剪板机的单片机控制设计说明

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1、 摘要本文根据实际工程自动化技术改造需要，完成了全自动剪板机智能控制系统的设计和调试。说明书首先探讨了全自动剪板机智能控制系统的实现方案，根据实际需要，在常规的PLC控制和单片机控制中选择了以单片机为主的控制方案。然后分析了单片机在自动控制系统的应用，对硬件电路中的主要环节：如输入输出接口的扩展、键盘和显示器电路、步进电机的驱动控制、继电器与CPU监控器X25045电路等给出设计思路和具体实现方法。对软件设计中的主要环节：如编程器仿真器环境、控制软件流程、主要功能模块实现方法、软件调试等进行了论述。考虑到自动控制系统在实际工作环境中的可靠性和安全性，在硬件设计和软件编程中采取了抗干扰措施，如采

2、用监控器芯片、设计检测工作状态程序等。在设计自动控制系统的时侯，同时考虑今后技术改进和推广的需要，为系统的扩展留下了余地。关键词：自动剪板机自动控制单片机系统硬件设计软件编程AbstractAccording to the requirement of improving actual engineering automatic technology, the exploitation and debugging of the intelligent controlling system on complete automation board shears were finished in

3、this paper.Firstly,the implement scheme of intelligent controlling system on complete automation board shears is discussed.according to the practical needs and requirement of clients,the SCM controller was chosen as main control scheme between the conventional PLC controller and SCM controller.Secon

4、dly,the executing organ needed in the automatic controlling system is analysed and then thedesign of mechanical part,such as the organ of feeding,the organ of precise length set and the organ of charge and discharge, is also finished.Finally, the application of SCM in the intelligent controlling sys

5、tem was analyzed. The designing idea and specific implement methods of the important section of hardware such as the expanding of I/O interface, the circuit of keyboard and display, the driving controller of step-by-step electric machinery, the circuit relya and CPU monitor were given. The main sect

6、ion of software such as the environment of programming editor and emulator, the flow chart of controller software, the implement methods of primary function module and the debugging of software wer discussedConsidering the reliability and security of intelligent controlling system in the practical w

7、orking environment, anti-jamming measure was adopted,such as usisng the COMS chip and designing the program to inspect working state etc. After it was debugged, the practical effect is very good.When designing the intelligent controlling system, the requirements of technology improvement and spread

8、are also considered, which leaves the space for the extending of system.Keywords: complete automation board shears automatic control SCM system hardware designing software programming目 录摘要1Abstract2第一章 绪论11.1课题背景11.2 课题研究目的与意义11.3 低成本自动化概述21.4 智能控制理论的发展与其应用现状31.5 本课题的研究任务和工作6第二章系统方案分析72.1 总体方案分析72.2

9、 控制系统实现的总体设想9第三章 步进电机的单片机控制技术133.1概述133.2 步进电机的选用133.3 步进电机的驱动电路设计173.4 步进电机的单片机控制193.5 步进电机加减速控制查表法设计26第四章控制系统硬件电路设计354.1 系统硬件电路的基本组成354.2 系统硬件电路设计原则354.3 AT89C51单片机芯片简介364.4 控制系统扩展接口设计374.5 主板硬件电路设计394.6 输入电路设计434.7 输出电路设计输出电路分为三部分：464.8 抗干扰电路设计474.9 其它电路设计48第五章软件设计495.1 汇编语言与编程环境简介495.2 系统程序设计505

10、.3 X25045程序模块设计585.4 软件抗干扰设计59第六章结论62参考文献64致65附录：英文技术资料与翻译6618 / 38第一章 绪 论1.1 课题背景自动化技术是本世纪以来发展极其迅速和影响极大的科学技术之一。现代自动化技术是一种完全新型的生产力，是直接创造社会财富的重要手段，对人类的生产活动和物质文明起着巨大的推动作用。因此，受到世界各国的广泛重视和越来越多的应用。机械自动化，主要指在机械制造业中应用自动化技术，实现加工对象的连续自动生产，实现优化有效的自动生产过程，加快生产投入物的加工变换和流动速度。机械自动化技术的应用与发展，是机械制造业技术改造、技术进步的主要手段和技术发

11、展的主要方向。机械自动化的技术水准，不仅影响整个机械制造业的发展，而且对国民经济各部门的技术进步有很大的直接影响。因此，发展我国的机械制造业自动化技术，符合我国社会主义的基本原则，符合我国现代生产的发展规律。发展我国的机械自动化技术.应实事，一切从我国的具体国情出发，走中国的机械自动化技术发展之路。当前，我国机械制造业中自动化装备少、水准低，不仅在数量上同世界先进国家有较大差距，而且在品种上、质量上、应用上，同世界先进水准也存在阶段性差距。在这种国情下，要把庞大的劳动力大军从机械制造业生产岗位上撤下来，投入巨额资金改造现有的大量落后设备和研制大量的现代自动化装备与控制装置，在科学技术水准和人员

12、素质不太高的情况下采用先进的技术装备，都是不现实的。而大力发展低成本自动化技术，却是潜力大，前景广，投资省，见效快，可以收到事半功倍的经济效果，适合我国现阶段的发展需要和国情。我国机械制造业存在大量的通用设备，在发展现代机械自动化技术时，可以应用微电子技术改造这些已有通用设备。比如用数显、数控装置改造通用设备，提高单机自动化程度；用可编程序控制器改造通用机床、专用机床、组合机床与其自动设备与半自动设备组成的生产线，这样可以把计算机功能完备、编程灵活、适应性强的优点和继电器控制简单、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来。这是一条低成本、高效益、符合我国国情的机械自动化技术发展应用新途径。1.2

13、课题研究目的与意义以计算机为核心的自动化技术是我国工业重点发展的高科技领域之一。工业自动化技术是推动我国科技进步、推动国民经济发展的重要手段。不断采用最新的电子信息技术来装备和改造传统产业，是我国进行现代化建设的必由之路。上世纪80年代后期，随着单片机技术的发展，传统机械设备的控制柜逐渐被新一代的智能化仪表所代替。对于日益复杂的控制功能，传统控制柜显得无能为力，而单片机具有可编程序的特点，运行时可以根据要求，自动选择控制算法，适应性强；单片机采用以软件代替硬件的方法，可以简化线路，使仪器的性能价格比不断提高。本文的研究目的，在于探索在板材加工中，应用单片机控制技术，实现板材加工的自动控制。在板

14、材加工系统中，板料长度检测、板料进料、压紧、走刀、落料、长度调整等过程必须按一定的节拍一定的控制精确度动作。而且，不同长度、不同厚度、不同材料的扳材，各动作行程、先后顺序、刀具位置等要求都不一样。对于这样的控制要求，传统控制柜很难实现，采用PLC控制器价格又高，一些中小企业就采用人工控制，这不仅影响产品的质量，而且加工车间噪声大、粉尘多，操作人员的劳动条件十分恶劣。随着现代控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，机械加工过程采用计算机控制为加工过程的规化、标准化创造了条件，同时也可以大改善操作人员的工作环境。设各自动化是提高生产效率，增强竞争能力的保证。更新和改造传统设备是设备实现现代化的两个重

15、要途径。采用新的低成本自动化技术改造老设备，是提高企业经济效益的好办法。1.3 低成本自动化概述设备老化是制约技术创新的重要因素，应有目的，分层次地更新老设备，有重点地提高机械工业的装备技术等级，并根据国力，结合国情，逐渐地推进机械工业向技术密集产业方向发展，促使劳动生产率的提高。低成本自动化(LCA Low Cost Automation)是为了适应中小企业实现综合自动化的低成本自动化技术，也就是充分利用现有设备的潜力，以较少的投入实现基础自动化或局部综合自动化，提高生产效率和企业的竞争能力。这项研究领域受到越来越多人的关注。1.3.1 低成本自动化(LCA)主要特点1)技术经济效益显著。产

16、出投入比高。投资回收期短，一般在1-2年即可全部回收投入的资金；2)不要求对已有生产制造工艺过程做出重大改变，投资风险小;3)实行LCA在企业中构成了弱联系的自动化独立岛，需要充分发挥职工的主观能动性；4)能够采用“短，平，快”的高新技术实现LCA。它以高效、实用和可靠为目标，不需要处处追求最新的技术成就，应该做到“少花钱，多办事，办好事”。1.3.2 低成本自动化系统的设计原则通常进行系统设计既要系统先进自动化程度高，又要投入尽可能低。要解决这个基本矛盾，必须综合考虑多方面因素，在尽可能压低投资成本的前提下，按一定设计原则实施。1)满足需要原则。即把满足用户对产品功能与自动化水平等要求作为设

17、计的中心任务。2)最小系统原则。即在考虑满足要求的前提下，用最简单的硬件、软件，最经济的方法构成系统，使系统的硬件与软件冗余功能最小。3)可靠性原则。即在规定条件下和规定时问无故障地完成某种功能的能力。4)匹配性原则。要求系统各组成部分在功能和水平上尽可能接近一致，电平上相互匹配，以求功能得到充分利用。5)标准化、系列化、通用化原则。对系统的元器件选择应尽可能使用标准化、系列化、通用化产品或己使用过的较成熟的组件或子系统。控制部分尽可能使用专用模块、系列化的控制器与总线模块。以求降低研制成本，缩短开发周期，增强抗干扰能力和改善维修条件等。6)先进性原则。在满足经济性能前提下，尽可能采用新的技术

18、与方法，充分利用社会已取得的成果，如己发展成熟的新技术、新工艺与新的元器件等，使原有设备结构更加简单、功能更强、可靠性更高，体积重量更小更轻，操作与维修更加简便。1.3.3 在我国发展低成本自动化的重要性我国工业自动化总体水平不高。由于我国对设备折旧率的规定，设备更新较慢，期以来在很多行业普遍存在着耗能大效率低等弊端。改革开放以后一些行业陆续引进了国外先进的生产线、新技术、新器件，使机械行业的面貌发生了巨大的变化。但是，对引进设备的消化吸收工作仍然做得不够，受财力因素的制约，只能不断引进必要的关键性设备，不可能全部依赖引进。这样，对正在使用的设备来说，如果它在生产原理方面与国外设备没有实质的不

19、同，而设备的主体部件又比较耐用，那就可以充分利用已有设备、挖掘潜力，采用低成本自动化技术，在不停产或少停产的情况下，实施技术改造，达到少的投资，快的速度，高的效益。上述设备在我国的机械行业恰恰是大量存在着的，用新的全套设备来取代，经济上不许可，企业中的技术力量也难于胜任。发展低成本自动化是促进技术改造的有利手段，具有很好的前景。1.4 智能控制理论的发展与其应用现状自从1932年奈魁斯特(Hnyquist)发表了有关反馈放大器的稳定性论文以来，控制理论的发展已走过了60多年的历程，其中前30年是经典控制理论的成熟和发展阶段，后30年是现代控制理论的形成和发展阶段。经典控制理论主要研究的对象是单

20、变量定常线性系统。到了60年代，经典控制理论已经成熟.同时由于计算机技术的成熟和发展，以与多输入一多输出线性系统的控制需要，促使控制理论由经典控制理论向现代控制理论过渡。现代控制理论以庞特亚金的极大值原理、贝尔曼(Belman)的动态规划、卡尔曼(Kalman)的线性辨识和估计理论为基石，形成了以最优控制(二次型最优控制、HX控制等)、系统辨识和最优估计、自适应控制等为代表的现代控制理论分析和设计方法。系统分析的数学模型主要是状态空间描述法。然而，在现实生产实践中，许多复杂的生产过程不是连续的，而有些过程的控制目标本身难以定量研究，因此需要与数据处理方法、规则、经验相结合，才能取得满意的控制效

21、果。智能控制是一门新兴的学科，它的发展得益于许多学科，其中包括人工智能、认知科学、现代自适应控制、最优控制、神经元网络、模糊逻辑、学习理论、生物控制和激励学习等。上述各学科均以不同侧面反映了智能控制的要求、理论利方法。1966年，J.M.Mendel首先提出将人工智能用于飞船控制系统的设计。1971年，著名学者K.S.FU(傅京逊)从发展学习控制的角度首次提出智能控制这一概念，它在文献中归纳了三种类型的智能控制系统。1)人作为控制器的控制系统。由于人具有识别决策和控制等功能，因此对于不同的控制任务、不同的对象与环境情况，人作为控制器的控制系统具有自学习、自适应和自组织的功能，能自动采取不同的控

22、制策略以适应不同的情况。2)人机结合作为控制器的控制系统。在这样的系统中，机器完成那些连续进行的并需要快速计算的常规控制任务，人则完成任务分配、决策、监控等任务。3)无人参与的自主控制系统。最典型的例子是自主机器人，这时的自主式控制器需要完成问题求解和规划、环境建模、传感信息分析和底层的反馈控制等任务。它实际上是一个多层的智能控制系统。1985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一届智能控制学术讨论会。来自美国各地的60位从事自动控制、人工智能和运筹学研究的专家学者参加了这次学术讨论会。会上集中讨论了智能控制原理和智能控制系统的结构。这次会议后不久，在IEEE控制系统学会成立了IEEE智能控制专

23、业委员会。1987年1月，在美国费城的第一次国际会议，来自美国、欧洲、日本、中国以与其他发展中国家的150位代表出席了这次学术盛会。提交大会报告和分组宣读的60多篇论文以与专题讨论显示出智能控制的长足发展；同时也说明了由于许多新技术问题的出现以与相关技术的发展，需要重新考虑控制领域和相近学科。这次会议是个里程碑，它表明智能控制作为一门独立学科，正式在国际上形成。智能控制作为一门新兴学科，还没有形成一个统一的完整的理论体系。智能控制研究所面临的晟迫切问题是：对于一个给定的系统如何进行系统的分析和设计。把复杂环境建模的严格数学方法研究同人工智能中的新兴学科分支“计算智能”的理论方法研究紧密地结合起

24、来，有望导致新的智能控制体系结构的产生和发展；并预示这种研究将在“自上而下”和“自下而上”两个方向工作的交汇处取得突破性的进展，使智能控制系统的研究出现新的局面。综上所述，智能控制理论的研究领域相当广泛，且存在的问题也相当多。智能在工业应用领域，意味着大量使用智能仪器(Intelligent Instrument)，通常是指含有各种形态的计算机并可以通过编程的方法实现其功能的仪器。嵌入到仪器中的计算机必定是微型计算机，故也把智能仪器称为微机化仪器。就广义来说，智能控制是指能随外界环境变化自主选择正确行动的能力。人工智能的创始者之一，获得诺贝尔奖的西蒙指出：人工智能的研究目的是在于学会编制计算机

25、程序来完成机智的行动，这包括解决问题、学习、推理和做出决定。在信息科学中，信息技术发展分为信息化，自动化、最优化和智能化四个层次。智能化包括理解、推断、判断与分析功能，它是数值、逻辑、和知识经验综合分析的结果：知识的表达和应用是智能化的标志。从信息科学的智能概念来看，目前的智能仪器还处于智能化的低级阶段。但相对于传统仪器而言，这种仪器已能实现自动参数补偿、自动量程选择、自动校准。1.5 本课题的研究任务和工作本说明书的任务是结合钣金机械加工厂家的技术改造需要，在现有普通剪板机的基础上设计开发全自动剪板机控制系统，实现加工过程自动化，提高现代化水平。全自动控制器主要组成部分有单片微机、接口扩展电

26、路、键盘输入显示电路、信号采集电路与输出驱动部分等组成。设计时根据功能需要选择控制精度高、灵活性适应性好、成本低的控制器。通过各种控制电路的优劣对比、分析计算确定合理的控制电路，选用适当的集成电路芯片和电子元件完成组装测试。在电路设计中注意抗干扰设计。1、控制系统软件设计通过编程，完成全自动生产过程的控制，实现数据显示、实时信号采集、计算分析与实时控制处理。编制好控制软件并进行软件的仿真调试和修改。2、软硬件联调由于实际情况与理论推导可能不一致，或者考虑问题不全面，难免出现故障和问题，需要认真分析与排除，在失败和不足中总结经验，改进系统设计。3、完成课题说明书根据自动剪板机的工作原理与控制器的

27、功能要求，论证自动剪板机控制系统的实现方案。说明控制系统构造与配套执行机构设计，分析单片机在智能控制过程中的应用，针对控制器硬件主要环节、控制信号采集和电机驱动控制与人机交互等，从设计思想、实现原理、调试方法等角度进行了必要阐述。结合操作要求，介绍控制器的软件实现过程。并针对控制器的运行环境，就现场抗干扰的对策进行具体分析，说明利用软件和硬件措施确保系统可靠运行。第二章 系统方案分析目前，工业现场控制方法常用的有两种：一是采用可编程序逻辑控制器(PLC)系统；二是采用单片机控制系统。其性能比较如下：此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零

28、 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩4.6 输入电路设计4.6.1 键盘和显示电路图4.5 键盘和显示电路说明：8279芯片与键盘、显示器连接电路原理圈。如图4.5所示，其地址为07FFH。8279键盘配置为44，扫描线由SL0SL2通过74LSI38译码提供，查询线由反馈输入线RL0RL7提供。8279显示器最大配置为16位数码管。位选线由扫描线SL0SL2经8位译码器、驱动器提供；段选线由B0B3，A0A3通过驱动器提供。键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，是最简单的单片机输入设备，操作员可以通过键盘输入数据和命令，实现人机通讯。键盘上闭合键的识别由专门的硬件实现的称为编码键盘：

29、靠软件识别的称为未编码键盘。本着降低成本的角度出发，本系统键盘电路的设计采用未编码键盘方式，各键定义见表。表4-2各键定义见表按键号功能定义按键号功能定义S00S99S11S10尺寸和数量消零S22S11多个加工尺寸输入S33S12单一尺寸自动加工S44S13循环变尺寸自动加工S55S14手动/自动转换S66S15零位微调控制S77S16手动复位S88S17急停4.6.2 开关量输入电路为了检测自动剪板机各个执行机构的工作状态，设计了八路数字信号采集通道，图示为其中一路，利用74LS244芯片读入工作状态信号，片选地址27FFH，右侧ST为行程开关等。各开关的功用是ST1压料器(压块)压紧状态

30、检测开关、ST2定长状态检测开关、ST3零位状态检测开关、ST4小车工作位置状态检测开关、ST5小车载荷情况检测开关、ST6挡料器极限位置检测开关、ST7小车下一位置检测开关、ST8卸料情况检测开关。图4.6 一路开关量输入电路4.6.3 串行通讯电路电路中设计了采用芯片MAX232E为核心进行串行通讯的电路，目的是完成单片机与上位机的通讯，为以后系统扩展留有余地。本系统实际电路焊接这部分元件和芯片并未焊接安装。4.7 输出电路设计输出电路分为三部分：4.7.1 交流电机驱动控制电路在单片机控制系统中，我们使用了中间继电器作为控制输出的第一级执行机构，通过继电器控制大功率接触器的通断，从而完成

31、从直流低压到交流高压、从小功率到大功率的转换。控制三相交流电动机接触器选用三接点形式的.考虑到接触器的吸合与断开产生的电弧可能造成电路设计是将输出电路部分单独分出来，做在另一块板上，其控制电路如图。图4.7中接触器都是由交流220V强电直接控制的。图4.7 继电器控制电路4.7.2 电磁离合器与电磁制动器驱动控制电路电磁离合器与电磁制动器采用广德电器厂DDL1系列电磁离合器DDZ1系列单片电磁制动器。电源采用直流24V电压。电磁离合器与电磁制动器驱动控制电路一样，下图所示是控制剪切传动的电磁离合器控制电路。卸料机构也是通过离合器控制的去掉脚踏开关部分其它电路一样。图4.8 电磁离合器控制电路4

32、.7.3 步进电机驱动控制电路步进电机的相控制信号线.直接使用了AT89C51单片机的P1口线，这样可以简化编程，提高控制的实时性。由于步进电机采用高低压驱动电源为12V和120V，且各相绕组通电电流是安培级的大电流，属于强电回路，因此与单片机相连时，需经过光电隔离和大功率驱动。光电耦合器将单片机的弱电系统的地和强电系统的电源线、地线隔离开来，NMOS场效应功率管IRF640将光耦输出的电压信号转换为安培级电流信号以驱动步进电机。与电机绕组串联的大功率的精密小电阻用于限流，而与绕组并联的二极管是续流二极管，它利用自身钳位作用保护IRF640。如果不接续流二极管，当IRF640断开时，线圈因为是

33、感性负载，断电瞬间会产生很高的反向电动势，把功率管的源极电压提得很高，一旦超过管子耐压值，管子将被击穿损坏。其一相驱动电源电路见4-3.图。4.8 抗干扰电路设计单片机系统的可靠性由多种因素决定，其中系统抗干扰性能是可靠性的重要指标。工业环境中的干扰一般是以脉冲形式进入单片机系统，渠道主要有三条：电磁信号通过空间辐射进入系统；干扰通过与系统相连的前向通道、后向通道与与其它系统的相互通道进入；电磁信号通过供电线路进入系统。本系统中重点防止过程通道与供电系统的干扰。具体措施：1、光电隔离在输入和输出通道上采用光电隔离器来进行信息传输，它将单片机系统与开关、执行机构从电气上隔离开来，很大一部分干扰将

34、被阻挡。本系统中步进电机驱动电路、交流电机驱动电路、电磁离合器驱动电路、电磁制动器驱动电路都采用了光电隔离器。2、抗干扰电源单片机系统供电线路是干扰的主要来源，电源采用隔离变压器接入电网，可以防止电网的干扰侵入单片机系统。隔离变压器与普通变压器的不同之处在于它在初级和次级之间加了一层屏敞层，并将它和铁芯一起接地。购买时要注意购买抗干扰电源。3、配置去耦电容原则上每个集成电路芯片都应安置一个0.01MF的瓷电容器，可以消除大部分高频干扰。4、良好接地本系统既有模拟电路又有数字电路，因此数字地与模拟地要分开，最后只在一点相连，如果两者不分，则会互相干扰。5、其它抗干扰措施在印刷电路板设计中，不要把

35、强、弱电路设计在一块印刷电路板上：电源线的走向应尽量与数据传递方向一致；接地线应尽量加粗；在印刷电路板的各个关键部位应配置去耦电容。对系统中用到的元件要进行筛选。电路设计时要注意电平匹配。4.9 其它电路设计为了使智能控制器操作方便，设计了工作状态指示电路，利用发光二极管显示开机和各功能键操作状态。此外还设计了声光报警电路。说明：控制系统所有直流电源直接购买不自行设计。第五章 软件设计5.1 汇编语言与编程环境简介5.1.1 汇编语言简介计算机普与被喻为人类文化的第三次革命，它以机体的硬件结构，去执行可以随设计要求而改变的软件。这就使得机器有了灵活应用的弹性，只要有合适的软件，它就会严格按照指

36、令处理各种繁琐的任务。 设计软件的工具称为编程语言，它的种类很多，最早的是机器语言，后来为了程序设计师使用方便，在机器语言与编程语言之间建立了一个界面，此界面所用词汇与语法便是汇编语言(又称组合语言)。之后，一些编程者觉得汇编语言不容易掌握，难学难用，又发展出一些比较容易应用的高级语言。但是用高级语言编制的程序执行慢，又极占空间，使得计算机的存储器得不到合理应用。汇编语言则不存在这个问题，在严谨制作方式下，占用空间小，且执行效率高。朱邦复在汇编语言艺术一文中，对汇编语言与其它高级语言的性能进行了比较，他通过多次实验证实：汇编语言的执行速度与其它高级语言相比至少快6倍，其占用存储器空间与其它高级

37、语言相比至少可节约2倍。在软件设计中采用了模块化结构后，我感觉做起来也很轻松。如键盘模块、EEPROM读写模块、参数设置模块、功能执行模块等，只要在前人的基础上进行一些改造，即可拿来使用。有了这些应用模块，后期工作只是去建造主程序的框架；而且当任务改变时，只要修改主程序，应用程序模块可直接使用。所以在本次设计中，我采用MCS-51汇编语言编程。程序容量3K，采用AT89C51芯片不需要另外扩展程序存储器，即节约了成本，又简化了硬件结构。5.1.2 集成开发环境介绍本系统的调试选用万利(Manley)公司的MICE-51仿真设备，该仿真系统即可以在计算机自成一体，独立运行，又可以对MCS.51系

38、列单片机应用系统进行仿真开发。MICE-51仿真系统主要特点如下；1)软件支持汇编语言编程。2)接口丰富：系统中包含8031CPU、EPROM(监控)、仿真程序区、8255、8155、8253等微机常用接口电路；AD0809、DAC0832等A/D、D/A转换电路；键盘、数码管显示、发光二极管等；且系统具有EPROM写入功能。3)提供两种工作方式：第一种是经RS232口与微机相连，在计算机上输入源程序，进行编辑、编译、调试。第二种方式为单板方式，程序编译后装入仿真器，利用仿真系统键盘进行、调试，支持现场调试。5.2 系统程序设计5.2.1 功能(1)、系统初始化。(2)、数字键、功能键的键值处

39、理与显示。(3)、系统控制信号检测处理。(4)、键功能实现。(5)、实现自动控制过程。(6)、断电急停的保护设计。5.2.2 主要程序模块见图5.1。5.1 主程序流程图主程序的作用主要是完成系统初始化，等待功能命令输入与功能键散转处理。利用X25045的功能设计实现的对断电或异常情况进行判断和现场恢复(X25045第一次使用前要把EEPROM清零)。图5.2 主程序流程图图5.3自动循环加工程序流程图 说明：因本系统是顺序控制系统，属于分时控制，实时性不高，故采用程序查询式控制方式。这种控制方式硬件电路少，接口简单，软件的开发与调试都比较方便。启动关断剪切压料传动机构和启动关断卸料机构都是通

40、过控制电磁离合器的脱离结合实现的。流程图阅读参照图2.1。按自动加工键控制系统自动工作，后挡板(挡料器)回零位，送料小车返回，后挡板由零位到第一位置：送板料定位，触动定位行程开关，松开制动器，压紧剪切主电机通过电磁离合器带动压块和刀具向下运动，撞到压紧行程开关后：后挡板让刀后撤，压紧剪切主电机带动刀具剪切，电磁离合器断开，延时，刀具夹具返回制动器制动；卸料机构启动卸料，完成后后挡板自动运动到下一位置，送板料定位，触动定位行程开关，类推完成一次循环，循环计数减1，再进行下一轮循环：加工过程数据实时显示。当小车满载送料到下一工位，卸除后返回。为了减少加工废料合理利用板材，一般加工一块板料设置一次循

41、环，而一次循环只出现一次边废料，这一循环加工次数已知，可作为废料计算数。为了消除累积误差，设定了三次循环回零返回一次。在自动加工过程中，为了防止程序受环境干扰跑飞和在断电后恢复供电的时候，恢复系统现场工作状态的需要，在程序中多处设有系统状态实时记录、状态检测程序和看门狗喂狗程序，流程图中简略了。5.2.5 手动加工程序手动加工程序设计是在自动控制程序的基础上解除了进料机构、小车送料机构和主电机传动机构上的电磁离合器的控制，其它部分的设计与自动控制一样。剪切操作由脚踏开关控制，这里不再进一步说明。5.2.6 加工参数输入程序单一尺寸输入程序说明：1、开机状态，“_ _ ._”提示输入加工板料数量

42、和板料尺寸。多个加工尺寸输入程序功能：输入加工数量，多段尺寸段个数，每一段尺寸、小车满载数、废料计算数。2、直接按多位置尺寸输入键，提示“_ _ ._ ”要求输入循环次数、小车满载数、多个加工尺寸段数和废料计算数。如果不是开机状态，有回零动作。3、按数字键输入数值。4、再按多位置尺寸键，提示“NO1_. _ ”按数子键输入第一位置尺寸；再按多位置尺寸键提示“NO2_. _ ”按数子键输入第二位置尺寸；类推，某次输错可清零重输。最后一段的尺寸的存储放在尺寸计算中完成。为了合理利用128字节的片RAM，节省空间，在输入尺寸时，存储采用压缩BCD码，尺寸存储地址：57H、58H、59H绝对位置尺寸；

43、5AH、5BH、5CH相对位置尺寸和多段位置尺寸第一位置尺寸；5DH7BH连续空间存储第二至第九位置尺寸。图5.4为其流程图。图5.4 多次定长尺寸输入程序流程图5.2.7 步数计算子程序图5.5 步数计算子程序流程图图5.6 步数计算子程序流程图5.2.7 其它功能程序设计急停功能是采用外部中断INT0实现，其中断子程序编制是第一次按键，进入循环等待整个系统停机；三分钟后第二次按键，结束等待系统继续工作。如果按第一次按键时间较长(超过10s)，单片机系统会对X25045芯片清零；三分钟后第二次按键.程序跳转到主程序开始地址。微调功能目的是调整挡料器上的定长检测开关反应灵敏度的，通过微调来确定

44、定长检测开关的工作位置。程序设计为点退，按一键退一步，如果定长检测开关和零位检测开关同时接收到信号，即为零位。否则重新调整定长检测开关在挡料器上的位置。5.3 X25045程序模块设计在本系统中，有一些数据在断电后需要保护，如用户设置的加工参数、加工状态、计数次数等等，该功能由芯片X25045完成。X25045芯片与89C51的接线见图4.3，其看门狗功能在前面已经作了介绍，这里主要介绍看门狗功能的实现与其部512字节程序存储器的硬件数据保护功能。5.3.1 看门狗功能的实现首先设置定时时间，程序如下：MOV R0，#10H ；将定时时间设定为600ms若将定时时间设定为1.4s或200ms应

45、送#00H或20HLCALL WR-SR ；调写状态子程序其次在程序运行过程中，耍定时给看门狗复位即喂狗，程序如下：SETB CSCLR CSSETB CS ；给看门狗的片选端加一负脉冲当程序跑飞，看门狗得不到复位，定时时间到，7脚复位端输出高电平，将系统复位。5.3.2 读写程序模块设计将缓冲区中若干字节数据送X25045的子程序流程图见图5.7。读数方法与写数方法相似，只要将X25045定义为读方式，循环中写操作改为读操作即可。图5.7 X25045写数流程图5.3.3 系统状态记录程序和状态恢复程序当系统工作状态发生改变时记录程序实时记录，把重要数据写入X25045芯片的EEPROM中，

46、如果程序跑飞或断电发生，系统复位恢复现场数据即读出X25045芯片的EEPROM中数据，并根据正常或异常特征位判断，是断电异常的恢复到断电异常前的系统工作状态，继续未完成的工作。5.4 软件抗干扰设计硬件措施如果得当，可将绝大部分干扰拒之门外，但仍然会有少数干扰进入微机系统，故软件措施作为第二道防线必不可少。当干扰作用到单片机本身时，单片机将不能按正常状态执行程序，从而引起混乱。如何发现单片机受到干扰，如何拦截失去控制的程序流向，如何使系统的损失减小，如何恢复系统的正常运行，这些就是CPU抗干扰需要解决的问题。设计中采用了以下几种方法。1)设置“令牌”设置令牌的目的是使每个模块的进、出口处都有

47、把关。模块化的程序在组合后，可对每一模块进行编号；模块的入口处有一发放“令牌”的语句，在模块的重要位置和模块出口，都要对“令牌”进行核对才准予通行，并在模块出口处回收“令牌”或在下一模块入口处更换“令牌”。这样只有当程序在正常入口处进入模块时，才能得到通行证一“令牌”并验证通过；当程序从模块的其他位置非法进入时，肯定得不到“令牌”，这样就能在核对“令牌”处发觉并把程序引入出错处理或进入陷阱处理程序，重新调整各处数据、标志、输出口，再转入正常入口。具体做法是可设一令牌寄存器，核对“令牌”，检验令牌寄存器是否与本模块号一致。出口处清除令牌寄存器。这样，虽然因为程序跑飞而非法进入某一模块也不至于让它

48、任意破坏数据、改变标志和错误输出，并能与时发现，使其返回正常入口。2)掉电保护电网瞬间断电或电压突然下降将使微机系统陷入混乱状态，电网电压恢复正常后，微机系统难以恢复正常。对付这一类事故的有效方法就是掉电保护。掉电信号由硬件电路检测到复位端。软件使系统与时对掉电作出反应。在掉电服务程序中，首先进行现场保护，保存当时重要的状态参数，并置特征量，当电源恢复正常时，CPU重新复位，恢复现场，继续未完成的工作。3）指令冗余当CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混乱。这时要尽快将程序纳入正轨(执行真正的指令系列)。MCS-51系统中所有指令都不超过3个字节，而且有很多单字节指令。

49、当程序弹飞到某一条单字节指令上时，便自动纳入正轨。当弹飞到某一双字节或三字书指令上时，有可能落到其操作数上，从而继续出错。因此，应多采用单字节指令，并在关键的地方人为地插入一些单字节指令(NOP)，或将有效单字节指令重复书写，这便是指令冗余。在双字节和三字节指令之后插入两条NOP指令，可保护其后的指令不被拆散。或者说，某指令前如果插入两条NOP指令，则这条指令就不会被前面冲下来的失控程序拆散，并将被完整执行，从而使程序走上正轨。但不能加入太多的冗余指令，以免明显降低程序正常运行的效率。因此，在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入两条NOP指令，保证弹飞的程序迅速纳入正确的控制轨道。此类指令有

50、：RET、RETI、LCALL、SJMP、JZ、CJNE等。在某些对系统工作状态至关重要的指令(如SETBEA之类)前也插入两条NOP指令，以保证被正确执行。上述关键指令中RET和RETI本身即为单字书指令，可以直接用其本身来代替NOP指令，但有可能增加潜在危险，不如NOP指令安全。4)软件陷阱指令冗余使弹飞的程序安定下来是有条件的，首先弹飞的程序必须落到程序区，其次必须执行到冗余指令。当弹飞的程序落到非程序区(如EPROM中未使用的空间、程序中的数据表格区)时前一个条件即不满足，当弹飞的程序在没有碰到冗余指令之前，已经自动形成一个死循环，这时第二个条件也不满足。对付前一种情况采取的措施就是设

51、立软件陷阱，对于后一种情况采取的措施是建立程序运行监视系统(WATCHDOG)。所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向对程序出错进行处理的程序。如果我们把这段程序的入口标号称为ERR的话，软件陷阱即为一条LJMP ERR指令；为加强其捕捉效果，一般还在它前面加两条NOP指令，因此，真正的软件陷阱由三条指令构成：NOPNOPLJIMP ERR软件陷阱安排在下列四种地方：(1)未使用的中断向量区。当干扰使未使用的中断开放，并激活这些中断时，就会进一步引起混乱。如果在这些地方布上陷阱，就能与时捕捉到错误中断。(2)未使用的大片ROM空间。对于剩余的大片未编程的ROM空间，一般均维持原状

52、(OFFH)，OFFH对于指令系统，是一条单字节指令(MOV R7,A)，程序弹飞到这一区域后将顺流而下，不再跳跃(除非受到新的干扰)，只要每隔一段设置一个陷阱，就一定能捕捉到弹飞的程序。软件陷阱一定要指向出错处理过程ERR。我们将ERR字排在0030H开始的地方，程序不管怎样修改，编译后ERR的地址总是固定的(因为它前面的中断向量区是固定的)。这样我们就可以用00 00 02 00 30五个字节作为陷阱来填充ROM中的未使用空间，或者每隔一段设置一个陷阱(02 00 30)，其它单元保持0FFH不变。(3)表格。有两类表格，一类是数据表格，供MOVCA,A+PC指令MOVCA,A+DPTR指

53、令使用，其容完全不是指令。另一类是散转表格，供JMPA+DPTR指令使用，其容为一系列的三字节指令LJMP或两字节指令AJMP。由于表格容和检索值有一一对应关系，在表格中间安排陷阱将会破坏其连续性和对应关系，只能在表格的最后安排五字节陷(NOP NOP LJMP ERR)。(4)程序区。程序区是由一串串执行指令构成的，在这些指令串之间常有一些断裂点，正常执行的程序到此便不会继续往下执行了，这类指令有JMP、RET等。这时PC的值应发生正常跳变。如果还要顺次往下执行，必然就出错了。当然，弹飞来的程序刚好落到断裂点的操作数上或落到前面指令的操作数上(又没有在这条指令之前使用冗余指令).则程序就会越

54、过断裂点，继续往前冲。我们在这种地方安排陷阱之后，就能有效地捕捉住它，而又不影响正常执行的程序流程.由于软件陷阱都安排在程序正常执行不到的地方，故不会影响程序执行效率。第六章 结论本课题是结合工程技术改造实际进行研究，对板材的全自动剪切生产控制系统进行设计与调试。通过对控制系统和控制理论的国外发展概况、我国制造业的现状与在我国发展低成本自动化的重要性等方面的介绍，论述了本课题的设计价值和任务。说明书完成的主要工作有：1、分析控制系统确定实现方法1)方案选择考虑中小企业的实际要求、用户提出的一些特殊条件、产品的制造成本等原因，本课题没有使用常规的PLC控制，而是选择了单片机为主体的控制系统。2)

55、总体方案设计通过对剪板机的工作原理与硬件结构的分析，提出总体设想。初步设计全自动剪板控制系统，拟采用继电器、电磁离合器为控制元件，控制进料机构、剪切机构、托架卸料机构、送料小车；采用步进电机为执行元件控制挡料定长机构。3)机械部分设计分析自动加工过程所需配套执行机构，根据功能要求，从经济适用角度给出挡料定长机构、托架支撑卸料机构和板料进给机构等机构的设计思路。4)步进电机的单片机控制考虑经济性，系统采用步进电机控制板料定长。因此分析了步迸电机性能、选用方法和步进电机驱动电路：研究了步进电机位置速度控制设计和程序控制流程。5)控制器的总体布置设想考虑智能控制器的可靠性与安装的方便性，控制器的硬件

56、设计分为三部分：主板部分、输入显示部分、输出部分。给出具体实现方案。6)控制器软件总体设想整个控制系统，采用模块化设计，按键功能设置模块。设计断电保护程序，工作状态检测错误恢复程序，参数提示输入与工作中实时显示程序等。2、根据功能需要完成控制系统硬件的设计制造1)主板电路设计完成单片机最小控制系统设计制作。根据X25045芯片中集成的主要器件的功能，设计选用它。使之完成系统复位、断电数据保护和系统检测。设计了合理的接口扩展电路，采用了AT89C51与8279芯片的连接电路实现键盘输入和显示；采用AT89C51与74LS244芯片连接实现输入接口扩展，采用74LS273芯片实现输出接口扩展。2)

57、键盘显示电路设计设计制作了键盘、显示器与8279芯片的连接电路。该电路是单片机常用的信号输入输出配置，实现操作人员与单片机之间的通讯即控制信号输入和加工参数加工状态显示。3)输入信号采集电路设计设计制作了数字量采集电路。采用光电隔离把各个执行结构状态数字量信号通过行程开关进行采集。4)步进电机驱动电路设计设计制作了一种新颖的具有检测反馈控制环节的高低压驱动电路。5)输出控制电路设计设计制作了电磁离合器驱动控制电路，继电器驱动控制电路，电磁制动器驱动控制电路。3、采用模块化结构完成控制系统软件设计编制调试了控制系统完整的汇编语言控制程序，此文说明了主程序模块构成和主要模块程序的流程，绘制了详细的

58、流程图。本文通过这次课题研究工作加深了对机电一体化技术与单片机控制系统体系的认识，积累了一定的软硬件开发，并培养了理论学习和设计的能力，收获颇多。参考文献1建民.机电一体化系统设计M.：高等教育，2008.7.2高建国.高云.高安邦8031单片机在自动剪板机上的应用J.电脑学习2002.83吴金戍.庆阳郭庭吉.8051单片机实践与应用M. ：清华大学2002.94增忻等.智能控制理论与技术M. ：清华大学.20035何立民编.单片机应用系统设计系统配置与接口技术.M.：航空航天大学20016育才.ATMEL新型AT89S52系列单片机与其应用M. ：清华大学，20057立航，X25045芯片的

59、原理与应用J.中南民族学报，2001.68朱志坚.凌波.王树国.三种典型的步进电机驱动电路特性分析J. ：工学院学.1999.99王晓明编.电动机的单片机控制M. ：航空航天大学200710志永.砚江主编.数控与电控技术M. ：机械工业.2002.811王家忠编著.机床数控技术M. ：航空航天大学.2009.812自美主编.电子线路设计.实验测试M. ：华中理工大学2010.12致 在大学四年期间，扎实的学习了本专业的知识，受益匪浅。在此感各位老师的辛勤教诲，学校各位领导的关怀，同学们的支持。本文在导师卫教授的指导下完成，教授的严谨的治学态度，渊博的学识，丰富的实践经验和一丝不苟的工作作风给我

60、留下了深刻的印象。让我终身受益。值此论文完成之际，谨向老师表示深深的意！附录：英文技术资料与中文翻译单片机单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存

61、储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一

62、条要执行的命令，PC在中的容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是I

63、NTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活