殷鳳君　馬航宇

【摘 要】針對(duì)LRXAY-8印刷機(jī)設(shè)計(jì)一款便攜式角度測(cè)量設(shè)備用于記錄印刷機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度，此款設(shè)備只有三個(gè)按鈕，分別為：“設(shè)定/清零開始”鍵、“+”鍵、“←”鍵，便可完成角度的測(cè)量以及測(cè)量數(shù)據(jù)的更改、存儲(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】印刷機(jī)；旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量；歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器

印刷機(jī)在信息時(shí)代扮演著重要的角色，直接促進(jìn)人類文明和文化的傳播。即使隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，電子閱讀漸漸占據(jù)了人類的生活，但有著幾千年發(fā)展歷史的圖書依然居于人們閱讀的高端地位，人類知識(shí)的核心內(nèi)容，仍然由紙媒傳承的。

在工業(yè)生產(chǎn)中，印刷機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度一旦發(fā)生問題，就會(huì)對(duì)印刷產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生極大的影響，比如上墨不均、漏印等問題。隨著科技技術(shù)的發(fā)展，印刷機(jī)的印刷速率也變得越來越高，若成品一旦出現(xiàn)印刷問題并且由人為發(fā)現(xiàn)，則此時(shí)損失代價(jià)太大。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的需要，角度控制器不僅僅要求測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)，更要求設(shè)備方便攜帶便于隨時(shí)隨地地檢測(cè)，因此便攜性、輕巧性會(huì)成為這個(gè)設(shè)計(jì)有別于其他產(chǎn)品的地方。另外，此款設(shè)備內(nèi)嵌AT93C46可存儲(chǔ)芯片，能存儲(chǔ)大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)，極大的方便了工作人員的生產(chǎn)管理。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)和總體方案

本設(shè)計(jì)主要基于C51單片機(jī)的儀器儀表的開發(fā)，并利用到了最新型號(hào)的工業(yè)角度編碼器和存儲(chǔ)芯片。

印刷機(jī)角度控制器的電源由普通電池供電，并通過降壓型電源芯片轉(zhuǎn)為合適大小的電壓供給單片機(jī)[1]。單片機(jī)開發(fā)板作為整個(gè)系統(tǒng)的主控，需要用到單片機(jī)最小系統(tǒng)，通過P0-P4的I/O口分別連接LCD0802顯示屏、AT93C46存儲(chǔ)芯片、按鍵和歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼傳感器[2]。當(dāng)有不同的按鍵被按下時(shí)，單片機(jī)可以操作傳感器檢測(cè)脈沖、并根據(jù)特定的程序算法算出實(shí)際的旋轉(zhuǎn)角度，可以把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸入存儲(chǔ)芯片內(nèi)，以及可通過按鍵對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更改，這幾個(gè)操作過程或結(jié)果在液晶顯示屏都可看，整個(gè)硬件電路工作過程如圖1所示。

2 主要模塊設(shè)計(jì)和任務(wù)

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)又稱為單片微計(jì)算機(jī)，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是把控制應(yīng)用所必需的基本功能部件全部集成在一個(gè)電路芯片上，如CPU、RAM、ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和可編程并行I/O口。這些功能部件通常都掛靠在單片機(jī)內(nèi)部總線上，通過內(nèi)部總線傳送數(shù)據(jù)信息和控制信息[2]。

2.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)只需用到由單片機(jī)、電源、晶振電路和復(fù)位電路組成的單片機(jī)最小系統(tǒng)，便可以組成可以工作的系統(tǒng)。

2.1.2 I/O口

AT89C51單片機(jī)有4個(gè)8位的并行I/O端口，分別記作P0、P1、P2、P3。P0～P3口都可作為準(zhǔn)雙向通用I/O口提供給用戶，其中P1～P3口無須外接上拉組排，P0口需要外接上拉電阻，如圖2。

2.1.3 中斷系統(tǒng)

使用時(shí)，當(dāng)按下其中一個(gè)功能按鈕后，CPU在執(zhí)行現(xiàn)行主程序的同時(shí)反復(fù)查詢所有按鍵的狀態(tài)。當(dāng)?shù)诙伟存I的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，主動(dòng)向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。CPU接到其中斷請(qǐng)求后，暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。當(dāng)中斷服務(wù)完成之后，再返回到原先的現(xiàn)行程序中繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)然，一個(gè)主程序中可以嵌套有多個(gè)斷點(diǎn)，如圖3。

AT89C51單片機(jī)共有5個(gè)中斷源，包括2外部中斷源和3個(gè)內(nèi)部中斷源。中斷觸發(fā)方式分別為：外部引腳上出現(xiàn)低電平或負(fù)跳變脈沖、計(jì)數(shù)器中接收的脈沖數(shù)達(dá)到溢出程度、完成一幀串行數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。

對(duì)單片機(jī)中斷系統(tǒng)的操作是通過控制寄存器實(shí)現(xiàn)的，如圖4。C51設(shè)置了4個(gè)控制寄存器：TCON（定時(shí)控制寄存器）、SCON（串口控制寄存器）、IP（中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器）和IE（中斷允許控制寄存器）。

2.2 歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速原理

歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器是將旋轉(zhuǎn)的的機(jī)械位移矢量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)角度控制器角度的測(cè)量，即角度傳感器是能感受被測(cè)角度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器[4]。

歐姆龍編碼器身體中有一個(gè)孔，可以配合轉(zhuǎn)軸。該編碼器旋轉(zhuǎn)一周輸出固定個(gè)數(shù)的脈沖。當(dāng)軸每轉(zhuǎn)過固定角度時(shí)，角度傳感器就會(huì)計(jì)數(shù)一次。往一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)增加，轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí)，計(jì)數(shù)減少。當(dāng)初始化角度傳感器時(shí)，它的計(jì)數(shù)值被設(shè)置為0，如果需要，你可以用編程把它重新復(fù)位。

本本產(chǎn)品有2種測(cè)量方式，分為直接測(cè)量（D）和間接測(cè)量（L）：

①直接測(cè)量方式

對(duì)應(yīng)1000脈沖，轉(zhuǎn)換為360.0度；

②間接測(cè)量方式

測(cè)量輪的周長為L1，顯示角度=（計(jì)數(shù)值（N）*360.0*L1）/（1000*輸入周長L）。

2.3 按鍵功能設(shè)計(jì)

印刷機(jī)角度控制器有“設(shè)定/清零開始”、“+”、“←”這三個(gè)按鍵，如圖5。通過這三個(gè)按鈕的不同組合，做出相應(yīng)的處理后，便可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

①角度的測(cè)量

按“設(shè)定/清零開始”鍵長達(dá)3秒，進(jìn)入設(shè)定狀態(tài)，可使用“+”鍵，選擇以直接測(cè)量或者間接測(cè)量的方式進(jìn)行對(duì)印刷機(jī)轉(zhuǎn)軸角度的測(cè)量；在得到測(cè)量的數(shù)據(jù)后，按“設(shè)定/清零開始”鍵一下，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的清零。

② 測(cè)量數(shù)據(jù)的更改

在設(shè)定狀態(tài)下，用“+”鍵可修改數(shù)字的大?。?～9）。

③測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

不在設(shè)定狀態(tài)下，按“+”鍵，進(jìn)入存儲(chǔ)狀態(tài)，測(cè)量的角度值會(huì)存入存儲(chǔ)芯片中，測(cè)量完成后，直接按“←”鍵，就可以調(diào)看之前測(cè)量的數(shù)據(jù)。

2.4 工作流程

角度控制器接通電源后，打開存儲(chǔ)器，如圖6，主要工作內(nèi)容為：

①初始化：LCD、顯示的數(shù)據(jù)、中斷等；

②檢測(cè)按鍵，CPU進(jìn)行相應(yīng)處理，包括：選擇角度的測(cè)量方式（直接測(cè)量或間接測(cè)量）以及對(duì)角度數(shù)據(jù)的測(cè)量、存儲(chǔ)、更改；

③實(shí)時(shí)更新LCD的顯示。

計(jì)算旋轉(zhuǎn)編碼器所轉(zhuǎn)過的角度

if（Data.mode == MODE_D） //判斷模式和周長，不同模式計(jì)算角度不同{

float temp； //角度計(jì)算臨時(shí)緩存

if（count > 1000）

count -= 1000；

if（count < 0）

count += 1000；

temp = （float）count*3.6； //

3600/1000

Data.angle[Data.index]= （uint16）temp；}

if（Data.mode == MODE_L）//判斷模式{

float temp；

long t = （float）Data.L*1000/Data.S；

if（count > t）

count -= t；

if（count < 0）

count += t；

temp = （float）count*3.6*Data.S/Data.L；

Data.angle[Data.index] =

（uint16）temp；

}

通過中斷來進(jìn)行編碼器計(jì)數(shù)

void int_0（） interrupt 0 {

if（INT_1 == 1）

count++；

else

count--；

}

void int_1（） interrupt 2 {

if（INT_0 == 1）

count--；

else

count++；

}

void Split_Q（uint16 *n，uint8 *q，uint8

*b，uint8 *s，uint8 *g） {

*g = *n%10；

*s = *n/10%10；

*b = *n/100%10；

*q = *n/1000%10；

}

void Split_W（long *n，uint8 *w，uint8

*q，uint8 *b，uint8 *s，uint8 *g） {

*g = *n%10；

*s = *n/10%10；

*b = *n/100%10；

*q = *n/1000%10；

*w = *n/10000%10；

}

void Merge_W（long *n，uint8 *w，uint8

*q，uint8 *b，uint8 *s，uint8 *g） {

*n=（long）*g+（long）*s*10+（long）*b*100+

（long）*q*1000+（long）*w*10000；}

處理A：按“設(shè)定/清零開始”鍵馬上松開，系統(tǒng)進(jìn)入清零開始狀態(tài)；按3秒，則進(jìn)入設(shè)定狀態(tài)。

處理B：在設(shè)定狀態(tài)下，按“+”鍵切換測(cè)量方式（系統(tǒng)有兩種測(cè)量方式：直接測(cè)量“D”和間接測(cè)量“L”）或者修改數(shù)字的大?。?～9）；不在設(shè)定狀態(tài)下，按“+”鍵，則進(jìn)入“存儲(chǔ)”狀態(tài)。

處理C：在設(shè)定狀態(tài)下，移動(dòng)修改或設(shè)定光標(biāo)位置。

3 技術(shù)要點(diǎn)

本產(chǎn)品需要達(dá)到角度的精確、快速測(cè)量以及測(cè)量數(shù)據(jù)的更改、存儲(chǔ)的目的，因此旋轉(zhuǎn)編碼器的信號(hào)采集方面至關(guān)重要。

3.1 如何判斷正反轉(zhuǎn)

脈沖有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)之分，即A、B向脈沖。從硬件上來講，并未在電路中使用檢測(cè)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的功能元件[5]，但從軟件方面足以實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能，可通過編寫一個(gè)“雙向計(jì)算”的程序算法。這樣，可以減少電路的復(fù)雜程度以及降低產(chǎn)品成本。

3.2 脈沖數(shù)量的采集

對(duì)于脈沖數(shù)量的采集，可以使用單片機(jī)的中斷功能來計(jì)數(shù)。定義全局變量作為計(jì)數(shù)單元，中斷設(shè)置下降沿觸發(fā)，然后在中斷服務(wù)程序中對(duì)該全局變量加1[6]。

如圖7所示，設(shè)定兩列脈沖，一列為標(biāo)準(zhǔn)的周期脈沖L1（將L1的脈沖數(shù)設(shè)定成額定值A(chǔ)），另一列為檢測(cè)到的隨機(jī)脈沖L2，并分別記L1和L2的脈沖個(gè)數(shù)為a，b：

①當(dāng)L2產(chǎn)生一個(gè)下降沿突變，就對(duì)L1進(jìn)行計(jì)數(shù)；

②當(dāng)L2產(chǎn)生下一個(gè)下降沿時(shí)，停止計(jì)數(shù)，并對(duì)b加1，以及將計(jì)數(shù)a與固定值A(chǔ)進(jìn)行大小比較；

③重復(fù)①和②的命令，直到a等于A的大小，此時(shí)取出b的大小，即b為采集到的脈沖數(shù)量。

4 結(jié)論

計(jì)算機(jī)技術(shù)的到來，世界開始進(jìn)入信息時(shí)代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量[7]。

在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到溫度、濕度、信號(hào)干擾、受眾人群等實(shí)際使用情況，選擇一款合適的傳感器能大大地提高產(chǎn)品使用的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性、精確性。

在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，為了使企業(yè)能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭中，獲得更多、更大的利潤空，使公司更好的生存和發(fā)展，各個(gè)企業(yè)開展和采取了很多關(guān)于降低成本的活動(dòng)和措施。從日常的管理、原料的購買、元件的選用、工藝的簡化等環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，但是很少人會(huì)從產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)的源頭上去考慮對(duì)產(chǎn)品成本的控制。按其實(shí)施的時(shí)間劃分，成本控制可分為設(shè)計(jì)階段、制造階段、營銷階段。

根據(jù)帕雷特定律，80%的成本通常由20%的作業(yè)引起，產(chǎn)品的主要成本發(fā)生在制造階段，因?yàn)楫a(chǎn)品材料、人工成本主要在這一階段形成，所以必然要加強(qiáng)該階段的生產(chǎn)過程成本控制。設(shè)計(jì)階段雖然發(fā)生的成本較少，可是設(shè)計(jì)一旦完成并被投入生產(chǎn)，產(chǎn)品成本就已經(jīng)被決定了。因此，要想大幅節(jié)約、避免浪費(fèi)、降低成本，則應(yīng)在設(shè)計(jì)階段就開始實(shí)施成本控制。

很明顯，選擇元件時(shí)無需選擇性能最高的產(chǎn)品，比如設(shè)計(jì)時(shí)選用的單片機(jī)型號(hào)為AT89C51，這已足夠滿足設(shè)計(jì)需求了。這樣，既能避免性能浪費(fèi)，又可以降低產(chǎn)品成本，另外在價(jià)格上也能獲得更大的市場(chǎng)競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]崔麗.2009年國內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器市場(chǎng)分析[J].電氣時(shí)代，2009（5）.

[2]黃革.《印刷技術(shù)》，2007（4）：40-42.

[3]余昌盛，許力.旋轉(zhuǎn)編碼器抗抖動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2004（8）.

[4]尹傳卓.旋轉(zhuǎn)編碼器的原理及應(yīng)用研究[J].科技與企業(yè)，2014（16）.

[5]徐海，胡榮貴，張東.基于單片機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器鑒相方法，《微型機(jī)與應(yīng)用》，北京，2010（13）.

[6]邱宏安，朱治富.一種高精度旋轉(zhuǎn)編碼器單片機(jī)計(jì)數(shù)電路的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制，2000（3）.

[7]陳培勇.《產(chǎn)品設(shè)計(jì)與成本控制》，《科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)》2011 （15）.

[責(zé)任編輯：田吉捷]