基于AVR单片机的自动切线机控制系统设计与应用
闫冰一1，朱登洁1，李培军2，
（1河南工业大学机电工程学院，河南郑州450007；2郑州机械研究所，河南郑州450007）
摘要：根据某企业对太阳能电池金属连接片精确剪切要求，设计了一种用AVR单片机为控制核心的自动折弯切线机。该设备用单片D控制步进电机实现送料、剪切等功能，用霍尔传感器和计数器实现计数，适用于较贵重的金属导体（例如金、银、铜等）的切断。
关键词：AVR单片机；自动切线机；步进电机；霍尔传感器
中图分类号：TM571. 6+I文献标识码：A文章编号：1673-6540(2010)03-0050-05
0引言
根据某企业对太阳能电池金属连接片的精确剪切要求，在材料剪切加工过程中，需要把又薄又细的金属材料定长切断，误差要小；当送料长度到达设定值后，自动先压紧折弯到某角度再切断，当托盘的切料总数达到设定总次数时，自动卸料。对于这样的控制要求，传统的电气控制系统很难实现。针对上述要求设计了一种基于AVR单片机( Atmega32)技术的自动折弯切线机，本文主要讲述该自动折弯切线机的控制系统设计。
1 自动切线机控制系统设计目标
自动切线机控制系统的设计目标如下：
(1)可以手动输入所要求的送料长度、送料速度和总的切料次数；
(2)自动准确地控制送料长度；
(3)当送料长度到达设定值后，先自动压紧折“Z”弯后再切断，当托盘的切料总数达到设定总次数时，自动卸料；
(4)加工过程中，能实时显示当前切料数目；
(5)设定参数可查询和异常报警功能；
(6)保证加工精度和效率，操作简单方便。
2具体方案设计与实现
2.1机械结构组成及自动控刹工作原理
自动切线机机械结构组成如图1所示。
两组托辊的主动轮由步进电机通过同步带传递运动。以AVR单片机为核心的自动控制原理框图如图2所示。
2.2控制系统分析与设计
2. 2.1步进电机和驱动器的确定
步进电机和驱动器均选金坛四海电机电器厂产品，电机型号分别为86BYG402和85BYCH103.步距角为0 9/1.8 DEG，四相八线制。
四相混合式步进电机一般由二相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成二相使用。串联接法一般在电机转
较慢的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，电机发热较大。由于本次设计电源电压为DC24 V，为了提高剪切速度，采用并联接法。
电机驱动器分别为SH2046D和SH2034D。这两款驱动器采用了新型、高速单片机技术，内部采用光电隔离技术，运行稳定可靠，步距细分数****可达256，能满足本系统精度设计要求；同时具有噪声低、效率高、电压范围宽、设置灵活等优点。输入电源接口：采用一组交流供电，AC接AC 20—60 V，3A或接一组直流供电DC 24~ 70 V，3A。功能示意图如图3所示。
2.2 2单片机控制系统的设计
单片机控制系统包括硬件设计和软件设计两部分。设计内容主要包括步进电机驱动控制、开关量信号(霍尔传感器）检测控制、参数输入和显示三部分.
硬件设计如下。
(1)步进电机驱动控制电路。
根据该单片机本身的资源和外扩展电路即可完成该设备的控制要求。具体思路如下。
首先是驱动器连接。接线要求见表1。
共阳接法：阳极分别接CP+、DIR+、FREE+。CP串电阻接CP -，DIR串电阻接DIR -，FREE串电阻接FREE -。
共阴接法：CP串电阻接CP+，DIR串电阻接DIR+，FREE串电阻接FREE+。共阴端分别接CP -、DIR -、FREE -。
DIR:方向电平信号输入端，高低电乎控制电机正／反转。信号电平的改变应错开CP脉冲下降沿2.5s以上。
需要注意的是CP、DIR、FREE端5v时不接电阻，若Ucc大于5v，则使用到的端子分别外串限流电阻R，保证给内部光耦提供8~15 mA的驱动电流。
FREE：脱机信号（低电平有效），当此输入控制端为低时，电机励磁电流被关断，电机处于脱机自由状态。
CP:步进脉冲信号输入，下降沿有效，****响应频率达200 kHz，信号电平稳定时间不小于2 5LLS。
该部分采用八路“D”触发器74HC373连接，其中DO -D7端和单片机引脚连接，Q端与驱动器连接。
其次是相电流及步距细分设定。驱动器采用拨位开关设定相电流及细分数，其中拨位5是半流使能（ON表示非使能，OFF表示使能），拨位6是单、双脉冲设定（ON表示单脉冲，OFF表示双脉冲）。具体没定见表2、3。驱动器细分设定后电机的步距角等于电机的整步步距角除以细分数。
(2)键盘输入和显示接口电路。
键盘完成加工参数及设定参数的输入，通过对自动切线机的整个生产过程分析，设置4 x4的行列式键盘，包括数字0-9、方向和运行、停止等共16个按键。其中74HC273连接行线，总线驱动芯片74HC245连接列线。电路图见图4。
此处74HC273的DO-D7端同样与电机的驱动控制所占用单片机引脚连接，由clk引脚实现芯片的使能叨换，这样虽共用I/O口却不冲突（参数输入过程中电机不会工作），节约了口资源。按键输出端（74HC245的B口）通过74HC21与非门反相后送入单片机外部中断O入口，可以采用中断查询的方法通过扫描键盘编码来执行相应的服务子程序模块。能够设置的主要参数有：两组托轭转速差、托辊送料速度等级、切刀速度等级、托辊直径、切料长度、剪切次数等。
显示部分考虑该控制系统参数设置的方便直观性，采用液晶屏LCD12864，接口电路见图5。
这是一种具有4位／8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8 192个16×16点汉字和128个16 x8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以屁示8×4行l6×16点阵的汉字，也可完成图形显示，低电压、低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，其硬件电路结构和显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块，故采用该产品。
同时按照客户要求，设计了蜂呜器构成的报警电路，由单片机某引脚进行控制。
(3)开关量信号控制。
气缸阀门、铡刀和收料机构的位置在系统}I电进行初始化时对其进行检测，其初始位置安装有霍尔元件。每次完成动作后都回归初始位置，这样压弯和剪切机构的各自行程距离固定，计算出的行驶时间内仍然可以送料，可以提高工作效率。气缸阀门和收料机构的继电器控制电路见图6，其中Sig端口和后接的电流放大电路分别控制相应继电器。
(4)电源的设计。
电源变压器设计在机械本体内部，将AC220V电压分别转换为DC 24 V、和DC 5 V弱电，为单片机和步进电机提供电源。
软件设计如下。
(1)参数设置菜单的按键操作：中断进入参数设定界面后，待设定的参数闪烁，频率为l Hz。系统分为正常工作和测试状态两种工作模式。按动方向键，改变待设窟参数，并且在翻动到上下两端时自动翻页。在设置参数的过程中按下“运行”键存储并自动跳到下一项参数选择。在设置参数的过程中按下停止键，则退出设置菜单，并曩_提示是否保存该次设置。
(2)切料定长和压弯的实现：设定参数存储在相应的内存单元，计算主程序调用设定的参数，经过系列运算得出定长对应的脉冲数及频率、速度和时间的对应关系，从而完成精确压弯、定长切料。程序流程图见图7。
3 难点及措施
(1)经过多次计算和试验，确定了压“Z”弯的角度和位置、时间的关系，同时提高工作效率并满足精度要求。
(2)多次调试以减小长度误差。措施如下：设置较大的步距细分数；适当加大减速传动比；增大材料和托辊问的摩擦力，防止打滑；增加传动系统阻尼；提高机械本体的设计安装精度，减小传动间隙。
(3)调整众多子程序的调用次序和算法以减 少单片机CPU的占用时间，提高反应速度；同时应用单片机看门狗功能提高系统运行的稳定性。
4应用结果及分析
该设备在实际运行中满足了客户的精度要求，误差小于0.3 mm，****剪切长度5 000 mm，单次****剪切数目为50 000次，每次可同时剪切1~ 15根线材。
为进一步提高设备精度，可安装高分辨率光电编码器构成闭环控制系统；为了提高系统的可靠性，可增加后备电池切换、掉电判别等功能。
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