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高速喷水织布机单片机控制系统设计,毕业设计
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南京工程学院 毕业设计任务书 自动化 系 自动化（数控技术 ） 专业 设 计 题 目 高速喷水织布机单片机 控制系统设计 学 生 姓 名 钱 爱 静 班 级 数控 041 起 止 日 期 2 月 25 日至 6 月 13 日 指 导 教 师 华 茂 发 教研室主任 葛 红 宇 发任务书日期 2008 年 2 月 25 日 nts1. 毕业设计的原始数据： 主电机： 2.2KW；风机两只：各 0.75KW；刹车电压： 110V，锁定电压： 24V；六个 故障检测（断纬，左右捻边断纱，电机过热，张力过大，计长）；四个整流电路（ 5V， 12V， 12V， 110V）。 2.毕业设计 (论文 )的内容和要求 (包括技术要求、图表要 求以及工作要求等 )： CPU:89C51。控制：主电机正转、反转，正点动、反点动；主电机高压刹车，低 压锁定；两个风机启动、停止；故障检测：断纬，电机过热，左右捻边断纱，卷布筒 张力过大，计长。控制系统输出与强电电路接口为固态继电器。控制软件。整流电路： 5V， 12V， 12V， 110V。 3.毕业设计应完成的技术文件： （ 1）毕业设计论文 （ 2）电路原理图 （ 3） PCB 图 （ 4）程序流程图 （ 5）程序清单 （ 6）英文资料译文 4主要参考文献： （ 1）单片机原理与接口技术 .李朝青 .北航出版社 .1999 年 3 月 （ 2）单片机应用系统的功率接口技术 .余永权 .北航出版社 . 1992 年 9 月 - 1 - nts5.毕业设计 (论文 )进度计划 (以周为单位 )： 起 止 日 期 工 作 内 容 备 注 第一周 第二周 第三周 第四周 第五周 第六周 第七周 第八周 第九周 第十周 第十一周 第十二周 第十三周 第十四周 第十五周 第十六周 熟悉课题 调研 拟订方案 设计主控电路 设计整流电路 设计强电电路 绘制主控电路 PCB 图 绘制整流电路 PCB 图 设计主要程序流程图 设计子程序流程图 编写主程序 编写子程序 翻译英文资料 写毕业设计论文 修改毕业设计论文 答辩 教研室审查意见： 室主任 年 月 日 系部审查意见： 系主任 年 月 日 - 2 - nts 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 63 附录 C：硬件设计原理图与 PCB 图 112233445566778899101011111212D DC CB BA AT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eA1D a t e : 2008- 6- 11 S he e t of F i l e : C : D oc um e nt s a nd S e t t i ngs . 总原理图 .S c hD oc D r a w n B y :p1.01p1.12p1.23p1.34p1.45p1.56p1.67p1.78R S T93.0103.1113.2123.3133.4143.5153.6163.717X T A L 218X T A L 119p2.021p2.122p2.223p2.324p2.425p2.526p2.627p2.728P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P31P 0.732P 0.633P 0.534P 0.435P 0.336P 0.237P 0.138P 0.039VCC40GND2089C 51104C 15+ 5VGND3KR45KR I 315KR53KR I 15KR I 25KR 163KR I 61KR I 510C 11U4U8U5S1S1S110C 12GND+ 12V + 5VGNDGNDS1GND+ 12V + 5V3KR I 15KR I 2U4S1S1GND+ 12V + 5V3KR35KR I 4U6+ 12V + 5VD 17GND3KR25KR I 4U6+ 12V + 5VGND3KR I 15KR I 2U4+ 12V + 5VGNDD9S13KR I 15KR I 2U4+ 12V + 5VGND1212M H ZB1+ 5v + 12vT65KR 153KR I 61KR I 5U8+ 5v + 12vT55KR 143KR I 81KR I 7U7+ 5v + 12vT45KR 173KR I 61KR I 5U8+ 5v + 12vT75KR 183KR I 61KR I 5U8+ 5v + 12vT8PS+-SSRSSR+-SSRSSR+-SSRSSR+-SSRSSR+-SSRSSRK M 0F K MZ K M KMYKMF K MZ K MF K MZ K MYKM KM KMYKM0- 50KR 1010KR61KR72KR 11 R 1*3KR 215KR I 25KR 201KR I 73KR I 8470R 19U7U7D 1610m HL1D 1510C 16T9GND+ 5V+ 5vGND+ 5V+ 5V + 12VT 10+ 110VD7V3V2V1V412LEDK M 0 9V 1AL2 15V 1AL3 10V 1.5AL4 91V 2.54AL5L61KR I 73KR I 82KR 13T20.1C41000C20.1C6470C51000C3+ 5V + 12VU712LED1KR I 73KR I 82KR 13T2+ 5V + 12VGND2F U 1F U 21KR I 1+ 12VGND3+ 12V0.1C80.1C 10470C91000C7GND+ 12V1000C1+ 110V3KR I 15KR I 2U4S1S1GND+ 12V + 5VU712LED1KR I 73KR I 82KR 13T2+ 5V + 12VU712LED1KR I 73KR I 82KR 13T2+ 5V + 12VGND5KR I 4+ 5V GND5KR I 4+ 5V30pC 1330pC 14GND12D4S4U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND12D5S5U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND12D3S3U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND12D2S2U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND12D6S6U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND12D1S1U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGNDM M3 3470pC 17FRZ K M F K MK M 0 KMYKMM2M1QFM3S6S6333MMMV i nV outGNDV5V i nV outGNDV645674A C 00U 2B910874A C 00U 2C12131174H C 00U 2D12374A C 00U 2A872U 3A653U 3Bnts 南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文）开题报告 题目： 高速喷水织布机单片机 控制系统设计 专 业： 自动化（数控技术） 班 级： 数控 041 学 号： 203040303 学生姓名： 钱 爱 静 指导教师： 华 茂 发 副教授 2008 年 3 月 nts 毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名 钱 爱 静 学 号 203040303 专 业 自动化（数控技术 ） 指导教师姓名 华 茂 发 职 称 副教授 所在系部 自 动 化 课题来源 自拟课题 课题性质 工程设计 课题名称 高速喷水织布机单片机控制系统设计 毕业设计的内容和意义 本课题采用单片机的基本原理以及接口技术与应用，进行高速喷水织布机的控制系统设计。 1、毕业设计的内容和要求 CPU： 89C51。控制：主电机正转、反转，正点动、反点动；主电机高压刹车，低压锁定；两个风机启动、停止；故障检测：断纬，电机过热，左、右捻边断纱，卷布筒张力过大，计长。控制系统输出与强电电路接口为固态继电器，以光电耦合器作为隔 离单片机系统与输入输出部分的控制元件。四个整流电路实现三相交流电到 5v（单片机工作电压）， 12v（探纬器工作电压），12v（控制按钮工作电压）， 110v（刹车装置直流电压）的转换。 2、毕业设计应完成的技术文件 毕业设计论文、电路原理图、控制系统 PCB图、程序流程图、程序清单、英文资料译文。 本课题设计的意义： 本课题对高速喷水织布机 89C51 单片机控制系统进行设计，设计主要分为控制系统硬件与软件两部分的设计，其设计意义如下： 1、织布机在生活中起很重要的作用，它代替 了传统的手工织布，大大提高了织布效率。 2、现在将织布机与计算机相结合，又是织布机行业的一大跨越，织布机的机电一体化，明显提高了织布效率和织物的品质。 3、采用单片机来控制织布机系统，使其更有效率地高速运转。单片机编程对故障检测精确度大，可随时停机排除故障，这样可以提高织物品质，并且灵活性大，操作具有人性化，可靠性高，价格低廉。 4、实现了织布专业的自动化，可一人看守多台机器，且维修方便，减少企业劳动力，为企业节约成本，同时带来更高的收益。 5、 经过此课题的设计，能增强本科毕 业生的动手能力，使其不只是停留于对理论知识的认识，把所学的知识运用到实践中，可以锻炼其思维能力以及自学能力，使得理论知识更加深刻。这对走上工作岗位之前是一次很好的锻炼。 nts文献综述 本课题需要设计主控电路、整流电路、强电电路，因此需要用到电气控制方面以及单片机功率接口方面的知识。文献 1、（ 2）、 3、 8系统的介绍了功率接口元件、部件和各类功率接口。在毕业设计原理图设计时，用到了功率晶体管，功率场效应管， LED，光电耦合管等开关型功率接口，稳压电源功率接口等方面的内容。为毕业设计提供了相 关元件模型，部分元件计算方式及原器件典型应用方式。文献（ 3）主要介绍了电气控制的一些相关知识，在设计中，需要设计电机正反转、点动控制等，以及电机启动方式，包括 Y 型启动和 Y启动。为设计提供一些基本控制电路以及一些原理。文献 （ 5）、（ 7）、（ 10） 以单片机经典体系结构的 MCS-51系列为背景机，系统的介绍了单片机的发展概况和基本结构、工作原理、基本系统、指令系统、汇编语言程序设计、并行扩展和串行扩展方法、人机接口，以及单片机的开发应用等方面的内容。此外，本课题需要绘制电路原理图以及 PCB 图，文献 6（ 9） 是关于 Protel DXP 应用的书，介绍了 Protel DXP 的功能，给出了电气制图中电气代号的国标以及电路原理图（包括部分元气件的绘制、电气规则检查，合适的元件封装、出电气网络表等）和 PCB 板图（包括原理图网络表的调入、元件的封装、元件的电路板布局、电路板布线等）的设计原则，同时列举一些电路原理图和 PCB 图绘制的例子以作参考。毕业设计时应用本书的相关内容完成原理图、PCB 板图的绘制 。 参考文献 1、李朝青单片机原理与接口技术北京：北京航空航天大学出版社， 1999.3 2、余永权单片机应用系统的功率接口技术北京：北京航空航天大学出版社，1992.9 3、 王兆安等电力电子技术（第四版）西安：西安交通大学出版社， 2005.7 4、 郁汉琪电气控制与可编程序控制器应用技术南京：东南大学出版社， 2006.3 5、赵德安等单片机原理与应用北京：机械工业出版社， 2004.9 6、邵群涛电气制图与电子线路 CAD北京：机械工业出版社， 2005.8 7、徐仁贵等单片微型计算机应用技术北京：机械工业出版社， 2005.1 8、胡汉才单片机原理及其接口技术北京：清华大学出 版社， 1996 9、求是科技 PIC单片机典型模块设计实例导航北京：人民邮电出版社， 2005.6 10、吴黎明单片机原理及应用技术北京：科学出版社， 2005 nts研究内容 1、电气原理图和 PCB 板的设计 综合所学的电力电子技术、电气控制知识，根据设计要求设计出符合的电气原理图，运用 Protel DXP 绘制原理图（部分元气件的绘制，电气规则检查，合适的元件封装、出电气网络表等）；根据原理图绘出 PCB 板（原理图网络表的调入，元件的封装，元件的电路板布局，电路板布线等）。 2、程 序流程图的设计 根据织布机原理以及电路原理图设计程序流程图，包括主程序和子程序的流程图。 3、 89C51 单片机程序的编写 根据所学的单片机知识，主要对单片机并行 I/O 口、定时器、中断系统的应用，实现对织布机电机、电磁刹车系统及故障检测系统的控制。绘制程序流程图，编写主程序及子程序，经汇编调试，完成程序编写。 研究计划 第一周 熟悉课题 第二周 调研 第三周 拟订方案 第四周 设计主控电路 第五周 设计整流电路 第六周 设计强电电路 第七周 绘制主控电路 PCB 图 第八周 绘制整流电路 PCB 图 第九周 设计主要程序流程图 第十周 设计子程序流程图 第十一周 编写主程序 第十二周 编写子程序 第十三周 翻译英文资料 第十四周 写毕业设计论文 第十五周 修改毕业设计论文 第十六周 答辩 nts特色与创新 本课题特色与创新如下： 1、采用 CPU 为 89C51 的单片机作为高速喷水织布机的控制系统 ，稳定性和可靠性高，控制能力强，操作人性化，价格低廉。 2、设计过程中，主电机启动方式有 Y 型启动和 -Y 型启动，用户可自由选择。 3、除了设计 89C51 单片机的主控电路外，还注意整流电路的设计，运用整流桥及稳压块，使输出的电压更加精确。另外， 控制系统输出与强电电路接口选用固态继电器， 使电路连接更加安全可靠。 指导教师 意 见 指导教师签名： 年 月 日 教研室意见 系部意见 主任签名： 年 月 日 教学主任签名： 年 月 日 nts南 京 工 程 学 院 毕业设计（论文）选题、审题表 教研室 数控 指导教师 华茂发 职称 副教授 申报课题名称 高速喷水织布机单片机控制系统设计 课题性质 工程设计 课题来源 自拟课题 课 题 简 介 该课题以喷水织布机为控制对象，选择 89C51（ 40P）单片机为 CPU设计一控制系统，控制织布机主电机的启动、停止、正转、反转、点动、Y 转换 及制动；风机的启动和停止；电机过热、断纬、断捻及滚筒张力过大等故障监控。用 Protel 软件设计硬件电路原理图 及 PCB 图。 所需经费 200 元 上机时数 300 小时 /人 课题要求 （包括所具备的条件） 计算机、 Protel 软件。 课题工作量 要求 硬件电路， PCB 图及控制软件设计， 1 人。 教研室 审定意见 室主任签字： 系领导小组审定意见 系主任签字： 说明： 1、该表为毕业设计（论文）课题申报时专用，由选题教师填写，经教 研室讨论、室主任签字，报系领导小组审定，系主任签字后生效。 2、上机时数可填： xx 时数 /人或者该课题所需总时数。 3、选题结束后，该表要求统一存放在系办公室备查。 nts 南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文） 题目： 高速喷水织布机单片机控制系统设计 专 业： 自动化（数控技术） 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： 设计地点： nts Graduation Design (Thesis) Design of Singlechip Control System For the High-speed Water Jet Loom By Qian Aijing Supervised by Associate Rrof.HUA Maofa School of Automation Nanjing Institute of Technology June,2008nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） I 摘 要 本文主要介绍了高速喷水织布机的工作原理及设计要求，叙述了喷水织布机控制系统的设计过程，包括硬件电路和软件编程，以及用 Protel DXP 软件绘制电路原理图和 PCB 图的方法及步骤。 喷水织布机的硬件控制电路包括：主控电 路、故障检测电路、电磁刹车电路、整流电路及强电电路等。其中主控电路利用 89C51 单片机来控制主电机的正反转、点动以及风机的启动；故障检测电路主要控制断纬、左右捻边纱断纱、电机过热、卷布筒张力过大等五项故障自停以及计长停车；电磁刹车电路控制织布机刹车装置和高、低刹车电压的转换；整流电路将交流电转换为直流电；强电电路控制电机的正反转、两个风机的启动以及星 /三角启动的转换。 软件控制程序包括主程序，以及中断子程序和延时子程序。 本设计采用单片机来控制织布机系统，单片机编程对故障检测精确度高，可随时停机排除故障，这 样可以提高织物品质，并且单片机控制灵活性大，操作人性化，可靠性高，价格低廉，维修方便。可广泛投入市场使用。 关键词 ：高速喷水织布机；单片机控制；硬件设计；软件设计 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） II ABSTRACT This paper presents the work principle and the design of the high-speed water jet loom and the design process of the control system,including the dardware and the software,and how to protract the circuit principle fig and PCB. The hardware control circuit of the water jet loom include:the main control circuit,the malfunction check circuit,the electromagnetism brake circuit,the commute circuit,and the strong electricity circuit.The main control circuit impose the 89C51 singlechip to control the positive and negative reversal of the direct electromotor,wiht point reversal,and the start and stop of two fans. The malfunction check circuit is used to examine the break of the latitude, left and right side to twist the break yarn, the high temperature of the electrical engineering, the powerful strain of the sari tube and so on. The electromagnetism brake circuit controls the braking movement of the looms brake installation and the conversion of the high and low brake voltage.The commute circuit would conversion AC to DC.The strong electricity circuit control the positive and negative reversal of the direct electromotor and the conversion of the startup mode ,which can choose Y or . The software control classify main program ,intermit subprogram and time-lapse subprogram. This design adopt the singlechip to control the high-speed water jet loom,which has a strong agility charanter,a human operation,a high dependability.Its so cheap and has a convenient maintain.So it can be dived into agora greatly. Keywords： high-speed water jet loom; singlechip control; hardware design; software design nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） III 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 织布机的发展 . 1 1.2 织布机的控制 . 1 1.3 织布机控制技术的发展 . 2 1.4 本文的结构 . 3 第二章 织布机概述与设计要求 . 4 2.1 织布机概述 . 4 2.1.1 喷水织布机简介 . 4 2.1.2 喷水织布机喷纱原理 . 4 2.2 检测的内容与要求 . 4 2.3 织布机的控制要求 . 4 2.3.1 电机的控制 . 4 2.3.2 刹车的控制 . 6 2.3.3 指示灯要求 . 6 2.3.4 直流电源要求 . 6 第三章 织布机控制系统电路设计 . 8 3.1 设计方案的拟定 . 8 3.2 主控电路的设计 . 8 3.2.1 主控电路中单片机 89C51 的应用 . 8 3.2.2 主控电路中 光电耦合器接口电路 . 12 3.2.3 主控电路中固态继电器接口电路 . 12 3.3 六项自停电路设计 . 14 3.4 电磁刹车电路设计 . 14 3.4.1 刹车电路中的电气元件 . 14 3.4.2 刹车电路工作原理 . 15 3.5 强电控制电路设计 . 17 3.6 整流电路设计 . 18 第四章 织布机控制系统软件设计 . 20 4.1 主程序设计 . 20 4.2 子程序设计 . 28 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） IV 第五章 原理图与 PCB图的绘制 . 34 5.1 Protel DXP 的简介 . 34 5.2 如何用 Protel 画原理图 . 34 5.2.1 原理图的设计步骤 . 34 5.2.2 画原理图 . 35 5.3 织布机控制系统总原理图 . 36 5.4 如何用 protel 画 PCB 图 . 36 5.4.1 自动布线法画 PCB 图 . 37 5.4.2 部分元件的封装说明 . 38 5.5 织布机控制系统 PCB 图 . 39 第六章 结论 . 40 致谢 . 42 参 考文献 . 43 附录 A： 英文资料 . 44 附录 B： 英文资料翻译 . 57 附录 C： 硬件设计原理图与 PCB图 . 63 附件： 毕业论文光盘资料 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 1 第一章 绪 论 1.1 织布机的发展 喷水织机 (如图 1.1所示 )是 20世纪 50年代出现的一种新型无梭织机，它由捷克斯洛伐克人 V.S vaty发明， 1955年在布鲁塞尔国际纺织机械展览会上展出了世界上最早的一台喷水织机样机。 1959年捷克斯洛伐克生产的喷水织机，扣幅只有 1050mm一种，最高车速仅有 400r/min。我国从本世纪 70年代开始研制喷水 织机。 1980年，上 图 1.1 喷水织布机 海第十五丝织厂在全国首家引进日本津田驹 ZW型喷水丝织机 52台，因其具有车速高、质量优、看台多、故障少、电子化显示生产情况等特点，立即在国内纺织界引起哄动，在丝绸行业刮起了一股喷水织机引进风，至 1992年，全国丝织厂共引进日本日产 LW型喷水织机 2190台，日本津田驹 ZW型喷水织机 1842台，意大利 JH-1000型喷水织机 120台，捷克 H175U型喷水织机 20台，喷水织机成为丝织行业引进最多的无梭织机机种。同时，我国国产喷水织机销势也渐好，外资、民营均 有，有引进技术的，也有仿制改进的，喷水织机在全国遍地开花。 随着人民生活的提高，仿真丝、化纤纺丝、仿麻，仿皮的高档服饰面料需求量大幅上升。纤织物的需求快速增长，这不但为喷水织机提供了快速发展的空间，而且因为纤维原料和织物品种的不断更新，人们对织造技术效率不断提出新的要求，促使喷水织机及喷水织造技术逐步提高。经过十多年的发展，喷水织造的技术水平出现了新面貌。常规大批量投产的织机速度已由最初的400r/min提高到 1000r/min以上。 1.2 织布机的控制 为了保证织机高速、高效的生产各种高质 擞的产品，降低劳动强度，提高劳动生产率，除具备先进的机械设计与精密的机加工技术之外，完备的织机电控系统也是其中一个重要方面。进入 80年代后期之后，随着微型计算机技术应用的进一步发展，各种无梭织机的电控系统更加成熟与完善，以至当前任何一台先进的织机都体现了机电一体化的完美结合。 新型织机的电控系统具备了下列主要功能 : nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 2 1）织机工作状态的调整、监控及生产管理功能，如织机参数的设置、工艺参数的设定、织机工作状态监测、生产数据转移、织机信息显示等操作台式中央计算机的键盘功能。 2）提高织机的 产品质量及品种适应性的功能，如电子多臂、电子提花、电子选色、电子卷取、电子送经、自动找梭口及防开车档、引纬张力程控、纬纱定长及时间控制、开车补偿、自动修纬、自动修经等。 3）方便织机的操作与维修功能和织机的安全保护劝能等。织机的电气控制系统是织机全部电控系统的强电部分，是织机电子控制系统的执行系统，有时织机机械控制系统的动力来源于控制设备，它由主电路及其控制电路组成。织机的电子控制系统是全部织机电控系统的弱电部分，也是其核心部分，织机各种功能的完备与否，与该机电控制技术的先进程度密切相关。 1.3 织布机控制技术的发展 织机控制技术发展到今天，经历了纯人工控制、纯机械控制、机电 (或机电液 )控制、机电一体化、单台计算机的集中控制、多台微机的分级和分层控制等几个阶段。无梭织机的控制最主要的特征体现在新型引纬方面，且其他方面也采用了许多新技术，所以又称为新型织机。 随着电子控制技术和计算机控制技术的发展，织机控制技术进入了新的迅速发展的阶段，为研制低价格、高性能的织机控制提供了可能性，为不断提高织物质量创造了条件。计算机控制技术在织机中的应用日趋广泛和成熟，它代表了当今织机发展的最新水平 。计算机控制技术的应用提高了织造的生产效率和产品的质量，大大降低了劳动强度，节省劳力，实现了织造工厂自动化。 织机的计算机控制技术的特点是利用微电子技术来实现自动控制，利用微机生产管理系统完成织造参数设定、修改、现实、检测、控制，使织造生产的管理自动化。国产纺织设备的机电一体化起步较晚，我国织机生产厂家从 90年代后期，开始涉足喷水织机控制系统的研究开发领域，走技术引进、技术消化吸收、独立开发的道路。经过十几年的努力，取得了一定的成绩，研发出了多款喷水织机控制系统。与进口喷水织机相比，在织机性能和织造织物的品 种适应性等方面还存在很大差距。从理论上研究高速喷水织机的控制系统，对提高国内喷水织机的制造水平，满足日益增长的市场要求，有重要的理论意义和显著的经济效益。 织布机一般有硬件和软件两种控制方式。硬件控制成本虽低，但灵活性也低，机器的使用寿命也不长，维修不方便。而软件控制，成本虽高，但可靠性nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 3 也高，稳定性也好，维修简单，并且节省劳动力，现在被广泛使用。本课题中，采用了单片机控制织布机，通过改变软件程序就可以实现织布机所要求的不同功能，大大增强了灵活性和工作效率。 1.4 本文的结构 本文围绕高速喷水织布机控制 系统的设计，根据设计任务和要求，介绍了织布机的发展概况，喷水织布机的工作原理，控制系统原理图的设计，软件流程图的绘制与程序的编写，并介绍了如何使用 Protel DXP 绘制原理图和 PCB图。全文分六章，各章内容如下： 第一章为绪论，主要介绍织布机的发展及其控制技术； 第二章为织布机概述与设计要求，主要介绍了织布机工作原理与检测要求，以及对织布机的控制要求进行阐述； 第三章为控制系统硬件电路设计部分，详细说明了硬件部分的设计情况，包括设计方案的确定，主控制电路、整流电路及强电控制电路部分的设计与分析； 第四章为 控制系统软件设计部分，包括主程序、子程序流程图的绘制，主程序、中断子程序、延时子程序的编写； 第五章为 Protel DXP 的应用，介绍了 Protel DXP，以及如何应用 Protel DXP 绘制系统原理图及 PCB 图； 第六章主要是结论，对论文的总结以及做毕业设计的感想。 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 4 第二章 织布机概述与设计要求 2.1 喷水织布机概述 2.1.1 喷水织布机简介 织布机分梭织机、喷水织机和喷气织机，由于梭织惯性大、效率低，基本已淘汰，目前织布机多为喷水织机和喷气织机，两者工作原理 基本相同。 2.1.2 喷水织布机喷纱原理 喷水织机是利用高压水与纬纱之间的摩擦力，拉动纬纱穿过交错排列好的上下交替运动的一根根经纱，交织过程中，经纱边交替上下运动边向前移动，每上下交替运动一次，高压水喷出一根纬纱，经纱和纬纱绕在各自纱台上，自动放纱，每喷出一根纬纱，剪纱刀自动将其剪断，为使纬纱排紧，每喷一根纬纱，紧纱装置紧纱一次，使纬纱排列紧密。织成的布经吸水装置吸水后，卷到前方卷布筒上。如图 2.1所示。 2.2 检测的内容与要求 在织布过程中，遇到故障必须立即停车，需检测到故障有： 1）断纬。如图 2.2 所示。在正常工作中，每喷水一次，由接近开关产生一信号，同时探纬传感器也相应产生一信号，两信号同时送到探纬器，若探纬器只收到接近开关信号，没有收到探纬传感器信号，说明已经断纬，此时探纬器立即发出停车信号，切断主电机电源，随后发出刹车信号，刹住织布机，停止运动，以免经纱继续向前移动，造成排除故障重新开机后纬纱不连续，出现次品。 2）电机过热。当电机工作温度过高，电机内部的过热保护装置发出信号，电机须停机并立即刹车。 3）左右捻边纱、缠纬纱断纱、卷布筒张力过大，需停止、刹车。 除 了上述故障发生的需要停车外，当织布长度达到设定长度的也要立即停车。 2.3 织布机的控制要求 2.3.1 电机的控制 织布机共有三台电机： 1）主电机。主要为织布机运动装置提供运动以及动力。起动时，有两种 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 5 图 2.1高速喷水织布机工作原理 方式： Y 型起动，正常工作时也为 Y 型； Y 型起动，型起动（起动快），经延时后切换成 Y 型正常运转，起动方式可由操作者选择。 2）风机电机。共两台，一只吹风，一只吸风，将吹风机吹出的水汽吸走。 调整织布机各个运动机构位置时，可正、反点动 主电机，此时，风机电机不需起动。织布时，要先启动风机电机，后启动主电机，否则主电机不起动。（另外，调整织布机，刹车装置要松开，否则不能点动。织布时，刹车装置处在松开的有效状态。） nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 6 图 2.2 压水及断纬故障检测示意图 2.3.2 刹车的控制 刹车装置为电磁铁，启动主电机织布时，刹车装置必须处于有效状态，即遇到故障的停车能立即刹车，当刹车装置处于无效状态时，主电机不能启动。点动调整织布机时，刹车也应处于有效状态，松开点动按钮后，能立即刹住织布机。当刹车装置处于无效状态时，可用于手工盘动织布机，以调整织布机 运动机构装置。 2.3.3 指示灯要求 织布机由四只指示灯，红色作电源指示，接通电源后，该灯亮；黄色作织布指示，正常工作时，该灯不停闪烁，断纬停车后，该灯只亮不闪烁；绿色作电机过热、捻边纱、缠纬纱断纱指示，故障发生后停车时，该灯亮，故障不发生不亮；蓝色作计长指示，设定长度达到后停车时指示，长度未到，不停车，灯不亮。 2.3.4 直流电源要求 控制系统所需要电源由四种直流电源：单片机工作电压 5V，探纬器工作电压 12V，控制按钮工作电压 12V，刹车装置直流电压 110V。上述四种直流电压经变压器、整流后获 得。刹车时，加在电磁铁上的电压为 110V，停车后，nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 7 降为 24V，这是通过控制系统软件，使电磁铁线圈处于通断通断工作状态，靠改变通、断时间以使线圈的平均电压为 24V。如图 2.3 所示。 图 2.3 刹车电压 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 8 第三章 织布机控制系统电路设计 3.1 设计方案的拟定 根据任务书要求，对织布机控制系统电路进行设计。控制系统电路分三个电路：主控电路、强电电路和整流电路。主控电路利用 CPU 为 89C51 的单片机实现正反转、正反点动、风机运转、电磁刹车、故障检测自停， 以光电耦 合器作为隔离单片机系统与输入输出部分的控制元件 。控制系统输出口与强电电路接口为固态继电器。整流电路主要由变压器、二极管整流桥、滤波器和集成稳压器等组成，用来 实现三相交流电到 5v（单片机工作电压）， 12v（探纬器工作电压）， 12v（控制按钮工作电压）， 110v（刹车装置直流电压）的转换 。强电部分主要利用电气控制原理实现电机运转，包括电气保护元件、接触器开关、电机等。 3.2 主控电路的设计 主控电路主要利用 89C51单片机实现主电机正反转、正反点动、风机运转、电磁刹车、故障检测自停， 以光电耦合器作为隔离单片 机系统与输入输出部分的控制元件， 并在电机控制信号输出电路当中采用了固态继电器与电机控制强电电路进行连接。主控电路如图 3.1所示。 3.2.1 主控电路中单片机 89C51 的应用 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4KB 的可反复擦写的程序存储器和 128B 的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 Atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容 MCS 51 指令系统，片内配置通用 8 位中央处理器（ CPU）和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C51单片机可灵活应用于各种 控制领域 1。 如图 3.2 所示， 89C51 共有 40 条引脚。其引脚的说明如下： 1.电源引脚 VCC和 GND（共 2 根） VCC （ 40 脚）：接 5V 电压。 GND（ 20 脚）：接地。 2.外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2（共 2 根） XTAL1（ 19 脚）和 XTAL2（ 18 脚）引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接连到内部时钟发生器的输入端。 原理图中， XTAL2 接振荡信号， nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 9 图 3.1主控电路图 XTAL1 接地 。其 使用了 12MHz 晶振，则根据单片机 CPU 的工作时序，其 4 个周期的具体值计算如下： 振荡周期 =1/12us ； 时钟周期 =1 / 1 2 2 1 / 6u s u s ； 机器周期 =1 / 1 2 2 6 1u s u s ； 指令周期 =1 (1 4 ) 1 4u s u s。 3.控制和复位引脚 ALE、 PSEN 、 EA 和 RST（共 4 根） ALE（ 30 脚）：当访问 外部程序存储器或数据存储器时， ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。 112233445566778899101011111212D DC CB BA AT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eA1D a t e : 2008- 6- 11 S he e t of F i l e : C : D oc um e nt s a nd S e t t i ngs . 1.S c hD oc D r a w n B y :p1.01p1.12p1.23p1.34p1.45p1.56p1.67p1.78R S T93.0103.1113.2123.3133.4143.5153.6163.717X T A L 218X T A L 119p2.021p2.122p2.223p2.324p2.425p2.526p2.627p2.728P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P31P 0.732P 0.633P 0.534P 0.435P 0.336P 0.237P 0.138P 0.039VCC40GND2089C 51104C 15+ 5VGND3KR45KR I 315KR53KR I 15KR I 25KR 163KR I 61KR I 510C 11U4U8U5S1S1S110C 12GND+ 12V + 5VGNDGNDS1GND+ 12V + 5V3KR I 15KR I 2U4S1S1GND+ 12V + 5V3KR35KR I 4U6+ 12V + 5VD 17GND3KR25KR I 4U6+ 12V + 5VGND3KR I 15KR I 2U4+ 12V + 5VGNDD9S13KR I 15KR I 2U4+ 12V + 5VGND1212M H ZB1+ 5v + 12vT65KR 153KR I 61KR I 5U8+ 5v + 12vT55KR 143KR I 81KR I 7U7+ 5v + 12vT45KR 173KR I 61KR I 5U8+ 5v + 12vT75KR 183KR I 61KR I 5U8+ 5v + 12vT8PS0- 50KR 1010KR61KR72KR 11 R 1*3KR 215KR I 25KR 201KR I 73KR I 8470R 19U7U7D 1610m HL1D 1510C 16T9GND+ 5V+ 5vGND+ 5V+ 5V + 12VT 10+ 110V12LED1KR I 73KR I 82KR 13T2+ 5V + 12VU712LED1KR I 73KR I 82KR 13T2+ 5V + 12V3KR I 15KR I 2U4S1S1GND+ 12V + 5VU712LED1KR I 73KR I 82KR 13T2+ 5V + 12VU712LED1KR I 73KR I 82KR 13T2+ 5V + 12VGND5KR I 4+ 5V GND5KR I 4+ 5V30pC 1330pC 14GND12D4 S4U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND12D5 S5U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND12D3 S3U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND12D2 S2U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND12D6 S6U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND12D1 S1U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND470pC 17S6S645674A C 00U 2B910874A C 00U 2C12131174H C 00U 2D12374A C 00U 2A872U 3A653U 3Bnts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 10 图 3.2 89C51 引脚图 PSEN （ 29 脚）： 外部程序存储器读选通信号 。 EA （ 31 脚）：外部访问允许。 RST （ 9 脚）： 复位信号输入端（高电平有效）。 4. I/O 口引脚 P0、 P1、 P2、 P3 P0 口： P0 口是一组 8 位 漏极开路输出型双向 I/O 口 ，也即地址 /数据总线复用口。 作为输出口 用 时，每位能以吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 ，对端口写 “ 1” 时，又可作高阻抗输入端用。 P1 口： P1 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。 P1 口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路 。对端口写 “ 1” ，通过内nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 11 部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作输入口。作输入口使用时，因为内部有上拉电阻， 某个引脚 被外部信号拉低 时 会输出一个电流。 P2 口： P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口 ， P2 口的输出缓冲级 可驱动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路 。对端口写 “ 1” 时，通过内部的上拉电阻 ，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 在访问外部程序存储器时 或 16 位地址的外部数据存储器（如执 行 MOVX DPTR， A）时， P2口送出高 8 位地址 数据 。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVX R1， A）时， P2 口 线上 的内容（ 特殊功能 寄存器 SFR 区中的 R2 寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。 P3 口： P3 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。 P3 口的输出缓冲 级 可驱动（吸收或输 出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路 。对端口写 “ 1” 时， 它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流。 根据任务书要求，本设计所应用引脚功能见表 3.1： 表 3.1 引脚功能说明 端口引脚 功能说明 端口引脚 功能说明 VCC 工作电压 5V P1.5 控制左绞故障自停 GND 接地 P1.6 控制缠纬故障自停 P0.0 控制计长指示灯 P1.7 控制张力过大自停 P0.1 控制五项自停指示灯 P2.0 控制高压刹车 P0.2 控制探纬指示灯 P2.1 控制低 压刹车 P0.3 控制电源指示灯 P2.2 控制继电器 YKM 输出电路 P0.4 控制继电器 KM0 输出电路 P3.1 控制主电机反转点动 P0.5 控制继电器 FKM 输出电路 P3.2 控制系统停车 P0.6 控制继电器 ZKM 输出电路 P3.3 控制主电机正转点动 P0.7 控制继电器 KM输出电路 P3.4 接近开关信号 RST 控制系统复位 P3.5 控制风机启动 P1.0 手动控制六项自停 P3.6 刹车开关信号 P1.1 手动控制主电机 Y-启动 P3.7 控制系统停止 P1.2 控制 计长自停 XTAL1 接振荡器 P1.3 控制电机过热自停 XTAL2 接振荡器 P1.4 控制右绞故障自停 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 12 3.2.2 主控电路中光电耦合接口电路 1.光电耦合器的结构及特点 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发 图 3.3 光电耦合器的结构和符号 光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。如图 3.3 所示。 发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器 的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。 2.光电耦合器接口电路 当用微处理器输出去控制大功率电器时，要将强电与弱电隔离，一般由光隔离和磁隔离两种。本设计中采用光电隔离。由光电耦合器组成的光电耦合电路应用（以控制风机启动为例）如图 3.4 所示 图中光耦为晶体管输出型光电耦合器。光电晶体管以光取代基极电流，作为晶体管的输入，当光电耦合器的发光二极管发光时，光电晶体管受光的影响在 cb 和 ce 间会有电流流过，电流受光照强度控制。光电耦合器将单片机 89C51 系统 与控制开关隔离，使两部分的电流相互独立。由于光电耦合器是电流型输出，不受输出端工作电压的影响，因此可以用于不同电平的转换。 图中，当开关闭合时，发光二极管通电发光，受光部分受光导通， P3.5低电平有效；当开关断开，光耦输入端电流为 0，发光二极管不导通，输出相当于开门， P3.5 为高电平。电阻 RI1 起限流保护作用。 3.2.3 主控电路中固态继电器接口电路 固态继电器是一种新型无触电继电器。它是随着微电子技术的不断发展产生的以弱控强新型电子器件。同时又为强、弱之间提供良好的隔离，从而确保 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 13 图 3.4 控制 系统电 路中的光耦接口电路 电子电路和人身的安全。 固态继电器利用电子元器件的电磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。固态继电器有三部分组成 :输入电路，隔离 (耦合 )和输出电路。按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。其输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用 两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。 固态继电器接口电路如图 3.5 所示。 继电器的输入为单片机的逻辑电平，信号经光电耦合器耦合后，经驱动三极管进行转换，使输出的驱动电压能够适应继电器线圈的要求。图中 PNP 三极管为固态继电器的驱动管。当 89C51 的 P0.4 口为低电平时，经光耦耦合，加在 PNP 基极的电位低于发射极，三极管导通，固态继电器导通，接触器 KM0线圈得电， KM0 常开触点闭合，电机运行。继电器动作时，对电源有一定的干扰，为了提高单片机系统的可靠性，在单片机和继电器之间用光 耦隔离，使两部分的电源相互独立。避免输出部分电源变化对单片机电源的影响，减少系统所受干扰，提高系统可靠性。 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 14 图 3.5 固态继电器接口电路 3.3 六项自停电路设计 六项自停电路是用于在系统织布过程中，发生故障时，使系统停车并刹车。该电路主要检测故障包括：断纬、电机过热、左、右捻边纱、缠纬纱断纱、卷布筒张力过大以及计长信号等。电路如图 3.6所示。 图中， P1.0 为手动控制六项自停电路。当故障检测需要停车时，开关 S0闭合；不需要停车时，开关 S0 打开。 P1.2-P1.7 口为自动控制六项自停电路，分别为计长、电 机过热、右绞故障、左绞故障、缠纬故障、张力过大自停。其中，有 3 只指示灯，探纬指示、五项自停指示、计长指示来指示故障。织布机运行时，将 P1.0 常开开关 S0 闭合，当发生故障时，相应的保护开关 S1-S6开关闭合，使自停电路导通，切断主电机电源，随后发出刹车信号，刹住织布机。 3.4 电磁刹车电路设计 如图 3.7所示，为电磁刹车电路，电路主要由比较器、三极管、光耦、 VMOS管、电磁铁线圈、续流二极管、电阻电容等器件构成。 P2.1 为控制刹车开关，开刹车时， P2.1 置 1，关刹车时，将 P2.1 置 0；P2.0 为高低压刹 车转换。两引脚发出的信号，经比较放大后，控制 VMOS 驱动管的导通与截止，以实现电磁刹车的打开或关闭。 3.4.1 刹车电路中的电气元件 （ 1） 反向器 图 3.7 中反向器 74HC00 为双列 14 脚与非门，其中两对作为与非门使用，为了节省资源，将剩余两对作为非门使用。 nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 15 图 3.6 六项自停电路 （ 2）续流二极管 与电磁铁线圈并联的二极管起续流保护作用，电磁铁线圈断电时会产生很大的反向电动势，会击穿电磁铁驱动 VMOS 管，加上续流二极管，电路断路时，线圈产生的反向电动势使二极管处于正向导通状态，构成回路，大大减小了线圈 两端的反向电动势，保护 VMOS 管。 （ 3）电位器 电位器的可调，使织布机能够准确停止在某个位置。 3.4.2 刹车电路工作原理 刹车装置为电磁铁，启动主电机织布时，刹车装置必须处于有效状态，即遇到故障的停车能立即刹车，当刹车装置处于无效状态时，主电机不能启动。点动调整织布机时，刹车也应处于有效状态，松开点动按钮后，能立即刹住织布机。当刹车装置处于无效状态时，可用于手工盘动织布机，以调整织布机运动机构装置。 112233445566778899101011111212D DC CB BA AT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eA1D a t e : 2008- 6- 4 S he e t of F i l e : S he e t 1.S c hD oc D r a w n B y :12D4 S4U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND12D5 S5U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND12D3 S3U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND12D2 S2U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND12D6 S6U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND12D1 S1U53KR I 95KR I 3+ 12V + 5VGND5KR I 4+ 5VGND89C 51p1.01p1.12p1.23p1.34p1.45p1.56p1.67p1.78R S T93.0103.1113.2123.3133.4143.5153.6163.717X T A L 218X T A L 119p2.021p2.122p2.223p2.324p2.425p2.526p2.627p2.728P S E N29A L E / P R O G30E A / V P P31P 0.732P 0.633P 0.534P 0.435P 0.336P 0.237P 0.138P 0.039VCC40GND20QAJS0nts南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 16 图 3.7 电磁刹车电路 图 3.7 所示电磁刹车电路中， P2.1 控制刹车开关， P2.1 控制刹 车高低压转换。若流过两比较器的电平均为高电平，经过与非门输出低电平，经过反相器为高，则光电耦合器不导通， VMOS 管基极为高电平， VMOS 管导通，电磁铁线圈通电，系统刹车。刹车时，通过改变 P2.0 的高低来实现电磁铁线圈的通电、断电，使电磁铁线圈处于通断通断工作状态，靠改变通、断时间比使线圈的平均电压为 24V。电磁铁导通情况见表 3.2。 表 3.2 电磁铁导通情况 刹车开关 A B Z 刹车 开（分） 1 1 1 开 关（合） 1 0 0 关 开 0 1 0 关 关 0 0 0 关 112233445566778899101011111212D DC CB BA AT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eA1D a t e : 2008- 6- 11 S he e t of F i l e : C : D oc um e nt s a nd S e t t i ngs . 2.S c hD oc D r a w n B y :S13KR I 15KR I 2U4+ 12V + 5VGND0- 5
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