封切机自动定位系统的设计和实现
- 发布时间：2010/12/20 11:23:02
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由于单片机具有很灵活的控制功能和能够提供可靠的运行测试，因此s机电一体化的领域中得到广泛的应用。利用单片机的功能实现自动化控制加工已成为现代工业zui常用的控制方法之一。
本设计的主要目标在于充分的利用单片机的资源和功能，以zui简单的方法来完成封切机定位系统的复杂任务。系统工作时通过光电信号传感器对封切机运动参数进行检测和单片机的软硬件控制功能来实现对封切机运动状态的自动定位，从而控制步进电机的送料的速度，使之与主电机控制的封切运动状态相配合，实现包装袋的封切；同时，实现包装自动电子计数及显示，袋长显示及调整，点动和清零等操作功能。
２封切机自动定位系统的工作原理
封切机自动定位系统的应用对象是包装袋，通过８７５１单片机的软硬件功能和光电信号传感器检测到的信号来实现对包装袋输送和封切的运动状态自动定位，控制送料步进电机的速度，使送料与无级调速主电机的封切动作相配合，以实现包装袋封切的自动化和化；同时，通过显示器和报警系统向生产操作员提供准确的生产信息。
封切机自动定位系统的工作原理，图中虚线部分为８７５１单片机及其外部接口，在输入端有人工操作信息和现场信息输入；输出端有显示系统和执行机构响应单片机的运行结果；人工输入包括：调整袋长、清零、复位、点动等操作；现场信息有主要为光电眼的信息；工作状态显示则为显示袋长数值和被加工袋的数量；外部执行机构是起送袋作用的步进电机，它的频率受单片机控制。
在包装生产行业中，用作包装袋的复合薄袋可以分为两种：一种为空白袋，另一种为印刷袋（色袋）。色袋上印有可供光电信号检测传感器识别的标识。封切机自动定位系统通过光电信号传感器自动检测到主电机控制的封切机频率，从而转化为脉冲数与另一个光电信号传感器检测到的脉冲数作比较，调整送料步进电机的频率，以达到改变其送料的速度，使之适应主电机的封切运动。
自动定位系统根据封切袋的不同又可以分为两种定位方式：一种是空白袋定位系统，此定位系统为定长定位系统，只要求封切运动的速度与送袋速度相配合，达到定长封切的要求；另一种是印刷袋定位系统，印刷袋定位系统则为定位的跟踪，要求每次封切的位置必须落在的标识位置。
我们在进行各项封切任务时，必然会遇到一个问题；就是每次任务要求的袋长都可能会改变，而这必然会影响到我们在系统中预置的袋长初值。又因为检测色袋标识的光电眼与封切口之间的距离Ｓ为一个定值，袋长改变了，也必然会影响送袋速度与封切速度之间的关系。因此为实现加工的自动化定位，必须要对此袋长与距离Ｓ之间作一定的函数调整。但这只对封切印刷袋有效，而在封切空白袋时则没有意义了。
３自动定位系统的硬件设计
３．１步进电机的控制
本系统因８７５１单片机的硬件接口限制和为了提高系统运行时的精度，对步进的控制采取硬件分配方式而不是用软件分配，步进电机的运行、停止和运动速度则由８７５１单片机的Ｐ１．０端口输出脉冲频率来控制。当改变Ｐ１．０端口输出脉冲的周期时，ＡＢＣ三相绕组高低电平的宽度将发生变化。这就导致通电和断电的速率发生了变化，从而改变步进电机的速度。综上所说，要控制步进电机的运动状态和运行速度，只要调节Ｐ１．０端口输出的脉冲周期和脉冲数就可以实现了。
３．２光电信号传感器的应用
光电信号传感器是以光为媒介进行信号传输的器件。在封切机自动定位系统中，安装了两个光电信号传感器（如图１所示）。它的主要作用是：对整个系统进行实时监控，当光电信号传感器接收到信号时，就会把接收到的信号以电平的形式传输给ＣＰＵ，并产生中断要求：要求ＣＰＵ在完成当前指令的下一机器周期跳变到该中断要求所对应的中断子程序，执行该中断子程序，完成对整个系统的实时监控和有关数据的运算及传送。
一个光电信号传感器（又称光电眼）安装在包装机热封装置前，当封切机自动定位系统的运行模式为印刷袋控制时，便开启光电眼来检测印刷袋上的颜色信号并将检测得到的信号传输给ＣＰＵ，ＣＰＵ通过软件功能将信号转化为能够控制步进电机运行的脉冲信号之一。
另一个光电眼传感器安装在封切到下落处，当封切机自动定位系统启动时，该光电眼信号传感器检测到因封切刀起落引起的光亮变化而产生的或高或低电平信号并传输给ＣＰＵ，ＣＰＵ通过计数软件和脉冲宽度测量软件实现系统的自动电子计数功能和调整步进电机送料的速度。
３．３显示系统
封切机自动定位系统中显示系统的作用有两个方面：一是向生产操作员提供袋长信息：二是显示已封切的袋数，同时与报警系统相结合，实现定量生产的控制。
封切机自动定位系统的显示系统硬件结构没有应用译码器，译码器通过软件来实现；显示方式为串行口输出共阴极动态显示。
３．４报警系统
封切机自动定位系统中，报警系统的功能：一是当封切袋数累计到ｎ１００＋９０个时（ｎ为任意整数），系统就会自动报警；当封切袋数累计到ｎ１００个时（ｎ为任意整数），系统便自动取消报警。该功能的实现可有助生产操作员实现定量生产控制。二是当光电信号传感器检测到的封切机动作进行地过快时，系统自动报警。其硬件结构由蜂鸣器、功率放大晶体管和８７５１单片机组成。
３．５系统的可靠性设计
为了保证封切机自动定位系统运行的可靠性，降低ＩＮＴ０、ＩＮＴ１口输入的外部中断信号对ＣＰＵ运行的干扰，系统硬件设计中采用了光电隔离电路。当光电眼向ＣＰＵ的ＩＮＴ０、ＩＮＴ１中断口输送电平脉冲信号时，经光电耦合器输入输出隔离电路和六相施密特触发器４０１６０输入给８７５１单片机的相应端口，使８７５１单片机的内部数据总线的运行不受噪声电平的影响。
４自动定位系统的软件设计
４．１系统的定义
在此系统为连续工作的自动定位系统。所以送料和封切运动是连续进行。因此必须要求系统快速的反映各个中断的请求。多个中断嵌套构成了整个系统的主体。
首先从主电机得出封切速度，经过速度转换运算子程序求出步进电机的初速度并送给步进电机，然后将步进电机的速度反馈给单片机，再与封切机的速度作比较，由速度调整子程序调整步进电机的速度。
在封切机自动系统中，软件主要解决的问题是ＣＰＵ将获取到的袋长信息和主电机的封切速度的脉冲信号转化为定时器ＴＯ的初值问题，以及如何比较两者之间的差异进而实时监控步进电机的速度。
袋长信息的获取则在系统初始化时，由操作员人工输入，系统默认值为１５０ＭＭ。可以通过按键对其数值进行“１”、减“１”操作，调整袋长数值。而步进电机的输出速度则由８７５１单片机Ｐ１．０端口输的脉冲频率决定。若检测到两次封切之间的脉冲数比此期间所送袋长对应的脉冲数少，这说明送料速度比封切速度慢了，应该加快送料速度，此时定时器ＴＯ的值增加；反之，减少ＴＯ的值。
４．２系统软件流程图的设计
系统软件的主要功能是判断封切自动定位系统的工作方式（空白袋／印刷袋）和实现自动定位操作等。
对于印刷袋由于印刷不可避免地存在印刷误差，使得包装袋的袋长长度不一致，为了纠正该误差信息就必须利用第二个光电眼，对印刷袋实行实时定位，并通过一系列软件对误差进行处理，调整ＣＰＵ的Ｐ１．０端口向步进电机输送的脉冲系列，以实现包装袋的封切。
当封切机自动定位系统的处理对象是空白袋时，将主程序中设定的或经人工修改的袋长化为脉冲数作为自动定位系统比较的初值；与光电眼１检测到的脉冲数相比较，将比较结果反馈给ＣＰＵ，ＣＰＵ根据反馈回来的信号调整单片机Ｐ１．０端口输出脉冲的频率，从而控制步进电机的送袋速度。