基于單片機金屬材料加工設備控制系統(tǒng)設計

王 昶

（武漢輕工大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430023）

單片微型計算機簡稱單片機或稱為微控制器，是微型計算機的一個重要分支。由于其電路芯片上集成了多個接口電路及中斷系統(tǒng)、晶振等部件，使其具有功能強、體積小、可靠性高及價格低廉等優(yōu)點；成為傳統(tǒng)工業(yè)技術改造及新產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想機種。本文對單片機金屬材料加工設備控制系統(tǒng)設計，為提升工業(yè)領域的應用的控制力度奠定良好基礎[1]。

1 總體設計

在金屬零件加工設備控制系統(tǒng)當中，由很多模塊構成，其中，STC89C52單片機是其中最為關鍵的一部分，一方面用來對金屬材料信息管理系統(tǒng)，另一方面對加工設備控制。從金屬材料信息收集的角度來說，需要在設備的內部，安裝相應的金屬離子傳感器，由其自動采集并傳輸信息。通過市場進行調查可知，在我國市場內，存在很多類型的金屬加工設備傳感器，針對這些設備的特點與性能，結合經(jīng)濟型原則，在設計過程中，采用相應的導線進行替換，即利用導線的形式，根據(jù)不同的工業(yè)要求，單片機控制系統(tǒng)不同于通用微機系統(tǒng)，它具有自己獨特的特點，即其專用性和可靠性。通過對鍵盤的控制，設定出標準金屬材料參數(shù)，與傳統(tǒng)方法相比，現(xiàn)在的開發(fā)工具具有不可比的先進性，方便性，可以提高金屬生產(chǎn)效率，縮短開發(fā)周期。

2 硬件部分設計

2.1 單片機

單片機是該系統(tǒng)當中最為重要的一部分，相當于人類的大腦，各項活動的執(zhí)行均需要由其發(fā)布命令與控制。所以，在硬件部分設計時，首先需要選擇最佳的單片機[2，3]。在科學技術快速發(fā)展的今天，單片機技術不斷更新與換代，逐漸研制出很多不同型號的單片機，如AT型、AVR型、PIC型等，不同型號的單片機內部結構、功能等均存在一定差異。針對本水箱水位與溫度控制的需求，本系統(tǒng)設計時，選擇了由深圳天啟盛電子有限公司生產(chǎn)的型號為STC89C52RC的單片機。對于該單片機來說，能夠相對較低，但性能較高，標準功能有：8k字節(jié)的Flash，512字節(jié)的RAM，32為i/o接口，看門狗定時器等，存在很多其他單片機沒有的功能。從芯片的角度來說，由于其具有8字節(jié)的Flash，不僅方面單片機的使用，而且還賦予系統(tǒng)更高的靈活性，為系統(tǒng)的有效運行提供重要幫助[4]。

2.2 設備加工裝置

在金屬材料加工方面，為了降低系統(tǒng)的設計成本，本文對金屬加工加熱后設備控制系統(tǒng)設計時，采用導線的方式，代替了常規(guī)的設備傳感器。根據(jù)加工工藝的具體情況，由上至下將其劃分成三個等級，分別以“3”、“2”、“1”進行表示。隨著設備內部加工材料的逐漸增加，加工溫度也不斷上升，當其達到特定等級時，就會連接該等級設備所對應的電路，通過電路的控制，使得相對應的I/O接口出現(xiàn)高電平，進而反映出設備加工的具體情況。若在標準位置以下進行加工時，會由單片機進行控制，并接通設備發(fā)電機，在裝置內，還安裝了蜂鳴器，當金屬加工設備未在標準值范圍內時，打開蜂鳴器電源，使蜂鳴器運行，向工作人員發(fā)出相應的警報，使其掌握金屬材料加工情況。

2.3 機械動作

除上述四個部分之外，硬件模塊設計時，還應對機械動作進行設計。在機械動作模塊當中，由三個電路構成，分別控制不同的元件，其中，一個控制和設備發(fā)電機；一個控制金屬加工設備，以使在進行高速金屬加工時，及時將多余廢渣排出；最后一個控溫設備，以調節(jié)金屬材料在進行加工時設備溫度過高，導致設備不能正常運行。具體來說，整個機械動作模塊內，主要包括下述幾個元件：①3個電阻，組織為1000Ω；②3個三極管，型號為2N3906；③3個二極管，型號為1N4007；④三個繼電器，型號為HH52P11；⑤2個發(fā)電機；型號為PC360-7-8；⑥1個控溫設備，功率為600W；⑦1個晶振器，功率為12MHz；⑧2個開關，用來對整個模塊的控制。

3 軟件模塊設計

3.1 單片機軟件設計

單片機的主要功能主要為數(shù)控采集、通信、控制，分別在不同的程序模塊中實現(xiàn)，依據(jù)實現(xiàn)功能，單片機的軟件設計可分為采集控制模塊和串口通信模塊。根據(jù)加工設備測控系統(tǒng)的特點，針對進行調理、A/D轉換后送來的機械加壓溫度信號，在單片機主程序當中采取查詢法進行循環(huán)采集。在程序編寫過程當中，針對溫度信號，結合金屬材料加工設備運行溫度范圍，采用上、下限判斷的方法進行二次軟件濾波，消除加工運行干擾，確保數(shù)據(jù)采集的可靠性及真實性。同時，判斷串口通信模塊送來的機械加壓溫控制信號，實時通過繼電器控制金屬加工設備工作，以確保被控區(qū)域溫度在規(guī)定范圍之內。

當要對設備運行溫度進行控制時，上位機先發(fā)一個命令字，再發(fā)數(shù)據(jù)，串口通信模塊根據(jù)命令字和數(shù)據(jù)首先判斷修改的加工設備溫度范圍數(shù)據(jù)是否合理，如果數(shù)據(jù)錯誤，則向上位機反饋錯誤信息，如果合理，則完成相應的控制采集操作。

3.2 信號控制模塊設計

信號控制模塊設計主要是顯示界面上加工設置溫度控制的上、下限和極限報警時間。當被控區(qū)域的機械加壓溫度超出下限時，由信號控制模塊自動通過串口通信模塊向單片機發(fā)送加壓溫控制信號，以控制加壓溫爐向被控區(qū)域加溫，同時，實時監(jiān)測由串口通信模塊收到溫度信息，當溫度達到預定值時，再次通過串口通信模塊想單片機發(fā)送控制信號，停止向金屬加工設備加溫。當設備溫度長時間超出預定溫度上、下限時，信號控制模塊向單片機發(fā)送報警控制信號，以供技術人員進行現(xiàn)場檢查和確認。

3.3 主程序設計

根據(jù)系統(tǒng)的目的及復雜性、可靠性、精度及速度要求，選擇一種硬件模塊設計后，想要使整個系統(tǒng)能夠有效運行，還應對軟件程序進行設計。其中，主程序流程為：將系統(tǒng)打開，將系統(tǒng)內數(shù)據(jù)初始化，之后針對所需的具體要求，設定出金屬材料加工參數(shù)值，并利用實際加工數(shù)據(jù)與其進行對比，若在該標準范圍內，則直接將數(shù)據(jù)轉換為相應的信息，并將其顯示出來；若不在該標準的范圍內，則在發(fā)出警告的同時，將數(shù)據(jù)轉換為相應的信息，并將其顯示出來，最后結束整個系統(tǒng)的運行，具體如圖1所示。

3.4 信號控制模塊設計

信號控制模塊設計主要是在顯示界面上、下限和極限報警時間。當被控制區(qū)域的溫度超出下限時，由信號控制模塊自動通過串口通信模塊接收到的溫度信息，當溫度達到預定值時，再次通過串口信號模塊向單片機發(fā)送控制信號，停止向被控區(qū)域加溫。當被控區(qū)域的溫度長時間超出預定的溫度上、下限時，信號控制模塊向單片機發(fā)送報警控制信號，以供工程技術人員進行現(xiàn)場檢查和確認，具體如圖2所示。

圖1 主程序運行流程圖

圖2 溫度采集軟件流程圖

3.5 鍵盤處理

鍵盤分析時，首先將系統(tǒng)開啟，對鍵值進行掃描，并對按鍵狀態(tài)進行判定。若判定為沒有按鍵按下，則返回到開始狀態(tài)，重新掃描；若判定為有按鍵按下，則等待10ms延時后，再次對按鍵進行判定，若判定為沒有按鍵按下，則返回到開始狀態(tài)，重新掃描；若判定為有按鍵按下，提取出鍵值，將程序的執(zhí)行交給鍵盤處理子程序，最后，結束整個鍵盤流程，具體流程如圖3所示。

圖3 鍵盤分析流程圖

4 系統(tǒng)的調試

設計出完整的金屬材料加工設備及溫度控制系統(tǒng)后，為了解其具體情況，還應對其進行調試。首先調試各個模塊，各個模塊功能符合要求后，對系統(tǒng)整體進行調試。通過調試可以發(fā)現(xiàn)，本文設計出來的系統(tǒng)性能了解，能夠準確檢測出設備運行狀態(tài)，有效控制金屬材料加工設備溫度，誤差率1%以內，可應用到實際當中。調試結果如表1所示。

表1 系統(tǒng)調試結果

5 總結

為了更準確的對金屬材料加工與溫度進行控制，應加強對單片機技術的應用力度，依次為核心，從溫度控制、設備運行監(jiān)測、按鍵等多個角度出發(fā)，設計出性能良好，功能健全的水位與設備運行控制系統(tǒng)，從而為工業(yè)企業(yè)經(jīng)濟構建出更加良好的發(fā)展環(huán)境。