基于LPC2138的注塑機控制器設計

現代注塑機的發(fā)展重點(diǎn)在于提高控制水平和整機自動(dòng)化程度，以及整機優(yōu)化設計和加工工藝的改進(jìn)方面，以滿(mǎn)足對于注塑制品質(zhì)量及節能的要求。隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統芯片以集成度高，價(jià)格低，性能強大而得到廣泛應用。利用32位的ARM處理器實(shí)現注塑生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)顯示并在線(xiàn)修改各階段的過(guò)程參數，這不僅提高了注塑機自動(dòng)化程度，而且大大提高了塑料制品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 注塑機的組成及其工作過(guò)程

1.1 注塑機的組成

該控制器以電動(dòng)一液壓相結合的復合式注塑機為控制對象，它是集機-電-液于一體的典型系統。它主要由液壓油路系統、合模系統、注射系統、加熱冷卻系統、潤滑系統、電氣控制系統、安全保護裝置、監測系統及供料等輔助系統組成。注塑機的各個(gè)部分互相牽制、互相協(xié)調地完成注塑機的循環(huán)動(dòng)作。其中電氣控制系統是注塑機的“中樞神經(jīng)”，它控制著(zhù)注塑機的各種程序及動(dòng)作，對時(shí)間、位置、壓力、速度和轉速等進(jìn)行有效的控制與調節。該控制器實(shí)現注塑機電氣控制系統的控制功能。

1.2 注塑機的工作過(guò)程

現代注塑機的控制器主要由注塑機工藝流程控制、料筒溫度控制、人機界面等部分組成，能夠實(shí)現對注塑機整個(gè)工藝流程進(jìn)行控制；對注塑過(guò)程中的流量、壓力、位置以及料桶溫度的控制；對注塑工作過(guò)程參數的顯示與在線(xiàn)參數修改。注塑機的工作過(guò)程其實(shí)就是一個(gè)過(guò)程控制。當要執行某一個(gè)動(dòng)作時(shí)，控制器必須輸出相應的控制信號使相關(guān)的電磁閥通電，否則不能正常工作，而當檢測到對應的行程開(kāi)關(guān)或接近開(kāi)關(guān)的輸入信號后，就可撤除控制信號使電磁閥失電，以結束該動(dòng)作，然后根據工藝要求進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作或停止工作。其工作流程如圖1所示。

2 系統硬件電路的設計

該控制器由2個(gè)控制模塊構成，采用主從式結構來(lái)控制注塑機的注塑過(guò)程、溫度、人機界面、通信等工作。兩個(gè)控制模塊各由一個(gè)處理器來(lái)進(jìn)行管理，處理器均采用ARM處理器LPC2138，其中一個(gè)處理器負責鍵盤(pán)及LCD顯示管理，實(shí)現參數在線(xiàn)設定及顯示，以提供友好的人機界面；另外一個(gè)處理器負責檢測注塑機的各路輸入情況，并實(shí)現對注塑的過(guò)程控制與料筒溫度控制。兩者之間采用RS 232C串行接口進(jìn)行實(shí)時(shí)通信以實(shí)現信息與數據的交換。系統硬件總體框圖如圖2所示。

鍵盤(pán)電路控制器需要實(shí)現注塑機的各種動(dòng)作及控制參數的輸入，因此鍵盤(pán)電路必不可少。鍵盤(pán)電路采用ZLG7290鍵盤(pán)管理器，它可采樣64個(gè)按鍵或傳感器，并可檢測每個(gè)按鍵的連擊次數，而且具有鍵盤(pán)去抖動(dòng)處理、雙鍵互鎖處理等功能，因此省去了鍵盤(pán)掃描及去抖等相關(guān)處理軟件的編制，這樣不僅節省了程序空間，而且簡(jiǎn)化了編程。每當有按鍵按下，ZI．G7290會(huì )產(chǎn)生中斷信號，此時(shí)LPC2138可通過(guò)I2C接口從ZLG7290內部讀取鍵值，這樣就可判斷出按鍵的具體位置。

液晶顯示 LCD模塊選用320×240圖形點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，主機設計有與LCD模塊模塊的接口，可以將其介入，這樣就可實(shí)現對注塑機工藝參數的實(shí)時(shí)監視、各個(gè)關(guān)鍵參數的在線(xiàn)修改以及命令輸入提示。

數字量輸入／輸出電路 數字量的輸入與輸出均通過(guò)光耦隔離電路，以將控制器與執行機構在電氣上進(jìn)行隔離，防止高壓產(chǎn)生干擾破壞處理器程序的運行。輸入信號經(jīng)整形后送往數據總線(xiàn)共ARM處理器讀取。輸出數字量通過(guò)功率放大電路后直接驅動(dòng)執行機構動(dòng)作。

位移檢測電路 設計有3路位移檢測電路，分別實(shí)現對螺桿位置、開(kāi)關(guān)模位置和托模機構的位置檢測，檢測出的位移量作為切換壓力和速度的一個(gè)依據。位移檢測采用的傳感器是位移電子尺，位移電子尺給出的信號是模擬信號經(jīng)A／D轉換器ADS7844得到相應的數字量，LPC2138可以通過(guò)SPI口讀取ADS7844的轉換結果。

比例閥控制電路 控制器設計有2路比例閥控制電路，以提供流量和壓力的控制。比例閥的控制采用PWM技術(shù)，PWM信號直接由硬件電路產(chǎn)生，PWM信號經(jīng)過(guò)三極管放大后通過(guò)達林頓管去驅動(dòng)比例閥工作。

料筒溫度檢測和加熱控制電路 此電路位于從機部分，是本控制器的設計重點(diǎn)，因為料筒溫度對制品的質(zhì)量有直接的關(guān)系。由于加溫系統存在大慣量，加上電源電壓波動(dòng)等環(huán)境因素的影響，往往難以獲得理想的品質(zhì)因素，因而需要采取相應的軟硬件措施，以獲得穩定、可靠的溫度控制效果?？刂破髟O計有6路溫度檢測通道，溫度檢測傳感器采用K型熱電偶，其測溫范圍為0～400℃。熱電偶信號經(jīng)過(guò)儀表放大器AD620放大后，再將其進(jìn)行V／F轉換，以實(shí)現模／數轉換。采用V／F轉換電路是因為頻率信號的抗干擾能力強，且實(shí)現模／數轉換的性?xún)r(jià)比高。6路溫度檢測的切換采用繼電器控制，以減小導通電阻帶來(lái)的溫度測量誤差，且能夠實(shí)現信號與系統的隔離。加熱控制電路也采用繼電器控制，繼電器的輸出可直接驅動(dòng)電磁繼電器或固態(tài)繼電器以控制加熱裝置的電源開(kāi)關(guān)。另外熱電偶的冷端補償采用集成溫度傳感器來(lái)實(shí)現。具體的溫度測量電路如圖3所示。

3 軟件設計

控制器的軟件設計采用模塊化設計。主機部分的軟件分主要包括鍵盤(pán)、顯示、通信和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。從機部分的軟件相對比較復雜，主要有通信模塊、溫度檢測控制模塊、比例閥控制模塊、位移檢測模塊、工藝流程控制模塊等。