（系统工程专业论文）折叠式包装机控制系统的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 糖果、巧克力等食品需要经过包装成为商品才能进入流通领域。折叠 式包装机是一种用于对糖果、巧克力进行包装的设备，在糖果加工企业中 得到广泛应用。研发一种稳定可靠、低成本、操作简单的折叠式包装机控 制系统是本文的出发点。 本文在分析折叠式包装机的包装工艺和使用要求的基础上，给出了控 制系统的硬件设计方案。控制系统采用单片机a t 8 9 c 5 2 作为主控制器，利 用c p l d 对i o 端口进行扩展。系统在硬件设计上分为最小系统、输入输出 模块、显示模块和电源模块等几个部分。文中详细介绍了其硬件电路设计。 设计中采用p r o t e l 软件绘制了电路原理图和p c b 图，并制成了印制电路板。 设计中利用c p l d 实现了许多复杂的逻辑功能。文中对c p l d 中各功能 模块的设计思路进行了详细的介绍。另外还介绍了i s e 集成开发工具的使 用方法。 在软件设计上根据包装机控制功能需求，为其设计了包装过程控制、 色标补偿、包装速度显示、按键扫描等程序，并对各程序的设计思路作了 介绍。由于包装过程中的很多重要操作都在中断处理程序中完成，所以文 中对中断处理程序的设计和实现作了深入分析。 在开发过程中，结合功能测试程序，对系统软硬件电路进行了调试， 并对包装机运行过程中的各环节进行测试。经验证，本系统能够实现各模 块功能，正确控制包装机的包装过程。经过努力，折叠式包装机控制系统 的设计已经完成。并且经过了严格的测试，取得了良好的控制效果，较好 的实现了厂方提出的控制要求。 关键词：包装机；c p l d ；色标补偿；单片机； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a bs t r a c t c a n d ya n dc h o c o l a t e n e e dt ob ep a c k e db e f o r et h e yc a ne n t e rt h e m a r k e t t h ef o l d i n gp a c k e r i sa p a c k a g i n g m a c h i n ef o rc a n d y a n d c h o c o l a t e ，w h i c hi sw i d e l yu s e d i nc a n d yp r o c e s s i n ge n t e r p r i s e s i t i st h e p a p e r ，ss t a r t i n gp o i n tt o r e s e a r c ha n dd e v e l o pac o n t r o ls y s t e mo ff o l d i n g p a c k e r , w h i c hi sl o w - c o s t ，s t a b l ea n d r e l i a b l e t h r o u g ha n a l y z i n gt h ep a c k a g i n gt e c h n i q u e sa n du s i n gr e q u i r e m e n t s ，t h i s p a p e rg i v e st h eh a r d w a r ed e s i g no f c o n t r o ls y s t e m t h ed e s i g nc h o s e sa t 8 9 c 5 2 a st h em a i nc o n t r o l e ra n du s e sc p l dt oe x p a n di op o r t s f r o mt h ev i e w p o i n t o fh a r d w a r ed e s i g n ，t h es y s t e mi sd i v i d e d i n t os e v e r a l p a r t s ：s i n g l e c h i p s s m a l l e s ts y s t e m ，i n p u ta n do u t p u tm o d u l e ，d i s p l a ym o d u l e ，p o w e rs u p p l ym o d u l e a n ds oo n t h i sa r t i c l ed e t a i l st h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n i nt h ed e s i g n ，w eu s e ak i n do fs o f t w a r ec a l l e dp r o t e lt od r a wt h ec i r c u i ts c h e m a t i ca n dp c b ，a n d t h e nm a k eap r i n t e dc i r c u i tb o a r d i nt h e d e s i g n w eu s ec p l dt oa c h i e v e al o to fc o m p l e x l o g i c f u n c t i o n s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g ni d e ao fe v e r yf u n c t i o n a lm o d u l ei n t h ec p l d i ta l s oi n t r o d u c e st h eu s eo fi s ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n tt o o l s i n s o f t w a r e ，a c c o r d i n g t ot h ed e m a n df o rt h ep a c k e r sc o n t r o l f u n c t i o n s ，t h i sp a p e rc o m p l e t e s t h e p r o g r a m f o rc o n t r o lo f p a c k a g i n g p r o c e s s 、c o l o rc o m p e n s a t i o n 、p a c k a i n gs p e e dd i s p l a y 、k e y s c a na n ds o o n b e c a u s ea1 0 to fi m p o r t a n to p e r a t i o n s a r ec o m p l e t e di nt h ei n t e r r u p t h a n d l i n gp r o c e s s ，s o t h i sa r t i c l ed e t a i l st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n o ft h e i n t e r r u p th a n d l i n gp r o c e d u r e s i nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h es y s t e mh a r d w a r ec i r c u i ti sd e b u g g e dw i t h f u n c t i o n a lt e s t i n gp r o g r a m i nt h er u n n i n gp r o c e s so ft h ep a c k e r ，t h ed e t a i l e d s t e p sa r et e s t e d a st e s t i n gs h o w e d t h es y s t e mi sa b l et or e a l i z e e a c hm o d u l e f u n c t i o na n dc o n t r o lt h ep a c k a g i n gp r o c e s sc o r r e c t l y t h r o u g h o u re f f o r t s ，t h e w h o l ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e d ，a n dh a sb e e nr i g o r o u s l y t e s t e ：d i tm e e t st h en e e d so fc u s t o m e r s k e y w o r d s ：p a c k e r ；c p l d ；c o l o rc o m p e n s a t i o n ；s i n g l e c h i p 西南交通大学四南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密i 口使用本授权书。 ( 请在以上，方框内打“4 ”) 学位敝作者虢渺湛指删币虢铘肛 聃：沙口多醐：嘶易弓 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 采用a t 8 9 c 5 2 作为主控制器，利用c p l d 对i o 端口进行扩展，并 将复杂的逻辑功能设计在c p l d 中，减轻了主控制器的负担，使p c b 面积变 小，便于布线，并对设计起到加密的作用。 2 将w i n d o w s 事件驱动的编程模式引入本系统的软件设计中，合理地 利用有限资源，把c p u 从耗时的任务中解放出来，确保系统对多中断有足 够的响应能力。 诳亏甚 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究意义 第1 章绪论 现代经济生活中，绝大多数产品都需要经过包装成为商品，才能进入 流通领域。商品的包装需要借助包装技术及装备。所以，包装设备在包装 过程是不可缺少的工艺手段。糖果、巧克力的包装主要有三个作用：一是 保护产品应有的光泽、香味、形态且可延长货架寿命；二是防止微生物和 灰尘污染，提高产品卫生安全性；三是精美的产品包装可以提高消费者的 购买欲望和商品价值。对糖果、巧克力采用人工包装将耗费大量人力物力， 效率极其低下，而使用包装机则能够对糖果进行高效的包装，一般能够达 到每分钟包装数百个的速度，而它只需要一次性投资就能够收到长久的回 报，因此包装机成了食品加工企业必不可少的机器。2 0 0 8 年i - 1 1 月大机 械行业利润总额增速为1 6 4 2 ，其中食品包装机械行业增速为机械行业 内利润增速最快的行业，。 目前，糖果、巧克力的包装形式主要有扭结式包装、枕式包装、折叠 式包装堙1 。扭结式包装是最古老的包装形式，这种包装形式多用于糖果， 不仅可以通过高速、自动化的包装机来完成，也可以通过手工操作完成； 枕式包装在国际上流行于上世纪7 0 年代，国内从8 0 年代开始流行，许多 糖果、巧克力生产企业均采用枕式包装n 3 。而折叠式包装，多用于巧克力 产品，糖果适宜做成卷包、条包、合装，这种包装形式对包装设备和包装 材料有较高要求，包装出来的糖果精致美观，因此折叠式包装机在糖果加 工企业中得到了广泛应用阳畸】。 1 2 国内外现状分析 美国、日本、德国、意大利是世界上包装机械四大生产强国。 美国是世界上包装机械发展历史较长的国家，早已形成了独立完整的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 包装机械体系，其品种和产量均居世界之首。1 0 多年来，美国始终保持着 世界最大包装机械生产和消费大国的地位，其产品以高、大、精、尖产品 居多，机械与计算机紧密结合，实现机电一体化控制。新型机械产品中以 成型、填充、封口三种机械的增长最快，裹包机和薄膜包装机占整个市场 份额的1 5 ，纸盒封盒包装机在市场占有率中居第二位。从上世纪9 0 年代 以来，美国包装机械业一直保持着良好的发展势头。美国国内包装机械市 场在全球是首屈一指的，各种包装机械主要内销，但出口额也不小。美国 的包装机械制造厂大部分附属于大型包装材料厂，销售也完全依赖母公司。 中国已成为继加拿大、墨西哥、日本、英国、德国之后，美国包装机械的 第6 大出口市场阳，7 1 。 日本的包装机械制造厂以中小企业为主，包装机械的品种近5 0 0 种， 规格有7 0 0 多个。包装机械以中小型单机为主，具有体积小、精密度高、 易安装、操作方便、自动化程度高等优点。9 0 年代以来，已将变频调整、 光电追踪、无触点电子开关、动态数据显示等技术运用在包装机械中。日 本包装机械的很大一部分用于食品包装领域，食品包装机械产值占包装机 械总产值的一半以上。日本包装机械的主要市场是本国，出口额只占总产 值的1 0 。亚洲是日本包装机械的主要出口市场。从上世纪9 0 年代以来， 日本对中国的出口额连年大幅增长，自1 9 9 5 年起，中国已成为日本包装机 械的最大出口国。 德国、意大利、英国、瑞士和法国等都是世界上很重要的包装机械生 产国家。欧洲各国包装机械业的一个共同特点是出口比例( 出口额占产值的 比例) 都很大，如德国和意大利近8 0 ，瑞士超过9 0 。德国的包装机械 在计量、制造、技术性能等方面居领先地位，特别是啤酒、饮料灌装设备 具有高速、成套、自动化程度高、可靠性好等特点，享誉全球。一些大公 司生产的包装机械集机、电、仪及微机控制于一体，采用光电感应，以光 标控制，并配有防静电装置。其大型自动包装机不仅包装容积大，而且能 集制袋、称重、充填、抽真空、封口等工序在一台单机上完成。德国包装 机械业多年来始终处于稳定增长状态，出口比例占8 0 左右。德国是世界 上最大的包装机械出口国。意大利是仅次于德国的第二大包装机械出口国。 意大利的包装机械多用于食品工业，具有性能优良、外观考究、价格便宜 的特点，出口比例占8 0 左右，美国是其最大的出口市场。上世纪9 0 年 代以来，意大利对中国的包装机械出口额迅速增长，1 9 9 5 年在意大利的出 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 口排名榜上，中国已跃升为第二位。 我国食品和包装机械行业作为食品工业提供装备的工业，形成于2 0 世纪7 0 年代末与8 0 年代初。经过8 0 年代的快速发展，9 0 年代的高速增 长，通过引进、消化吸取、国产化生产，目前已进入结构调整、产品质量 升级、提高创新能力的关键时期。中国机械工业联合会预计，从2 0 1 1 年 2 0 1 5 年，中国食品与包装机械业总产值有望突破6 0 0 0 亿元人民币，每年平 均增速约维持在1 6 的水平。但目前中国包装机械对国外高端技术的过度 依赖，已经严重制约了中国包装工业持续、稳定发展叫叫。 据悉，在中国包装工业快速发展的背后，大量技术含量高的成套设备仍。 依靠进口，每年大量外汇用于进口成套的高端设备。如塑料薄膜双向拉伸设 备，一条生产线就近1 亿元，从上世纪7 0 年代开始引进，到目前为止，国内相 继进口此类生产线1 1 0 条。除此之外，还有乳品业大量使用的无菌包装盒、 灌装设备几乎都为瑞典利乐公司一家提供3 。 1 3 论文的主要工作和组织结构 本课题的研究目标是为折叠式包装机设计控制系统，实现对包装机械 准确无误的控制。其中主要工作包括： 1 分析包装机的功能需求，进行包装机控制电路板的硬件电路设计。 利用p r o t e l9 9s e 绘制原理图和p c b 图并制作印制电路板。对硬件电路功 能进行调试，确保硬件电路正常工作； 2 在硬件平台上进行软件编写和调试，编写实现模块独立功能的测试 程序，对包装机控制电路板各部分模块进行调试，使整个系统正确运行起 来： 3 软件设计实现包装机所要达到的控制功能，并到现场进行调试，最 终实现包装机对糖果进行高效而准确无误的包装。 针对上述主要研究内容，本文的结构安排如下： 1 绪论。介绍包装机行业的一些情况，简要分析本课题的研究意义及 国内外现状； 2 折叠式包装机的总体设计。介绍了折叠式包装机的工艺流程和控制 系统的总体设计方案； 3 控制系统的硬件设计。通过对包装机功能需求的分析，给出了包装 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 机控制系统的硬件设计方案。详细介绍了设计方案中各个模块的硬件电路； 4 c p l d 内部逻辑电路设计。介绍c p l d 内部复杂的逻辑电路设计，包 括相位的确定、电机测速、中断扩展电路等等； 5 控制系统的软件设计。介绍系统的软件框架，对各个软件模块进行 分析； 6 系统调试与测试。介绍系统硬件电路调试过程，及对各模块功能调 试的方法和结果。介绍如何利用x i l i n xi s e 进行c p l d 的开发及调试。最 后给出到工厂实地调试的结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章包装机控制系统总体设计 2 1 包装机包装流程简介 2 1 1 包装机结构简介及包装工艺流程 图2 1 所示为折叠式包装机的大致结构图，下面根据此结构图对折叠 式包装机的包装工艺流程进行介绍。 首先，整理机将糖整理成摆放端正、间隔均匀的一条线并传到送料传 送带上( 图中1 ) 。接着糖( 图中2 ) 在送料传送带上匀速地被传到传送带 的底部挡板处( 图中5 ) 。此时摆放在底部挡板处的光电检测装置检测到有 糖到来，经过短暂停留后可以确保糖已经停在合适位置处，于是主控制器 打开推糖电磁阀，糖被推糖杆往前推，推到工艺圆盘( 图中3 ) 的小缺口 上。工艺圆盘是一个旋转圆盘，它在主电机的带动下旋转，将糖旋转到顶 糖杆( 图中4 ) 处。当糖没到来之前，顶糖杆处于工艺圆盘的小缺口下方， 而当糖到来后，进纸装置( 图中6 ) 也将包装纸送到顶糖杆处，于是糖被 包装纸盖住。接着顶糖杆开始将糖往上顶，顶到机械抓手1 ( 图中8 ) 处， 糖被机械抓手1 接住。随后机械抓手l 开始顺时针旋转( 在旋转的过程中 糖被慢慢包装起来) ，将糖旋转到喷胶机处( 图中l o ) 并作短暂的停留。 在停留期间喷胶机对包装纸进行喷胶操作，喷胶操作结束之后，机械抓手 1 接着顺时针旋转。当糖被旋转到最高处时，机械抓手2 ( 图中9 ) 将糖从 机械抓手1 中取过来。接着机械抓手2 作逆时针旋转，糖也跟着旋转。当 糖被旋转到最左端时，机械抓手2 松手，糖被放到出料传送带( 图中1 1 ) 上。在糖从出料传送带的右端向左端运动过程中被压制皮带( 图中1 2 ) 压 制成形，在这一过程中包装纸上的胶液也开始凝固，将包装纸牢牢粘在一 起。当糖到达出料皮带左端时整个包装过程已经完成，最后由接收槽( 1 3 ) 接收包装好的糖。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 1 ) 送料传送带( 2 ) 糖( 3 ) 工艺圆盘( 4 ) 顶糖杆( 5 ) 底部挡板 ( 6 ) 进纸装置( 7 ) 包装纸卷筒( 8 ) 机械抓手1 ( 9 ) 机械抓手2 ( 1 0 ) 喷胶机 ( 1 1 ) 出料传送带( 1 2 ) 压制皮带( 1 3 ) 接收槽 图2 - 1 折叠式包装机结构图 2 1 2 包装物品的工艺分析 一般在设计包装机时，会尽量考虑厂家的使用需要。对于厂家来说， 其希望包装机能够包装类型范围相近的物件，能够包装的物件种类越多越 好。折叠式包装机是针对巧克力等糖果进行包装的一种设备。糖果形状有 很多种，尺寸也不尽相同。设计的包装机必须能够根据所包装糖果的变化 对相应部件进行调整，以达到包装多种规格产品的要求。在本设计中，当 所包装糖果的尺寸发生变化时，可以找一个适合新尺寸的旋转圆盘替代原 来的旋转圆盘。经过简单的调整之后便能对新的糖果进行包装，大大扩展 了包装机的使用范围，提高了包装机的竞争力。 2 1 3 包装材料的要求 包装材料的选取在包装机的设计过程中也是十分重要的。塑料包装纸 的问世，引起了包装机的革命。使包装工艺、包装技术发生了巨大变化。 如塑料包装，可以采用高频加热热封包装、或电热丝脉冲热封包装。如袋 装的快食面、饼干、糖果等，目前食品、医药行业采用聚乙烯薄膜包装是 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 很广泛的。纸张经涂塑料后的复合材料包装也被广泛使用，如冰淇淋、面 包等。 折叠式包装机是对糖果进行包装的设备，其包装材料必须干净卫生。 另一方面还要考虑防潮的问题，一般选用蜡纸，因为蜡纸可以防止水分进 入。如果包装机用于包装巧克力糖时需要格外注意，因为巧克力是一种特 殊的糖果，它的熔点是3 6 度左右，这样的温度拿在手上是很容易融化的。 因此需要采用锡纸，理由是锡纸可以将手上的温度很好的传递出去，防止巧 克力很快融化。 2 2 控制系统功能需求 在设计包装机前，我们需要对折叠式包装机控制系统功能需求进行分 析： 1 推糖、喷胶和送纸操作：由前边对包装机包装工艺流程的分析可知， 包装过程中最重要的操作是推糖、喷胶和送纸。它们都是通过电磁阀来控 制的，而电磁阀由固态继电器来驱动，因此我们需要为其设计驱动电路； 2 色标补偿：当包装纸有印刷图案时，为了保证图案的完整性，需要 进行色标补偿。根据未补偿时包装纸的实际切割长度与包装纸长度( 从某 一个色标起始处到下一个色标起始处的纸长) 确定补偿方向。包装纸进给 后补偿机构将纸往后拖动即为后向补偿，反之则为前向补偿。通常实际切 割长度大于纸长时应设定为后向补偿，否则应设定为前向补偿。由于有些 包装纸不需要色标补偿，所以该功能可以选择启用或禁用； 3 喷胶时间调整：为了保障被包装物包好后包装纸不散开，需要用胶 固定包装纸。折叠式包装机采用压缩空气将胶液喷射到包装纸的合适位置。 其中压缩空气阀门开启时间决定了胶的喷射量。通常用户根据包装时要求 的用胶量及压缩空气压力等条件设定合适的喷胶时间，喷胶时间设定值越 大，喷出的胶量越多，反之亦然； 4 喷胶相位调整：按照包装流程，最后工序是用粘胶将包好的包装纸 封住。喷胶是在包装机将包好的物品传送到一定位置时进行的，位置靠前 或延后都将影响包装质量。出厂前，包装机喷胶位置都已基本调校好，但 因包装速度及机械误差的变化，喷胶位置需要微调，微调时观察包装质量， 产品合格时结束微调； 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 5 实时显示包装速度：工作人员需要掌握包装机当前的包装速度，了解 其生产能力，这通过一个显示电路板来实现，显示的包装速度的单位为颗 分钟； 6 生产能力的改变：包装机生产能力的改变通过改变主电机的转速来 实现，而主电机的转速则是由变频器来控制； 7 运行方式：包装机运行方式分为“手动”和“自动两种。选择“手 动”模式时，只有按住“运行 按钮机器才运转，松开则机器停机；选择 “自动 模式时，只要按一下“运行”按钮机器就一直运转，只有按下“停 止”按钮或机器出现故障包装机才会停止： 8 送纸方式：包装机送纸方式有“强行送纸 和“自动送纸 两种方 式。当选择“强行送纸方式时，包装机不管有没有识别到糖，都会送出 包装机，此功能常用于包装机调试； 9 突发情况的应对：当出现变频器故障、无纸、产品过大等突发情况 时，包装机能做出正确的反应。 对控制系统的功能需求进行分析之后，我们得到如下的折叠式包装机 设计指标： 1 补偿长度：补偿长度设定范围为0 - - - 5 毫米，分辨率为0 1 毫米； 2 补偿方向：前向或后向； 3 喷胶时间：喷胶时间设定范围为5 - - 2 0 毫秒，分辨率为0 2 毫秒； 4 喷胶位置微调：喷胶位置微调值范围为一4 0 - - 4 0 ，分辨率为1 ； 5 包装材料：蜡纸、铝薄膜、复合纸、锡纸等； 6 电能消耗：2 k w ； 7 包装物品：巧克力糖、花生牛奶糖等； 8 包装纸尺寸：纸长5 0 - - 1 6 0 m m ，宽2 0 - 1 2 0 m m ； 9 包装速度：0 - 6 0 0 颗分钟； 1 0 送料方式：人工送料或整理机自动理糖。 2 3 控制系统总体设计 一台包装机由哪些部分组成，决定于包装工艺的要求。前边已经对包 装工艺进行了详细的分析，从图2 - 1 中可知，折叠式包装机由以下几部分 组成： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 送料系统 2 供纸装置 3 成形器构件 4 喷胶装置 5 传动系统 6 电气控制系统 包装机的传动与控制机构，可以采用机械式、液压式或气动式。应根 据产品的特点、生产能力、使用者的情况等具体条件以及机器动作的复杂 程度而定。 折叠式包装机一般包装速度是3 0 0 颗分钟，最高可以达到6 0 0 颗分 钟。要实现这样高的包装速度，而且要保证动作的相互协调和工作可靠稳 定，用液压式或气动式控制机构尚有困难，因为液体和气体有可压缩性， 而且油液的粘度大，高速换向运动时惯性冲击大、发热高，液压还会因温 度升高而使粘度变化，影响动作的准确性，所以不适用于本包装机。目前 国内外在折叠式包装机中大多采用机械传动方式。因为连杆、凸轮机构一 经调整后就能严格保证动作的可靠性，并且能实现比较复杂的动作，并配 合当今的电子技术和微机控制技术，更进一步提高生产率。根据以上分析， 本文设计折叠式包装机的操纵系统采用机械式控制系统，涉及有：链条传 动、带( 齿形带) 传动、齿轮传动等机构。 由于本设计的主要任务是折叠式包装机电气控制系统，所以接下来主 要讲解电气控制系统部分。 2 4 电气系统设计 图2 2 所示为包装机电气系统的组成图。电气系统由很多模块组成， 它们都以主控制电路板为核心。检测装置和编码器向主控制电路提供各控 制开关和传感器的信息。主控制电路对这些信息进行处理之后向各电机和 执行装置发出动作命令，驱动机械部分进行相应动作。包装机运行过程中 的各种状态都通过显示模块来显示，如启动停止状态、补偿状态、包装速 度等等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 龄 1 歹愆电刀o 测装置i = = = = 割变频器 爿主电机 主控制 匿眵 电路板 i 行装置i l 反馈r 1 显不馒职 图2 2 包装机电气系统组成图 2 4 1 供电线路 i 匕一，赜胶机电源 乡：l 。一 ul l l 变频器电源控制主电棚区动器 、 、 r u l 2：厂 二二 s v l 3 = 一，= 苫t t 变频器电源开关 曼。，d _ 7 e 幔t h 步进电机电源控制 o 直流电源控常岷) ()i3 8 0 v步进电饥驱动器 一一 2 2 0 v 9 0 v lf 虻l点+ 控制电路直流电源1 、 耋 a - b + ( 0 v a c 2 b - 2 4 v g n ) h i0 v 厂 e r t h a c - d c l i - l 、o n l n i仂 图2 - 3 电气系统的供电线路 图2 3 所示为包装机电气系统的供电线路。电气系统的接入电源为 3 8 0 v 三相电源，其为4 部分提供电源，即主电机、步进电机、喷胶机和a c - d c 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 转换器。主电机驱动器直接接入三相交流电压，而步进电机驱动器的输入 电压则由三相电经变压器转变而来。主控制电路板的2 4 v 直流电源也是由 三相电中的其中一相经a c - d c 转换而来。 2 4 2 包装速度调节的电气控制 设备生产能力的改变主要靠改变主电机的速度来实现的。为实现改变 生产能力和提高稳定性，采用变频器2 1 调速。 变频器采用台达公司的高功能、迷你型v f d - m 系列交流电机驱动器。 其连接线路如图2 4 所示。将控制电路板发出的j 1 控制信号接入多功能输 入端子的m 0 ，用于控制电机正转或停止。驱动器频率的改变则是利用分压 电路来实现的。随着输入a v i 端口电压的变化，驱动频率也跟着变化，从 而改变了电机的运转速度。 主电机驱动器 l l l 2 ru sv l 3 tw e a r t h n 南 v l 田1 0 2 2 m 4 3 b a m l m 2 j z l 一 为3 m 4 a 岱 g n d a + l o v ， 图2 4 变频调速电路图 2 4 3 检测装置 来料检测装置用于检测是否有糖到来，它是一个距离传感器。当有糖 到来时，它检测到此信息并将其传递到主控制器端，由主控制器端来做出 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 相应的反应。设计中采用的距离传感器是德国威格勒w e n g l o r 光电传感器。 色标检测器用于检测包装纸的色标，进行色标补偿时必不可少。它是 一个对比度传感器瞳7 1 。设计中我们采用德国s c k 公司的s e n s i c k 对比度传 感器，其感知距离为1 2 5 m m ，供电电压为2 4 v 。 编码器用于检测电机的相位，一般分为绝对式编码器和增量式编码器， 本设计中用到的是增量式编码器。将其与电机连在一起，当电机转动时编 码器跟着转动并输出a 、b 、z 相反馈信号。对反馈信号进行测定后可以得 到电机的相位值。 除了上边介绍的检测装置外，包装机中还有其它的一些检测装置，比 如熔胶机温度传感器、无纸断纸检测装置和产品过大检测装置等等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章控制系统的硬件设计 对折叠式包装机的各种功能需求进行分析之后，发现控制系统主要是 通过各个i 0 口来控制包装机完成各项工作，并且考虑到成本问题，于是 决定采用单片机加c p l d 的方案来设计整个控制系统。将单片机作为整个控 制系统的核心，它具有较强的数据处理能力，并且能够比较方便的对其进 行外部电路的扩展。单片机在很大程度上是专为工业控制而设计的，因此 具有较好的环境适应性，但是单片机的外部资源有限，比如通用i o 口较 少、外部中断少等等，所以用c p l d 对其进行外部逻辑电路的扩展。c p l d 内部有丰富的资源，设计中将各种复杂的逻辑功能都放在c p l d 中来实现， 灵活性较大，极大的减轻了单片机的负担，简化了外部逻辑电路的设计， 将成本降到最低。 3 1 硬件平台框架 图3 - 1 折叠式包装机的硬件框架 包装机控制电路板的硬件系统主要由c p u ( a t 8 9 c 5 2 ) 、c p l d 、e e p r o m 、 电源、输入输出、按键电路和数码管显示等模块组成。图3 一l 所示为包装 机控制电路板的硬件系统总体框图 2 0 - 2 2 o 由图3 1 中可知，系统的c p u 采用的是a t 8 9 c 5 2 ，它是一个低电压、 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 高性能8 位单片机，具有3 2 个外部双向输入输出( i o ) 端口。其中p o 和p 2 口可以方便的进行外部数据存储器或程序存储器的扩展，p 2 用作地 址线，p 0 口复用为地址数据线。系统中利用a t 8 9 c 5 2 的p o 和p 2 口对c p l d 进行控制，将c p l d 作为a t 8 9 c 5 2 的一个外设来用，将复杂的逻辑功能交给 c p l d 来实现n 。堙3 。c p l d 采用的是x i1i n x 公司的x c 9 5 2 1 6 k 引，该芯片是一款 3 3 v 或5 v 供电的芯片，共有1 6 0 个引脚，除去电源、j t a g 接口等引脚外， 留给我们使用的引脚还有1 3 0 多个，对于本系统来说已经够用了。看门狗 芯片使用的是x i c o r 公司的x 2 5 0 4 5 ，该芯片将四种常用的功能：上电复位、 看门狗定时器、电压监控和串行e e p r o m 功能组在单个封装之内，这种组合 降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。按键电路设计了4 个按键， 用于对各种参数进行设置。数码管显示模块采用s n 7 4 h c 5 7 4 “3 3 来驱动数码 管进行显示，可以同时显示4 位数据。 本章下面具体介绍硬件系统的各个功能模块，并给出相应的连接图。 3 2 主控制器 a t 8 9 c 5 2 是一个低电压，高性能c m o s8 位单片机，片内含8 kb y t e s 的可反复擦写的f l a s h 只读程序存储器和2 5 6 b y t e s 的随机存取数据存储器 ( r a m ) ，器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标 准m c s 一5 1 指令系统，片内置通用8 位中央处理器和f l a s h 存储单元，功能 强大的a t 8 9 c 5 2 单片机可应用在许多复杂控制系统的设计方案中。 a t 8 9 c 5 2 有4 0 个引脚，3 2 个外部双向输入输出( i o ) 端口，同时内 含2 个外中断口，3 个1 6 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，2 个读写口线，a t 8 9 c 5 2 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其 将通用的微处理器和f l a s h 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的f l a s h 存储器可有效地降低开发成本。 a t 8 9 c 5 2 有p d i p 、p q f p t q f p 及p l c c 等三种封装形式，以适应不同产 品的需求。 其主要功能特性口利： 兼容m c s 5 1 指令系统 8 k 可反复擦写( i 0 0 0 次) f l a s hr o m 3 2 个双向i o 口 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 5 6 x 8 b i t 内部r a m 3 个1 6 位可编程定时计数器中断 时钟频率o - 2 4 m h z 2 个串行中断 可编程u a r t 串行通道 2 个外部中断源 共6 个中断源 2 个读写中断口线 3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 本设计中充分利用了a t 8 9 c 5 2 的引脚资源，其中p o 和p 2 口用于扩展 c p l d 内部的逻辑电路，p 2 口用作地址线，p 0 口复用为地址数据线，r d 和w r 为读写信号线，另外p 1 口还分配了4 个引脚用于控制x 2 5 0 4 5 。 3 3 看门狗模块 c s s o w p v s s 】c ：渤4 3 f 4 5 & l e a dd i p s o i c v c c r e s e t 瓜e s e t s c k s i 图3 2x 2 5 0 4 5 芯片引脚图 本设计中使用的看门狗芯片是x i c o r 公司的x 2 5 0 4 5 ，它将电路设计中 常用的功能：看门狗定时器、电源电压监控、上电复位、串行e e p r o m 集成 在一片8 引脚的芯片内。这种组合大大减少了对电路板的空间要求，简化了 硬件设计，降低了成本和功耗，大大提高了系统的可靠性和安全性。下面对 其作简要介绍n 副。 1 引脚功能：x 2 5 0 4 5 的封装有d i p 和s o i c 两种形式，图3 - 2 为芯片 引脚图，引脚功能见表3 - i 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 表3 - 1x 2 5 0 4 5 引脚功能表 引脚号引脚名说明 1c s 片选输入 2s o串行输出 3w pe e p r o m 写保护输入 4v s s地 5s i 串行输入 6s c k 串行时钟输入 7r e s e t 复位信号输出 8v c c 电源电压 2 看门狗：看门狗定时器对微处理器提供了独立的保护系统。它提供 了3 种定时时间，可用编程选择2 0 0 m s 、6 0 0 m s 或1 4 s 。当系统故障程序跑 飞，只要看门狗定时器计时达到其编程的超时极限，r e s e t 引脚立即自身产 生高电平复位信号。c s 电平变化( 上升沿) 将复位看门狗定时器。 3 电压监控：当电流电压v c c 降至最小转换点以下，芯片的r e s e t 引脚 立即产生复位信号，这样电源接通和关断瞬间电源电压不稳定就不会造成 系统死机、数据误写及误动作等故障。 4 e e p r o k l 存储器：芯片内部的存储器采用c m o s 工艺的4 0 9 6 位串行 e e p r o m 。它的内部按5 1 2x8 来组织每个字节，可擦写1 0 万次以上，内部数 据可保存1 0 0 年以上。使用简单的3 线总线串行外设接口( s p i 接口) 就 可对芯片进行读写操作，一次最多写4 个字节。 图3 - 3 所示为x 2 5 0 4 5 的接口电路图n 引，其中x 2 5 0 4 5 的c s 、s i 、s c k 和s 0 引脚分别对应a t 8 9 c 5 2 的p 1 4 、p 1 5 、p 1 6 和p 1 7 引脚。由图可知 x 2 5 0 4 5 通过s p i 接口同a t 8 9 c 5 2 进行数据通信，其中w p 是x 2 5 0 4 5 写保护 引脚，低电平有效。s i 是串行数据输入引脚，串行时钟上升沿有效。s o 是串行数据输出引脚，串行时钟下降沿有效。s c k 是串行时钟，为各种操 作提供基准时间。c s 是芯片片选，低电平有效，所有的操作都必须在c s 为低电平的情况下执行。v c c 是电源引脚，x 2 5 0 4 5 要求的供电电压范围为 2 7 v - 5 5 v ，既适合于5 v 供电的系统，又适合于3 3 v 供电的系统。r e s e t 是复位信号输出引脚，高电平有效。 从图3 - 3 中可以看出我们还另外设计了一个用于手动复位的电路，这 使得可以在任何时刻对系统进行复位。r e s e t 按钮没有按下时，r s t 信号为 低电平，单片机正常工作。当r e s e t 按钮按下时，r s t 信号被强制为高电 平形成一个复位信号，使单片机复位。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 v c c ( l v c c 6 3 4 图3 - 3x 2 5 0 4 5 接口电路图 i r e s e t 卜 图3 4 按键电路 为了使控制系统按照我们的预期目的进行工作，我们需要对系统的工 作过程进行控制，这主要通过对各个参数的设置来实现，所以按键电路必 不可少。本系统中设计了4 个按键，在程序中通过这4 个按键的组合来实 现不同的输入功能，它们连接图如图3 4 所示。按键的一端通过排阻上拉 到5 v ，这时该端输出为高电平，当按键按下的时候，输出被强至变为低电 平。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 3 5 数码管显示模块 u 5 图3 5 数码管显示电路 数码管显示器是本系统中不可缺少的重要组成部分，它是控制系统与 人对话的一种重要形式，告诉人们系统的运行状态、数据的处理结果、提 示操作人员下一步要进行的操作等。系统中设计了4 个数码管，可以同时 显示4 位数值，便于获取系统的各个参数以及对参数进行设置，提供了较 好的人机交互功能。 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而 显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 驱动和动态驱动两类。 动态驱动是将所有数码管的8 个同名端连在一起，另外为每个数码管 的公共极c o m 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的i o 线控制，当 单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个 数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通c o m 端电路的控制，通过分 时轮流控制各个数码管的的c o m 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就 是动态驱动。 静态驱动也称直流驱动，是指每个数码管的每一个段码都由一个单片 机的i o 端口进行驱动，或者使用如b c d 码二一十进制译码器译码进行驱动。 静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用i o 端口多，但是 在本设计中由于使用了c p l d ，其拥有丰富的i o 引脚，弥补了a t 8 9 c 5 2i o 端口少的缺点，所以采用静态驱动的方式来驱动数码管显示器。 图3 5 为数码管显示电路的连接图，这里只给出了个数码管的显示 电路，其它3 个数码管的显示电路与这个电路基本相同，唯一的差别就是 s n 7 4 h c 5 7 4 的c l k 输入端信号不一样。电路中利用s n 7 4 h c 5 7 4 这个具有三 态输出的八路边沿d 类触发器来驱动数码管，当c l k 端发生上升沿跳变时， 输入数据锁存到触发器中，数码管便可以显示该值。 3 6 输入输出模块 输入模块用来获取外部的各种命令以及电机的运行状态等信息，并将 这些信息传到主控系统进行处理。输出模块将主控系统发出的命令进行处 理之后传到外部。在对包装机进行功能需求分析之后，我们为控制系统设 计了2 1 个输入端口和17 个输出端口。 不管是输入端口还是输出端口都直接与外部进行连接，为了防止内部 电路板受到外部的影响，必须在输入端口和输出端口处接上隔离电路。本 设计中我们为每个端口都加上了光耦隔离电路n8 。光耦隔离的优点是信号 单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影 响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。在工 业环境中由于外部条件恶劣，为了保护控制系统，光耦隔离更是必不可少。 3 6 1 输入模块 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 2 1 个输入端口中有1 8 个端口一起连接到c p l d 的引脚上，所要实现的 功能全部由用户自己来定义，如图3 - 6 所示。 v c c三 图3 - 6 输入端口电路 剩下的3 个端口用于输入电机编码器产生的a 相、b 相和z 相反馈信 号，如图3 - 7 所示。a 、b 和z 这3 相信号是以差分信号的形式进入电路板 的，所以电路中利用d s 2 6 l s 3 2 c n 引将其转换成电平信号，而后对这3 个信 号进行光耦隔离。