基于STC12C5410AD單片機的鑲嵌控制系統設計與實(shí)現
近幾年以來(lái),在浙江義烏、浦江一帶,水晶飾品鑲嵌行業(yè)的快速發(fā)展,引發(fā)了對水晶飾品鑲嵌工藝的各種改進(jìn),但由于鑲嵌過(guò)程的特殊性,目前主要采用人工方式,該工藝過(guò)程總的缺點(diǎn)是:成品率低,工人的勞動(dòng)強度大。
本文針對鑲嵌過(guò)程的工作特點(diǎn),開(kāi)發(fā)設計了一種由單片機為控制核心的自動(dòng)化控制系統,從而提供一種光電感應、磁動(dòng)操作鑲嵌全過(guò)程自動(dòng)控制的水晶飾品鑲嵌機,使飾品鑲嵌操作由最初的手工鑲嵌轉為自動(dòng)化鑲嵌,最終達到降低工人的勞動(dòng)強度、提高生產(chǎn)過(guò)程的成品率的目的。
1 水晶飾品鑲嵌機
水晶飾品鑲嵌機的工作原理是,放料槽中放入水晶后,按下控制面板上的控制按鈕,水晶在平動(dòng)振動(dòng)器的振動(dòng)下,沿送料道向前送進(jìn),同時(shí)通過(guò)控制系統將鑲嵌鏈送到?jīng)_頭上方的指定位置,當水晶送到位后,由光電感應器發(fā)出信號,在系統的控制下,磁鐵通過(guò)電流產(chǎn)生沖力,完成鑲嵌,然后將沖壓好的鑲嵌鏈在系統的控制下送出,同時(shí)將下一節鑲嵌鏈送到指定位置。步進(jìn)送鏈的長(cháng)度與時(shí)間由單片機發(fā)出的脈沖數目的多少來(lái)控制步進(jìn)電機轉過(guò)的角度,鑲嵌夾緊力的大小根據水晶的尺寸由單片機控制磁鐵的電流來(lái)實(shí)現。
根據本次設計的實(shí)際需要、系統性能指標、設計開(kāi)發(fā)周期、資金成本等情況,選擇單片機控制人機界面的控制方式,系統控制方案結構示意圖如圖1所示。
整個(gè)控制系統主要由單片機控制單元、步進(jìn)電動(dòng)機驅動(dòng)、電磁鐵和人機界面等組成。其中單片機是控制系統的核心,通過(guò)單片機實(shí)現對整個(gè)鑲嵌機的自動(dòng)控制。
2 控制系統硬件設計
2.1 STC12C5410AD
單片機一方面要通過(guò)各種指令對整個(gè)鑲嵌水晶系統動(dòng)作實(shí)施控制,另一方面通過(guò)人機界面與外界進(jìn)行通信,接受人的各種指令要求。單片機是整個(gè)控制系統的核心,選用適當的單片機很重要。單片機選型的基本原則是在滿(mǎn)足基本控制功能和容量的前提下,盡量保證工作可靠、維護使用方便以及最佳的性?xún)r(jià)比?;静襟E是先根據工藝控制條件對I/O 點(diǎn)數(數字量及模擬量)進(jìn)行準確的統計,在統計數據基礎上再增加10%~30%的余量來(lái)確定I/O總點(diǎn)數,使得所設計的控制系統有一定的擴充性,同時(shí)方便調試階段臨時(shí)增加點(diǎn)數的需要。根據設計實(shí)際需要,選擇采用STMicroelectronics 公司生產(chǎn)STC系列單片機(STC12C5410AD),它屬于新一代高速MCU,指令代碼完全兼容傳統8051,4 路PWM,8 路高速10 bit A/D 轉換,針對電機控制,適用于強干擾場(chǎng)合[1]。
2.2 系統硬件電路設計
系統以STC微控器及其擴展存儲器構成的最小系統為核心,包括數據采集、鍵盤(pán)與顯示、控制與執行及供電電源等單元。
數據采集單元分為水晶位置檢測和水晶鑲嵌個(gè)數兩部分。
鍵盤(pán)與顯示單元包括以可編程鍵盤(pán)顯示專(zhuān)用接口芯片ZLG7290為核心的鍵盤(pán)輸入以及LED數碼管和指示燈顯示部分。
控制與執行單元由光電耦合器件、功率器件、步進(jìn)電機及電磁鐵等組成。
硬件主要控制組成部分如下:
(1)最小系統電路設計:本設計充分利用了單片機STC12C5410AD的ADC、SPI、PWM、UART等內部硬件資源,減小了系統體積,降低了系統成本,提高了系統穩定性。包括擴展了存儲器的STC12C5410AD微控器、時(shí)鐘電路、復位電路以及總線(xiàn)驅動(dòng)電路等部分,其原理圖如圖2所示[2]。
(2)步進(jìn)電機控制電路設計:鑲嵌送鏈的平穩程度直接影響鑲嵌質(zhì)量,而送鏈速度的平穩程度取決于送鏈電機的轉速,因此設計鑲嵌控制系統時(shí)應重點(diǎn)考慮以下兩個(gè)因素:①實(shí)現等速送鏈;②步進(jìn)電機的速度控制通過(guò)控制單片機發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來(lái)實(shí)現。鑲嵌步進(jìn)電機控制原理框圖如圖3所示[3-4]。
(3)信號輸入電路設計:本電路要接收信號,其中STC單片機的P1.0~P1.3是采樣電壓信號,P1.4~P1.7是采樣電流信號,信號輸入電路原理圖如圖4所示。
(4)信號輸出電路設計:本電路要輸出4個(gè)信號,分別控制步進(jìn)電機、電磁鐵、光電檢測、送料機構,這些信號通過(guò)繼電器控制電機的運轉,來(lái)實(shí)現鑲嵌機的自動(dòng)化控制。信號輸出電路原理圖如圖5所示。
(5)顯示面板電路設計:本電路用STC單片機的一個(gè)引腳來(lái)接二極管顯示器的公共端,控制其顯示。其原理如圖6所示。
3 微機控制系統軟件設計
鑲嵌工藝流程是編寫(xiě)程序的依據,本控制系統的程序流程圖如圖7所示。
根據控制任務(wù),鑲嵌控制程序編寫(xiě)如下:
系統內存分配(30H~6FH)
XRUH EQU 10H ;步進(jìn)電機運行加減速步數高字節
XRUL EQU 11H ;步進(jìn)電機運行加減速步數低字節
XRDH EQU 12H ;步進(jìn)電機運行加減速步數高字節
XRDL EQU 13H ;步進(jìn)電機運行加減速步數低字節
XRNH EQU 14H ;步進(jìn)電機運行勻速步數高字節
XRNL EQU 15H ;步進(jìn)電機運行勻速步數低字節
XNNT EQU 16H ;步進(jìn)電機每走一步PCA2中斷次數
XBNT EQU 17H ;步進(jìn)電機每走一步PCA2中斷次數
ZRUH EQU 18H ;步進(jìn)電機運行加減速步數高字節
ZRUL EQU 19H ;步進(jìn)電機運行加減速步數低字節
ZRDH EQU 1AH;步進(jìn)電機運行加減速步數高字節
ZRDL EQU 1BH;步進(jìn)電機運行加減速步數低字節
ZRNH EQU 1CH ;步進(jìn)電機運行勻速步數高字節
ZRNL EQU 1DH;步進(jìn)電機運行勻速步數低字節
ZNNT EQU 1EH ;步進(jìn)電機每走一步PCA2中斷次數
ZBNT EQU 1FH ;步進(jìn)電機每走一步PCA2中斷次數
KD EQU 38H ;開(kāi)關(guān)量緩沖地址
步進(jìn)電機控制(部分)
ACP BIT P1.5 ;水晶輸送
ACW BIT T0 ;A軸正反轉控制
……
I0 BIT 78H ;送鏈正轉點(diǎn)動(dòng)
I1 BIT 79H ;送鏈反轉點(diǎn)動(dòng)
I2 BIT 7AH ;送鏈分度
I3 BIT 7BH ;嵌珠點(diǎn)動(dòng)
I4 BIT 7CH ;嵌珠控制
I5 BIT 7DH ;送料控制
I6 BIT 7EH ;運行控制
I7 BIT 7FH ;珠到檢測
平行振動(dòng)器開(kāi)關(guān)控制(部分)
……
IQ0 EQU 0D800H ;開(kāi)關(guān)量輸入輸出端口0地址
IQ1 EQU 0D900H ;開(kāi)關(guān)量輸入輸出端口1地址
X0AD EQU 0D900H ;開(kāi)關(guān)量輸入輸出端口1地址
XQAD EQU 0DA00H;0D900H
;開(kāi)關(guān)量輸入輸出端口1地址
IQ2 EQU 0DA00H ;開(kāi)關(guān)量輸入輸出端口2地址
IQ3 EQU 0DB00H ;開(kāi)關(guān)量輸入輸出端口1地址
ZQAD EQU 0DB00H ;開(kāi)關(guān)量輸入輸出端口1地址
IN0 EQU 2FH ;開(kāi)關(guān)量輸入端口0緩沖地址
IN1 EQU 2EH ;開(kāi)關(guān)量輸入端口1緩沖地址
IN2 EQU 2DH ;開(kāi)關(guān)量輸入端口2緩沖地址
IN3 EQU 2CH ;開(kāi)關(guān)量輸入端口3緩沖地址
OUT0 EQU 2BH ;開(kāi)關(guān)量輸出端口0緩沖地址
X0OUT EQU 2AH ;開(kāi)關(guān)量輸出端口1緩沖地址
XOUT EQU 29H;2AH;開(kāi)關(guān)量輸出端口1緩沖地址
OUT2 EQU 29H ;開(kāi)關(guān)量輸出端口2緩沖地址
ZOUT EQU 28H ;開(kāi)關(guān)量輸出端口3緩沖地址
最終完成控制系統接線(xiàn)圖。
水晶鑲嵌控制系統采用STC12C5410AD單片機控制技術(shù)為核心,利用步進(jìn)電機驅動(dòng)、電磁鐵沖壓鑲嵌技術(shù),實(shí)現了對水晶的快速可靠鑲嵌。系統結構簡(jiǎn)單,成本較低,適合中小企業(yè)應用,在工廠(chǎng)經(jīng)現場(chǎng)調試,性能穩定,運行良好,鑲嵌成品率由原來(lái)的手工鑲嵌80%左右提高到95%以上,鑲嵌效率是手工的8~10倍,大大提高了生產(chǎn)品質(zhì)和生產(chǎn)率。
參考文獻
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