基于C8051F單片機的鋼絲斷線檢測裝置

吳 旭，張志軍

(中國電子科技集圖公司第四十五研究所，北京101601)

多線切割機是一種用于硅材料或其它脆硬材料加工的高效加工設備，具有加工效率高，加工材料的表面質量好，并且能夠加工大直徑的工件等優點，在半導體材料加工、太陽能電池材料加工及其它特殊材料的加工中得到了日益廣泛的應用。然而，在具備上述優點的同時，多線切割機作為一種復雜的大型材料加工設備，其控制系統的實時性和可靠性要求很高，一旦在材料切割過程中出現鋼絲斷線的情況，被加工工件很難再繼續進行加工，更為嚴重的是，如果在材料切割區出現斷線的情況，如果不能立即發現鋼絲斷線并且及時停機，將有可能造成鋼絲纏繞軸輥，并且損壞軸輥上的聚氨酯涂敷層，使得設備不得不停機更換軸輥，給用戶造成更大的損失。因此，為提高設備的可靠性及工作效率，針對多線切割機鋼絲斷線的意外情況，我們研制了專用的鋼絲斷線檢測裝置，并且通過獨立的檢測電路和單片機進行監控，在出現鋼絲斷線時立即發出停機信號，既保證了檢測裝置的實時性能，又使得運動控制系統能夠專注于正常的設備控制功能，不會對控制系統造成額外的工作負擔。

1 檢測裝置的工作原理

鋼絲斷線檢測裝置的工作原理如圖1所示。

圖1 鋼絲斷線檢測裝置的工作原理

在圖1所示的檢測裝置中，收放線輪和探測器桿都是通過絕緣套墊安裝在機器上，從而使其與機殼絕緣。檢測裝置首先需要將信號源加載到鋼絲線上，為保證設備的安全性，通常選用低壓直流電源，在實驗中，我們選擇DC 12 V的線性電源作為信號源。同時，為防止出現短路等意外情況，信號源輸出電路應采取限流和保護措施。需要注意的是，由于在設備工作時，收放線輪處于高速旋轉的運動狀態，為保證檢測裝置工作的可靠性，在線輪上安裝了碳刷，將信號源通過碳刷傳遞到安裝在線輪軸上的銅環上，從而加載到鋼絲線上。

在靠近軸輥并且與軸輥平行的方向上安裝有數只金屬探測桿，并且探測桿連接到后續放大電路的輸入端。由于在加工過程中，軸輥帶動鋼絲高速運動，同時由于有伺服電機或氣缸等裝置對鋼絲施加有一定的張力，一旦在切割過程中軸輥上的鋼絲斷線，在速度和張力的作用下鋼絲線將在斷點處立即被高速旋轉的軸輥甩開，并接觸到金屬探測桿上，加載在鋼絲線上的信號源也因此傳遞到探測桿及后續放大電路的輸入端上，如果能夠及時檢測到探測桿上輸入的信號，就可以立即發現在切割區出現鋼絲斷線的情況并停機，保護軸輥不被鋼絲纏繞傷害。

2 信號放大電路

連接到探測桿的放大電路采用基本的三極管放大電路，其結構簡單實用，設計和調試都很容易，見圖2。

圖2 信號放大電路原理圖

在設備正常工作時，鋼絲線不與金屬探測器桿接觸，加載在鋼絲上的信號源與三極管T1的基極之間存在著較大的電阻，通常砂漿的電阻值都在1 MΩ左右，因此三極管基極的輸入電流很小，通過適當選擇R1的阻值，使T1在設備正常狀態下工作在截止或放大狀態。而一旦鋼絲斷線并與金屬探測桿接觸時，信號源通過鋼絲上和金屬探測桿輸入到T1的基極上，通常鋼絲線上的阻值在數十千歐以內，相對于未斷線時T1基極輸入的電流值大大增加，使三極管飽和導通，通過測量T1集電極上的電壓值即可區分設備正常工作和鋼絲斷線時的狀態。

在后續電路中，對輸入信號進行了轉換和調理，使放大器的輸出電壓值與C8051F單片機的A/D轉換器的工作范圍相匹配，并且通過隔離放大器輸出測量信號，可以使設備工作更加安全可靠，提高設備的抗干擾性能。

3 C8051F單片機測量系統

為簡化硬件電路設計，提高設備可靠性，檢測系統使用Silicon lab公司的C8051F121型單片機作為控制系統核心。C8051F121型單片機的指令集與傳統的51系列單片機兼容，但其性能卻相對于其它51系列單片機有了極大的提高：

（1）首先，其內核采用了高速、流水線結構的CIP-51內核，通過內部集成的倍頻器和PLL，最高工作頻率可達100 MHz，并且70%的指令在一個或兩個系統時鐘周期內完成，運算有了大幅度的提高；

（2）片內集成了精度較高的8通道12位A/D轉換器，其最高采樣頻率為100KSPS，并且通過設置內部的可編程放大器的增益，輸入電壓范圍可達到0～5 V，完全可以滿足對測量信號實時采集和處理的要求；

（3）片內的JTAG調試電路允許使用安裝在最終應用系統上的產品進行全速、在線調試，并且不占用片內資源。該調試系統支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行，使得編程和調試都十分方便；

（4）片內集成了8K＋256字節的RAM存儲器和128K字節的FLASH存儲器，可以滿足大多數單片機應用系統的需要，無須再外部擴展RAM或ROM存儲單元，大大簡化了PCB板圖的設計，并且降低了系統成本，提高了系統的可靠性；

（5）具有32個多功能數字I/O引腳，所有端口引腳都可耐5 V電壓，當工作在輸出方式時，可以設置為漏極開路或推挽工作方式，其驅動電流可達10 mA以上，可以直接驅動普通的光耦器件，方便了系統之間的連接與擴展；

（6）集成了兩路12位的D/A、電壓比較器、UART串行通訊接口、SPI接口、定時器/計數器單元及看門狗電路等外設或功能模塊，方便系統的擴展和開發應用。

由以上介紹可以看出，采用C8051F121單片機作為檢測系統的CPU完全可以滿足性能要求。結合測量系統的要求，所采用的檢測系統主要包括了A/D信號采集單元、數字輸入單元、數字輸出單元及RS-485串行通訊系統組成。

A/D轉換單元用于采集鋼絲斷線檢測電路輸出的測量信號，將圖2所示的測量電路連接到C8051F121單片機的AIN0.X引腳，由單片機自帶的2.4 V參考電源提供參考電壓，并且通過軟件將可編程放大器的增益設置為0.5，這時單片機可以測量大約0～5 V的輸入電壓。檢測裝置被設置為以1～2ms的周期進行連續測量，由定時器3溢出產生中斷時測量AIN0.X引腳的輸入電壓，當單片機檢測到輸入的電壓值低于設定的閾值時，即通過I/O端口輸出斷線信號，使主機能夠及時發現斷線故障并采取停機措施。

C8051F單片機的工作電源為2.7～3.6 V，斷線檢測裝置采用3.3 V電源，為了與控制系統常用的24 V電源匹配并提高測量裝置的抗干擾能力，斷線檢測裝置通過光耦器件與外部控制裝置連接。數字量輸入單元采用了PS2801光耦器件進行隔離和轉換，將外部的24 V控制信號轉換為檢測系統兼容的3.3 V電壓信號，并通過74HCT14施密特觸發器整形后輸入到C8051單片機的數字輸入引腳，數字量輸出部分則通過TLP127光耦進行隔離輸出，TLP127的輸出部分采用了達林頓連接晶體管結構，輸出電流可達500 mA，可以直接驅動繼電器等器件。

串行通訊接口采用了MAX3485器件，MAX3485用于將RS-485線路驅動器的電平轉換為與單片機系統匹配的3.3 V低電壓電平。用戶可以通過串口設置斷線檢測系統的工作參數并監控其工作狀態，采用RS-485總線電平可以使斷線檢測裝置與控制系統中其它功能模塊兼容，方便系統的連接與擴展。見圖3。

4 軟件系統設計

C8051F單片機的集成開發環境可以使用匯編語言或C語言開發單片機應用程序，其程序包括主程序和定時器中斷程序、串口通訊程序等部分。

圖3 C8051F單片機斷線檢測系統總體設計

在檢測系統工作時，需要以一定的時間周期進行連續測量，通過能使定時器中斷及編寫定時中斷程序實現定時檢測，在定時中斷程序中，A/D轉換器采集斷線檢測裝置輸入的電壓值，并將其存入RAM存儲單元中。

串口通訊程序用于接收上位控制計算機的控制命令，然后對控制命令進行分析，確定是控制命令或是狀態監控操作，并根據指令修改單片機中的參數值或向上位機返回狀態值。串口采用中斷操作方式進行工作，設定其波特率為19.2 kHz，并且可以采用常用的MODBUS等通訊協議傳輸通訊數據。

主程序用于初始化系統的定時器、串行通訊口、A/D轉換器及I/O端口的設置，并根據串行通訊口接收的命令或I/O端口的輸入命令啟動檢測裝置工作、轉換工作狀態、修改工作參數、或者復位故障與報警信號等操作。

5 結束語

采用以上基于C8051F單片機的多線切割機鋼絲斷線檢測裝置，具有很高的靈活性和實時性，并且獨立于主控制系統工作，不影響運動控制系統的工作。該斷線檢測裝置在多線切割機中進行實驗，能夠可靠地捕獲斷線信號，并且與上位控制器進行通訊和數據傳輸，提高了多線切割機的可靠性和工作效率。

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