钢筋弯箍机控制系统的开发 机械电子工程专业本科学位论文.docx
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钢筋弯箍机控制系统的开发机械电子工程专业本科学位论文
重庆大学本科学生毕业设计（论文）
钢筋弯箍机控制系统的开发
学生：
学号：
指导教师：
专业：
机械电子工程
重庆大学机械工程学院
二O一二年六月
GraduationDesign（Thesis）ofChongqingUniversity
Reinforcedbarhoopbendingmachinecontrolsystemdevelopment
Schoolofmechanicalengineering
ChongqingUniversity
June2012
摘要
随着建筑行业和道路建设项目的快速发展，各种类型钢筋的供求量也变得较大，相应地对于钢筋进行弯箍加工的生产效率提出了更高的要求。
钢筋弯箍机是钢筋生产加工必备的生产设备，其主要加工手段是将直杆状的钢筋进行各种角度的弯曲以满足不同的用途。
现代钢筋砼结构中，小直径箍筋、长弯曲筋和定尺直条钢筋的加工量很大，尤其是箍筋和长弯曲筋，形状复杂，尺寸变化多且精度要求高。
本次对于钢筋弯箍机控制系统的开发设计主要基于AT89C51系列单片机，通过编程实现相关功能应用。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
80C51系列单片机已有十多年的生命期，如今仍保持着上升的趋势。
单片机以其一系列优点，近几年得到迅猛发展和大范围推广，广泛应用于工业控制系统，数据采集系统、智能化仪器仪表，及通讯设备、日常消费类产品、玩具等。
本设计是基于AT89C51钢筋弯箍机控制系统的开发，使用串口通信驱动数码管，显示实时温度采集和弯曲角度。
参数设置采用BCD拨码开关调节，同时配备了相关LED指示灯，实时反映机器运行状态。
系统具有急停、漏电保护、缺相保护、相序检测保护和极限保护功能，能充分保护操作人员与设备的安全。
该系统能有效用于弯曲机的角度自动控制和自动归位，实现人员和设备的安全保护，提高机械生产效率，减轻工人劳动强度，确保钢筋加工角度精度。
关键词：
钢筋弯箍机，AT89C51单片机，BCD拨码开关，串口通信，温度采集
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofroadconstructionprojectsandtheconstructionindustry,varioustypesofsteelsupplyanddemandbecomeslarger,correspondinggroundforsteelbarhoopbendingprocessingefficiencyraisedtallerrequirement.Reinforcedbarhoopbendingmachinesteelproductionandprocessingofthenecessaryproductionequipment,themainprocessingmeansisastraightrodreinforcedinvariousanglesofbendsoastomeetdifferentapplication.Modernreinforcedconcretestructure,smalldiameter,longcurvedreinforcementandstirruplengthstraightsteelprocessinginlargequantities,especiallythestirrupandalongcurvedribs,complexshapes,dimensionschangesandhighprecisionrequirement.
ThetimeforreinforcedbarhoopbendingmachinecontrolsystemdesignbasedonAT89C51MCU,throughprogrammingrelatedfunctionapplication.Alsoknownassingle-chipmicrocontroller,itisnotthecompletionofalogicfunctionofthechip,butacomputersystemintegratedintoachip.80C51SeriesMCUhasbeenmorethan10yearsoflife,stillmaintainedarisingtrend.Singlechipmicrocomputerwithaseriesofadvantages,inrecentyearshasbeentherapiddevelopmentandpromotionoflarge-scale,widelyusedinindustrialcontrolsystems,dataacquisitionsystem,intelligentinstrumentation,andcommunicationsequipment,dailyconsumerproducts,toys.
ThedesignisbasedontheAT89C51reinforcedbarhoopbendingmachinecontrolsystemdevelopment,theuseofserialcommunicationdriverfordigitaltubedisplay,real-timetemperatureacquisitionandbendingangle.ParametersetusingBCDtodialthecodeswitchadjustment,atthesametimewiththeLEDindicatorlight,reflectthemachinerunningstate.Thesystemhasasuddenstop,leakageprotection,open-phaseprotection,phasesequencedetectionprotectionandlimitedprotectionfunctions,canfullyprotectthesafetyofoperatorsandequipment.Thesystemcanbeeffectivelyusedforbendingangleautomaticcontrolandautomaticreset,achievethesafetyofpersonnelandequipmentprotection,improvingthemechanicalefficiency,reducingthelaborintensityofworkers,toensurethatthesteelangleprecision.
Keywords：
Reinforcedbarhoopbendingmachine,AT89C51chip,BCDtodialthecodeswitch,serialcommunication,temperatureacquisition
1绪论
1任务说明
1.本课题拟采用微处理器技术，检测技术及电力电子技术来设计新型自动控制系统。
该系统能有效用于弯曲机的角度自动控制和自动归位，实现人员和设备的安全保护，提高机械生产效率，减轻工人劳动强度，确保钢筋加工角度精度。
2.系统具有漏电保护、缺相保护、相序检测保护和极限保护功能，能充分保护操作人员与设备的安全。
3.采用三位拨码增减开关设置角度。
4.系统具有“电源开关”、“急停”、“启动”、“角度设置”及“漏电测试”按钮。
5.系统是一款独立系统，用户只需外部接入三相电源（不用接入零线）及电机、安装连接好角度及零点检测传感器、相应的开关按钮即可运行。
6.对控制系统进行总体设计、硬件设计和软件设计。
7.弯曲角度设置：
15-200度
2.1方案设计
2.1.1参数设置
根据设计任务书要求，本系统采用三位THUMBSWITCH-BCD型号的拨码增减开关设置角度。
分别对应所设置角度的个位，十位，百位。
系统参数要求范围为15-200度，当所设置角度超出要求范围以外时，1号指示灯亮，同时电机将无法启动，电机复位功能依然有效。
若此时数码管显示为角度档，角度显示将变成FFFF，否则正常显示目前拨码开关对应角度参数。
2.1.2显示功能
本系统采用74EG-MPX4-CA型号数码管，动态显示模式。
显示内容分三种情况，分别为系统当前设置角度参数，系统当前实时温度，电机运转状态。
1）当显示系统当前设置角度参数时，第一盏数码管保持熄灭状态，后三盏数码管依次对应当前设置角度参数的百位，十位，个位数值。
当所设置角度超出系统要求范围以外时，数码管显示变为FFFF，参数调到范围以内则继续正常显示。
2）数码管显示调到温度档的时候，第一盏数码管显示F，后面三位数码管显示数值依次对应当前温度值的百位，十位，个位。
系统安全运行的温度范围为100℃以内。
当系统实时温度超过安全温度范围，3号指示灯亮，电机启动功能和复位功能失效，直到温度恢复到安全范围以内。
以保护电机出现意外卡死时发热过高造成系统硬件损坏。
3）当电机工作时，2号指示灯被点亮，无论弯转操作还是复位，数码管显示前三位熄灭，只显示第四位，保持上一位状态的末位值。
电机停止运转时，数码管显示自动回恢复为角度档或者温度档。
系统指示灯作用：
指示灯号
灯灭状态
灯亮状态
1
系统当前角度参数符合规范
系统当前角度参数超出要求范围
2
电机停止状态
电机正在运行
3
系统当前温度安全
系统当前温度超过安全范围
4
电机被急停
电机待机
5
系统没有漏电
系统漏电
表1-1系统指示灯作用
2.1.3实时温度采集
由于钢筋硬度较大，电机克服巨大力矩对钢筋输出机械工。
当负载过大等突发情况导致电机进入非正常工作状态，电机巨大的电能将转换成热能，为防止系统局部温度过高损伤机械硬件，本系统加入了实时温度采集功能。
使用DS18B20型号的温度传感器对系统温度进行实时采集，并反馈给单片机。
当检测到系统温度上升到电机安全工作温度范围以外时，3号指示灯将被点亮，同时无论当前系统处于何种状态，单片机都会向电机发送急停型号，4号指示灯熄灭。
电机将急停，系统失去电机启动和电机复位功能。
直到温度恢复到安全范围以内，4号指示灯重新被点亮，电机将恢复到待机状态，上一步命令中止执行，等待操作人员给出下一步执行命令。
3.1系统保护
3.1.1漏电保护
钢筋弯箍机机身几乎全部为金属，具有导电性。
供电源为380V三相交流电源，对于人体所能承受的安全电压38V而言具有很大的危险性，为保护操作人员安全，系统具备相关漏电保护功能，并设置了手动漏电测试按钮。
漏电电路基于NE55计时IC和电桥电路搭建，漏电系统双引线，1号引线接零点，2号线接钢筋弯箍机壳体。
当系统漏电时，保险丝未来的及融掉的情况下，漏电保护电路将检测到钢筋弯箍机壳体出现的电压信号，并驱动继电器切断系统电源供给，同时5号指示灯被点亮。
系统配备了一块380V量程的数字电压表。
系统出现漏电故障时，为了顺利的排除故障，当操作人员按下漏电测试按钮时，电压表将工作并显示钢筋弯箍机壳体当前电压，其他情况电压表停止工作。
3.1.2缺相保护，相序检测保护
图1-1缺相保护，相序检测保护电路图
当三相电路当中至少有一路断开时，我们就称之为缺相。
一旦电源电路出现缺相情况的时候,就会造成相关设备的输出功率降低，无法正常稳定的运行，甚至会造成一定的安全事故。
本次课题的钢筋弯箍机机体几乎全部为金属，功率达到4KW，电源电路必须实现缺相保护，以保证机器的稳定并且安全的运转。
否则的话，在实际运行过程当中，一旦出现缺相的话，很有可能造成负序电流分量，三相电流的平衡性被破坏，引起电动机和控制电路的徐速烧毁。
缺相保护电路的好处就在于可以在缺相情况发生的时候及时切断相关电路避免安全事故的发生。
在实际运用当中，一般的电动机都会配有缺相保护模块。
相序就是无刷电机线圈的排列顺序，就是相位的顺序，是交流电的瞬时值从负值向正值变化经过零值的依次顺序。
交流电力系统中有三根导线，分为ABC三相，正常情况下三相电压、电流对称，相位相差120°。
但在系统出现故障时，ABC三相不再对称，为便于分析，可将电压、电流分解为正序、负序和零序三种分量。
电力系统中，相序主要影响电动机的运转，相序接反的话，电动机会反转。
图1-1所示缺相保护电路当中，三相二重桥逆变输出的缺相和错相保护电路主要由两个TH221A组成。
电路在运行过程当中，TH221A可以对电路的输出信号进行采样并逻辑鉴别是否正常。
如果相序正确的话，相关判断电路和继电器都不工作，系统继续运行不执行任何指令。
如果检测到相序发生错误的话，就会输出激励信号，信号经过放大电路调整后输出低电平，驱动继电器工作，并按照具体使用情况掐断相关电路的电源供电或者信号传输。
从而进电路进行保护。
如果发生缺相情况的话，取样电路的输出直流电压就会马上降到零伏，电压降会促使先关电路做出应激反应，外部直流继电器动作，按照具体使用情况掐断相关电流的电源或者信号源，以达到保护电路的作用。
大的设计思维就在于先通过电压变化来判断是否发生缺相错相故障，发生故障的话激励直流继电器工作掐断相关电源输入或者信号输入，否则的话不会执行任何指令，电路继续保持原有状态。
3.1.3极限保护
极限保护功能通过硬件软件共同实现。
软件通过编程实现所控制角度范围限制在15——200度之间，超过系统允许范围相应指示灯点亮，同时单片机向电机发送急停信号，电机将失去启动和复位功能，无法工作。
硬件极限保护采用行程开关实现。
在复位起点和行程终点设置行程开关，当意外故障导致电机转动角度超出系统贵度角度范围以外时，行程开关将切断电机电源，电机停止工作。
4电源电路
三相三线采用星型接法，中间点为零点。
取零点220V任意一相交流电接变压器转5V直流电源，用以驱动单片机和相关电路。
电源电路三相电都要设置20A的可恢复保险丝，同时要连接文中所示保护电路。
钢筋弯箍机机体几乎全部为金属，380V交流电源对于人体而言是非常危险的，必须确保漏电保护万无一失，以避免发生不必要的安全事故，威胁到操作员的人工安全。
不仅如此，单片机电路电子元件比较多，一旦漏电的话极有可能击穿电子元件，烧坏控制电路硬件。
2原理图设计说明
1系统框图
图2-1系统框图
2.1各原件原理及功能
2.1.1按钮及开关设置
独立键盘通过P1口输入键值，电机启动按钮控制电机的启动，开始对钢筋做功，见图。
电机复位按钮控制在电机待机状态时的复位，数码管显示切换功能可以方便的切换数码管显示状态，用以获取当前系统的实时温度或者角度参数设置状态。
急停开关在系统出现以外状态时可以是电机瞬间停止工作，以免出现更严重的意外事故。
急停时四号指示灯熄灭。
图2-2按钮开关功能图
2.1.2系统急停功能的实现
在实际运行过程当中，由于钢筋弯曲力很大，如若发生意外故障很容易造成设备硬件的损伤，于是需要对系统设置急停功能。
如按钮功能图所示，急停开关使用单刀双掷开关实现。
正常运转时处于常闭状态。
当急停开关被按下去时，P1^6口断开，电机运行指示灯熄灭，电机待机指示灯熄灭。
同时电机供给电路被切断，单片机停止向电机输送脉冲信号，在钢筋的阻力作用下，电机将停止转动。
2.1.3AT89C51串口通信实现I/O口扩展
图2-3串口通信I/O口扩展图示
51系列单片机的串口有4个模式，可分别用作串并转换、并串转换、异步串行通信（2种模式）。
异步串行通信中，有1+8+1和1+8+1+1两种帧格式，多机通信是特殊的通信方式。
基本原理是两组移位寄存器。
将并行通信转换成串行通信模式（发送部分），或反之（接收部分）。
可全双工运行。
速度通过移位脉冲决定。
具体一般通过定时器1的自动装载模式产生的溢出脉冲给出。
电平上采用的是CMOS逻辑。
以上是物理层和数据链路层的单片机串口模块的约定，其他层需要软件人员根据需要自行把握。
另外，电平需要根据实际通信环境做变换，如232、485或红外等。
AT89C51单片机有四个I/O口，每个I/O口具有8跟接线，其中P0口没有内置上拉电阻。
由于本次设计中采用了三位THUMBSWITCH-BCD型号的拨码增减开关设置角度，共占用了12位I/O口接线，即便采用了地址位屏蔽技术最大程度上利用了I/O口资源，32位接口依然无法满足系统设计需要。
于是本次设计采用了串口通信I/O口扩展技术，以增加I/O口数量，满足系统设计需求。
串口通信基于74HC595芯片实现。
74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。
74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。
移位寄存器和存储器是分别的时钟。
数据在SHcp的上升沿输入到移位寄存器中，在STcp的上升沿输入到存储寄存器中去。
如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。
移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7’）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。
8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。
本次设计将串行输入的8位数字，转变为并行输出的8位数字，控制一个4位数码管，不会有闪烁。
2.1.4发光二极管显示器的结构、工作原理、驱动方式及其接口电路
下图为数码管接线图：
图2-474EG-MPX4-CA型数码管接线电路
如图2-4所示，LED显示器由8个发光二极管组成，LED显示器又称为数码管。
中7个长条形的发光管排列成“日”字形，还有一个点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。
LEDD显示器有两种不同的形式：
一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。
本次设计采用74EG-MPX4-CA型号数码管，共阳极。
另外一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器。
动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。
CPU向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮，则取决于COM端，而这一端是由I/O控制的，所以我们就可以自行决定何时显示哪一位了。
每一个显示器的公共极COM是各自独立地受I/O线控制，其接口电路是把所有显示器的8个笔划段a-h同名端连在一起。
而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。
本次设计中，由74H595串口通信芯片并行输出段码，并驱动数码管，P3^4,P3^5,P3^6,P3^7四位接口控制输出口。
数码管地址代码对应表：
显示字符
共阴极段码
共阳极段码
显示字符
共阴极段码
共阳极段码
0
3FH
C0
8
7FH
80H
1
06H
F9
9
6FH
90H
2
5BH
A4
A
77H
88H
3
4FH
B0
B
7CH
83H
4
66H
99H
C
39H
C6
5
6DH
92H
D
5EH
A1H
6
7DH
82H
E
79H
86H
7
07H
F8
F
71H
8EH
表2-1数码管地址代码
2.2实时温度采集功能
2.2.1温度采集
由于钢筋硬度较大，电机克服巨大力矩对钢筋输出机械工。
当负载过大等突发情况导致电机进入非正常工作状态，电机巨大的电能将转换成热能，为防止系统局部温度过高损伤机械硬件，本系统加入了实时温度采集功能。
使用DS18B20型号的温度传感器对系统温度进行实时采集，并反馈给单片机。
当系统温度超出安全温度范围时，电机将急停，系统终止执行命令。
DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。
主要根据应用场合的不同而改变其外观。
封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。
耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
本次设计利用P1^7接口读取传感器信号，并反馈给单片机控制系统，对系统进行温度保护。
当DS18B20数字温度传感器检测到系统温度超出系统安全温度范围时，单片机将驱动继电器切断电机电源电路，单片机停止向电机输送脉冲信号，在钢筋阻力作用下电机瞬间停止工作，处于急停状态，终止当前命令。
直到解决故障系统温度恢复正常。
DS18B20数字温度传感器接线图：
图2-5DS18B20数字温度传感器接线图
2.2.2温度与角度参数显示互相切换
一般情况下钢筋弯箍机寿命比较长，而且工作坏境恶劣，粉尘较重。
年深日久BCD拨码开关上刻度极易模糊，不利于观察。
于是本次系统设计过程中最大程度上利用数码管的显示功能，数码管显示可以在实时温度和系统当前参数设置之间进行切换。
切换开关为1号开关。
当开关闭合时，数码管显示系统当前参数设置。
如若参数设计范围超出了系统允许的范围，数码管显示FFFF，同时电机失去启动功能，1号指示灯被点亮，直到参数设置正确。
当开关处于常开状态时，数码管显示系统当前实时温度。
为了区别开角度参数和实时温度，显示温度时数码管第一位显示F，显示角度参数时，第一位数码管熄灭。
也就是说，数码管显示会有四种状态。
分别为实时温度显示，角度参数显示，错误角度提示，电机正在运行。
如下图所示：
显示角度角度设置超出范围显示实时温度
图2-6数码管显示
2.3系统漏电保护
漏电保护电路：
图2-7漏电保护电路图示
漏电电路基于NE555计时IC和电桥电路搭建，NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。
利用B80C1000电桥电路将漏电壳体的交流信号过滤为直流信号,再经过7805三极管放大，传送给NE555处理。
当系统漏电时，钢筋弯箍机壳体具有电动势，此时电路检测到壳体信号并驱动继电器工作切断相关电路，电机瞬即处于断电状态，5号指示灯将被点亮，以保护操作人员安全。
实现对系统进行实时漏电保护。
漏电测试开关即是电压表工作开关，当出现漏电情况后，为方便操作人员排除故障，系统设置了漏电检测按钮，手动检测系统漏电情
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