基于單片機(jī)的捻線機(jī)控制器設(shè)計(jì)

浙江德安科技股份有限公司 徐益武

基于單片機(jī)的捻線機(jī)控制器設(shè)計(jì)

浙江德安科技股份有限公司 徐益武

為了提高纖維濾料的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，需要設(shè)計(jì)適合纖維濾料生產(chǎn)的捻線機(jī)控制器。先根據(jù)捻線機(jī)的被控電氣對(duì)象和分析影響濾料質(zhì)量的因素，從調(diào)節(jié)纖維紗錠的捻度和成型兩方面，提出以單片機(jī)為核心的硬件電路和纖維紗錠成型算法。實(shí)現(xiàn)纖維濾料高的蓬松度和低的脫毛率，使單位體積內(nèi)的濾料達(dá)到更好的截污效果。

捻線機(jī)；單片機(jī)；纖維濾料

一、前言

水處理過濾工藝中經(jīng)常用到纖維濾料，質(zhì)量的好壞直接影響過濾效果。捻線機(jī)作為纖維濾料的關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)，直接影響下一注塑環(huán)節(jié)的濾料加工質(zhì)量。由于纖維濾料注塑工藝和紗錠桶形狀的要求，需要適合的硬件電路和紗錠成型程序算法，來控制捻線機(jī)的被控電氣對(duì)象。

捻線機(jī)主要被控電氣對(duì)象由錠子電機(jī)、鋼領(lǐng)板電機(jī)、送線電機(jī)、限位開關(guān)、按鈕等組成[1]。影響濾料質(zhì)量的因素有蓬松度和脫毛率。濾料越蓬松過濾效果越好，斷線率越低濾料脫毛率越低。通過調(diào)節(jié)捻線機(jī)的捻度控制濾料的蓬松度，同時(shí)，調(diào)節(jié)紗錠的成型效果，減少纖維的斷線數(shù)量。為此設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的捻線機(jī)控制器，來控制捻線機(jī)的捻度和纖維濾料的成型效果。

二、硬件設(shè)計(jì)

（一）硬件總體結(jié)構(gòu)

捻線機(jī)控制器硬件包括STC15單片機(jī)、光電隔離輸入接口、光電隔離輸出接口、鍵盤輸入、19264液晶屏及外圍硬件組成。STC15單片機(jī)作為核心，通過光電隔離輸入接口，檢測(cè)上、下限位開關(guān)信號(hào)，啟/停旋鈕信號(hào)；通過光電隔離輸出接口控制錠子變頻器、送線變頻器、鋼領(lǐng)板變頻器的啟停以及鋼領(lǐng)板變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)方向；通過鍵盤輸入和19264液晶屏，把鋼領(lǐng)板變頻器的運(yùn)行參數(shù)保存在內(nèi)部EEPROM中。急停按鈕作為應(yīng)急切斷總電源用。硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 單片機(jī)及鍵盤顯示電路圖

（二）單片機(jī)及鍵盤顯示電路設(shè)計(jì)

捻線機(jī)控制器的單片機(jī)采用STC15W4K32S4，是一款高抗靜電的單片機(jī)，適合粉塵環(huán)境下可靠運(yùn)行。4K字節(jié)的RAM和高速指令周期，適合C語言編程及算法實(shí)現(xiàn)。5個(gè)16位可重裝載的定時(shí)器和內(nèi)部集成26K字節(jié)EEPROM，用于精確定時(shí)和參數(shù)存儲(chǔ)[2]。單片機(jī)使用內(nèi)部晶振，可靠性高，并支持ISP在線下載程序。

單片機(jī)及鍵盤顯示電路如圖2所示，按鍵分為“加”鍵、“減”鍵、“左移”鍵、“右移”鍵、“確認(rèn)”鍵和“退出”鍵，低電平有效。顯示采用192*64點(diǎn)陣液晶屏，內(nèi)涵字庫(kù)，P2口為數(shù)據(jù)口，P0.2為指令或數(shù)據(jù)選擇線，P0.1為數(shù)據(jù)讀寫選擇線，P0.0和P3.7為屏顯示選擇線。P1.3為背光控制線。

（三）光電隔離輸入輸出接口設(shè)計(jì)

光電隔離輸入輸出接口如圖3所示。輸入接口采用負(fù)邏輯傳輸電路結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強(qiáng)[3]。下限位開關(guān)S1，是PNP接近開關(guān)，額定開關(guān)次數(shù)多。S1打開時(shí)，代表狀態(tài)“0”，光耦Q1失電，集電極輸出開路，單片機(jī)P1.0輸入為高電平“1”；下限位開關(guān) S 1，閉合時(shí)，代表狀態(tài)“1”，光耦Q1得電，集電極輸出短路，單片機(jī)P1.0輸入為高電平“0”。LED1為調(diào)試指示燈。同理再設(shè)計(jì)的相同的電路，P1.1為上限位開關(guān)輸入，P1.2為啟/停旋鈕輸入。

輸出接口采用光電隔離NPN輸出方式，與繼電器控制比較，控制時(shí)間短，額定開關(guān)次數(shù)多。適合于綱領(lǐng)板變頻器的頻繁的正反轉(zhuǎn)控制。單片機(jī)P1.4輸出0V時(shí)，集電極MX與GND接通，綱領(lǐng)板變頻器運(yùn)行狀態(tài)為正方向啟動(dòng)；P1.4輸出5V時(shí)，集電極MX與GND開路，綱領(lǐng)板變頻器運(yùn)行狀態(tài)為正方向停止。LED2為調(diào)試指示燈。同理，再設(shè)計(jì)3路相同的電路，P1.5控制綱領(lǐng)板變頻器運(yùn)行為反方向啟動(dòng)和停止，P1.6控制錠子變頻器的啟動(dòng)與停止，P1.7控制送線變頻器的啟動(dòng)和停止。

圖3 光電隔離輸入輸出接口圖

三、軟件設(shè)計(jì)

（一）程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

程序結(jié)構(gòu)如圖4。單片機(jī)上電初始化后，主程序輪詢調(diào)用鍵盤檢測(cè)程序、數(shù)字量輸入程序、按鍵處理程序、LCD顯示程序、捻線自動(dòng)程序和數(shù)字量輸出程序。T0定時(shí)中斷程序定時(shí)周期為1毫秒，負(fù)責(zé)給捻線自動(dòng)程序提供精確的時(shí)間。鍵盤檢測(cè)程序、鍵盤處理程序和LCD顯示程序負(fù)責(zé)捻線參數(shù)設(shè)置。數(shù)字量輸入程序、捻線自動(dòng)程序和數(shù)字量輸出程序負(fù)責(zé)捻線的算法形成和控制步驟執(zhí)行。

圖4 程序結(jié)構(gòu)圖

圖5 交替雙錐型算法示意圖

（二）捻線形狀算法

為了達(dá)到適合的捻度，可以調(diào)節(jié)送線變頻器和錠子變頻器的頻率。纖維絲斷絲的主要因素，一方面線卡入線桶邊緣，另一方面線在繞圈過程中，圈與圈過渡太快。經(jīng)試驗(yàn)，交替雙錐型[4]能解決線卡入線桶的問題。但要加工出交替雙錐型形狀，在程序中要編制成型和平緩過渡的算法。

一個(gè)周期的交替雙錐型算法示意如圖5。上限位和下限位代表有效捻線安全距離，同時(shí)，也是綱領(lǐng)板變頻器換向點(diǎn)。箭頭代表變頻器運(yùn)行的方向。變頻器從下限位開始正向運(yùn)行，經(jīng)過A1的距離，再反向運(yùn)行B1距離，接著繼續(xù)運(yùn)行，由A5運(yùn)行到上限位，完成線圈逐步往上繞線的過程，同理從D1到D5完成線圈逐步往下繞的過程。其中線段A1、A2、A3、A4、A5的長(zhǎng)度和線段D1、D2、D3、D4、D5的長(zhǎng)度相等，同樣，線段B1、B2、B3、B4的長(zhǎng)度和線段C1、C2、C3、C4的長(zhǎng)度相等。根據(jù)線在路徑上經(jīng)過的次數(shù)，形成了過渡均勻，形狀對(duì)稱的圓錐區(qū)和圓柱區(qū)。綱領(lǐng)板變頻器的運(yùn)行速度是固定的，這樣只要設(shè)置變頻器的運(yùn)行時(shí)間，就能得到A、B、C、D線段的長(zhǎng)度。

四、結(jié)論

通過單片機(jī)STC15W4K32S4和接口電路的設(shè)計(jì)，并編制完成交替雙錐型纖維紗錠成型算法，硬件可靠性高，操作簡(jiǎn)單。經(jīng)試驗(yàn)運(yùn)行，纖維紗錠成型好，纖維濾料蓬松度好和脫毛率低，單位體積內(nèi)的濾料達(dá)到更好的截污效果。

[1]萬燾．捻線機(jī)控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]．碩士學(xué)位論文:武漢理工大學(xué),2013．

[2]朱兆優(yōu),姚永平等．單片微機(jī)原理及接口技術(shù)——基于STC15W4K32S4系列高性能8051單片機(jī)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015:7-8．

[3]王幸之,王雷翟,成王閃等．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[M]．北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001:260-261．

[4]王富東,李云飛,沈曉飛．花式捻線機(jī)控制器的智能化[J]．紡織導(dǎo)報(bào),2001(4):19-22．

徐益武（1979—），男，浙江寧波人, 碩士，浙江德安科技股份有限公司工程師，主要從事基于單片機(jī)的軟硬件開發(fā)工作。