王永輝

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 472000)

某高校實(shí)訓(xùn)車間有一臺(tái)老式塑料注塑機(jī)，設(shè)備老化嚴(yán)重，給正常的教學(xué)和生產(chǎn)都帶來了諸多不便。因此，在確保實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)原有的所有動(dòng)作功能的前提下，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制改造，這樣既滿足了教學(xué)、科研和生產(chǎn)的需要，又節(jié)約了開支。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)備設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)備是為軟件系統(tǒng)服務(wù)的，它提供了控制模型、算法的實(shí)施平臺(tái)，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。材料加工工程及自動(dòng)化是單片機(jī)系統(tǒng)一個(gè)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)計(jì)中選用單片機(jī)控制系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)部分，分別為：A、主控機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；B、輸入通道的設(shè)計(jì)，即參量的測(cè)量（包括溫度和注塑機(jī)的各種狀態(tài)信號(hào)）及其放大電路和數(shù)字化轉(zhuǎn)換；C、輸出通道的設(shè)計(jì)，即控制量的輸出；D、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)等。

1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路

本計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由人機(jī)界面、變送器、信號(hào)輸出通道、執(zhí)行器、和信號(hào)輸入通道計(jì)算機(jī)及外設(shè)等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖

設(shè)計(jì)思路是：首先利用信號(hào)傳感器（熱電偶）從注塑機(jī)上獲得加熱段的溫度，經(jīng)信號(hào)變送后利用A/D采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，反饋回MCS-51單片機(jī)中，并在顯示屏上顯示，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，通過專門電路獲取各個(gè)到位開關(guān)的常開、常閉信息，由單片機(jī)程序系統(tǒng)加以分析，然后發(fā)出正確控制信號(hào)通過專門的“隔離驅(qū)動(dòng)”電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)各執(zhí)行器（電磁閥）的控制，通過調(diào)整油壓、流量來實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作，控制注射座的前進(jìn)后退、開合模、螺桿的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)動(dòng)作的聯(lián)合、自動(dòng)控制。

控制系統(tǒng)的主要硬件構(gòu)成見圖2，由圖2可以看出，本系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是輸入、輸出均是位式信號(hào)，且沒有模擬輸出（D/A轉(zhuǎn)換）控制部分。由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，因此必須擴(kuò)展輸入輸出功能，將來自輸入通道的信號(hào)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可以接收的信號(hào)，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信息，按照事先存儲(chǔ)在內(nèi)存中的模型或控制算法計(jì)算出輸出的控制量，送往輸出通道[2]。

其中，輸入通道包括一路溫度信號(hào)，用熱電偶直接從注塑機(jī)加熱段上采集，經(jīng)放大后由A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；另外還有六路狀態(tài)量（開關(guān)量）輸入，由I/O位式輸入得到。輸出通道則包括九路I/O位式輸出信號(hào)，根據(jù)計(jì)算機(jī)的輸出信號(hào)分別控制注塑機(jī)的九個(gè)電磁換向閥。

圖2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

圖3 89C52擴(kuò)展8155

1.2 主控機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

主控機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的智能核心，主要完成的功能有：輸出信號(hào)控制電磁換向閥的吸合、打開；監(jiān)測(cè)、設(shè)定并顯示工作狀態(tài)等。主控機(jī)構(gòu)采用AT89C52單片機(jī)。由于系統(tǒng)的輸入輸出路數(shù)較多，I/O口需要擴(kuò)展；經(jīng)過比較，選用了Intel8155作為I/O口擴(kuò)展芯片。89c52單片機(jī)可以直接和8155連接而不需要任何外加邏輯，可以直接為系統(tǒng)增加256B片外RAM，22位I/O口線，以及一個(gè)14位定時(shí)器[3]，89c52與8155連接方法如圖3：

在本系統(tǒng)中， 把8155芯片PA口中的6個(gè)PA0～PA5用作開關(guān)信號(hào)的輸入，PB和PC口中的九個(gè)PB0～PB7和PC0用作控制信號(hào)的輸出，分別控制九個(gè)電磁閥的吸合與打開，綜合實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)的各種動(dòng)作。另外，在系統(tǒng)中，為適應(yīng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的需要，還用到了E2PROM 24c02。

1.3 輸入通道設(shè)計(jì)

輸入通道作用是采集測(cè)量目標(biāo)信號(hào)，包括采樣、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換三個(gè)環(huán)節(jié)，將溫度變?yōu)橛?jì)算機(jī)可以接受的數(shù)字量，另外，還包括狀態(tài)量輸入。這兩種量有不同的特點(diǎn)，因此處理方式也不一樣。

（1）溫度信號(hào)輸入：溫度信號(hào)采集輸入單元由傳感器（熱電偶）、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器等組成。

（2） 狀態(tài)量（開關(guān)量）輸入：除了溫度信號(hào)之外，注塑機(jī)上還有一些狀態(tài)信號(hào)，比如行程開關(guān)到位情況，直接關(guān)系到注塑機(jī)隨后的動(dòng)作應(yīng)該怎樣執(zhí)行，因此也必須可靠的采集。注塑機(jī)上行程開關(guān)共有九個(gè)，除去其中功能重復(fù)和生產(chǎn)中已無實(shí)際意義的，真正與系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的只有六個(gè)，這六個(gè)開關(guān)的具體作用見表1。

表1 行程開關(guān)作用表

由于8155 的I/O口只接收1和0高低電平兩種信號(hào)，因此各行程開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)入芯片前必須轉(zhuǎn)換；此外，在注塑機(jī)電路中，由于電源的工作電壓和電流強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的工作量級(jí)，而且兩者的電勢(shì)參考點(diǎn)不同。為了保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)與直流電源，保證控制信號(hào)的精確性和有效性，直流電源和測(cè)控系統(tǒng)必須也做到嚴(yán)格的隔離，隔離電路應(yīng)具有較高的精度和線性度。本系統(tǒng)采用的方式是光電隔離，用到的主要器件是光電耦合器。

1.4 輸出通道設(shè)計(jì)

輸出通道的設(shè)計(jì)目的是將計(jì)算機(jī)的控制輸出數(shù)字量變?yōu)檫m合于外部執(zhí)行器的模擬量，由執(zhí)行器（電磁閥）執(zhí)行，主要環(huán)節(jié)也是“光電隔離”。

電磁閥共有九個(gè)，根據(jù)通電情況進(jìn)行不同組合，通過控制油壓系統(tǒng)來使注塑機(jī)做出不同的動(dòng)作，注塑機(jī)的各種動(dòng)作與電磁閥吸合情況對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

對(duì)于執(zhí)行器電磁閥，受控時(shí)只有吸合與打開兩個(gè)狀態(tài)，用I/O口的一個(gè)位即可控制這樣的一個(gè)電磁閥。由于電磁閥使用的電流較大，電壓于微控制器供電電壓差別較大，所以之間也需要加入“隔離”與“驅(qū)動(dòng)”環(huán)節(jié)。

表2 液壓系統(tǒng)電磁閥工作表(“+”表示電磁閥吸合，“—”表示電磁閥打開)

當(dāng)PC口輸出高電平控制信號(hào)時(shí)，光電耦合器導(dǎo)通，與此同時(shí)后面的三極管也隨之導(dǎo)通，使電磁閥得電吸合，做出相應(yīng)的控制動(dòng)作。

1.5 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是測(cè)控系統(tǒng)的重要組成部分之一，主要完成人機(jī)交換的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、顯示和對(duì)生產(chǎn)過程的監(jiān)視。本系統(tǒng)采用的鍵盤輸入和七段碼管顯示器作為人機(jī)交互接口，使得參數(shù)的設(shè)置方便、直觀，體現(xiàn)了數(shù)字化的優(yōu)勢(shì)。圖4展示的就是設(shè)計(jì)的人機(jī)控制界面。

圖4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制界面

具體電路設(shè)計(jì)完成以后，就要根據(jù)設(shè)計(jì)思路制作電路板。首先，要進(jìn)行原理圖的設(shè)計(jì)，然后是將原理圖在電路板上得到實(shí)現(xiàn)。有了以上幾個(gè)部分的框架，還需要在電路板上完成各種元器件的布局，要求布局的合理性、抗干擾性和易讀性。采用的軟件Protel99se繪制電路板。

2 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

完整的軟件系統(tǒng)主要包括主控程序、串行中斷以及比較完整的服務(wù)子程序等。為使程序結(jié)構(gòu)清晰明了、減少程序執(zhí)行長(zhǎng)度和縮短程序的掃描周期，本系統(tǒng)軟件部分采用了模塊化結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)，這也便于對(duì)程序局部的調(diào)試、修改和將來功能的擴(kuò)充、升級(jí)。

系統(tǒng)軟件由主控程序、初始化程序、鍵盤設(shè)定程序、信號(hào)采集和處理程序、自動(dòng)控制程序、手動(dòng)控制程序等模塊組成。 其中，主控程序由主程序以及專門子程序組成，指揮單片機(jī)按部就班的進(jìn)行各項(xiàng)工作。只要過程沒有結(jié)束，主程序就將不斷調(diào)用各模塊程序。主程序流程圖如圖5所示。下面就各模塊做一簡(jiǎn)單介紹。

圖5 主程序流程圖

（1） 鍵盤設(shè)定：鍵盤是系統(tǒng)的主要輸入設(shè)備，各參數(shù)的確定和修改是通過鍵盤來完成的——以鍵盤的掃描和識(shí)別為基礎(chǔ)，按鍵值區(qū)分按鍵功能，進(jìn)而在各功能鍵子程序中完成對(duì)各數(shù)據(jù)的設(shè)定。鍵盤功能模塊包含掃描和設(shè)定兩個(gè)程序。

（2）信號(hào)采集：信號(hào)采集部分，包括溫度信號(hào)的采集、處理和行程開關(guān)狀態(tài)的采集。

（3）七段碼管顯示為使系統(tǒng)工程工作具有更好的可視性，有必要將包括實(shí)時(shí)的溫度值和設(shè)定值在內(nèi)的數(shù)據(jù)通過七段碼數(shù)碼管表達(dá)顯示出來。 由于采用六塊七段碼顯示，并且采用74LS145的十選一的操作模式，所以需要進(jìn)行特殊的設(shè)定以滿足系統(tǒng)的要求。

（4）自動(dòng)控制程序。自動(dòng)控制程序是控制軟件的核心，實(shí)際上就是要使注塑機(jī)按一定順序連續(xù)地執(zhí)行分步動(dòng)作，通過不斷分析信號(hào)輸入量的變化，判定下一步動(dòng)作是否可以開始：只有處理完了一個(gè)過程步驟才能進(jìn)行下一步工序，即下一步接通的條件取決于上一步的邏輯結(jié)果以及其他附加在這一步上的條件。因此，編寫自動(dòng)控制軟件的關(guān)鍵就在于準(zhǔn)確地理清各動(dòng)作間的內(nèi)在邏輯關(guān)系即流程。自動(dòng)控制的流程圖如圖6所示。

（5）手動(dòng)控制程序：手動(dòng)控制程序與自動(dòng)控制程序編寫思想完全一致，實(shí)際上是將其

分解成開模、注射和合模三個(gè)環(huán)節(jié)分別執(zhí)行，因此具體設(shè)計(jì)過程也不再贅述。

對(duì)于程序調(diào)試、編譯與固化限于篇幅本文不再探討。

圖6 自動(dòng)控制程序流程圖

3 結(jié)論

本文用最簡(jiǎn)單的89C52單片機(jī)完成了對(duì)注塑機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，滿足了教學(xué)、科研和生產(chǎn)的需要。

設(shè)置了鍵盤，系統(tǒng)可操作性強(qiáng)，具有完全人性化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)；改進(jìn)了注塑機(jī)延時(shí)設(shè)備并添加了數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)，對(duì)注塑生產(chǎn)過程施行實(shí)時(shí)監(jiān)控，體現(xiàn)了數(shù)字化的優(yōu)勢(shì)。

用C51程序語言編寫了控制軟件，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，調(diào)試方便且容易擴(kuò)展，可迅速升級(jí)，而且通過更新部分功能模塊，就能將其移植應(yīng)用于其他領(lǐng)域。

實(shí)踐證明，技術(shù)改造后運(yùn)行效果良好，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備更新，舊物利用，節(jié)省了財(cái)力、物力。