一種便捷式的基于Arduino控制的剪線機的硬件設計

［摘 要］隨著工業化步伐的不斷邁進，汽車、家電、電子、儀表、電動工具等產品的需求日益增長，而這些產品的制造過程中均涉及大量的電線處理。傳統的手工剝線方式效率低下，既耗時又費力，已難以滿足現代生產的高效和快節奏要求。文章介紹了一種基于Arduino 控制的剪線機的硬件設計，其具備高精度、高速度、多功能的特點，能夠替代人工進行大批量的變距剝線作業，極大地提升了生產效率。

［關鍵詞］單片機；Arduino ；剪線機；控制系統；硬件

［中圖分類號］TG43 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0111–03

1 基于Arduino控制的剪線機的工作原理

基于Arduino 控制的剪線機先在觸摸屏上輸入各參數數據，包括前后兩端剝線距離及剝線數量，單片機接收到信號后，開始進行內部計算，控制步進電機工作，與此同時各傳感器把接收到的數據反饋給單片機，步進電機控制滾輪轉動，從而帶動電料輸送，通過精準的距離計算后，到達指定位置，然后單片機控制舵機轉動，進而控制切、剝線轉換，從而實現剝線和裁線。剪線機三維模型如圖1 所示。

2 單片機控制系統硬件設計

硬件設計在單片機控制系統設計中至關重要。其決定了單片機系統能否正常工作，并最終影響著整個系統的性能和質量。因此，在單片機控制系統的硬件設計過程中需要對整體進行分析和研究，判斷可實施性。硬件設計主要是指硬件選擇、外部電路和接線圖的繪制及單片機外加功能模塊的選擇。

2.1 單片機機型選擇

單片機的集成度逐漸升高，多數外圍部件已被集成于芯片內部，部分單片機本身即構成一個完整系統，顯著減少了外圍部件的擴展需求，進而簡化了設計任務量。

比如，C8051F020 這款8 位單片機在市場上備受青睞，其集成了8 通道A/D、2 通道DIA、2 通道電壓比較器，還內置了可編程數字開關、溫度傳感器、64個通用IO 口、定時器及多個串行總線。這款單片機幾乎相當于一個完整的操作系統。若需要更強驅動與抗干擾能力的單片機，PIC 或AVR 單片機也是不錯的選擇。

原則上，軟件能實現的功能則無需額外硬件，因為硬件增加了成本且可能增加系統故障風險。軟件替代硬件是用時間換空間，適用于非實時性高要求場景。工藝設計包括面板、排線、機箱外殼、接插件等，需考慮安裝、調試和維護的合理性，并加入硬件抗干擾措施。

2.2 I/O模塊及點數的選擇

I/O 端口應留有余地，在現場測試樣機的開發過程中，經常會遺漏一些問題，而這些問題單靠軟件有時很難解決，這時必須擴展硬件設備。硬件設備的拓展需要更多的I/O 端口及收集新的信號數據，也可能需增加輸出端口，若在完成硬件設備之前預留一部分I/O 端口，這樣問題就能很容易解決。

選擇I/O 端口點數時應先考慮成本和性能兩個要素，這樣才能達到較好的效果。一般情況下，單片機系統中的I/O 端口越多，價格也越高。若備用I/O 點數太多，費用會大幅增加。根據控制對象的輸入輸出、總點數、未來可能的需要進行調整和擴展選取相應的單片機，從一般情況來看，I/O 備用點數是實際需求的10%～20% 最合理[1]。

預存一些A/D 和DIA 頻道是出于與上述 I/O 端口相同的原因，保留部分 A/D 和 DIA 通道用于將來的升級。

2.3 存儲容量的選擇

存儲器包括程序存儲器（ROM）和數據存儲器（RAM）。優先選擇具有閃存的產品，因為閃存盤的讀寫速度比軟驅硬盤讀寫速度快，所以在數據存儲量方面有優勢。另外，閃存盤體積小、重量輕、便于攜帶，但要注意其散熱性能。一般來說，不同型號單片機的存儲容量大小都不相同，小型單片機存儲容量一般不小于6 kB，中型單片機的存儲容量一般可以達到64 kB，大型單片機的存儲容量甚至可以達到上兆字節。

程序存儲器的大小可以由程序的大小進行設定。8 位單片機芯片上的程序存儲器最大內存為64 kB，當內存不夠用時，還可以進行擴展，選擇程序的內存容量滿足需求即可，否則會增加成本。

數據存儲器可以臨時存儲數據，但在斷電后數據會丟失，目前有些單片機機型提供了EEPROM，其可以用來存儲在斷電時需要保護的關鍵數據，如一些系統的設置。

2.4 硬件選擇

2.4.1 主控制板模塊

基于ATmega2560 芯片的新一代微型控制板，共有54 個數字輸入和輸出引腳（包括15 個可以用于PWM 輸出）和16 模擬輸入。其包含4 個UART（硬件串行端口）、ICSP 接頭、USB 連接、16 MHz 晶體振蕩器、電源插孔和復位按鈕。采用獨特的低功耗設計方案，系統采用多種特殊技術降低功耗，提高可靠性，外圍電路采用標準CMOS 工藝制造。

2.4.2 拓展版模塊

Ramps1.6 是BIQU 發布的第2 個RAMPS 迭代。其用一對螺絲端子取代了原來的綠色電源連接器，在MOSFET 上增加了一個更大的散熱片，并且有一個更大的底座MOSFET。該板子下面通過排針和ArduinoMega 2560 板子相連，Ramps1.6 最多可以同時安裝5個4988 驅動板，板子采用12 V 供電，當這個板子與mega2560 相連時，發熱量會較大，從而影響性能的穩定性，串口通信也會因此受到影響，此時若給單片機提供一個5 V 的穩壓模塊供電，性能會變得非常穩定。

2.4.3 觸摸屏模塊

觸摸屏結構主要由上下兩層透明材料組成。四線和八線觸摸屏主要運用了兩層表面電阻相同的透明阻性材料。而五線和七線觸摸屏則不同，它們包含一個阻性層和一個導電層，這兩者之間通常由彈性材料隔開。當觸摸屏受到外力作用時，上下兩層材料會發生接觸[2]。這種接觸因位置不同，導致產生的電阻值有所差異，進而形成不同的電阻分壓。這些分壓分別代表X 坐標和Y 坐標，從而能夠精準地確定觸摸點在屏幕上的位置。

2.4.4 步進電機模塊

步進電機是將接收到的脈沖信號轉換為角位移的驅動設備，當接收到脈沖信號時，其向所要求的方向旋轉。步進電機結構較簡單，具有可靠性高、體積小、重量輕、功耗低等優點。在汽車制造、印刷、包裝、醫療儀器、紡織服裝、電子儀表等領域具有廣泛的應用。利用控制脈沖的數量，進而控制電機旋轉的角度，利用控制脈沖的頻率，能夠對電機的轉速和加速度進行控制。

在剪線機設備中，選用步進電機作為執行元件具有以下優點：①輸入脈沖數決定步進電機的位移量，沒有誤差累積；②開環控制以其簡單可靠的系統結構，能夠有效地對速度和位移進行控制，表現優異；③響應速度快；④輸出轉矩大[1]。

為了使電機能夠以更高的速度驅動負載，考慮了轉矩頻率特性。步進電機的轉矩頻率變化過程如圖2所示，曲線3 是最高電流或最大電壓，曲線1 是最小電流或最低電壓，曲線滿足負載時的點是負載的最大速度點[1]。

剪線機選用42BYG–40015–22B 步進電機，該步進電機是一種小的兩相步進電機，步距角為1.8°，經現場測試使用，完全能滿足剪線機控制系統的工作要求。

在加速、減速及恒速各階段中，轉速受到負載轉矩、慣性轉矩及輸入脈沖頻率的影響。為確保步進電機運行平穩可靠、避免失步，其加速與減速過程常采用階梯型變化曲線，如圖3 所示。

圖3 中，Fmin 為步進電機剛開始轉動時的頻率，Fmax 為步進電機平穩運行時候的頻率，t1–t0 為步進電機加速、減速過程中所需的時間差，t3–t2 為步進電機從最高頻率降速至停止時所需的時間。單片機程序通過調整tmin、tmax 加速時間、減速時間等變量改變步進電機頻率，調整步進電機速度的變化。

2.4.5 其他硬件模塊

舵機模塊、步進電機驅動模塊、光電傳感器模塊、電感式接近開關模塊、穩壓模塊。

3 結束語

通過以上硬件設計過程，基于Arduino 控制的剪線機能夠實現精準的距離計算和剝線裁線操作，極大地提升了生產效率，為電子產品制造提供了高效的解決方案。未來，隨著技術的進步可進一步深化剪線機的硬件設計，為電子產品制造等領域作出更大貢獻。

參考文獻

[1] 劉建. 基于PLC 的磨線機和剝線機控制系統的設計與實現[D]. 桂林：廣西師范大學，2008.

[2] 孫國晴. 嵌入式無線水下采集系統的設計與實現[D]. 大連：大連理工大學，2008.

基金項目： 河南省教育廳2023 年大學生創新創業訓練計劃項目（202312746003）；鄭州科技學院2023 年大學生創新創業訓練計劃項目（DC202303）。