S3
3
S12
单一尺寸自动加工
S4
4
S13
循环变尺寸自动加工
S5
5
S14
手动/自动转换
S6
6
S15
零位微调控制
S7
7
S16
手动复位
S8
8
S17
急停
4.6.2开关量输入电路
为了检测自动剪板机各个执行机构的工作状态，设计了八路数字信号采集通道，图示为其中一路，利用74LS244芯片读入工作状态信号，片选地址27FFH，右侧ST为行程开关等。
各开关的功用是ST1压料器（压块）压紧状态检测开关、ST2定长状态检测开关、ST3零位状态检测开关、ST4小车工作位置状态检测开关、ST5小车载荷情况检测开关、ST6挡料器极限位置检测开关、ST7小车下一位置检测开关、ST8卸料情况检测开关。
图4.6一路开关量输入电路
4.6.3串行通讯电路
电路中设计了采用芯片MAX232E为核心进行串行通讯的电路，目的是完成单片机与上位机的通讯，为以后系统扩展留有余地。
本系统实际电路焊接这部分元件和芯片并未焊接安装。
4.7输出电路设计输出电路分为三部分：
4.7.1交流电机驱动控制电路
在单片机控制系统中，我们使用了中间继电器作为控制输出的第一级执行机构，通过继电器控制大功率接触器的通断，从而完成从直流低压到交流高压、从小功率到大功率的转换。
控制三相交流电动机接触器选用三接点形式的.考虑到接触器的吸合及断开产生的电弧可能造成电路设计是将输出电路部分单独分出来，做在另一块板上，其控制电路
如图。
图4.7中接触器都是由交流220V强电直接控制的。
图4.7继电器控制电路
4.7.2电磁离合器与电磁制动器驱动控制电路
电磁离合器与电磁制动器采用安徽广德电器厂DDL1系列电磁离合器DDZ1系列单片电磁制动器。
电源采用直流24V电压。
电磁离合器与电磁制动器驱动控制电路相同，下图所示是控制剪切传动的电磁离合器控制电路。
卸料机构也是通过离合器控制的去掉脚踏开关部分其它电路相同。
图4.8电磁离合器控制电路
4.7.3步进电机驱动控制电路
步进电机的相控制信号线.直接使用了AT89C51单片机的P1口线，这样可以简化编程，提高控制的实时性。
由于步进电机采用高低压驱动电源为12V和120V，且各相绕组通电电流是安培级的大电流，属于强电回路，因此与单片机相连时，需经过光电隔离和大功率驱动。
光电耦合器将单片机的弱电系统的地和强电系统的电源线、地线隔离开来，NMOS场效应功率管IRF640将光耦输出的电压信号转换为安培级电流信号以驱动步进电机。
与电机绕组串联的大功率的精密小电阻用于限流，而与绕组并联的二极管是续流二极管，它利用自身钳位作用保护IRF640。
如果不接续流二极管，当IRF640断开时，线圈因为是感性负载，断电瞬间会产生很高的反向电动势，把功率管的源极电压提得很高，一旦超过管子耐压值，管子将被击穿损坏。
其一相驱动电源电路见4-3.图。
4.8抗干扰电路设计
单片机系统的可靠性由多种因素决定，其中系统抗干扰性能是可靠性的重要指标。
工业环境中的干扰一般是以脉冲形式进入单片机系统，渠道主要有三条：
电磁信号通过空间辐射进入系统；干扰通过与系统相连的前向通道、后向通道及与其它系统的相互通道进入；电磁信号通过供电线路进入系统。
本系统中重点防止过程通道与供电系统的干扰。
具体措施：
1、光电隔离
在输入和输出通道上采用光电隔离器来进行信息传输，它将单片机系统与开关、执行机构从电气上隔离开来，很大一部分干扰将被阻挡。
本系统中步进电机驱动电路、交流电机驱动电路、电磁离合器驱动电路、电磁制动器驱动电路都采用了光电隔离器。
2、抗干扰电源
单片机系统供电线路是干扰的主要来源，电源采用隔离变压器接入电网，可以防止电网的干扰侵入单片机系统。
隔离变压器与普通变压器的不同之处在于它在初级和次级之间加了一层屏敞层，并将它和铁芯一起接地。
购买时要注意购买抗干扰电源。
3、配置去耦电容
原则上每个集成电路芯片都应安置一个0.01MF的陶瓷电容器，可以消除大部分高频干扰。
4、良好接地
本系统既有模拟电路又有数字电路，因此数字地与模拟
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