摘 要：本文介紹了控制系統的主要功能、硬件結構和軟件功能。簡單介紹了各主要模塊的實現理論及編程思想。本系統具有動態性能好、控制精度高和可靠性好等特點。 關鍵詞：單片機 控制 步進電機 Abstracts: The primary function and hardware structure principle as well as software function are introduced.. The realizing theory and programming idea of main modules are discussed. The system has very quick dynamic response, high controlling regulation and high reliability. Keywords: single-chip microcomputer;Control;Step motor 　　紙幣打捆機是廣泛應用于銀行、郵局、證券公司、造幣廠等金融系統的一種操作設備。所謂的紙幣打捆就是在一捆紙幣上用打包帶打成雙十字形狀。整個流程共分為四個分解動作，即：打橫道、打豎一道、打豎二道、復位。整個流程機械機構要完成四個轉位。全自動紙幣打捆機控制系統實現了控制打捆機構自動完成整個流程、調節焊頭溫度和打捆壓力等功能。系統具有精度高、可靠性好、成本低的優點。 1 控制系統的功能及設計 　　1.1 控制系統的工作留流程 [align=center] 圖1 控制系統工作流程示意圖[/align] 　　傳統的紙幣打捆機四個轉位動作不連續，位置控制要通過人工作業。我們采用三個步進電機，分別控制一個自由度。其中一個電機控制X自由度;一個電機控制Y自由度;一個電機控制θ自由度。單片機通過對電機的精確控制從而達到較高的定位精度，電機帶動機械裝置完成四個工位的運動。 　　1.2控制系統的硬件組成原理 [align=center] 圖2 系統原理示意圖[/align] 　　整個控制系統主要分為以下幾個部分：鍵盤單元、主控單元、位置單元。整個系統的原理框圖如圖2所示。 2 系統的軟件設計 　　系統軟件的設計按照結構化的程序設計方法完成，將整個程序細分為若干個子程序（模塊），方便調試與檢查。因為系統比較復雜而且分散，每個單片機都有相應的主程序和相關的子程序。下面就幾個主要的程序做一簡單介紹。 　　2.1初始化子程序 　　在初始化子程序中，主要對89C51的系統資源，包括定時器、中斷、串行通信、8255A進行初始化工作。 　　2.2鍵盤程序 　　鍵盤程序完成鍵盤單元的初始化工作、點亮相應的功能指示燈、鍵值的取得、焊頭溫度的設定以及和主控單元的通訊功能。 　　2.3主控程序 　　在主控程序中，完成與鍵盤單元和位置單元的通信、故障報警、各種幣值打捆、各個功能電機的控制及其手動操作。 　　2.4捆鈔作業子程序 　　在捆鈔作業子程序中，完成壓板的上升和下降、壓力傳感器的檢測、進帶電機進帶、抽帶電機抽帶和下焊電機的控制。 　　2.5位置控制程序 　　在程序中，完成與鍵盤主控單元的通信、對應于各種幣值的位置電機位置的控制及各電機手動操作。 3 系統硬件的子功能模塊實現 　　整個硬件系統按照模塊化的設計方法設計，使系統的整體結構更加完善的同時使性能得以提高，方便調試、維修。 　　3.1鍵盤模塊 　　鍵盤采用8255A的A口和C口擴展出一個4×4的鍵盤，鍵盤共有12個功能鍵，在本系統中采用程序掃描法來識別按鍵。單片機先使8255A的PC口均為低電平，再讀A口。如果A口不全為高電平，則延時10ms去抖動，然后再讀A口，此時A口仍不全為高電平，說明沒有鍵按下。進一步確定按下鍵的位置，先置PC0=0，PC1=PC2=PC3=1，讀A口，由A口低電平的位便可確定按下鍵的位置。以此類推，如果檢查完所有的鍵均無按下，說明是干擾或誤操作。掃描結束時，按下鍵的位置信息存于某個存儲單元中。然后通過RS-422串行通訊方式發送至主控單片機，使其控制電機做出相應的打捆動作以及電機的手動控制。 　　3.2步進電機控制模塊 　　步進電機是機電一體化產品中重要的執行元件。在本系統中，我們采用的是三相異步式步進電機。如果對步進電機的穩定性和控制精度有更高的要求，則可以采用有細分的電機控制器來控制。 　　該控制模塊采用雙三拍正的驅動脈沖方式。根據系統的轉速要求。由89C51單片機的P0.0送出脈沖，經過n倍頻器，送入環形分配器CH250的cp端。CH250的3個輸出信號就是步進電機的A、B、C三相的控制信號。其頻率是CP信號頻率的1/3。控制原理如圖所示。 　　如果直接利用89C51的P0口作為A、B、C三相的控制信號。通過重置定時常數的方法改變頻率。這種控制轉速的方法缺點是隨著轉速的提高，誤差逐漸增大。我們可以算出，當轉速是W轉/分時，定時的 [align=center] 圖三 步進電機控制原理圖[/align] 　　微秒數是500000/W。在12M的晶振下，單片機得最小定時單位是1μS。設步距角為3°，我們把每一圈的120步分為長步和短步（因為定時器不能定到小數位）。當W=1200時，則是416.67μS走一步。那末我們就把一圈120步當中80步走417μS，40步走416μS。 　　這種控制方法可以達到的精度是大約1700±1轉。但是隨著轉速的增大誤差逐漸增大。原因是：一，晶振高頻時誤差比低頻時誤差大;二，程序進入退出中斷的不定時間（1微秒左右）足以使微秒級的定時產生較大的誤差。 　　我們使用n倍頻器，當n=20,W>4000時，P0.0的輸出頻率不超過400HZ。我們仍然采用定時器中斷的方式,精度可以達到4000±1轉的精度。使用倍頻器的實質在于使得定時時間盡量的長，盡量減小各種不定時間對定時時間產生的影響。倍頻器又內置鎖相環（PLL）實現,倍頻數n由程序確定。 　　環形分配器CH250時專門用于三相異步步進電機驅動控制的集成電路。它可將輸入的CP脈沖分配為A、B、C三相驅動信號。要使驅動信號能驅動步進電機的線圈，還必須通過驅動電路。（如圖4所示） [align=center] 圖4 步進電機驅動電路圖[/align] 　　圖中只畫出一相驅動電路，其余兩相與其完全相同。 　　圖中，三極管相當于一個開關，當其截止時，集電極無電流通過，開關斷開;當其飽和時，集電極電流最大，開關閉合。這個開關作用由基極電流控制。 　　驅動電路由T2、T3兩個三極管組成達林頓式功率放大，驅動步進電機的3個繞組。 　　光耦的作用是消除各種干擾信號，并將控制和驅動信號隔離。當控制信號為低電平時，T1截止，輸出高電平，紅外發光二極管截止，光敏三極管截止，繞組中無電流通過;當控制信號為高電平時，T1飽和導通，紅外發光二極管點亮，使光敏三極管導通，向功率驅動級晶體管提供基級電流，使其導通，繞組被加電。 　　步進電機繞組中的串聯電阻Ra的作用是限制繞組中的電流，繞組中并聯的二極管其保護作用，在斷電時提供一個磁能釋放回路，而不至于使晶體管損壞。 　　3.3焊接功率控制單元 [align=center] 圖五 焊接功率控制原理圖[/align] 　　焊接功率控制是通過脈寬調制控制電壓來實現的。這里我們主要用到了8位的D/A轉換芯片AD558和PWM控制芯片SG3524。.AD558由內部鎖存器、利用R～2R的T型解碼網絡和晶體管開關組成，僅需要+5V電壓供電，輸出模擬電壓范圍圍0～2.56V。SG3524是一個定頻的雙端輸出式脈寬調制器（PWM），它的接法有兩種，一種是把主電路的輸出反饋到芯片內部的比較放大器的反向輸入端，去調節輸出電路的PWM占空比。另一種接法是把芯片的誤差比較放大器結成電壓跟隨器的形式，從主電路取反饋信號加到誤差比較放大器的同相輸入端。這里我們采用的是第二種接法。 　　功率控制模塊的工作原理是：鍵盤單片機接收到鍵盤信息后。把相應的溫度數值寫入DAC558的地址單元3800H，DAC558經數模轉換后直接輸出相應的電壓，SG3524產生正比于輸入數值量的脈寬信號,然后通過調壓模塊使輸出的交流電壓和輸入的數字信號成正相關，交流電壓經變壓器接到焊頭，使焊頭加熱。 　　3.4 串行通訊模塊 　　在工作過程中，控制系統需要精密的位置控制，每一個動作需要各位置電機、和功能電機準確可靠的到達相應的位置。而位置電機和功能電機由不同的單片機控制。因此通訊的可靠性對于本系統而言是非常重要的。 　　由于RS-232C通訊協議在電平轉換時采用的是單端輸入/輸出，傳輸過程中的噪聲干擾會使信號發生畸變，因此抗干擾能力差，因此我們采用抗干擾能力更強的RS-422通訊協議。接口芯片采用美國MAXIM公司生產的單片光電隔離式全雙工串行通訊接口芯片MAX1490。該芯片具有較高的集成度。由其構造成的RS-422接口結構簡單、電氣隔離性好。 　　波特率設為90Kbps,單片機之間接收數據采用查詢方式，數據的發送采用中斷方式。以中斷的方式發送數據可以滿足通訊實時性的要求。為防止電機的誤動作，我們在存儲單元中開啟了4個動作信息標志位。接受方每接收到一種電機位置信息就把相應的動作標志位置1。如果連續接受到同樣的動作信息，就會發出報警信息。位置控制程序中電機的每一次動作，都要檢查相應的標志位，標志位為1，則開始啟動，到達位置后自動將相應的標志位清零。 4 結束語 　　全自動打捆控制系具有統自動化程度高、作業時間短。大量實驗表明：系統具有精度高、可靠性好、成本低、抗干擾能力強等優點。 參考文獻 　　1 何立民.MCS-51系列單片機應用系統設計.北京：北京航空航天大學出版社.1990 　　2 王福瑞.單片微機測控系統設計大全. 北京:北京空航天大學出版社,1999