摘 要：本文介紹了控制系統(tǒng)的主要功能、硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能。簡(jiǎn)單介紹了各主要模塊的實(shí)現(xiàn)理論及編程思想。本系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)性能好、控制精度高和可靠性好等特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：單片機(jī) 控制 步進(jìn)電機(jī) Abstracts: The primary function and hardware structure principle as well as software function are introduced.. The realizing theory and programming idea of main modules are discussed. The system has very quick dynamic response, high controlling regulation and high reliability. Keywords: single-chip microcomputer;Control;Step motor 　　紙幣打捆機(jī)是廣泛應(yīng)用于銀行、郵局、證券公司、造幣廠等金融系統(tǒng)的一種操作設(shè)備。所謂的紙幣打捆就是在一捆紙幣上用打包帶打成雙十字形狀。整個(gè)流程共分為四個(gè)分解動(dòng)作，即：打橫道、打豎一道、打豎二道、復(fù)位。整個(gè)流程機(jī)械機(jī)構(gòu)要完成四個(gè)轉(zhuǎn)位。全自動(dòng)紙幣打捆機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制打捆機(jī)構(gòu)自動(dòng)完成整個(gè)流程、調(diào)節(jié)焊頭溫度和打捆壓力等功能。系統(tǒng)具有精度高、可靠性好、成本低的優(yōu)點(diǎn)。 1 控制系統(tǒng)的功能及設(shè)計(jì) 　　1.1 控制系統(tǒng)的工作留流程 [align=center] 圖1 控制系統(tǒng)工作流程示意圖[/align] 　　傳統(tǒng)的紙幣打捆機(jī)四個(gè)轉(zhuǎn)位動(dòng)作不連續(xù)，位置控制要通過(guò)人工作業(yè)。我們采用三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，分別控制一個(gè)自由度。其中一個(gè)電機(jī)控制X自由度;一個(gè)電機(jī)控制Y自由度;一個(gè)電機(jī)控制θ自由度。單片機(jī)通過(guò)對(duì)電機(jī)的精確控制從而達(dá)到較高的定位精度，電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械裝置完成四個(gè)工位的運(yùn)動(dòng)。 　　1.2控制系統(tǒng)的硬件組成原理 [align=center] 圖2 系統(tǒng)原理示意圖[/align] 　　整個(gè)控制系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)部分：鍵盤單元、主控單元、位置單元。整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。 2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)按照結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法完成，將整個(gè)程序細(xì)分為若干個(gè)子程序（模塊），方便調(diào)試與檢查。因?yàn)橄到y(tǒng)比較復(fù)雜而且分散，每個(gè)單片機(jī)都有相應(yīng)的主程序和相關(guān)的子程序。下面就幾個(gè)主要的程序做一簡(jiǎn)單介紹。 　　2.1初始化子程序 　　在初始化子程序中，主要對(duì)89C51的系統(tǒng)資源，包括定時(shí)器、中斷、串行通信、8255A進(jìn)行初始化工作。 　　2.2鍵盤程序 　　鍵盤程序完成鍵盤單元的初始化工作、點(diǎn)亮相應(yīng)的功能指示燈、鍵值的取得、焊頭溫度的設(shè)定以及和主控單元的通訊功能。 　　2.3主控程序 　　在主控程序中，完成與鍵盤單元和位置單元的通信、故障報(bào)警、各種幣值打捆、各個(gè)功能電機(jī)的控制及其手動(dòng)操作。 　　2.4捆鈔作業(yè)子程序 　　在捆鈔作業(yè)子程序中，完成壓板的上升和下降、壓力傳感器的檢測(cè)、進(jìn)帶電機(jī)進(jìn)帶、抽帶電機(jī)抽帶和下焊電機(jī)的控制。 　　2.5位置控制程序 　　在程序中，完成與鍵盤主控單元的通信、對(duì)應(yīng)于各種幣值的位置電機(jī)位置的控制及各電機(jī)手動(dòng)操作。 3 系統(tǒng)硬件的子功能模塊實(shí)現(xiàn) 　　整個(gè)硬件系統(tǒng)按照模塊化的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)更加完善的同時(shí)使性能得以提高，方便調(diào)試、維修。 　　3.1鍵盤模塊 　　鍵盤采用8255A的A口和C口擴(kuò)展出一個(gè)4×4的鍵盤，鍵盤共有12個(gè)功能鍵，在本系統(tǒng)中采用程序掃描法來(lái)識(shí)別按鍵。單片機(jī)先使8255A的PC口均為低電平，再讀A口。如果A口不全為高電平，則延時(shí)10ms去抖動(dòng)，然后再讀A口，此時(shí)A口仍不全為高電平，說(shuō)明沒(méi)有鍵按下。進(jìn)一步確定按下鍵的位置，先置PC0=0，PC1=PC2=PC3=1，讀A口，由A口低電平的位便可確定按下鍵的位置。以此類推，如果檢查完所有的鍵均無(wú)按下，說(shuō)明是干擾或誤操作。掃描結(jié)束時(shí)，按下鍵的位置信息存于某個(gè)存儲(chǔ)單元中。然后通過(guò)RS-422串行通訊方式發(fā)送至主控單片機(jī)，使其控制電機(jī)做出相應(yīng)的打捆動(dòng)作以及電機(jī)的手動(dòng)控制。 　　3.2步進(jìn)電機(jī)控制模塊 　　步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中重要的執(zhí)行元件。在本系統(tǒng)中，我們采用的是三相異步式步進(jìn)電機(jī)。如果對(duì)步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定性和控制精度有更高的要求，則可以采用有細(xì)分的電機(jī)控制器來(lái)控制。 　　該控制模塊采用雙三拍正的驅(qū)動(dòng)脈沖方式。根據(jù)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速要求。由89C51單片機(jī)的P0.0送出脈沖，經(jīng)過(guò)n倍頻器，送入環(huán)形分配器CH250的cp端。CH250的3個(gè)輸出信號(hào)就是步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相的控制信號(hào)。其頻率是CP信號(hào)頻率的1/3�？刂圃砣鐖D所示。 　　如果直接利用89C51的P0口作為A、B、C三相的控制信號(hào)。通過(guò)重置定時(shí)常數(shù)的方法改變頻率。這種控制轉(zhuǎn)速的方法缺點(diǎn)是隨著轉(zhuǎn)速的提高，誤差逐漸增大。我們可以算出，當(dāng)轉(zhuǎn)速是W轉(zhuǎn)/分時(shí)，定時(shí)的 [align=center] 圖三 步進(jìn)電機(jī)控制原理圖[/align] 　　微秒數(shù)是500000/W。在12M的晶振下，單片機(jī)得最小定時(shí)單位是1μS。設(shè)步距角為3°，我們把每一圈的120步分為長(zhǎng)步和短步（因?yàn)槎〞r(shí)器不能定到小數(shù)位）。當(dāng)W=1200時(shí)，則是416.67μS走一步。那末我們就把一圈120步當(dāng)中80步走417μS，40步走416μS。 　　這種控制方法可以達(dá)到的精度是大約1700±1轉(zhuǎn)。但是隨著轉(zhuǎn)速的增大誤差逐漸增大。原因是：一，晶振高頻時(shí)誤差比低頻時(shí)誤差大;二，程序進(jìn)入退出中斷的不定時(shí)間（1微秒左右）足以使微秒級(jí)的定時(shí)產(chǎn)生較大的誤差。 　　我們使用n倍頻器，當(dāng)n=20,W>4000時(shí)，P0.0的輸出頻率不超過(guò)400HZ。我們?nèi)匀徊捎枚〞r(shí)器中斷的方式,精度可以達(dá)到4000±1轉(zhuǎn)的精度。使用倍頻器的實(shí)質(zhì)在于使得定時(shí)時(shí)間盡量的長(zhǎng)，盡量減小各種不定時(shí)間對(duì)定時(shí)時(shí)間產(chǎn)生的影響。倍頻器又內(nèi)置鎖相環(huán)（PLL）實(shí)現(xiàn),倍頻數(shù)n由程序確定。 　　環(huán)形分配器CH250時(shí)專門用于三相異步步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的集成電路。它可將輸入的CP脈沖分配為A、B、C三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)。要使驅(qū)動(dòng)信號(hào)能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的線圈，還必須通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路。（如圖4所示） [align=center] 圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖[/align] 　　圖中只畫出一相驅(qū)動(dòng)電路，其余兩相與其完全相同。 　　圖中，三極管相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，當(dāng)其截止時(shí)，集電極無(wú)電流通過(guò)，開關(guān)斷開;當(dāng)其飽和時(shí)，集電極電流最大，開關(guān)閉合。這個(gè)開關(guān)作用由基極電流控制。 　　驅(qū)動(dòng)電路由T2、T3兩個(gè)三極管組成達(dá)林頓式功率放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的3個(gè)繞組。 　　光耦的作用是消除各種干擾信號(hào)，并將控制和驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離。當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，T1截止，輸出高電平，紅外發(fā)光二極管截止，光敏三極管截止，繞組中無(wú)電流通過(guò);當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，T1飽和導(dǎo)通，紅外發(fā)光二極管點(diǎn)亮，使光敏三極管導(dǎo)通，向功率驅(qū)動(dòng)級(jí)晶體管提供基級(jí)電流，使其導(dǎo)通，繞組被加電。 　　步進(jìn)電機(jī)繞組中的串聯(lián)電阻Ra的作用是限制繞組中的電流，繞組中并聯(lián)的二極管其保護(hù)作用，在斷電時(shí)提供一個(gè)磁能釋放回路，而不至于使晶體管損壞。 　　3.3焊接功率控制單元 [align=center] 圖五 焊接功率控制原理圖[/align] 　　焊接功率控制是通過(guò)脈寬調(diào)制控制電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這里我們主要用到了8位的D/A轉(zhuǎn)換芯片AD558和PWM控制芯片SG3524。.AD558由內(nèi)部鎖存器、利用R～2R的T型解碼網(wǎng)絡(luò)和晶體管開關(guān)組成，僅需要+5V電壓供電，輸出模擬電壓范圍圍0～2.56V。SG3524是一個(gè)定頻的雙端輸出式脈寬調(diào)制器（PWM），它的接法有兩種，一種是把主電路的輸出反饋到芯片內(nèi)部的比較放大器的反向輸入端，去調(diào)節(jié)輸出電路的PWM占空比。另一種接法是把芯片的誤差比較放大器結(jié)成電壓跟隨器的形式，從主電路取反饋信號(hào)加到誤差比較放大器的同相輸入端。這里我們采用的是第二種接法。 　　功率控制模塊的工作原理是：鍵盤單片機(jī)接收到鍵盤信息后。把相應(yīng)的溫度數(shù)值寫入DAC558的地址單元3800H，DAC558經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后直接輸出相應(yīng)的電壓，SG3524產(chǎn)生正比于輸入數(shù)值量的脈寬信號(hào),然后通過(guò)調(diào)壓模塊使輸出的交流電壓和輸入的數(shù)字信號(hào)成正相關(guān)，交流電壓經(jīng)變壓器接到焊頭，使焊頭加熱。 　　3.4 串行通訊模塊 　　在工作過(guò)程中，控制系統(tǒng)需要精密的位置控制，每一個(gè)動(dòng)作需要各位置電機(jī)、和功能電機(jī)準(zhǔn)確可靠的到達(dá)相應(yīng)的位置。而位置電機(jī)和功能電機(jī)由不同的單片機(jī)控制。因此通訊的可靠性對(duì)于本系統(tǒng)而言是非常重要的。 　　由于RS-232C通訊協(xié)議在電平轉(zhuǎn)換時(shí)采用的是單端輸入/輸出，傳輸過(guò)程中的噪聲干擾會(huì)使信號(hào)發(fā)生畸變，因此抗干擾能力差，因此我們采用抗干擾能力更強(qiáng)的RS-422通訊協(xié)議。接口芯片采用美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的單片光電隔離式全雙工串行通訊接口芯片MAX1490。該芯片具有較高的集成度。由其構(gòu)造成的RS-422接口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電氣隔離性好。 　　波特率設(shè)為90Kbps,單片機(jī)之間接收數(shù)據(jù)采用查詢方式，數(shù)據(jù)的發(fā)送采用中斷方式。以中斷的方式發(fā)送數(shù)據(jù)可以滿足通訊實(shí)時(shí)性的要求。為防止電機(jī)的誤動(dòng)作，我們?cè)诖鎯?chǔ)單元中開啟了4個(gè)動(dòng)作信息標(biāo)志位。接受方每接收到一種電機(jī)位置信息就把相應(yīng)的動(dòng)作標(biāo)志位置1。如果連續(xù)接受到同樣的動(dòng)作信息，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信息。位置控制程序中電機(jī)的每一次動(dòng)作，都要檢查相應(yīng)的標(biāo)志位，標(biāo)志位為1，則開始啟動(dòng)，到達(dá)位置后自動(dòng)將相應(yīng)的標(biāo)志位清零。 4 結(jié)束語(yǔ) 　　全自動(dòng)打捆控制系具有統(tǒng)自動(dòng)化程度高、作業(yè)時(shí)間短。大量實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)具有精度高、可靠性好、成本低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 參考文獻(xiàn) 　　1 何立民.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社.1990 　　2 王福瑞.單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全. 北京:北京空航天大學(xué)出版社,1999