基于80C196MC單片機的自動定位系統(tǒng)

1引言?

包裝機上卷筒型包裝紙印有連續(xù)的商標，當機器開動時，連續(xù)的標紙由送紙輥牽引向機器內(nèi)輸送，再經(jīng)切紙刀輥將連續(xù)標紙分切成單張的包裝紙。刀輥每旋轉(zhuǎn)一周，切下一張包裝紙，若要使實際切紙線與理論切紙線重合，送紙輥的直徑和單張包裝紙的長度必須滿足嚴格的數(shù)學關系。由于送紙輥加工有公差，包裝機工作過程中卷筒的半徑逐漸減小，標紙所受張力發(fā)生變化等等因素，使得刀輥切下的包裝紙和理論切紙線之間有偏差，即使這種偏差很小。例如，某張標紙偏差只有0?1mm，刀輥速度為300r/min，機器運行10min，累計偏差即達300mm。此時，包裝紙上的圖案就會明顯偏離正確位置，不符合工藝要求。然而，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們審美情趣的提高，人們對商品的包裝效果提出了更高的要求。為解決這一問題，必須在包裝機上設計商標自動定位系統(tǒng)。?

2自動定位系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理?

本系統(tǒng)設計為單片機控制的交流伺服系統(tǒng)，因為交流伺服電機與直流伺服電機相比，具有體積小、過載能力強、輸出轉(zhuǎn)矩大、不存在電刷磨損、無需經(jīng)常維修等優(yōu)點。而且由于無電刷壓降因素影響，因此可以達到很低轉(zhuǎn)速，并且有硬的機械特性。定位系統(tǒng)框圖如圖2—1所示，其調(diào)節(jié)原理為：在送紙輥上，光電裝置利用印在卷筒包裝紙上的色標，即可檢測標紙的輸送位置；與刀輥旋轉(zhuǎn)同步的光電碼盤通過光電裝置，可以反映刀輥的切紙時間；上述光電裝置產(chǎn)生的光電脈沖均送入單片機進行邏輯處理，然后決定伺服電機的旋轉(zhuǎn)方向。伺服電機的運行時間由單片機的定時器中斷控制，以伺服電機的輸出作為補償量，它通過差動輪系與主動輪系相合成，帶動送紙輥，從而補償?shù)遁亴嶋H切線與理論切線的偏差，實現(xiàn)標紙的自動定位。?

3自動定位系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)?

經(jīng)過比較，選用Intel公司的80C196MC作為系統(tǒng)的CPU。其性能優(yōu)越，功能強大，專為電機控制而設計，特別適用于與軸式光電碼盤和伺服電機接口。而且，與MCS—51相比，不僅在主頻和90°相移記數(shù)方式方面有很大的優(yōu)勢，同時其片內(nèi)還增加了波形發(fā)生器和大量的存儲空間?？紤]80C196MC 片內(nèi)有這樣豐富的硬件資源，本系統(tǒng)由80C196MC單片機組成最簡單、最基本的單片機系統(tǒng)，如圖3—1所示。這樣，可以大大簡化許多外部硬件和控制軟件，達到優(yōu)化系統(tǒng)的目的。?

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3.1存儲空間的確定?

80C196MC片內(nèi)存儲器容量可達65536Bytes,除了0000H～01FFH、1F00H～1FFFH和2000H～207FH 3個專用區(qū)及標明“保留”的個別單元共896 Bytes外，其余都可作為程序存儲區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)或存儲器影射的外設區(qū)，共計64642 Bytes，約計64KB可用。因此，不需片外擴展數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。?

3.280C196MC的前向通道設計?

單片機80C196MC的前向通道配置由光電開關、脈沖整形電路、光耦電路和緩沖電路組成。光電開關采用機電部電氣傳動研究所研制的最新產(chǎn)品，光源進行脈沖調(diào)制，GaAs紅外發(fā)光二極管，對外界雜亂光和電氣噪聲的抗干擾能力強。光電開關1LS和2LS檢測碼盤的旋轉(zhuǎn)位置，亦反映刀輥的旋轉(zhuǎn)位置，光電脈沖信號分別送入P1.0和P1.1腳，供邏輯處理用。光電開關3LS檢測卷筒包裝紙輸送位置，EXTINT為外部中斷輸入端，光電脈沖信號送入計數(shù)脈沖輸入端T1CLK，實現(xiàn)包裝機的自動計數(shù)。?

復位采用一種簡單而又實用的上電及手動復位電路，低電平有效，由腳引入。?

3.380C196MC的后向通道設計?

80C196MC的后向通道由緩沖電路、光耦電路、達林頓功放電路及固態(tài)繼電器等組成。由PWM0(P6.6)和PWM1(P6.7) 輸出定時和邏輯處理程序運行結(jié)果，因PWM模塊本身包含脈沖寬度調(diào)制計數(shù)器和內(nèi)部時鐘，所以不必另增硬件，控制伺服電機運行的時間。輸出信號經(jīng)固態(tài)繼電器 1SSR和2SSR控制伺服電機正、反轉(zhuǎn)。固態(tài)繼電器具有無機械噪聲、無抖動、開關速度快、壽命長等優(yōu)點，適合伺服電機正、反轉(zhuǎn)頻繁起動。?

3.4系統(tǒng)顯示和鍵盤電路設計?

因80C196MC單片機本身的雙向I/O端口已經(jīng)夠用，故不須另擴展并行I/O接口，可直接由P3和P4口建立顯示和鍵盤電路，設置6位LED共陰極顯示器，段選碼由P3提供，位選碼由P4口提供。鍵盤與顯示電路合并，列輸入依次由P4.1～P4.6提供，行輸出由P4.0提供，共設置6個功能鍵：啟動、停止、增加定時時間、減少定時時間、顯示定時時間、顯示包裝數(shù)量。

3.5系統(tǒng)報警和停車電路設計?

由P2.1輸出邏輯處理程序運行結(jié)果，再經(jīng)緩沖器、光耦和達林頓電路控制中間繼電器KA，從而實現(xiàn)蜂鳴器報警和包裝機自動停車。?

4自動定位系統(tǒng)的軟件設計?

在主傳動軸上裝有光電碼盤，如圖4—1a所示，采用2圈光欄，可同時確定位置和方向，分別控制兩個光電開關1LS和2LS，碼盤旋轉(zhuǎn)時可產(chǎn)生不同時序的脈沖信號。碼盤分成4個控制區(qū)域，分別對應4種不同的工作狀況。?

①若標紙的輸送速度與刀輥的線速度相等，則檢測卷筒包裝紙輸送位置的光電脈沖3LS出現(xiàn)在I區(qū)域，此時無需補償，伺服電機停止旋轉(zhuǎn)。?

②若標紙的輸送速度落后于刀輥的線速度，則光電脈沖出現(xiàn)在Ⅱ區(qū)，此時要求伺服電機正轉(zhuǎn)，通過差動輪系增加送紙輥的速度，從而使標紙輸送速度得到正的補償。?

③若標紙的輸送速度超過刀輥的線速度，光電脈沖3LS出現(xiàn)在Ⅲ區(qū)，此時要求伺服電機反轉(zhuǎn)，通過差動輪系減慢送紙輥的速度，從而使標紙輸送速度得到負的補償。?

④若是光電脈沖出現(xiàn)在Ⅳ區(qū)，說明包裝紙圖案位置的偏差超過允許值，此時要求包裝機自動停機，并由蜂鳴器發(fā)出報警，停機后重新調(diào)整。?

應該指出的是，80C196MC中的EXTINT中斷不同于其它80C196系列的外部中斷，它是由波形發(fā)生器的保護電路產(chǎn)生中斷，可以選擇4種外部中斷的觸發(fā)方式：上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)、低電平觸發(fā)和高電平觸發(fā)。和邊沿觸發(fā)方式比較起來，電平觸發(fā)中斷更適用于噪聲環(huán)境中。本系統(tǒng)選用低電平觸發(fā)產(chǎn)生中斷的方式。有光照射時，光電開關向CPU輸入低電平“0”；否則輸入“1”。CPU輸出低電平“0”時，繼電器接通；否則繼電器斷開。依據(jù)上述控制原理和輸入輸出控制規(guī)律，可得輸入輸出時序圖(圖4—1b)，并寫出狀態(tài)表(見表4—1)。

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MCS—96布爾指令集，在解決邏輯控制問題上是一個強有力的工具，所以求解上述狀態(tài)方程的程序十分簡單。?

利用80C196MC中PWM模塊本身包含的脈沖寬度調(diào)制計數(shù)器和內(nèi)部時鐘，能夠很準確地控制伺服電機運行時間的長短，從而控制每一張標紙的補償量。通過增、減定時時間的按鈕，可以很方便地修正定時時間。同時，利用80C196MC的定時器1記錄包裝機的生產(chǎn)量。系統(tǒng)主程序框圖如圖4—2所示。?

5結(jié)束語?

系統(tǒng)設計方便靈活，通過PWM可編程的占空比和頻率或功能鍵盤，可以很方便地調(diào)整控制伺服電機運行的時間，以便產(chǎn)生精確的補償控制量，使刀輥實際切紙線與理論切紙線很好地吻合。

系統(tǒng)設計方案簡單經(jīng)濟，屬80C196MC最基本、最簡單系統(tǒng)，為日后開發(fā)、改造系統(tǒng)留有較大的裕量。?

以80C196MC單片機為中央控制單元的補償自動調(diào)節(jié)定位系統(tǒng)，它比目前基于繼電器控制線路的傳統(tǒng)型包裝機，大大提高了自動定位系統(tǒng)工作的可靠性和定位精度，減少了產(chǎn)品不合格率，可提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。具有一定的經(jīng)濟性和實用性。

［參考文獻］?
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