胡禮廣，王 剛

（浙江師范大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究中心，浙江 金華321000）

近幾年以來，在浙江義烏、浦江一帶，水晶飾品鑲嵌行業(yè)的快速發(fā)展，引發(fā)了對(duì)水晶飾品鑲嵌工藝的各種改進(jìn)，但由于鑲嵌過程的特殊性，目前主要采用人工方式，該工藝過程總的缺點(diǎn)是：成品率低，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大。

本文針對(duì)鑲嵌過程的工作特點(diǎn)，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種由單片機(jī)為控制核心的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，從而提供一種光電感應(yīng)、磁動(dòng)操作鑲嵌全過程自動(dòng)控制的水晶飾品鑲嵌機(jī)，使飾品鑲嵌操作由最初的手工鑲嵌轉(zhuǎn)為自動(dòng)化鑲嵌，最終達(dá)到降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)過程的成品率的目的。

1 水晶飾品鑲嵌機(jī)

水晶飾品鑲嵌機(jī)的工作原理是，放料槽中放入水晶后，按下控制面板上的控制按鈕，水晶在平動(dòng)振動(dòng)器的振動(dòng)下，沿送料道向前送進(jìn)，同時(shí)通過控制系統(tǒng)將鑲嵌鏈送到?jīng)_頭上方的指定位置，當(dāng)水晶送到位后，由光電感應(yīng)器發(fā)出信號(hào)，在系統(tǒng)的控制下，磁鐵通過電流產(chǎn)生沖力，完成鑲嵌，然后將沖壓好的鑲嵌鏈在系統(tǒng)的控制下送出，同時(shí)將下一節(jié)鑲嵌鏈送到指定位置。步進(jìn)送鏈的長度與時(shí)間由單片機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)目的多少來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度，鑲嵌夾緊力的大小根據(jù)水晶的尺寸由單片機(jī)控制磁鐵的電流來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)本次設(shè)計(jì)的實(shí)際需要、系統(tǒng)性能指標(biāo)、設(shè)計(jì)開發(fā)周期、資金成本等情況，選擇單片機(jī)控制人機(jī)界面的控制方式，系統(tǒng)控制方案結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

整個(gè)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制單元、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、電磁鐵和人機(jī)界面等組成。其中單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)鑲嵌機(jī)的自動(dòng)控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC12C5410AD

單片機(jī)一方面要通過各種指令對(duì)整個(gè)鑲嵌水晶系統(tǒng)動(dòng)作實(shí)施控制，另一方面通過人機(jī)界面與外界進(jìn)行通信，接受人的各種指令要求。單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，選用適當(dāng)?shù)膯纹瑱C(jī)很重要。單片機(jī)選型的基本原則是在滿足基本控制功能和容量的前提下，盡量保證工作可靠、維護(hù)使用方便以及最佳的性價(jià)比。基本步驟是先根據(jù)工藝控制條件對(duì)I/O點(diǎn)數(shù)(數(shù)字量及模擬量)進(jìn)行準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)，在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上再增加10%～30%的余量來確定I/O總點(diǎn)數(shù)，使得所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)有一定的擴(kuò)充性，同時(shí)方便調(diào)試階段臨時(shí)增加點(diǎn)數(shù)的需要。根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)際需要，選擇采用STMicroelectronics公司生產(chǎn)STC系列單片機(jī)(STC12C5410AD)，它屬于新一代高速M(fèi)CU，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，4路 PWM，8路高速 10 bit A/D 轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，適用于強(qiáng)干擾場(chǎng)合[1]。

2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STC微控器及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器構(gòu)成的最小系統(tǒng)為核心，包括數(shù)據(jù)采集、鍵盤與顯示、控制與執(zhí)行及供電電源等單元。

數(shù)據(jù)采集單元分為水晶位置檢測(cè)和水晶鑲嵌個(gè)數(shù)兩部分。

鍵盤與顯示單元包括以可編程鍵盤顯示專用接口芯片ZLG7290為核心的鍵盤輸入以及LED數(shù)碼管和指示燈顯示部分。

控制與執(zhí)行單元由光電耦合器件、功率器件、步進(jìn)電機(jī)及電磁鐵等組成。

硬件主要控制組成部分如下：

(1)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)充分利用了單片機(jī)STC12C5410AD 的 ADC、SPI、PWM、UART 等內(nèi)部硬件資源，減小了系統(tǒng)體積，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。包括擴(kuò)展了存儲(chǔ)器的STC12C5410AD微控器、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及總線驅(qū)動(dòng)電路等部分，其原理圖如圖2所示[2]。

(2)步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)：鑲嵌送鏈的平穩(wěn)程度直接影響鑲嵌質(zhì)量，而送鏈速度的平穩(wěn)程度取決于送鏈電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此設(shè)計(jì)鑲嵌控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下兩個(gè)因素：①實(shí)現(xiàn)等速送鏈；②步進(jìn)電機(jī)的速度控制通過控制單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)。鑲嵌步進(jìn)電機(jī)控制原理框圖如圖3所示[3-4]。

(3)信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)：本電路要接收信號(hào)，其中STC單片機(jī)的 P1.0～P1.3是采樣電壓信號(hào)，P1.4～P1.7是采樣電流信號(hào)，信號(hào)輸入電路原理圖如圖4所示。

(4)信號(hào)輸出電路設(shè)計(jì)：本電路要輸出4個(gè)信號(hào)，分別控制步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵、光電檢測(cè)、送料機(jī)構(gòu)，這些信號(hào)通過繼電器控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，來實(shí)現(xiàn)鑲嵌機(jī)的自動(dòng)化控制。信號(hào)輸出電路原理圖如圖5所示。

(5)顯示面板電路設(shè)計(jì)：本電路用STC單片機(jī)的一個(gè)引腳來接二極管顯示器的公共端，控制其顯示。其原理如圖6所示。

3 微機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

鑲嵌工藝流程是編寫程序的依據(jù),本控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)的程序流程圖

根據(jù)控制任務(wù)，鑲嵌控制程序編寫如下：

系統(tǒng)內(nèi)存分配(30H～6FH)

XRUH EQU10H；步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行加減速步數(shù)高字節(jié)

XRUL EQU11H；步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行加減速步數(shù)低字節(jié)

XRDH EQU12H；步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行加減速步數(shù)高字節(jié)

XRDL EQU13H；步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行加減速步數(shù)低字節(jié)

XRNH EQU14H；步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行勻速步數(shù)高字節(jié)

XRNL EQU15H；步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行勻速步數(shù)低字節(jié)

XNNT EQU16H；步進(jìn)電機(jī)每走一步PCA2中斷次數(shù)

XBNT EQU17H；步進(jìn)電機(jī)每走一步PCA2中斷次數(shù)

ZRUH EQU18H；步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行加減速步數(shù)高字節(jié)

ZRUL EQU19H；步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行加減速步數(shù)低字節(jié)

ZRDH EQU1AH；步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行加減速步數(shù)高字節(jié)

ZRDL EQU1BH；步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行加減速步數(shù)低字節(jié)

ZRNH EQU1CH；步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行勻速步數(shù)高字節(jié)

ZRNL EQU1DH；步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行勻速步數(shù)低字節(jié)

ZNNT EQU1EH；步進(jìn)電機(jī)每走一步PCA2中斷次數(shù)

ZBNT EQU1FH；步進(jìn)電機(jī)每走一步PCA2中斷次數(shù)

KD EQU38H；開關(guān)量緩沖地址

步進(jìn)電機(jī)控制（部分）

ACP BIT P1.5；水晶輸送

ACW BIT T0 ；A軸正反轉(zhuǎn)控制

……

I0 BIT 78H；送鏈正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)

I1 BIT 79H；送鏈反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)

I2 BIT 7AH；送鏈分度

I3 BIT 7BH；嵌珠點(diǎn)動(dòng)

I4 BIT 7CH；嵌珠控制

I5 BIT 7DH；送料控制

I6 BIT 7EH；運(yùn)行控制

I7 BIT 7FH；珠到檢測(cè)

平行振動(dòng)器開關(guān)控制（部分）

……

IQ0 EQU0D800H ；開關(guān)量輸入輸出端口0地址

IQ1 EQU0D900H ；開關(guān)量輸入輸出端口1地址

X0AD EQU0D900H ；開關(guān)量輸入輸出端口1地址

XQAD EQU0DA00H；0D900H；開關(guān)量輸入輸出端口1地址

IQ2 EQU0DA00H ；開關(guān)量輸入輸出端口2地址

IQ3 EQU0DB00H ；開關(guān)量輸入輸出端口1地址

ZQAD EQU0DB00H ；開關(guān)量輸入輸出端口1地址

IN0 EQU2FH；開關(guān)量輸入端口0緩沖地址

IN1 EQU2EH；開關(guān)量輸入端口1緩沖地址

IN2 EQU2DH；開關(guān)量輸入端口2緩沖地址

IN3 EQU2CH；開關(guān)量輸入端口3緩沖地址

OUT0 EQU2BH；開關(guān)量輸出端口0緩沖地址

X0OUT EQU2AH；開關(guān)量輸出端口1緩沖地址

XOUT EQU29H；2AH；開關(guān)量輸出端口1緩沖地址

OUT2 EQU29H；開關(guān)量輸出端口2緩沖地址

ZOUT EQU28H；開關(guān)量輸出端口3緩沖地址

最終完成控制系統(tǒng)接線圖。

水晶鑲嵌控制系統(tǒng)采用STC12C5410AD單片機(jī)控制技術(shù)為核心，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電磁鐵沖壓鑲嵌技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水晶的快速可靠鑲嵌。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，適合中小企業(yè)應(yīng)用，在工廠經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，性能穩(wěn)定，運(yùn)行良好，鑲嵌成品率由原來的手工鑲嵌80%左右提高到95%以上，鑲嵌效率是手工的8～10倍，大大提高了生產(chǎn)品質(zhì)和生產(chǎn)率。

[1]徐瑞華，劉雪春，盛國.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[2]馮良波，宋戰(zhàn)勝，王斌.基于 STC單片機(jī)的車輛實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，32(1)：66～69.

[3]高改會(huì)，于紅星，胡瑞玲.基于單片機(jī)的鍋爐液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2008，2,32（1）：129-130.

[4]陳石龍.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)[J].寧德師專學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，21(1)：16-20.