基于80C196MC單片機(jī)的自動定位系統(tǒng)

1引言

包裝機(jī)上卷筒型包裝紙印有連續(xù)的商標(biāo)，當(dāng)機(jī)器開動時，連續(xù)的標(biāo)紙由送紙輥牽引向機(jī)器內(nèi)輸送，再經(jīng)切紙刀輥將連續(xù)標(biāo)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(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系。由于送紙輥加工有公差，包裝機(jī)工作過程中卷筒的半徑逐漸減小，標(biāo)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(biāo)紙偏差只有01mm，刀輥速度為300r/min，機(jī)器運(yùn)行10min，累計偏差即達(dá)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(jì)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(jī)上設(shè)計商標(biāo)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(shè)計為單片機(jī)控制的交流伺服系統(tǒng)，因為交流伺服電機(jī)與直流伺服電機(jī)相比，具有體積小、過載能力強(qiáng)、輸出轉(zhuǎn)矩大、不存在電刷磨損、無需經(jīng)常維修等優(yōu)點(diǎn)。而且由于無電刷壓降因素影響，因此可以達(dá)到很低轉(zhuǎn)速，并且有硬的機(jī)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(biāo)，即可檢測標(biāo)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(jī)進(jìn)行邏輯處理，然后決定伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。伺服電機(jī)的運(yùn)行時間由單片機(jī)的定時器中斷控制，以伺服電機(jī)的輸出作為補(bǔ)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(bǔ)償?shù)遁亴嶋H切線與理論切線的偏差，實現(xiàn)標(biāo)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(qiáng)大，專為電機(jī)控制而設(shè)計，特別適用于與軸式光電碼盤和伺服電機(jī)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(jī)組成最簡單、最基本的單片機(jī)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(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)的目的。

3.1存儲空間的確定

80C196MC片內(nèi)存儲器容量可達(dá)65536Bytes,除了0000H～01FFH、1F00H～1FFFH和2000H～207FH 3個專用區(qū)及標(biāo)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(shè)區(qū)，共計64642 Bytes，約計64KB可用。因此，不需片外擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。

3.280C196MC的前向通道設(shè)計

單片機(jī)80C196MC的前向通道配置由光電開關(guān)、脈沖整形電路、光耦電路和緩沖電路組成。光電開關(guān)采用機(jī)電部電氣傳動研究所研制的最新產(chǎn)品，光源進(jìn)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(qiáng)。光電開關(guān)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(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(shù)脈沖輸入端T1CLK，實現(xiàn)包裝機(jī)的自動計數(shù)。

復(fù)位采用一種簡單而又實用的上電及手動復(fù)位電路，低電平有效，由腳引入。

3.380C196MC的后向通道設(shè)計

80C196MC的后向通道由緩沖電路、光耦電路、達(dá)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(yùn)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(jī)運(yùn)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(jī)正、反轉(zhuǎn)。固態(tài)繼電器具有無機(jī)械噪聲、無抖動、開關(guān)速度快、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，適合伺服電機(jī)正、反轉(zhuǎn)頻繁起動。

3.4系統(tǒng)顯示和鍵盤電路設(shè)計

因80C196MC單片機(jī)本身的雙向I/O端口已經(jīng)夠用，故不須另擴(kuò)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(shè)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(shè)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(shè)計

由P2.1輸出邏輯處理程序運(yùn)行結(jié)果，再經(jīng)緩沖器、光耦和達(dá)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(jī)自動停車。

4自動定位系統(tǒng)的軟件設(shè)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(guān)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(yīng)4種不同的工作狀況。

①若標(biāo)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(bǔ)償，伺服電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。

②若標(biāo)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(jī)正轉(zhuǎn)，通過差動輪系增加送紙輥的速度，從而使標(biāo)紙輸送速度得到正的補(bǔ)償。

③若標(biāo)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(jī)反轉(zhuǎn)，通過差動輪系減慢送紙輥的速度，從而使標(biāo)紙輸送速度得到負(fù)的補(bǔ)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(jī)自動停機(jī)，并由蜂鳴器發(fā)出報警，停機(jī)后重新調(diào)整。