基于80C196MC單片機的自動(dòng)定位系統

1引言

包裝機上卷筒型包裝紙印有連續的商標，當機器開(kāi)動(dòng)時(shí)，連續的標紙由送紙輥牽引向機器內輸送，再經(jīng)切紙刀輥將連續標紙分切成單張的包裝紙。刀輥每旋轉一周，切下一張包裝紙，若要使實(shí)際切紙線(xiàn)與理論切紙線(xiàn)重合，送紙輥的直徑和單張包裝紙的長(cháng)度必須滿(mǎn)足嚴格的數學(xué)關(guān)系。由于送紙輥加工有公差，包裝機工作過(guò)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(xiàn)之間有偏差，即使這種偏差很小。例如，某張標紙偏差只有01mm，刀輥速度為300r/min，機器運行10min，累計偏差即達300mm。此時(shí)，包裝紙上的圖案就會(huì )明顯偏離正確位置，不符合工藝要求。然而，隨著(zhù)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(wèn)題，必須在包裝機上設計商標自動(dòng)定位系統。

2自動(dòng)定位系統調節原理

本系統設計為單片機控制的交流伺服系統，因為交流伺服電機與直流伺服電機相比，具有體積小、過(guò)載能力強、輸出轉矩大、不存在電刷磨損、無(wú)需經(jīng)常維修等優(yōu)點(diǎn)。而且由于無(wú)電刷壓降因素影響，因此可以達到很低轉速，并且有硬的機械特性。定位系統框圖如圖2—1所示，其調節原理為：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；與刀輥旋轉同步的光電碼盤(pán)通過(guò)光電裝置，可以反映刀輥的切紙時(shí)間；上述光電裝置產(chǎn)生的光電脈沖均送入單片機進(jìn)行邏輯處理，然后決定伺服電機的旋轉方向。伺服電機的運行時(shí)間由單片機的定時(shí)器中斷控制，以伺服電機的輸出作為補償量，它通過(guò)差動(dòng)輪系與主動(dòng)輪系相合成，帶動(dòng)送紙輥，從而補償刀輥實(shí)際切線(xiàn)與理論切線(xiàn)的偏差，實(shí)現標紙的自動(dòng)定位。

3自動(dòng)定位系統的硬件結構

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

3.1存儲空間的確定

80C196MC片內存儲器容量可達65536Bytes,除了0000H～01FFH、1F00H～1FFFH和2000H～207FH 3個(gè)專(zhuān)用區及標明“保留”的個(gè)別單元共896 Bytes外，其余都可作為程序存儲區、數據存儲區或存儲器影射的外設區，共計64642 Bytes，約計64KB可用。因此，不需片外擴展數據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(kāi)關(guān)、脈沖整形電路、光耦電路和緩沖電路組成。光電開(kāi)關(guān)采用機電部電氣傳動(dòng)研究所研制的最新產(chǎn)品，光源進(jìn)行脈沖調制，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(kāi)關(guān)1LS和2LS檢測碼盤(pán)的旋轉位置，亦反映刀輥的旋轉位置，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(kāi)關(guān)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脈沖輸入端T1CLK，實(shí)現包裝機的自動(dòng)計數。

復位采用一種簡(jiǎn)單而又實(shí)用的上電及手動(dòng)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(shí)和邏輯處理程序運行結果，因PWM模塊本身包含脈沖寬度調制計數器和內部時(shí)鐘，所以不必另增硬件，控制伺服電機運行的時(shí)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。固態(tài)繼電器具有無(wú)機械噪聲、無(wú)抖動(dòng)、開(kāi)關(guān)速度快、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，適合伺服電機正、反轉頻繁起動(dòng)。

3.4系統顯示和鍵盤(pán)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(pán)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(pán)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(gè)功能鍵：?jiǎn)?dòng)、停止、增加定時(shí)時(shí)間、減少定時(shí)時(shí)間、顯示定時(shí)時(shí)間、顯示包裝數量。

3.5系統報警和停車(chē)電路設計

由P2.1輸出邏輯處理程序運行結果，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(shí)現蜂鳴器報警和包裝機自動(dòng)停車(chē)。

4自動(dòng)定位系統的軟件設計

在主傳動(dòng)軸上裝有光電碼盤(pán)，如圖4—1a所示，采用2圈光欄，可同時(shí)確定位置和方向，分別控制兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)1LS和2LS，碼盤(pán)旋轉時(shí)可產(chǎn)生不同時(shí)序的脈沖信號。碼盤(pán)分成4個(gè)控制區域，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(xiàn)速度相等，則檢測卷筒包裝紙輸送位置的光電脈沖3LS出現在I區域，此時(shí)無(wú)需補償，伺服電機停止旋轉。

②若標紙的輸送速度落后于刀輥的線(xiàn)速度，則光電脈沖出現在Ⅱ區，此時(shí)要求伺服電機正轉，通過(guò)差動(dòng)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(guò)刀輥的線(xiàn)速度，光電脈沖3LS出現在Ⅲ區，此時(shí)要求伺服電機反轉，通過(guò)差動(dòng)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若是光電脈沖出現在Ⅳ區，說(shuō)明包裝紙圖案位置的偏差超過(guò)允許值，此時(shí)要求包裝機自動(dòng)停機，并由蜂鳴器發(fā)出報警，停機后重新調整。