短轴料倒角机PLC控制系统毕业设计.doc

本科生毕业设计（论文）短轴料倒角机PLC控制系统毕业设计目 录第1章 绪 论11.1概 述11.2剪板机的发展现状与发展趋势11.2.1剪板机的发展现状11.2.2剪板机的主要生产厂家21.2.3剪板机未来发展趋势31.3系统设计内容及目标3第2章 系统总体方案的论证42.1系统原理结构及工作流程42.2 系统方案论证52.3 系统的组成6第3章 系统硬件电路设计93.1 主控芯片89C5293.1.1 89C52简介93.1.2 89C52的性能参数93.1.3 89C52的引脚及功能103.2 单片机最小系统设计113.2.1钟振荡电路113.2.2 复位电路123.2.3 单片机最小系统电路133.3 电源电路133.4 看门狗电路143.5 并行输入输出接口193.5.1 8255A简介193.5.2 功能特性193.5.3引脚及功能193.5.4 8255A与单片机的电路连接223.6过载检测与报警电路223.6.1电机过载检测电路223.6.2声光报警电路243.7计数采样输入电路253.8键盘控制电路263.9 显示电路283.9.1 LED显示器结构与原理283.9.2 LED显示方式293.9.3显示器驱动电路303.9.4显示电路313.10 状态检测与电机控制电路313.10.1工作状态检测电路313.10.2电机控制电路32第4章 系统软件的设计与调试344.1 8255端口地址及内存地址分配344.2主程序流程图设计344.3键盘扫描子程序364.3.1键抖动的处理364.3.2键盘扫描子程序流程图364.4显示子程序374.5工作状态检测子程序384.5电机过载检测子程序394.7 系统软件的调试404.7.1 子程序的调试404.7.2 程序流程的调试414.7.3 整个程序的连调41第5章 结 论42参考文献43致 谢44附 录45附 录58附 录60II第1章 绪 论1.1概 述随着科学的不断发展进步，自动化技术日趋成熟，并且被广泛应用于医学，办公，生产等许多领域。在工业领域中，自动化机械设备的应用己经越来越大，并且逐渐占据主导地位。采用自动化机械设备进行生产加工可以提高生产效率，节约劳动力，降低劳动难度和强度，改善和提高设备的安全性和可靠性。因此采用自动化技术进行生产加工己经成为企业提高经济效益，增加企业竞争力的一项重要手段。剪板机定义：剪切板料的剪切机，属于锻压机械中的一种，主要作用就是金属加工行业中应用比较广泛的一种剪切设备，它能剪切各种厚度的钢板材料。随着我国经济的快速发展，社会对各类板材的需求量不断增长，因此对板材加工的精度与效率有了更高的要求。在金属板材制品加工过程中，剪板作为金属板材加工生产中的一道重要的加工工序，其自动化程度决定了板材加工的精度与效率，自动剪板机即是一种按用户要求将大块金属板材进行剪切，并由送料车运送到下一工序的自动化加工设备。自动剪板机作为一种自动化机械设备在金属板材制品加工企业中的地位己经越来越重要。1.2剪板机的发展现状与发展趋势1.2.1剪板机的发展现状在汽车、航空航天、电子和家用电器领域，需要大量的金属板壳零件，特别是汽车行业要求生产规模化、车型个性化和覆盖件大型一体化。进入21 世纪，我国汽车制造业飞速发展，面对这一形势，我国的板材加工工艺及相应的剪板机 都有了长足的进步。剪板机不仅用于机械制造业，还是金属板材配送中必不可少的设备，应用范围特别广。剪板机按结构分为闸式剪板机和摆式剪板机两类；按传动方式分为有机械传动剪板机和液压剪板机。安全性和剪切角度不可调整是剪板机的致命缺点，故除小规格剪板机外，液压剪板机独领天下的格局已经成为不争的事实。由于液压传动在控制方面的优势，数控剪板机主要采用液压传动形式。数控液压剪板机除速度、行程可调外，剪切角度自动调整机构和刀片的间隙调整机构的开发与实用化，使其具备了进入板材加工中心和板材加工的领先地位。各个企业生产的数控液压剪板机，都在逐步向国际主流方向靠拢。当前，数控液压剪板机普遍采用整体焊接的结构，经时效处理的机架，具有良好的强度、刚度和精确保持性；采用集成式液压传动伺服驱动，提高了机床运行的可靠性；剪切角度的自动调整机构和刀片自动调整机构，根据被剪板料的材质、厚度，可自动完成剪切角度，刀片间隙的调整；根据剪切长度，可自动调节剪切行程和板料的位置；此外，可配备前送料系统或托料装置，集送料、卸料于一体，有效地提高设备的自动化程度。近年来，适应金属板材加工的需要，液压剪板机出现了新机型即直角剪板机。直角剪板机刀架上装有互成直角的两条刀片，可以剪切出任意尺寸的矩形板料，并可在大张板料上套载下料。不仅提高了剪切效率而且能够提高板材的利用率。数控直角剪板机与数控转塔冲床、数控板料折弯机可组成板料加工中心。1.2.2剪板机的主要生产厂家国外的主要生产厂家有：德国独资-贺尔碧格（无锡）自动化技术有限公司,所有产品德国原装,在自动化行业享誉全球。中瑞合资-江苏亚威爱颇特锻压机床有限公司，它是与瑞士SMS公司共同投资建立的合资公司。国内生产数控剪板机的企业较多，在全国的剪板机制造商中，根据2008-2009中国剪板机行业现状监测及发展趋势研究报告的调查，国内的主要剪板机制造商有：上海冲剪机床厂、湖北三环锻压机床有限公司、江苏亚威机床有限公司、江苏金方圆机床有限公司、江苏扬力集团有限公司、泰安华鲁锻压机械有限公司，济南泽业机床制造有限公司，南通江海机床有限公司，黄石华信机械设备有限公司，佛山市南海区力丰机床有限公司等企业可称为佼佼者。以泰安华鲁锻压机械有限公司制造的来说，其主要性能为：1）机器为全钢焊接机构，液压上传动，振动消除应力，机器强度高、刚性好。液压摆式剪板机是通过采用主油缸（固定在墙板上）做向下剪切运动、氮气缸回程，因此简化液压系统、运行更稳定。摆式剪板机的上刀架在剪切过程中绕一固定轴线作圆弧摆动，通过杠杆作用，支点受力小，可提高剪切刃寿命、机器寿命，整机结构紧凑，并能无极调节上刀架的行程量，大大提高工作效率。2）后挡料尺寸及剪切次数有数字显示装置。上下刀片刃口间隙调整由指示牌指示，调节轻便快捷。3）采用防护栅与电器箱联锁人生安全保护装置。4）采用先进的集成式液压系统，可靠性好。1.2.3剪板机未来发展趋势进入21世纪以来，中国锻压机床行业经过技术引进、合作生产及合资等多种方式的运作，快速地提升了我国剪板机整体水平。近年设计制造的许多产品，其技术性能指标已经接近或达到世界先进水平，在宜人性方面也取得了长足进步。但由于大家都在进步，所以国内产品与国外名牌产品的差距并无明显缩短。因此，我国剪板机行业和企业需以战略的思路和有效的措施应对当前的机遇和挑战。剪板机的控制是现代机械与新兴计算机控制技术的有机结合，不仅仅是简单的机械控制，而且还是一种先进技术的代表，在剪板机的自动控制中，有对机械工艺的要求，还有对现代控制手段的新改革。采用计算机控制方法，是剪板机控制未来发展的重要方向。1.3系统设计内容及目标本系统是“基于单片机的自动剪板机控制系统”。 是应现代企业要求而研制的，是一种经济实用型数控系统。要求实现自动进料、卸料、剪切、数控定长的功能。本课题设计内容：采用单片机89C52 作控制器，通过位置检测开关，检测剪板机各工序的状态，自动控制剪板机的工作，同时进行剪切计数，实现机械加工多工序的自动化控制。设计目标：用的单片机组成控制系统，在原有机床的主体结构基础上，增加自动进料、卸料、剪切、数控定长等功能，使其具有抗干扰性好、集成度高、加工精度高、操作方便、自动化水平和性价比高等特点。从而提高工业自动化程度。第2章 系统总体方案的论证2.1系统原理结构及工作流程本设计的自动剪板机系统是应现代企业要求而研制的，是一种经济实用型数控系统。该自动剪板机是按用户要求将大块金属板材进行剪切，并由送料车运送到下一工序的自动化加工设备，广泛应用于金属板制品加工企业。自动剪板机的原理结构和各检测元件的安装位置如图2.1所示。SQ2SQ4剪切片SQ3板料LSQ1SQ7光开关工作台板料SQ5铁轨控制电动机运料小车SQ6图2.1 自动剪板机原理结构和检测元件安装位置图自动剪板机系统工作流程：启动时，先检查限位开关SQ6的状态。若料车空载，即启动运料小车电动机，使之左行到位，限位开关SQ5闭合，送料机构电动机启动，带动板料向右移动。当板料碰到行程开关SQ1 时，送料停止，同时启动压块电动机，使压块压下，压块上限开关SQ2 闭合。当压块到位且板料压紧时，压块下限开关SQ3 闭合，剪切刀电动机起动，带动剪刀下落，此时SQ4 闭合，直到板料剪断落入料车。剪好的板料由光电检测开关SQ7作计数取样。当运料车上板料达到设定数时，起动运料小车电动机带动料车右行，将板料送至下一工序。卸载后，再起动运料小车左行，返回到剪板机下，进入下一车的工作循环。要求自动剪板机功能如下：1.待剪板料的自动传送。由送料机构电动机将下一块待剪板料自动输送到位；2.板料的压紧。待剪板料定位后由压块电动机带动压板，将板料压紧；3.板料剪切。由一台电动机控制剪切刀实施；4.运料小车的运行。包括卸载及自动返回；5.电机过载则自动启动声光报警电路6.剪切板料的自动计数，每车板料数的预设定及键盘设定剪板长度2.2 系统方案论证剪板机的自动控制方式主要有以下几种。（1）继电器控制方式传统的控制方法是采用继电器-接触器控制，早期在国内的一些生产厂家中，对剪板机的生产工艺和控制要求还不是很高。采用的控制方式也不是很先进，继电器控制方式的控制系统较复杂，大量的接线使系统可靠性降低，也间接地降低了设备的工作效率。继电器、接触器的控制中由于多为机械的简单控制，在实际的使用中容易发生故障，且连线十分复杂，出现故障很不方便查找故障源。另外多采用机械的触点是系统的灵敏度有限，在剪板机的控制系统中已很少被采用了。 （2）PLC为控制器的控制方式采用PLC作为控制核心，由于PLC本身就是一个独立的控制设备，则不需要设计和制作输入/输出接口电路和放大电路。因此，相对于PLC控制方案而言，传统的继电器-接触器控制所需的电路设计、制作工作量较大，设计、制作周期较长，此外，其系统的稳定性和工作的可靠性也都不如PLC控制系统强。由于PLC控制系统与继电器控制系统相比，具有设计、安装、接线、调试工作量小，研制周期短，可靠性高，抗扰能力强，故障率低，对工作环境要求不高，维护方便等一系列优点，因此在不少的剪板机的控制上采用PLC作为控制器。（3）单片机为控制器的控制方式单片机是随着超大规模集成电路技术发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，在剪板机控制领域得到了更为广泛的应用。单片机微处理器控制系统具有以下特点：1）可靠性好：单片机是按照工业控制要求所设计的，其抗工业噪声干扰优于一般的CPU，程序指令及常数据都烧写在ROM内，因此可靠行高。2）智能仪表：用单片机微处理器改良原有的测量、控制仪表，能使仪表数字化、智能化、多功能化、综合化。而测量仪器中的误差修正、线形化问题也迎刃而解。3) 控制功能强：为了满足工业控制的要求，单片机的指令除了输入/输出控制指令、逻辑判断指令外，还有更为丰富的条件分支跳跃指令。随着信息科学技术日新月异的发展，以通信技术为代表的电子信息类专业知识更新尤为迅猛。目前，单片机应用技术己成为一项新的工程应用技术。随着单片机技术的广泛应用，新型单片机、存储器及其应用技术不断涌现。单片微型计算机的诞生是计算机发展史上的一个新的里程碑。近些年来，随着单片机档次的不断提高，功能的不断完善，其应用日趋成熟、应用领域日趋扩大，特别是工业测控、尖端武器和日用家电等领域更是因为有了单片机而生辉增色，不少设备、仪器己把单片机作为核心部分。单片机应用技术己成为一项新工程技术。剪板机是一种很普遍的机械工艺，但是采用不同的控制方式和手段，就会有不同的效果，而且带来不同的生产效率，从而还会带来不同的生产效益。虽然单片机的抗扰性能不如可编程逻辑控制器PLC，但可以通过在输入、输出端采用光电隔离等措施，使其得到进一步改善；而PLC的价格比较高，在需要即时显示和控制的场合不如单片机快捷。通过上面的论述和比较，本控制系统采用单片机作为控制核心，从而使剪板机的性能价格比产生新的突破。2.3 系统的组成整个系统主要由单片机89C52，2 个并行I/O接口扩展芯片8255A，电机过载检测、计数采样输入、系统工作状态检测输入、外控输出、声光报警、键盘、显示及电源等部分组成，如图2.1所示。从图2.1中看出，系统扩展2 个并行I/O接口扩展芯片8255A，1号8255A作键盘、显示器的接口，2号8255A作工作状态采样输入、外控输出和声光报警的接口 。单片机89C52有四个I/O接口P0-P3，P0口作双向数据接口，与8255A 连接；P1口的P1.0P1.3用于电机故障检测信号输入；P2口用于扩展两片8255A的I/O 接口芯片；P3口作为第二功能使用。 89C528255A（1）8255A（2）键盘电路显示电路电机控制输出声光报警工作状态采样信号电机过载检测测计数采样电路输入电源电路 复位电路图2.2自动剪板机控制系统组成框图各组成部分的功能作用如下：（1）控制器本控制系统在设计上选用AT89C52单片机为控制器。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8K bytes 的反复擦写的只读程序存储器（PEROM）256 bytes 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，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元。89C52芯片则采用CHMOS工艺，CHMOS工艺是COMS和HMOS的结合，而MCS-51系列芯片只采用了HMOS工艺。89C52芯片具有COMS低功耗的特点，例如8051芯片的功耗为630mW,而89C52的功耗只有120mW。89C52在功能增加了待机和掉电保护两种工作方式，以保证单片机在掉电情况下能以最低的消耗电流维持。此外，在89C52系列芯片中，内部程序存储器除了ROM型和EPROM型外，还有E2PROM型，例如89C52就有8KB E2PROM。并且随着集成技术的提高，89C52系列片内程序存储器的容量也越来越大，目前已有64KB的芯片了。另外，许多89C52芯片还具有程序存储器保密机制，以防止应用程序泄密或被复制。所以本设计方案采用功能很强大的AT89C52单片机做控制器。（2） 1号8255A。1号8255A用于做键盘和显示器的接口。键盘在本系统中的主要作用是预置每一车的板料数。该键盘为3*4非编码键盘，其中0至9为10个数字键，2个功能键分别为清零键和确认键。显示器采用4 位LED数码管，动态扫描及分时循环显示已剪切的板料数。 （3）2 号8255A。2 号8255A作扩展的并行输入输出接口。PA口的PA0PA5与检测系统工作状态的限位开关SQ1SQ6连接（通过光电耦合器隔离、耦合），将现场信号取样、处理，传送给89C52；PB口的PB0PB4作外控输出，通过型号为SP1110 的双向晶闸管光电耦合器控制接触器KM1KM5，从而对运料小车、送料机构、压块、剪切的四台电动机实施控制；PC口的PC0PC3及PC7 作声光报警输出。（4）电机过载检测。电机过载信号直接送89C52P1口的P1.0P1.3端， CPU读取其状态，当某台电动过载时，发出相应的控制指令，迅速切断电机电源，并发出声光报警信号。（5）系统电源。系统中需要+5V，15V工作电源，设计中拟选用三端固定输出的78和79系列集成稳压芯片来设计+5V，15V工作电源，为系统供电。（6）计数采样电路。系统拟采用光电检测开关对剪切落入料车的板料进行计数，板料落入料车时，照射到光电三极管基极的光源被隔断，三极管集电极为高电平，经反相器输出一低电平，经INT0申请一次中断；当CPU响应中断时，进行一次加1计数，并将数值与给定值比较；当二者相等时，表明料车上板料已装满，暂停剪板机，起动料车将板料送往下一工序。第3章 系统硬件电路设计3.1 主控芯片89C523.1.1 89C52简介本系统采用单片机89C52做主控单元，89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8K bytes 的反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256 bytes 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，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大的89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，可以灵活用于各种控制领域。对于自动剪板机这一控制对象来说，该芯片的性能价格比相对8031，8051 等单片机要优越得多。AT89C52 提供以下标准性能：8K字节，RAM 256 个字节，32 I/O线，3个16 位定时器共6个中断源，一个全双工连续端口，软件设置睡眠和唤醒功能。另外， AT89C52 被设计以静态逻辑为操作下来对零的频率和2个外部中断源。 掉电模式方式停止CPU 当允许RAM，定时器连续端口, 并且中断系统持续作用。 掉电方式保存RAM 内容但结冰摆动器，使所有其它芯片失去能力及作用直到下个硬件重新设置。3.1.2 89C52的性能参数89C52可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。主要性能参数：1 与MCS-51产品指令系统完全兼容2 8K字节可重擦写FLASH闪速存储器3 1000次擦写周期4 全静态操作：0HZ24MHZ5 三级加密程序存储器6 256*8字节内部RAM7 32个可编程I/O口线8 3个16位定时/计数器9 6个中断源10可编程串行UART通道11低功耗空闲和掉电模式12片内振荡器和时钟电路3.1.3 89C52的引脚及功能P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。引脚图如3.1所示。图3.1 89C52引脚图P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VP：当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）,不管是否有内部程序存储器。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.2 单片机最小系统设计3.2.1钟振荡电路单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡和外部振荡。89C52单片机内部振荡电路由一个单级非门构成，它与石英晶体配合使用，可构成一个具有感抗特性的稳定的晶体振荡器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端。在本系统中，采用内部方式时，时钟振荡电路如3.2所示。在图中，其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图3.2时钟振荡电路该电路简单，所获得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，所以在本设计中采用了图3.2的时钟电路作本系统的时钟电路。3.2.2 复位电路为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RESET引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RESET引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后系统将输入/输出(1/0)端口寄存器置为FFH，堆栈指针SP置为60H，SBUF内置为不定值，其余的寄存器全部清0，内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时RAM的内容是不定的。复位操作有两种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用上电复位和按键式复位电路，复位电路图如图3.3所示。图3.3复位电路电路中电容C充电，当复位键按下后，电路有电流流过，构成回路，在电阻R1上产生压降，RESET引脚为高电平，按键能保证RESET引脚上提供10ms以上的稳定高电平。为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，单片机可以循环复位。当RESET从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。在复位有效期间，ALE和PSEN引脚输出高电平。3.2.3 单片机最小系统电路本文设计的单片机最小系统电路如图3.4所示。图3.4 单片机最小系统图3.3 电源电路电源电路的主要功能是为本系统提供充分的电能，使得整个系统可以正常的运行。在本设计中，单片机控制系统需要+5V的电源，此驱动电源电压由外部电源转换器电路提供。而四台交流电机需要的是工业用电，可以由工厂的生产车间提供工业电源。单片机系统的电源电路如图3.5所示。图3.5电源电路在本设计中，所采用的单片机电源电路是一次回路转换电路。当外接220V交流电压时，通过变压器绕组转换成9V交流电压，经过整流桥的整流作用，将9V交流电转换成9V左右的直流电。图中的MC7805T是一个三端稳压器，通过它的稳压作用，将输出+5V的直流电源，电容起到保护作用，电阻起到限流作用。3.4 看门狗电路在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续工作，会造成整个系统陷入停滞状态，发生不可预料的后果。所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片，就是俗称的“看门狗”。看门狗电路可以使单片机在无人状态下实现连续工作，其工作原理是：看门狗芯片和单片机的一个I/O口引脚相连，该I/O口引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平（或低电平），这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段进入死循环时，写看门狗引脚的程序便不能被执行，这个时候，看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号，便在它和单片机复位引脚相连接的引脚上送出一个复位信号，使单片机发生复位，即程序从程序存储器的起始位置开始执行，这样便实现了单片机的自动复位。所以在使用有看门狗的芯片时要注意及时喂狗。X5045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM 三种功能于一身的可编程控制电路。这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。X5045中的看门狗对系统提供了保护功能。当系统发生故障而超过设置时间时，电路中的看门狗将通过RESET信号向CPU 作出反应。X5045提供了三个时间值供用户选择使用。它所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围以下时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。X5045的存储器与CPU 可通过串行通信方式接口，共有4096个位，可以按512 x 8个字节来放置数据。1、 X5045引脚及功能X5045共有8个引脚，引脚排列如图3.6所示。 图3.6 X5045引脚图其引脚功能如下：CS：选择端，电平有效。SO：串行数据输出端。SI：串行数据输入端。SCK：串行时钟输入端。WP：写保护输入端，低电平有效。RESET：复位输出端。VCC：电源端。VSS：接地端。2、 工作原理（1）上电复位向X5045加电时会激活其内部的上电复位电路，从而使RESET 引脚有效。该信号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。当VCC 超过器件的Vtrip门限值时，电路将在200ms（典型）延时后释放RESETYI 以允许系统开始工作。（2）低电压监视工作时， X5045对VCC 电平进行监测，若电源电压跌落至预置的最小Vtrip以下时，系统即确认RESET，从而避免微处理器在电源失效或断开的情况下工作。当RESET 被确认后，该RESET 信号将一直保持有效，直到电压跌到低于1V。而当VCC返回并超过Vtrip达200ms时，系统重新开始工作。（3）看门狗定时器看门狗定时器是一个计数器，基本功能是在发生软件问题和程序跑飞后使系统重新启动。看门狗计数器正常工作时自动计数，程序流程定期将其复位清零，如果系统在某处卡死或跑飞，该定时器将溢出，并将进入中断。在定时器中断中执行一些复位操作，使系统恢复正常的工作状态，即在程序没有正常运行期间，如期复位看门狗以保证所选择的定时溢出归零，使处理器重新启动并通过监视WDI输入来监视微处理器是否激活。由于微处理器必须周期性的触发CS/WDI引脚以避免RESET 信号激活而使电路复位，所以CS/WDI引脚必须在看门狗超时时间终止之前受到由高至低信号的触发。（4）重新设置VCC门限X5045/45出厂时设置的标准VCC 门限电压为Vtrip，但在应用时，如果标准值不恰当，用户可以重新调整。（5）SPI串行存储器器件存储器部分是带块锁保护的CMOS串行EEPROM 阵列，阵列的内部组织是8 位。X5045可提供最少为1000次擦写和100年的数据保存期，并具有串行外围接口（SPI）和软件协议的特点，允许工作在简单的四总线上。X5045主要是通过一个8 位的指令寄存器来控制器件的工作，其指令代码通过SI输入端写入寄存器。X5045的指令格式极其操作如表3.1所示。表3.1 X5045的指令格式及其操作指令名称指令格式操 作WREN 00000110设置写使能锁存器（使能写操作）WRDI00000100复位写使能锁存器（禁止写操作）RSDR00000101读状态寄存器WRSR00000001写状态寄存器（看们狗和块锁）READ0000A800从选定的地址开始读存储器阵列的数据WRITE0000A8010从选下的地址开始写入数据至存储器阵列（6）时钟和数据时序当CS变低以后，SI线上的输入数据在SCK 的第一个上升沿时被锁存。而SO 线上的数据则由SCK的下降沿输出。用户可以停止时钟，然后再启动它, 以便在它停止的地方恢复操作。在整个工作期间，CS必须为低。（7）状态寄存器状态寄存器包含四个非易失性状态位和两个易失性状态位。控制位用于设置看门狗定时器的操作和存储器的块锁保护。状态寄存器的格式如下（缺省值为00H）：其中：WIP (Write-In-Progress) 位是易失性只读位，用于指明器件是否忙于内部非易失性写操作。WIP 位可用RDSR指令读出。当该位为“1”时，表示非易失性写操作正在进行；为“0”时，表示没有进行写操作。状态寄存器的格式如表3.2所示。表3.2 状态寄存器的格式表7654321000WD1WD0BL1BL0WELWIP其中：WIP (Write-In-Progress) 位是易失性只读位，用于指明器件是否忙于内部非易失性写操作。WIP 位可用RDSR指令读出。当该位为“1”时，表示非易失性写操作正在进行；为“0”时，表示没有进行写操作。WEL（Write Enable Latch）位用于指出“写使能”锁存的状态。WEL=1时，表示锁存被设置；WEL=0表示锁存已复位。WEL位是易失性只读位。可以用WREN指令设置WEL位；用WRDI指令复位WEL位。用BLO，BL1（Block Lock）位可设置块锁存保护的范围。任何被块锁保护的存储器都只能读出不能写入。这两个非易失性位可用WRSR指令来编程，并允许用户保护EEPROM 阵列的1/4 、1/2、全部或0。受保护的EEPROM陈列地址如表3.3所示。表3.3 受保护的EEPROM陈列地址状态寄存器位受保护的陈列地址BL1BL0X5043/X504500无011801FF101001FF110001FFWDO、WD1（Watchdog Timer）位用于选择看门狗的超时周期。见表3.4。当用CS 选中器件后，送8 位RDSR指令，并由CLK 信号触发即可将状态寄存器的内容从SO 线上读出。而在写状态寄存器时，应先将CS 拉低，然后送WREN指令，再拉高CS。然后再次拉低CS，最后送入WREN指令及对应于状态寄存器内容的8位数据即可。该操作由CS变高结束。表3.4 看门狗超时周期选择状态寄存器位看门狗时周期（典型值）WD1WD0001.4秒01600毫秒10200毫秒11禁止WEL位及WP引脚的状态对器件内的存储器各部分保护的影响如表3.5所示。表3.5 WREN命令和/WP引脚状态对状态寄存器的影响WREN命令（WEL）器件引脚（/WP）存储器块状态寄存器（BL0、BL1、WD0、WD1）保护区不保护区0X保护保护保护X0保护保护保护11保护可写入可写入3.看门狗电路采用X5045与单片机连接构成看门狗电路，其电路连接如图3.7所示。 图3.7 看门狗电路X5045电路具有多功能、反应速度快、抗干扰能力强等特点，在产品设计时表现的淋沥尽致。可以说X5045是一种性能价格比较高的电路芯片，并可非常方便地与许多常用CPU系列器件接口，非常适用于智能仪器、实时控制、微型化等场合。3.5 并行输入输出接口在硬件电路设计中，系统扩展了2 个并行I/O接口芯片8255A，一个作键盘、显示器的接口，另一个作工作状态采样输入电路、外控输出电路和声光报警电路的接口 。3.5.1 8255A简介8255A是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255A可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。8255A作为单片机与外设的接口芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255A可编程，所以必须具有逻辑控制部分，因而8255A内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。 3.5.2 功能特性可编程并行I/O接口芯片8255A具有以下特性。（1）一个并行输入/输出的LSI芯片，多功能的I/O器件，可作为CPU总线与外围的接口。（2）具有24个可编程设置的I/O口，即3组8位的I/O口：PA口、PB口、PC口；它们又可分为两组12位的I/O口：A组包括A口及C口(高4位PC4PC7)，B组包括B口及C口(低4位PC0PC3)。A组可设置为基本的I/O口，选通(STROBE)的I/O选通式，双向I/O3种模式；B组只能设置为基本I/O或选通式I/O两种模式，而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定。3.5.3引脚及功能8255A芯片的引脚图如图3.8所示。其引脚功能如下：RESET：复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。CS：芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时，即/CS=0时，表示芯片被选中，允许8255A与CPU进行通讯；/CS=1时，8255A无法与CPU做数据传输。图3.8 8255A引脚图RD：读信号线，当这个输入引脚为低电平时，即/RD=0且/CS=0时，允许8255A通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255A读取信息或数据。WR：写入信号，当这个输入引脚为低电平时，即/WR=0且/CS=0时，允许CPU将数据或控制字写入8255A。D0D7：三态双向数据总线，8255A与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。PB0PB7：端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器， 一个8位的输入输出缓冲器。PC0PC7：端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口， 每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。A1、A0：地址选择线，用来选择8255A的PA口、PB口、PC口和控制寄存器。当A1=0、A0=0时，PA口被选择；当A1=0、A0=1时，PB口被选择；当A1=1、A0=0时，PC口被选择；当A1=1、A0=1时，控制寄存器被选择。3.5.4 8255A与单片机的电路连接2号8255A与单片机的电路连接如图3.9所示。单片机的P2.6作2号8255的片选线，所以2号8255A口、B口、C口及控制口地址分别为BFFCH、BFFDH、BFFEH和BFFFH。1号8255A与单片机的电路连接同图3.9相同，只是用P2.7作1号8255的片选线，其4个端口地址分别为7FFCH、7FFDH、7FFEH、7FFFH。 图3.9 8255A与单片机的电路连接3.6过载检测与报警电路3.6.1电机过载检测电路在自动剪板生产中有时为了提高生产效率，就会使电机工作在超负载的状态下，电机长时间工作在过载的情况下，电机将会烧损；另外由于供电状态和机械负荷的多变性，也有可能使电机长时间流通过电流，使得电机过载而烧坏电机。因此，必须检测电机的电流，一旦流通过电流，立即切断电机电源来保护电机。本系统通过热敏电阻来检测电机是否过载，热敏电阻会检测电机绕组的温升，若电机过载，对应的热敏电阻阻值增大。热敏电阻是敏感元件的一类，其电阻值会随着热敏电阻本体温度的变化呈现出阶跃性的变化,具有半导体特性。热敏电阻包括正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）热敏电阻，以及临界温度热敏电阻（CTR）。热敏电阻的主要特点是：1.灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度变化；2.工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000），低温器件适用于-27355；3.体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；4.使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择；5.易加工成复杂的形状，可大批量生产；6.稳定性好、过载能力强。 电流通过元件后引起温度升高，即发热体的温度上升，当超过居里点温度后，热敏电阻增加，从而限制电流增加，于是电流的下降导致元件温度降低，电阻值的减小又使电路电流增加，元件温度升高，周而复始，因此具有使温度保持在特定范围的功能，又起到开关作用。本系统设计的电机过载检测电路采用PTC热敏电阻对电机实施了过载检测，过载检测电路如图3.10所示。12PTC502热敏电阻89C52 P1口CON2U2BLM393J5R10KR10KR1KR10K+CE110UGND控制端VCCVCC+-图3.10电机过载检测电路图电机过载检测信号送89C52P1口的P1.0至P1.3端，由热敏电阻检测电机绕组的温升。若某台电动过载，对应的热敏电阻阻值增大，通过一个过零比较电路，产生一个低电平，送到P1.0至P1.3中的一个端子；CPU读取其状态，发出相应的控制指令，迅速切断电机电源，并发出声光报警信号。3.6.2声光报警电路当某台电动机过载时，2号8255A的PC0至PC3中的一个输出低电平，对应的发光二极管点亮，同时PC7 输出低电平，接通报警器发出警报。报警电路如图3.11所示。8255A（2）报警器RSP1110220VR+5V+5VPC0PC1PC2PC3PC7图3.11 声光报警电路报警器采用HL-169B型声光报警专用集成电路。其引脚图如图3.12。该集成电路具有5个管脚，管脚1是接地脚，管脚2时触发输入端，高电平有效，管脚3是震荡端，管脚4是输出端，管脚5是电源正极（+5V）。图3.12 HL-169B引脚图本设计用8255的PC7脚作为HL-169B触发脚的触发信号，当需要报警时，在软件中把PC7置为低电平使其发出报警声，为了保证输出信号能驱动扬声器，其输出端先接到一个功率放大器上，经放大再把信号加到扬声器上。震荡端经一个360K的电阻接到VCC上，经过一个51P的电容接到地上。引脚1和引脚5分别接到地和VCC上，具体电路如图3.13所示。图3.13 HL-169B声光报警电路3.7计数采样输入电路 自动剪板机实现自动主要在于：自动进料、压板、板料设置、剪板、计数、送料。对于记录剪板数需要用计数采样输入电路实现。本系统剪切板料的自动计数是通过图3.14所示计数采样输入电路完成。P3.2 (INT0)89C52+5VSQ71图3.14计数采样输入电路由光电检测开关SQ7 对剪切落入料车的板料进行计数，板料落入料车时，照射到光电三极管基极的光源被隔断，三极管集电极为高电平，经反相器输出一低电平，经INT0向CPU申请一次中断；当CPU 响应中断时，进行一次加1 计数，并将数值与给定值比较；当二者相等时，表明料车上板料已装满，暂停剪板机，起动料车将板料送往下一工序。计数采样电路决定了计数取样的控制精度，为了保证本发生器的高精度，采用了光电耦合器作为传感器。光电耦合器是一种把电子信号转换成为光学信号，然后又回复电子信号的半导体器件。光电耦合器的主要结构是把发光器件和光接收器件组装在一个密闭的管壳内，然后利用发光器件的管脚作输入端，而把光接收器的管脚作为输出端。当在输入端加电信号时，发光器件发光。这样，光接收器件由于光敏效应而在光