封切機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

　　１引言

由于單片機(jī)具有很靈活的控制功能和能夠提供可靠的運(yùn)行測(cè)試，因此s機(jī)電一體化的領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。利用單片機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制加工已成為現(xiàn)代工業(yè)zui常用的控制方法之一。

本設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)在于充分的利用單片機(jī)的資源和功能，以zui簡(jiǎn)單的方法來(lái)完成封切機(jī)定位系統(tǒng)的復(fù)雜任務(wù)。系統(tǒng)工作時(shí)通過(guò)光電信號(hào)傳感器對(duì)封切機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和單片機(jī)的軟硬件控制功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)封切機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的自動(dòng)定位，從而控制步進(jìn)電機(jī)的送料的速度，使之與主電機(jī)控制的封切運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相配合，實(shí)現(xiàn)包裝袋的封切；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)包裝自動(dòng)電子計(jì)數(shù)及顯示，袋長(zhǎng)顯示及調(diào)整，點(diǎn)動(dòng)和清零等操作功能。

２封切機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)的工作原理

封切機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象是包裝袋，通過(guò)８７５１單片機(jī)的軟硬件功能和光電信號(hào)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝袋輸送和封切的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自動(dòng)定位，控制送料步進(jìn)電機(jī)的速度，使送料與無(wú)級(jí)調(diào)速主電機(jī)的封切動(dòng)作相配合，以實(shí)現(xiàn)包裝袋封切的自動(dòng)化和化；同時(shí)，通過(guò)顯示器和報(bào)警系統(tǒng)向生產(chǎn)操作員提供準(zhǔn)確的生產(chǎn)信息。

封切機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)的工作原理，圖中虛線部分為８７５１單片機(jī)及其外部接口，在輸入端有人工操作信息和現(xiàn)場(chǎng)信息輸入；輸出端有顯示系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)單片機(jī)的運(yùn)行結(jié)果；人工輸入包括：調(diào)整袋長(zhǎng)、清零、復(fù)位、點(diǎn)動(dòng)等操作；現(xiàn)場(chǎng)信息有主要為光電眼的信息；工作狀態(tài)顯示則為顯示袋長(zhǎng)數(shù)值和被加工袋的數(shù)量；外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)是起送袋作用的步進(jìn)電機(jī)，它的頻率受單片機(jī)控制。

在包裝生產(chǎn)行業(yè)中，用作包裝袋的復(fù)合薄袋可以分為兩種：一種為空白袋，另一種為印刷袋（色袋）。色袋上印有可供光電信號(hào)檢測(cè)傳感器識(shí)別的標(biāo)識(shí)。封切機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)通過(guò)光電信號(hào)傳感器自動(dòng)檢測(cè)到主電機(jī)控制的封切機(jī)頻率，從而轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)與另一個(gè)光電信號(hào)傳感器檢測(cè)到的脈沖數(shù)作比較，調(diào)整送料步進(jìn)電機(jī)的頻率，以達(dá)到改變其送料的速度，使之適應(yīng)主電機(jī)的封切運(yùn)動(dòng)。

自動(dòng)定位系統(tǒng)根據(jù)封切袋的不同又可以分為兩種定位方式：一種是空白袋定位系統(tǒng)，此定位系統(tǒng)為定長(zhǎng)定位系統(tǒng)，只要求封切運(yùn)動(dòng)的速度與送袋速度相配合，達(dá)到定長(zhǎng)封切的要求；另一種是印刷袋定位系統(tǒng)，印刷袋定位系統(tǒng)則為定位的跟蹤，要求每次封切的位置必須落在的標(biāo)識(shí)位置。

我們?cè)谶M(jìn)行各項(xiàng)封切任務(wù)時(shí)，必然會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題；就是每次任務(wù)要求的袋長(zhǎng)都可能會(huì)改變，而這必然會(huì)影響到我們?cè)谙到y(tǒng)中預(yù)置的袋長(zhǎng)初值。又因?yàn)闄z測(cè)色袋標(biāo)識(shí)的光電眼與封切口之間的距離Ｓ為一個(gè)定值，袋長(zhǎng)改變了，也必然會(huì)影響送袋速度與封切速度之間的關(guān)系。因此為實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化定位，必須要對(duì)此袋長(zhǎng)與距離Ｓ之間作一定的函數(shù)調(diào)整。但這只對(duì)封切印刷袋有效，而在封切空白袋時(shí)則沒(méi)有意義了。

３自動(dòng)定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

３．１步進(jìn)電機(jī)的控制

本系統(tǒng)因８７５１單片機(jī)的硬件接口限制和為了提高系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的精度，對(duì)步進(jìn)的控制采取硬件分配方式而不是用軟件分配，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行、停止和運(yùn)動(dòng)速度則由８７５１單片機(jī)的Ｐ１．０端口輸出脈沖頻率來(lái)控制。當(dāng)改變Ｐ１．０端口輸出脈沖的周期時(shí)，ＡＢＣ三相繞組高低電平的寬度將發(fā)生變化。這就導(dǎo)致通電和斷電的速率發(fā)生了變化，從而改變步進(jìn)電機(jī)的速度。綜上所說(shuō)，要控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)行速度，只要調(diào)節(jié)Ｐ１．０端口輸出的脈沖周期和脈沖數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)了。

３．２光電信號(hào)傳感器的應(yīng)用

光電信號(hào)傳感器是以光為媒介進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)钠骷?。在封切機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)中，安裝了兩個(gè)光電信號(hào)傳感器（如圖１所示）。它的主要作用是：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)光電信號(hào)傳感器接收到信號(hào)時(shí)，就會(huì)把接收到的信號(hào)以電平的形式傳輸給ＣＰＵ，并產(chǎn)生中斷要求：要求ＣＰＵ在完成當(dāng)前指令的下一機(jī)器周期跳變到該中斷要求所對(duì)應(yīng)的中斷子程序，執(zhí)行該中斷子程序，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和有關(guān)數(shù)據(jù)的運(yùn)算及傳送。

一個(gè)光電信號(hào)傳感器（又稱光電眼）安裝在包裝機(jī)熱封裝置前，當(dāng)封切機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)的運(yùn)行模式為印刷袋控制時(shí)，便開(kāi)啟光電眼來(lái)檢測(cè)印刷袋上的顏色信號(hào)并將檢測(cè)得到的信號(hào)傳輸給ＣＰＵ，ＣＰＵ通過(guò)軟件功能將信號(hào)轉(zhuǎn)化為能夠控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的脈沖信號(hào)之一。

另一個(gè)光電眼傳感器安裝在封切到下落處，當(dāng)封切機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，該光電眼信號(hào)傳感器檢測(cè)到因封切刀起落引起的光亮變化而產(chǎn)生的或高或低電平信號(hào)并傳輸給ＣＰＵ，ＣＰＵ通過(guò)計(jì)數(shù)軟件和脈沖寬度測(cè)量軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)電子計(jì)數(shù)功能和調(diào)整步進(jìn)電機(jī)送料的速度。

３．３顯示系統(tǒng)

封切機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)中顯示系統(tǒng)的作用有兩個(gè)方面：一是向生產(chǎn)操作員提供袋長(zhǎng)信息：二是顯示已封切的袋數(shù)，同時(shí)與報(bào)警系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)定量生產(chǎn)的控制。

封切機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)沒(méi)有應(yīng)用譯碼器，譯碼器通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)；顯示方式為串行口輸出共陰極動(dòng)態(tài)顯示。

３．４報(bào)警系統(tǒng)

封切機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)中，報(bào)警系統(tǒng)的功能：一是當(dāng)封切袋數(shù)累計(jì)到ｎ１００＋９０個(gè)時(shí)（ｎ為任意整數(shù)），系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警；當(dāng)封切袋數(shù)累計(jì)到ｎ１００個(gè)時(shí)（ｎ為任意整數(shù)），系統(tǒng)便自動(dòng)取消報(bào)警。該功能的實(shí)現(xiàn)可有助生產(chǎn)操作員實(shí)現(xiàn)定量生產(chǎn)控制。二是當(dāng)光電信號(hào)傳感器檢測(cè)到的封切機(jī)動(dòng)作進(jìn)行地過(guò)快時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。其硬件結(jié)構(gòu)由蜂鳴器、功率放大晶體管和８７５１單片機(jī)組成。

３．５系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

為了保證封切機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，降低ＩＮＴ０、ＩＮＴ１口輸入的外部中斷信號(hào)對(duì)ＣＰＵ運(yùn)行的干擾，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中采用了光電隔離電路。當(dāng)光電眼向ＣＰＵ的ＩＮＴ０、ＩＮＴ１中斷口輸送電平脈沖信號(hào)時(shí)，經(jīng)光電耦合器輸入輸出隔離電路和六相施密特觸發(fā)器４０１６０輸入給８７５１單片機(jī)的相應(yīng)端口，使８７５１單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的運(yùn)行不受噪聲電平的影響。

４自動(dòng)定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

４．１系統(tǒng)的定義

在此系統(tǒng)為連續(xù)工作的自動(dòng)定位系統(tǒng)。所以送料和封切運(yùn)動(dòng)是連續(xù)進(jìn)行。因此必須要求系統(tǒng)快速的反映各個(gè)中斷的請(qǐng)求。多個(gè)中斷嵌套構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的主體。

首先從主電機(jī)得出封切速度，經(jīng)過(guò)速度轉(zhuǎn)換運(yùn)算子程序求出步進(jìn)電機(jī)的初速度并送給步進(jìn)電機(jī)，然后將步進(jìn)電機(jī)的速度反饋給單片機(jī)，再與封切機(jī)的速度作比較，由速度調(diào)整子程序調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的速度。

在封切機(jī)自動(dòng)系統(tǒng)中，軟件主要解決的問(wèn)題是ＣＰＵ將獲取到的袋長(zhǎng)信息和主電機(jī)的封切速度的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為定時(shí)器ＴＯ的初值問(wèn)題，以及如何比較兩者之間的差異進(jìn)而實(shí)時(shí)監(jiān)控步進(jìn)電機(jī)的速度。

袋長(zhǎng)信息的獲取則在系統(tǒng)初始化時(shí)，由操作員人工輸入，系統(tǒng)默認(rèn)值為１５０ＭＭ?？梢酝ㄟ^(guò)按鍵對(duì)其數(shù)值進(jìn)行“１”、減“１”操作，調(diào)整袋長(zhǎng)數(shù)值。而步進(jìn)電機(jī)的輸出速度則由８７５１單片機(jī)Ｐ１．０端口輸?shù)拿}沖頻率決定。若檢測(cè)到兩次封切之間的脈沖數(shù)比此期間所送袋長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)少，這說(shuō)明送料速度比封切速度慢了，應(yīng)該加快送料速度，此時(shí)定時(shí)器ＴＯ的值增加；反之，減少ＴＯ的值。

４．２系統(tǒng)軟件流程圖的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的主要功能是判斷封切自動(dòng)定位系統(tǒng)的工作方式（空白袋／印刷袋）和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位操作等。

對(duì)于印刷袋由于印刷不可避免地存在印刷誤差，使得包裝袋的袋長(zhǎng)長(zhǎng)度不一致，為了糾正該誤差信息就必須利用第二個(gè)光電眼，對(duì)印刷袋實(shí)行實(shí)時(shí)定位，并通過(guò)一系列軟件對(duì)誤差進(jìn)行處理，調(diào)整ＣＰＵ的Ｐ１．０端口向步進(jìn)電機(jī)輸送的脈沖系列，以實(shí)現(xiàn)包裝袋的封切。

當(dāng)封切機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)的處理對(duì)象是空白袋時(shí)，將主程序中設(shè)定的或經(jīng)人工修改的袋長(zhǎng)化為脈沖數(shù)作為自動(dòng)定位系統(tǒng)比較的初值；與光電眼１檢測(cè)到的脈沖數(shù)相比較，將比較結(jié)果反饋給ＣＰＵ，ＣＰＵ根據(jù)反饋回來(lái)的信號(hào)調(diào)整單片機(jī)Ｐ１．０端口輸出脈沖的頻率，從而控制步進(jìn)電機(jī)的送袋速度。