單正婭，郭 瓊

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 214121）

0 引言

鋼筋調(diào)直切斷機(jī)是施工中不可缺少的鋼筋加工設(shè)備之一，主要用于房屋建筑、橋梁、隧道、電站、大型水利等工程中對(duì)鋼筋的調(diào)直與定長(zhǎng)切斷。目前常用的控制方式有繼電-接觸器控制和PLC 控制。繼電-接觸器控制系統(tǒng)線路復(fù)雜，維護(hù)困難，控制精度低，易于發(fā)生故障；PLC控制系統(tǒng)線路簡(jiǎn)單，控制精度較高，但成本高。

結(jié)合目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)條件，考慮到低成本、高可靠性、高精度、操作簡(jiǎn)易性，無(wú)錫某公司委托我單位開(kāi)發(fā)了一款基于單片機(jī)控制的調(diào)直切割機(jī)系統(tǒng)。技術(shù)指標(biāo)如下：送料速度50m/min～60m/min，最短切斷長(zhǎng)度為0.8m，切斷長(zhǎng)度誤差為士10mm。

1 系統(tǒng)組成

分析控制要求及技術(shù)指標(biāo)，系統(tǒng)采用單片機(jī)控制方式，選用光電編碼器實(shí)時(shí)采集電機(jī)脈沖信息、計(jì)算鋼筋長(zhǎng)度，并與設(shè)定長(zhǎng)度比較，來(lái)控制電磁閥切割鋼筋；采用兩排數(shù)碼管分別顯示批次、長(zhǎng)度、根數(shù)設(shè)定值和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。硬件電路主要包括人機(jī)交互模塊、長(zhǎng)度測(cè)量模塊、輸出控制模塊、報(bào)警模塊和電源模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

圖1 系統(tǒng)框圖

考慮到系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行速度的要求，系統(tǒng)主控芯片選用STC12C5A16S2。該芯片是宏晶公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但是速度快8～12倍。片內(nèi)程序存儲(chǔ)器空間為16KB，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器除了在內(nèi)部集成了256字節(jié)的RAM外，還集成了1024字節(jié)的擴(kuò)展RAM，可以用來(lái)存儲(chǔ)多批次數(shù)據(jù)。

2.2 電源模塊

為了避免外界信號(hào)對(duì)單片機(jī)的干擾，系統(tǒng)對(duì)主控單元和輸入輸出設(shè)備分別供電。主控單元電源電路如圖2所示。圖中AC220V經(jīng)過(guò)220V/9V的降壓變壓器后送給全波整流電路，首先將交變的電流變成脈動(dòng)直流電，經(jīng)過(guò)電解電容C1（470UF/35V）提高電路的可靠性；然后由L1、C2和C3組成電感π型濾波電路，降低紋波；再在7805穩(wěn)壓芯片之前并聯(lián)TVS管，當(dāng)有突然的大電壓發(fā)生時(shí)TVS管短路，從而使大電壓導(dǎo)入TVS管，不致破壞后面線路，待電路電壓正常時(shí)TVS管恢復(fù)高阻抗；最后經(jīng)過(guò)C4和C5濾波輸出5V電源。

圖2 主控單元電源電路

輸入輸出電路的供電電源是在電氣柜中設(shè)計(jì)了一個(gè)220V/12V的變壓器，然后變壓器的輸出12V經(jīng)過(guò)7809穩(wěn)壓管得到9V的直流電給繼電器供電，再經(jīng)過(guò)7805得到5V給編碼器供電。

由于主控單元和輸入輸出電路分別采用獨(dú)立電源供電，避免了系統(tǒng)的電磁干擾。

2.3 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊主要涉及鍵盤(pán)和顯示。設(shè)計(jì)鍵盤(pán)時(shí)考慮到操作的人性化及簡(jiǎn)易性，分為數(shù)字鍵、調(diào)節(jié)鍵及功能鍵等25個(gè)鍵，顯示由兩組共20個(gè)數(shù)碼管組成，分別顯示設(shè)定數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。

顯示部分由兩片串聯(lián)的74HC595給兩排數(shù)碼管送字型碼，用串聯(lián)的另一片74HC595和P1.0，P1.1作為數(shù)碼管的10個(gè)位選，兩排共用位選。其中一排數(shù)碼管電路如圖3所示。

按鍵部分用數(shù)碼管的位選線com1-com7兼做按鍵的列線，P2.0～P2.3做按鍵的行線，組成行列式按鍵。另外，在每個(gè)按鍵兩端并聯(lián)電容，由于電容兩端電壓不能突變，在按鍵抖動(dòng)的時(shí)候，讓端口的電壓平滑上升、平滑下降，消除毛刺，進(jìn)行硬件去抖。

圖3 顯示電路

由于按鍵和顯示電路采用IO復(fù)用方法，共用了9根IO線，大大節(jié)省了單片機(jī)的IO口。

2.4 長(zhǎng)度測(cè)量模塊

全自動(dòng)鋼筋調(diào)直切斷機(jī)的精度主要取決于鋼筋長(zhǎng)度的準(zhǔn)確測(cè)量。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪來(lái)使鋼筋前進(jìn)，將編碼器裝在從動(dòng)輪上，從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)乘以周長(zhǎng)便可得到鋼筋的長(zhǎng)度。單片機(jī)要實(shí)時(shí)采集編碼器脈沖信號(hào)，因此將Z相接在INT0，A相接在INT1，B相接普通IO口。

A相調(diào)理電路如圖4所示。編碼器信號(hào)先通過(guò)上拉電阻與TVS管進(jìn)行電源保護(hù)，用瓷片電容接地來(lái)濾除高頻及脈沖干擾；再經(jīng)過(guò)光電耦合器PIC817進(jìn)行隔離，采用單路光耦避免了透光時(shí)相鄰信號(hào)之間的干擾，提高電路可靠性；最后經(jīng)過(guò)反相器接入單片機(jī)。

圖4 編碼器A相調(diào)理電路

2.5 輸出控制模塊

控制器對(duì)電機(jī)的控制實(shí)質(zhì)就是對(duì)繼電器的控制。點(diǎn)動(dòng)前進(jìn)控制電路如圖5所示?？刂菩盘?hào)從單片機(jī)輸出后先經(jīng)過(guò)光耦電路隔離，再經(jīng)過(guò)ULN2003擴(kuò)流提高驅(qū)動(dòng)能力，接到繼電器線圈的一端；繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)連在主電路接觸器的線圈回路中，當(dāng)繼電器線圈得電時(shí)，常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，接觸器線圈得電，電機(jī)順轉(zhuǎn)。

圖5 電機(jī)點(diǎn)動(dòng)前進(jìn)繼電器輸出電路

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際工作要求及需求分析，在程序設(shè)計(jì)時(shí)考慮了“插入批次”功能，將緊急加工的生產(chǎn)任務(wù)插在當(dāng)前批次的下一批優(yōu)先加工，同時(shí)設(shè)計(jì)了以下功能：

1）“長(zhǎng)度修正”功能設(shè)置長(zhǎng)度+、長(zhǎng)度-和切刀時(shí)間三個(gè)按鍵來(lái)修正誤差；

2）計(jì)算出刀時(shí)刻在程序中對(duì)調(diào)直電機(jī)速度進(jìn)行采集，據(jù)此計(jì)算出刀時(shí)刻，以精確切斷符合設(shè)定長(zhǎng)度的鋼筋；

3）點(diǎn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)了前進(jìn)、后退、切刀點(diǎn)動(dòng)鍵和禁切鍵，方便維修和調(diào)試；

4）聲光報(bào)警用以提醒工作異?；蛲瓿扇蝿?wù)。

軟件主要由主程序及設(shè)定菜單、運(yùn)行菜單、長(zhǎng)度修正和點(diǎn)動(dòng)子程序組成。

3.1 設(shè)定菜單子程序

通過(guò)設(shè)定菜單設(shè)置工作任務(wù)的批次、長(zhǎng)度和根數(shù)的數(shù)據(jù)。設(shè)定程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

在程序設(shè)計(jì)時(shí)，借助變量確認(rèn)鍵次數(shù)confirm_num來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度欄和根數(shù)欄的閃爍。當(dāng)confirm_num為0時(shí)，長(zhǎng)度欄閃爍，為1時(shí)根數(shù)欄閃爍。

長(zhǎng)度欄和根數(shù)欄的閃爍判斷條件如下：

設(shè)定菜單操作過(guò)程是按設(shè)定鍵進(jìn)入設(shè)定功能，操作過(guò)程如下：首先系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定第一批次并閃爍長(zhǎng)度設(shè)定欄，輸入長(zhǎng)度值按確認(rèn)鍵后閃爍根數(shù)設(shè)定欄，輸入根數(shù)數(shù)據(jù)按確定鍵進(jìn)入下一批的設(shè)定，最大可輸入20批數(shù)據(jù)，按設(shè)定完成鍵退出設(shè)定功能。

圖6 設(shè)定菜單子程序流程圖

如果按插入鍵進(jìn)入設(shè)定功能時(shí)，具體設(shè)置和設(shè)定功能一樣，只是插入當(dāng)前加工批次的下一批次數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)先把當(dāng)前批次后的數(shù)據(jù)后移，然后再存儲(chǔ)新設(shè)定的數(shù)據(jù)。

此外，還設(shè)有清除鍵和取消鍵。清除鍵用于清除個(gè)位數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)后移一位；取消鍵用于清除正在設(shè)定的當(dāng)前批次的數(shù)據(jù)。

3.2 長(zhǎng)度計(jì)算子程序

鋼筋長(zhǎng)度的計(jì)算是保證設(shè)備精度的一個(gè)重要方面。我們選用400線三相旋轉(zhuǎn)編碼器，其中A、B相為兩個(gè)相位差90的方波信號(hào)，Z相為零位脈沖信號(hào)。旋轉(zhuǎn)編碼盤(pán)每轉(zhuǎn)一圈（360）產(chǎn)生一個(gè)Z脈沖信號(hào)，產(chǎn)生400個(gè)A、B相脈沖信號(hào)，AB之間的相位關(guān)系標(biāo)志碼盤(pán)的轉(zhuǎn)向，即當(dāng)A相超前B相90時(shí)，標(biāo)志碼盤(pán)正轉(zhuǎn)，當(dāng)B相超前A相90時(shí)，標(biāo)志碼盤(pán)反轉(zhuǎn)。三相脈沖如圖7所示。

圖7 編碼器的三相脈沖示意圖

采用光電編碼器測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)，由于存在不可避免的單圈測(cè)量誤差，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，測(cè)量誤差將累積，影響產(chǎn)品質(zhì)量。在軟件設(shè)計(jì)中添加對(duì)編碼器Z相的檢測(cè)，每檢測(cè)到Z一次（第一次除外），表示編碼器轉(zhuǎn)了一圈，不管所計(jì)脈沖數(shù)是多少，都認(rèn)為是400脈沖，消除了因打滑現(xiàn)象、干擾脈沖、丟失脈沖等因素造成的單圈誤差，從而消除了累積誤差，提高了系統(tǒng)精度。

系統(tǒng)總的脈沖計(jì)數(shù)為：

式中，Pulse_num 為總脈沖數(shù)，pulse_fst為第一圈的脈沖數(shù)，n為圈數(shù)，pulse_lst為最后一圈的脈沖數(shù)。

鋼筋的長(zhǎng)度為：

式中，circum為從動(dòng)輪的周長(zhǎng)。

3.3 出刀時(shí)間計(jì)算

切割鋼筋時(shí)，調(diào)直電機(jī)是一直前進(jìn)的，故需要提前發(fā)出切割指令，而提前的時(shí)間和調(diào)直電機(jī)速度有關(guān)，因此需要實(shí)時(shí)采集調(diào)直電機(jī)速度，并據(jù)此計(jì)算出刀時(shí)刻，以精確切斷符合設(shè)定長(zhǎng)度的鋼筋。

如圖8所示，其中 lE為出刀時(shí)鋼筋長(zhǎng)度，l2為出刀時(shí)刀口距鋼筋的距離，v2為出刀速度，v1為鋼筋行進(jìn)速度。

圖8 切刀動(dòng)作示意圖

設(shè) lD為鋼筋切斷長(zhǎng)度，那么需要提前動(dòng)作的時(shí)間為則：

根據(jù)以上公式編寫(xiě)程序，計(jì)算切刀準(zhǔn)確動(dòng)作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)精確切斷鋼筋。

4 結(jié)束語(yǔ)

電路板布線時(shí)盡可能隔離高壓和低壓信號(hào)線，多處電路進(jìn)行抗干擾處理，系統(tǒng)采用雙電源供電，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；在軟件設(shè)計(jì)中對(duì)編碼器的Z相檢測(cè)，消除了累積誤差；實(shí)時(shí)采集調(diào)直電機(jī)速度，并據(jù)此計(jì)算出刀時(shí)刻，提高了切割精度。

由于干擾源最厲害的是電火花干擾，所以在設(shè)備附近放置一臺(tái)運(yùn)行的切割機(jī)做干擾源，經(jīng)測(cè)試設(shè)備運(yùn)行正常。

本控制系統(tǒng)具有成本低，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，操作界面友好的特點(diǎn)。該系統(tǒng)已投入生產(chǎn)，使用效果良好。

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