基于單片機的疊圖機控制軟件設計

劉艷玲，劉海燁

（天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津 300384）

0 引言

隨著現代科學技術的不斷發展及工程自動疊圖市場的需要，疊圖機產品便應運而生。由于國內許多中小企業用戶要求是多方面的，一臺疊圖機最少要可以折疊消防圖、報批圖、裝訂圖、施工圖，雖然歐洲疊圖機設計穩定性非常強，但是功能單一，而且價格十分昂貴。本文介紹的自動疊圖機，采用單片機控制，其疊圖速度適中，精度高，成本低，占地小，操作簡便快捷，功能齊全，可取代耗時費力的人工疊圖，必將成為國內大中小企業優先選擇的疊圖產品。

1 自動疊圖機的控制電路

該控制電路主要由CPU主控電路、傳感器信號輸入電路、按鍵及顯示電路、步進電機驅動電路等四部分組成。其電路結構框圖如圖1所示，在疊圖機的硬件控制電路組成部分中，CPU主控電路采用美國ATME L公司生產的8位AT89C51單片機[1]，通過實時檢測各個傳感器的狀態及按鍵輸入信號，控制相應步進電機運轉，帶動相應機械結構動作，從而實現自動疊圖控制。傳感器信號輸入電路部分包括6個端面傳感器和2個槽型傳感器，其中端面傳感器用來檢測圖紙處在的位置，根據傳感器的狀態，進行不同的疊圖動作控制。槽型傳感器起導向作用，使疊圖完成的圖紙從正確位置出來。鍵盤采用6個普通按鍵來實現選擇需要折疊和裝訂邊的尺寸以及自檢、急停功能。顯示部分采用MAX7219芯片擴展接口，驅動8個LED共陰極數碼管顯示器[2]。共陰極數碼管則用來顯示用戶所選擇的折疊尺寸、裝訂邊尺寸及系統運行狀態。步進電機驅動部分包括2個兩相混合式步進電機及其驅動器、M 8253可編程控制器及一個脈沖發生器電路。由CPU產生步進電機的起停及正反轉信號，再通過步進電機驅動器來驅動步進電機，由M 8253可編程定時器[3]產生不同方波頻率脈沖信號來控制步進電機的速度。

圖1 主控電路

2 疊圖機控制軟件設計

2.1 疊圖機工作過程

疊圖機的工作過程分為橫向疊圖和縱向疊圖兩部分。橫向折疊示意圖如圖2所示，圖中為橫向疊圖尺寸297 mm。縱向疊圖示意圖如圖3所示，圖中為縱向折疊尺寸180 mm，帶30 mm的裝訂邊。

圖2 橫向折疊

圖3 縱向折疊

疊圖機的折疊方式有帶裝訂邊和不帶裝訂邊兩種，有中間有折疊和無折疊兩種。縱向折疊寬度及裝訂邊寬度均可以選擇，具體縱向折疊方式及尺寸如表1所示。其中橫向折疊的尺寸有297 mm和305 mm兩種規格。

表1 疊圖機縱向折疊方式及尺寸

系統開機后默認的尺寸為：縱向折疊方式180-30，橫向折疊方式297。操作人員可以根據需要選擇要折疊的圖紙尺寸。

開始進行疊圖時，手動將圖紙放到工作臺上，沿裝有傳感器的檢測基準板送入，傳感器B 1檢測到有圖紙時，步進電機M 1便開始逆時針帶動膠輥1轉動，圖紙到達傳感器B 7時（具體位置如圖4所示），它將判斷是橫向疊圖還是縱向疊圖。當傳感器B 7被遮擋時則為橫向疊圖，不被遮擋時則為縱向疊圖。當圖紙到達傳感器B0時，步進電機M2開始順時針帶動膠輥3轉動。當單片機接受到傳感器發出的信號和按鍵掃描到的結果后，便根據相應的程序步進電機M1M2保持相同的速度運轉，直到圖紙前沿到達并覆蓋傳感器B6時，便將從傳感器B 6的位置到此折疊完為止的長度的初值賦給定時器，即此時又開始定時了，M1M2步進電機在定時結束后同時減速停止，至此圖紙的第一折疊完。當折疊有裝訂邊的圖紙時，首先折疊有裝訂邊的一頁，即為起始頁，從第二頁起便是一整頁紙的長度了。

圖4 疊圖機機械結構

當選擇中間有疊紙的折疊方式時，為使最后一折為整頁圖紙的寬度，需將多余部分折疊到中間，所以需要對最后幾折進行處理，最后幾折的處理程序流程圖如圖5所示。

當觸發外部中斷1后，即傳感器B 1不在被圖紙遮蓋時（短紙除外），最后幾折處理程序便開始了。首先計算出沒折疊的圖紙的長度，該長度是指從B 1傳感器的位置到圖紙最后一點的位置。當折疊長紙的時候，觸發外部中斷1時M 8253定時器T 2便開始計數了，但是此時已經進入到計算沒折疊圖紙的長度的程序中，所以計算出來的長度為0。但是當折疊短紙的時候，則需要減去一個距離。因為對外部中斷1中標志位的掃描是在折完第一折圖紙后進行的，而短紙在折疊第一折圖紙時就已經發生外部中斷1了，所以要減去一個距離，那么這個距離需要利用M 8253定時器T 2計算。在處理短紙過程中，觸發外部中斷1時計數也便開始了，當進入到計算沒折疊圖紙長度的程序中時讀出該計數的數值。當計數器計算出沒折疊圖紙的長度后，經過程序對該長度的判斷，選擇出與此計算圖紙長度的大小對應的處理程序。由于在出圖的時候只有一個方向能出圖即傳感器B 6所在的方向，這就需要在每折折完后都要使counter值加1，在處理最后幾折圖紙部分時來判斷所折疊的是奇數還是偶數來進行相應的處理。當傳感器B 0檢測不到信號時就可以關閉M 1了，此時M 1已經不起作用了。當檢測不到B6的信號時，說明圖紙已經出來，即M 2可以關閉了。一張圖紙折疊完后，程序便返回到按鍵掃描程序，等待下一次疊圖。疊圖機疊圖控制過程的程序流程圖如圖6所示。

圖5 程序流程圖

2.2 疊圖機折疊尺寸的控制算法

疊圖機折疊尺寸的算法是實現精確控制折疊尺寸的靈魂。

本疊圖機需要實現疊圖速度為15 m/分鐘[4]，在疊圖機機械結構中如圖2所示，與M 2齒滑輪連接的即為主膠輥，其直徑為81 mm，則周長為254 mm，那么步進電機轉360°圖紙所走的距離即為該膠輥的周長。在步進電機驅動器采用整步和步進電機步距角為1.8°的情況下即每個脈沖轉動1.8°的步距[6]，那么360°就需要200個脈沖，所以經計算一個脈沖為1.272 mm，即行走1 mm是0.786個脈沖。

圖6 程序流程圖

在本設計中我們采用了十細分的步進電機驅動器，即每個脈沖在整步的情況下轉動0.18°的步距角，這樣避免了步進電機容易丟步的缺點，而且使疊圖機疊圖更加精確。我們將脈沖頻率設置為2000 Hz，便實現了15 m/分鐘的要求，那么行走1 mm就是7.86個脈沖了。

當我們計算需要折疊一折圖紙的長度時，用這個長度減去拖紙膠輥3（具體位置如圖2所示）與主膠輥的接觸點到傳感器B 6的距離，然后再乘上1 mm的脈沖數7.86，便是步進電機所走的距離所轉化成的脈沖數。我們必須再經過誤差分析和反復折疊過程便可得到精確的數值，得到結果后將此值賦予單片機定時器0即可。

對于沒有中間折紙要求的圖紙，后面幾折都是通過相同的算法實現的，也就是通過疊完每折圖紙后，改變步進電機M 2的方向，然后定時器定時一折所走長度的時間，通過重復此過程來實現剩下圖紙的折疊。

3 結束語

自動疊圖機的軟硬件控制系統與機械結構組成的機電控制設備，實現了對不同規格尺寸工程圖紙的各種尺寸和方式的折疊。通過采用單片機對步進電機控制及傳感器檢測，以及控制算法實現對折疊尺寸的精確控制。經實驗得出，誤差控制在0.5 mm范圍內，使產品廣泛用于國內各企業單位。

[1] 李朝青.單片機原理與接口技術(第3版)[M].北京: 北京航空航天大學出版社, 2005.

[2] 劉艷玲.疊圖機控制系統的硬件電路設計與實現[J].制造業自動化, 2010, 32(6): 71-72.

[3] 楊書華, 霍孟友.微機原理及軟硬件接口技術[M].機械工業出版社, 2004.

[4] 張鐵峰.疊圖機控制系統設計與開發[D].天津: 天津理工大學, 2010.

[5] 武津城.疊圖機控制和驅動系統的研制[J].天津科技大學學報, 2007, 22(4): 83-85.

[6] 劉寶廷.步進電動機及其驅動控制系統[M].哈爾濱: 哈爾濱工業大學出版社, 1997.