基于單片機(jī)金屬材料加工設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 昶

（武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430023）

單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)或稱為微控制器，是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支。由于其電路芯片上集成了多個(gè)接口電路及中斷系統(tǒng)、晶振等部件，使其具有功能強(qiáng)、體積小、可靠性高及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)；成為傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造及新產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想機(jī)種。本文對(duì)單片機(jī)金屬材料加工設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為提升工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用的控制力度奠定良好基礎(chǔ)[1]。

1 總體設(shè)計(jì)

在金屬零件加工設(shè)備控制系統(tǒng)當(dāng)中，由很多模塊構(gòu)成，其中，STC89C52單片機(jī)是其中最為關(guān)鍵的一部分，一方面用來(lái)對(duì)金屬材料信息管理系統(tǒng)，另一方面對(duì)加工設(shè)備控制。從金屬材料信息收集的角度來(lái)說(shuō)，需要在設(shè)備的內(nèi)部，安裝相應(yīng)的金屬離子傳感器，由其自動(dòng)采集并傳輸信息。通過(guò)市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查可知，在我國(guó)市場(chǎng)內(nèi)，存在很多類型的金屬加工設(shè)備傳感器，針對(duì)這些設(shè)備的特點(diǎn)與性能，結(jié)合經(jīng)濟(jì)型原則，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用相應(yīng)的導(dǎo)線進(jìn)行替換，即利用導(dǎo)線的形式，根據(jù)不同的工業(yè)要求，單片機(jī)控制系統(tǒng)不同于通用微機(jī)系統(tǒng)，它具有自己獨(dú)特的特點(diǎn)，即其專用性和可靠性。通過(guò)對(duì)鍵盤的控制，設(shè)定出標(biāo)準(zhǔn)金屬材料參數(shù)，與傳統(tǒng)方法相比，現(xiàn)在的開發(fā)工具具有不可比的先進(jìn)性，方便性，可以提高金屬生產(chǎn)效率，縮短開發(fā)周期。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

單片機(jī)是該系統(tǒng)當(dāng)中最為重要的一部分，相當(dāng)于人類的大腦，各項(xiàng)活動(dòng)的執(zhí)行均需要由其發(fā)布命令與控制。所以，在硬件部分設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要選擇最佳的單片機(jī)[2，3]。在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天，單片機(jī)技術(shù)不斷更新與換代，逐漸研制出很多不同型號(hào)的單片機(jī)，如AT型、AVR型、PIC型等，不同型號(hào)的單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能等均存在一定差異。針對(duì)本水箱水位與溫度控制的需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇了由深圳天啟盛電子有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為STC89C52RC的單片機(jī)。對(duì)于該單片機(jī)來(lái)說(shuō)，能夠相對(duì)較低，但性能較高，標(biāo)準(zhǔn)功能有：8k字節(jié)的Flash，512字節(jié)的RAM，32為i/o接口，看門狗定時(shí)器等，存在很多其他單片機(jī)沒有的功能。從芯片的角度來(lái)說(shuō)，由于其具有8字節(jié)的Flash，不僅方面單片機(jī)的使用，而且還賦予系統(tǒng)更高的靈活性，為系統(tǒng)的有效運(yùn)行提供重要幫助[4]。

2.2 設(shè)備加工裝置

在金屬材料加工方面，為了降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，本文對(duì)金屬加工加熱后設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用導(dǎo)線的方式，代替了常規(guī)的設(shè)備傳感器。根據(jù)加工工藝的具體情況，由上至下將其劃分成三個(gè)等級(jí)，分別以“3”、“2”、“1”進(jìn)行表示。隨著設(shè)備內(nèi)部加工材料的逐漸增加，加工溫度也不斷上升，當(dāng)其達(dá)到特定等級(jí)時(shí)，就會(huì)連接該等級(jí)設(shè)備所對(duì)應(yīng)的電路，通過(guò)電路的控制，使得相對(duì)應(yīng)的I/O接口出現(xiàn)高電平，進(jìn)而反映出設(shè)備加工的具體情況。若在標(biāo)準(zhǔn)位置以下進(jìn)行加工時(shí)，會(huì)由單片機(jī)進(jìn)行控制，并接通設(shè)備發(fā)電機(jī)，在裝置內(nèi)，還安裝了蜂鳴器，當(dāng)金屬加工設(shè)備未在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)時(shí)，打開蜂鳴器電源，使蜂鳴器運(yùn)行，向工作人員發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)，使其掌握金屬材料加工情況。

2.3 機(jī)械動(dòng)作

除上述四個(gè)部分之外，硬件模塊設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)對(duì)機(jī)械動(dòng)作進(jìn)行設(shè)計(jì)。在機(jī)械動(dòng)作模塊當(dāng)中，由三個(gè)電路構(gòu)成，分別控制不同的元件，其中，一個(gè)控制和設(shè)備發(fā)電機(jī)；一個(gè)控制金屬加工設(shè)備，以使在進(jìn)行高速金屬加工時(shí)，及時(shí)將多余廢渣排出；最后一個(gè)控溫設(shè)備，以調(diào)節(jié)金屬材料在進(jìn)行加工時(shí)設(shè)備溫度過(guò)高，導(dǎo)致設(shè)備不能正常運(yùn)行。具體來(lái)說(shuō)，整個(gè)機(jī)械動(dòng)作模塊內(nèi)，主要包括下述幾個(gè)元件：①3個(gè)電阻，組織為1000Ω；②3個(gè)三極管，型號(hào)為2N3906；③3個(gè)二極管，型號(hào)為1N4007；④三個(gè)繼電器，型號(hào)為HH52P11；⑤2個(gè)發(fā)電機(jī)；型號(hào)為PC360-7-8；⑥1個(gè)控溫設(shè)備，功率為600W；⑦1個(gè)晶振器，功率為12MHz；⑧2個(gè)開關(guān)，用來(lái)對(duì)整個(gè)模塊的控制。

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)的主要功能主要為數(shù)控采集、通信、控制，分別在不同的程序模塊中實(shí)現(xiàn)，依據(jù)實(shí)現(xiàn)功能，單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)可分為采集控制模塊和串口通信模塊。根據(jù)加工設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，針對(duì)進(jìn)行調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后送來(lái)的機(jī)械加壓溫度信號(hào)，在單片機(jī)主程序當(dāng)中采取查詢法進(jìn)行循環(huán)采集。在程序編寫過(guò)程當(dāng)中，針對(duì)溫度信號(hào)，結(jié)合金屬材料加工設(shè)備運(yùn)行溫度范圍，采用上、下限判斷的方法進(jìn)行二次軟件濾波，消除加工運(yùn)行干擾，確保數(shù)據(jù)采集的可靠性及真實(shí)性。同時(shí)，判斷串口通信模塊送來(lái)的機(jī)械加壓溫控制信號(hào)，實(shí)時(shí)通過(guò)繼電器控制金屬加工設(shè)備工作，以確保被控區(qū)域溫度在規(guī)定范圍之內(nèi)。

當(dāng)要對(duì)設(shè)備運(yùn)行溫度進(jìn)行控制時(shí)，上位機(jī)先發(fā)一個(gè)命令字，再發(fā)數(shù)據(jù)，串口通信模塊根據(jù)命令字和數(shù)據(jù)首先判斷修改的加工設(shè)備溫度范圍數(shù)據(jù)是否合理，如果數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，則向上位機(jī)反饋錯(cuò)誤信息，如果合理，則完成相應(yīng)的控制采集操作。

3.2 信號(hào)控制模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)控制模塊設(shè)計(jì)主要是顯示界面上加工設(shè)置溫度控制的上、下限和極限報(bào)警時(shí)間。當(dāng)被控區(qū)域的機(jī)械加壓溫度超出下限時(shí)，由信號(hào)控制模塊自動(dòng)通過(guò)串口通信模塊向單片機(jī)發(fā)送加壓溫控制信號(hào)，以控制加壓溫爐向被控區(qū)域加溫，同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)由串口通信模塊收到溫度信息，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，再次通過(guò)串口通信模塊想單片機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，停止向金屬加工設(shè)備加溫。當(dāng)設(shè)備溫度長(zhǎng)時(shí)間超出預(yù)定溫度上、下限時(shí)，信號(hào)控制模塊向單片機(jī)發(fā)送報(bào)警控制信號(hào)，以供技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查和確認(rèn)。

3.3 主程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的目的及復(fù)雜性、可靠性、精度及速度要求，選擇一種硬件模塊設(shè)計(jì)后，想要使整個(gè)系統(tǒng)能夠有效運(yùn)行，還應(yīng)對(duì)軟件程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，主程序流程為：將系統(tǒng)打開，將系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)初始化，之后針對(duì)所需的具體要求，設(shè)定出金屬材料加工參數(shù)值，并利用實(shí)際加工數(shù)據(jù)與其進(jìn)行對(duì)比，若在該標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，則直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信息，并將其顯示出來(lái)；若不在該標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，則在發(fā)出警告的同時(shí)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信息，并將其顯示出來(lái)，最后結(jié)束整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，具體如圖1所示。

3.4 信號(hào)控制模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)控制模塊設(shè)計(jì)主要是在顯示界面上、下限和極限報(bào)警時(shí)間。當(dāng)被控制區(qū)域的溫度超出下限時(shí)，由信號(hào)控制模塊自動(dòng)通過(guò)串口通信模塊接收到的溫度信息，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，再次通過(guò)串口信號(hào)模塊向單片機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，停止向被控區(qū)域加溫。當(dāng)被控區(qū)域的溫度長(zhǎng)時(shí)間超出預(yù)定的溫度上、下限時(shí)，信號(hào)控制模塊向單片機(jī)發(fā)送報(bào)警控制信號(hào)，以供工程技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查和確認(rèn)，具體如圖2所示。

圖1 主程序運(yùn)行流程圖

圖2 溫度采集軟件流程圖

3.5 鍵盤處理

鍵盤分析時(shí)，首先將系統(tǒng)開啟，對(duì)鍵值進(jìn)行掃描，并對(duì)按鍵狀態(tài)進(jìn)行判定。若判定為沒有按鍵按下，則返回到開始狀態(tài)，重新掃描；若判定為有按鍵按下，則等待10ms延時(shí)后，再次對(duì)按鍵進(jìn)行判定，若判定為沒有按鍵按下，則返回到開始狀態(tài)，重新掃描；若判定為有按鍵按下，提取出鍵值，將程序的執(zhí)行交給鍵盤處理子程序，最后，結(jié)束整個(gè)鍵盤流程，具體流程如圖3所示。

圖3 鍵盤分析流程圖

4 系統(tǒng)的調(diào)試

設(shè)計(jì)出完整的金屬材料加工設(shè)備及溫度控制系統(tǒng)后，為了解其具體情況，還應(yīng)對(duì)其進(jìn)行調(diào)試。首先調(diào)試各個(gè)模塊，各個(gè)模塊功能符合要求后，對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行調(diào)試。通過(guò)調(diào)試可以發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)性能了解，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，有效控制金屬材料加工設(shè)備溫度，誤差率1%以內(nèi)，可應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。調(diào)試結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

5 總結(jié)

為了更準(zhǔn)確的對(duì)金屬材料加工與溫度進(jìn)行控制，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用力度，依次為核心，從溫度控制、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)、按鍵等多個(gè)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出性能良好，功能健全的水位與設(shè)備運(yùn)行控制系統(tǒng)，從而為工業(yè)企業(yè)經(jīng)濟(jì)構(gòu)建出更加良好的發(fā)展環(huán)境。