基于AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)剪毛刀架高度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

概述

人造毛皮后整理聯(lián)合燙剪機(jī)中剪毛刀架的定位調(diào)節(jié)，原是人工用按鈕控制異步電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)，通過機(jī)械減速器（齒輪裝置）后帶動(dòng)剪毛刀架蝸桿，使剪毛刀架做上、下運(yùn)動(dòng)至要求的位置。操作煩瑣，需反復(fù)測量、調(diào)整，很難恰好到位，誤差大。為此，我們用AT89C51單片機(jī)構(gòu)成剪毛高度控制器，對(duì)剪毛刀架高度進(jìn)行自動(dòng)控制。

使用該控制器，只需由觸摸開關(guān)設(shè)定工藝要求的剪毛高度（毫米數(shù)），控制器則發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)使剪毛刀架達(dá)到希望的高度，并可由工藝人員設(shè)置相對(duì)的機(jī)械零位。對(duì)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置進(jìn)行數(shù)碼顯示，相應(yīng)地還有剪毛刀架高度減少及增大指示，控制趨勢一目了然。

一．硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶要求，為不增加成本，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)仍保持原異步電動(dòng)機(jī)，原機(jī)械減速器及剪毛刀架蝸桿等均不改變。這也便于老產(chǎn)品改造。

系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

（1）單片機(jī)控制系統(tǒng)

采用ATMEL公司的AT89C51作為控制器，其性價(jià)比高。片內(nèi)含4KB閃速可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器，128字節(jié)RAM，32個(gè)I/O線，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)兩級(jí)中斷源結(jié)構(gòu)，滿足系統(tǒng)要求。

（2）掉電保護(hù)

如脈沖狀態(tài)數(shù)累計(jì)值、當(dāng)前的狀態(tài)等輸入?yún)?shù)是需要掉電保護(hù)的，本系統(tǒng)中采用Xicor公司生產(chǎn)的X24C45。它是串行256位NVRAM，按16×16組織，包括一個(gè)256位的SRAM和一個(gè)256位的EEPROM，并且RAM和EEPROM陣列位對(duì)位重疊，上電時(shí)數(shù)據(jù)可自動(dòng)從EEPROM調(diào)到SRAM中。X24C45還具有自動(dòng)存儲(chǔ)特性，即系統(tǒng)正常工作時(shí)，數(shù)據(jù)放在SRAM中，掉電時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到EEPROM中。本系統(tǒng)中X24C45、X5045與AT89C51的接口如圖２所示。

（3）參數(shù)設(shè)定及看門狗電路

刀架相對(duì)于機(jī)械零位的高度、產(chǎn)品類型等參數(shù)可由用戶設(shè)定，采用串行EEPROM X5045存放用戶參數(shù)。它是美國Xicor公司的產(chǎn)品，將三種功能：看門狗定時(shí)器、EEPROM和電壓監(jiān)控組合在單個(gè)芯片之內(nèi)。X5045是高電平復(fù)位信號(hào)輸出，正好滿足本系統(tǒng)中CPU（AT89C51）復(fù)位信號(hào)的要求；管腳數(shù)僅與一片MAX706或X24C04管腳數(shù)相同，簡化了電路設(shè)計(jì)，降低了控制器成本。其與AT89C51接口如圖2所示。

（4）觸摸開關(guān)

三位觸摸開關(guān)為狀態(tài)、增加、減小開關(guān)。組合用于選擇產(chǎn)品類型（對(duì)于不同的蝸桿，如有的產(chǎn)品類型為：蝸桿轉(zhuǎn)過20轉(zhuǎn)，剪毛刀架升或降1mm；有的產(chǎn)品類型為：蝸桿轉(zhuǎn)過40轉(zhuǎn)，剪毛刀架升或降1mm；等等）；用于設(shè)置要求的刀架高度，其范圍為0～99mm；用于將當(dāng)前的刀架高度確定為工作刀架高度的機(jī)械零位；用于啟動(dòng)工作。

（5）數(shù)碼顯示

數(shù)碼顯示在控制器運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，動(dòng)態(tài)顯示實(shí)際的剪毛刀架高度；在控制器參數(shù)設(shè)置狀態(tài)時(shí)，顯示用戶設(shè)置的刀架高度給定值、產(chǎn)品類型等參數(shù)，以便用戶設(shè)置、修改參數(shù)。

通過測量刀架蝸桿轉(zhuǎn)過的角度來間接測量剪毛刀架高度（如一種典型產(chǎn)品類型為：蝸桿轉(zhuǎn)過20轉(zhuǎn)，剪毛刀架升或降1mm）。在刀架蝸桿上安裝一半圓凸輪，同時(shí)相對(duì)垂直地安裝一對(duì)霍耳傳感器a、b。當(dāng)凸輪金屬部分接近霍耳傳感器時(shí)，傳感器輸出為“1”；當(dāng)凸輪金屬部分遠(yuǎn)離傳感器時(shí)，其輸出為“0”。由于a、b正交，所以不僅可測量蝸桿轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)，還可以判斷電動(dòng)機(jī)目前是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。刀架蝸桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)一圈，凸輪與a、b霍耳傳感器相對(duì)位置、ab輸出邏輯表、波形如圖3所示；順時(shí)針時(shí)情況如圖4所示。a、b霍耳傳感器輸出通過光電耦合器送至單片機(jī)。

二．軟件設(shè)計(jì)

由前圖3、圖4可見逆時(shí)針時(shí)，a、b邏輯表順序?yàn)?，2，0，1，。..，順時(shí)針時(shí)順序?yàn)?，1，0，2，。..。因此在存儲(chǔ)器中，設(shè)置一表格。將本次讀入的a、b狀態(tài)及上次讀入的a、b狀態(tài)與表格相比較，即可判斷出當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向；從波形圖還可以看出，a、b狀態(tài)改變一次對(duì)應(yīng)蝸桿轉(zhuǎn)過90°（即1/4周），由此及產(chǎn)品類型號(hào)即可換算出脈沖狀態(tài)數(shù)與剪毛刀架實(shí)際高度之間的比例系數(shù)。

因?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)為異步電動(dòng)機(jī)，所以在控制中設(shè)置了一誤差帶，避免系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。實(shí)際調(diào)試，當(dāng)實(shí)際狀態(tài)數(shù)與給定狀態(tài)數(shù)之差為4時(shí)最佳。運(yùn)行證明，完全滿足用戶要求。刀架高度上、下變動(dòng)40次，積累誤差小于0.5mm。

系統(tǒng)主要運(yùn)行程序框圖如圖5所示。

三．結(jié)語

該控制器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，尤其可方便地用于老產(chǎn)品改造，有一定的推廣價(jià)值。

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