基于单片机的控制切管装置设计

1、目目 录录 设计总说明 .I INTRODUCTION.III 绪论. 1 1设计背景.2 1.1原切管机工作概述.2 1.2原切管机缺点、问题分析.4 1.3改进后的控制飞锯装置的要求.4 2总体设计方案.5 2.1方案选择.5 2.1.1方案一.5 2.1.2方案二.6 2.2方案分析.6 2.2.1误差分析.7 2.2.2接收信号的分析.8 2.3方案实行.9 3硬件设计.11 3.1单片机介绍.11 3.1.1STC89C51RC 系统综述.11 3.1.2芯片的引脚排列和说明.11 3.2各部分硬件设计介绍.13 3.2.1STC89C51RC 单片机最小系统.13 3.2.2STC

2、89C51RC ISP（在系统可编程）.14 3.2.3设置输入.14 3.2.4数码显示.15 3.2.5信号接收.16 3.2.6单片机处理.17 3.2.7输出.18 3.2.8电源的保护.18 4软件设计.20 4.1控制系统程序主流程.20 4.2中断流程.20 4.3输入设置.24 4.4数码显示.25 5应用与说明.26 5.1生产应用.26 5.2装置操作说明.28 6总结.30 鸣 谢.31 参考文献.32 附录一.33 附录二.34 附录三.37 附录四.38 设计总说明 我国是世界无缝钢管生产第一大国，国内部分企业已具有高水平的无缝钢管制造 技术，并拥有世界先进的钢管制造

3、设备，无缝钢管国产化率已接近 90%，绝大部分品种、 规格国内企业都可自己生产。现在我国无缝钢管技术装备种类、规格齐全，拥有各类 无缝钢管企业超过 300 家，其中能生产热轧成品管且工艺技术装备较完整的有 20 家左 右，产能在 900 万吨左右。这类生产厂绝大多数为国有企业，技术装备先进，单线生 产能力高，产品质量好，是无缝钢管生产的主导企业。还有一部分企业设备比较简单， 单线生产能力较低，产品以多规格小批量的产品为主，产品质量也可满足相应产品标 准要求的企业，这类企业占据了一定的市场份额2。因其投资少、见效快，靠着成本低 廉、政策灵活之优势与老国企争夺国内无缝管市场，竞争十分激烈。 但还有

4、一部分小型钢管生产企业生产技术相对落后，基本没有用上自动化生产系 统，都是采用了最原始的人工操作。他们的生产流程也很简便，一般首先购入一卷一 卷的钢带，作为生产钢管的原材料，然后通过圆形轴轮把钢带滚压成型，接着是高频 焊接，这部分是整个生产流程中最高技术部分。所谓高频，是相对于 50Hz 的交流电流 频率而言的，一般是指 50KHz400KHz 的高频电流。高频电流通过金属导体时，会产 生两种奇特的效应：集肤效应和邻近效应，高频焊接就是利用这两种效应来进行钢管 的焊接的4。当钢管焊接完后，会产生大量的热量，所以必须要通过水冷却；冷却完毕 后，就是要定径了，这部分由一组中间凹形的圆柱形金属模具挤

5、压构成，通过这部分 的操作，可以使钢管变成不同粗细的目的，达到生产的要求。这些部分都是在同一生 产线上，基本能自动生产5。可生产钢管还有最后一个重要工序，就是切管。切管并不 是在上面所说的生产线的，一般是企业在别处买来一个飞锯，它不受生产线控制地独 立出来，所以并不能自动化的切断钢管应有生产的长度。企业通常是通过人为地给飞 锯一个切割信号，勉强地达到生产固有长度的目的。这样生产出来的钢管不但质量不 合格，而且造成了极大的浪费。所以，这类企业必须寻求更新自动控制系统的技术， 把切管部分与自动生产线联系起来2。 本设计实现了把切管部分与原自动生成线联系起来的目标，成功的生产出了精度 比较高的钢管，

6、大大地减少了原始生产所造成的浪费。设计首先利用了一个机械硬件， 把钢管的长度数值转换成了可用红外检测装置接收的信号，然后和单片机连接，接收 到的信号通过单片机处理计算后，控制飞锯的动作，达到了自动控制的目的。本设计 还一定程度地提高的飞锯的切割功能，就是控制飞锯的动作时间，这样就更好地切割 钢管，避免了切割过快或切割过慢等现象的发生。本设计系统操作方面，适合各类落 后的钢管生产企业使用，而且精度高，误差范围在 1mm 内，抗干扰能力强，成本低等 优点，在更新原始钢管生产系统中，发挥了巨大的作用2。 在现今生产钢管领域中，竞争十分激烈，原始落后的企业，如果不更新优化原有 的自动控制系统，就会造成

7、巨大的损失和浪费，从而最终被社会淘汰。所以，实现工 业生产的自动化才是现今企业寻求发展前进的唯一道路。 关键词：自动控制；单片机；切管 INTRODUCTION China is the largest seamless steel pipe production country of the world. Some domestic enterprises have a high level of seamless steel pipe manufacturing technology, and has the most advanced manufacturing equipment fo

8、r steel pipe of the world, with local production rate close to 90%.Domestic enterprises can produce majority of varieties, specifications on their own. the Technology and equipment of seamless steel tube now complete in specialization in china; more than 300 enterprises manufacturing various kinds o

9、f seamless steel pipe, in which about 20 can produce hot rolling production tube with more complete technology and equipment, with production capacity about 900 million tons. The majority of such factories are state-owned enterprises, with advanced technology and equipment, in-line high-capacity and

10、 high product quality, which are the leading seamless steel pipe production enterprises. Also there are a number of enterprises have relatively simple manufacturing equipment and low production capacity in-line; they major in producing various specifications and small quantities products, with produ

11、ct quality reach to meet the requirements of the corresponding products, such enterprises account for a certain market share. Because of its low investment and quick financial returns, relying on low-cost and flexibility policy, competing with the state own enterprises. However, there are some small

12、-scale manufacturing enterprises whose steel production technology is relatively backward; generally they produce with primitive operation instead of Automation. Production processes are very simple too; first they bought a tube of steel as the raw material, use the Circular shaft to roll the steel,

13、 and then weld it with high-frequency. the highest technology is within the process above. So-called high-frequency generally refers to 50 KHz 400 KHz of high-frequency currents compare to ac current frequency. When High- frequency currents went through metal conductor, it will generates two strange

14、 effect: Skin effect and adjacent effect, which is the working principle of high frequency welding process. After welding, the pipe will release a lot of heat, so it should be cooled down by water. After cooling its the process to determine the diameter, through this process the steel tube will be m

15、achined according to different requirement, which can meet the need of customers. These processes are in the one production line, and generally can be processed automatically. last process in producing Steel are cutting tube, which is also one of the most important process. Pipe Cutting is not in th

16、e production line mentioned above; generally the factories purchased a flying saw elsewhere, which means it isolates from production line. Therefore it can not be automatically cut off the steel tube according to the length of requirement. Enterprise usually gives a cutting signal to the flying saw,

17、 which reluctantly meet the length requirement. Produced in this way not only will bring down the quality, but also cause a great waste. So, this kind of enterprise must seek the technology to update the automatic control system, which can combine the cutting process with automatic production line.

18、This design is to realize the combination of cutting process and automatic production line, successful produce steel of high precision, and greatly reduce the waste caused by primitive production. Using a mechanical hardware, the numerical value of the length of pipe will be conversed into a signal

19、receivable by infrared detection device, then connect to singlechip, the signals received will control the flying saw after calculation and process of singlechip to achieve automatic control. This design to some extent improve the function of cutting process; it control the working time of flying sa

20、w, which can cut the steel pipe in a better way and eliminate the phenomenon of cutting too fast or too slow. System operation of This design is suitable for all kinds of backward steel production enterprise, the advantage like high precision, scope of error within 1mm, strong anti-jamming capabilit

21、y, and lower cost play an important role in updating the primitive pipe production system. Today In the field of steel, the competition is very fierce, if the enterprise produce with primitive operation and does not update and the system of automatic control, which will cause a huge loss and waste t

22、he enterprises and will finally be eliminated by the society. Therefore, the realization of the industrial automatic production is the only way to development. KEYWORDS: Automatic control;MCU; Pipe cutting 基于单片机的控制切管装置设计 电气工程及其自动化，6，何伟俊 指导教师：刘丹 绪论 本设计在 STC89C51RC 单片机的基础上，对落后的生产钢管企业的自动切割装置进 行改造，使切管机比

23、较精确地实现自动切割功能，生产出来的钢管在 1mm 误差允许范 围之内。本设计首先通过机械硬件设计，对不能直接检测的钢管长度，转换成可以被 红外线传感器检测的轮盘孔数信号，然后让单片机中端口接收此信号。单片机预先设 定一个数值，当接收到的信号达到预设数值时，另一中断控制端口开，从而控制切管 机切割。单片机在控制切管机切割功能中，加入了内部定时控制，使切管机的动作时 间可调，达到可切不同直径的管的目的3。 本设计用到了两个单片机，其中一个实现按键设置功能，另一个则实现数码管显 示，接收红外信号和控制切管功能。用到两个单片机主要是考虑到以后的功能扩展， 以及在按键设置时，防抖动会影响接收红外信号失

24、准。该设计系统在数码管显示时， 可以利用驱动数码管 1664 芯片来节省 I/O 口，所以设计装置还有待改进。 1设计背景 1.1原切管机工作概述 钢管厂主要是生产制造各种不同长度、粗细的圆形钢管，用于输送水、煤气、空 气、油和取暖蒸汽等一般较低压力流体和其他用途的。采用高频焊接钢管技术，高频 焊接是根据电磁感应原理和交流电荷在导体中的趋肤效应、邻近效应和涡流热效应， 使焊缝边缘的钢材局部加热到熔融状态，经滚轮的挤压，使对接焊缝实现晶间接合， 从而达到焊缝焊接之目的，具有工艺相对简单，快速连续生产的特点，通过高频焊接 机组将一定的规格的长条形钢带卷成圆管状并将直缝焊接而成钢管。生产结构通常由

25、滚压成型、高频焊接、挤压、冷却、定径、飞锯切断等部件组成3。 整个生产过程是连续工作的，在滚压成型机前会连接着一卷用轴承穿过吊起的钢 带，当成型机转动时，会带动轴承转动，源源不断的向成型机输送钢带，滚压成型后， 钢带会变成钢管初型，然后穿过一个电磁铁，实现钢管焊接，接着刀具对焊缝挤压磨 光滑，通过一个水箱进行冷却，钢管跟着会被一组转动的凹形圆柱体模具夹紧来定径， 形成所需直径的钢管，最后是利用气动飞锯机来切断钢管。整个过程由同一转速的电 机带动8。生产运作如下图所示： 图 1-1 钢管厂生产运作图 飞锯切割是生产钢管的最后一个工序，也是整个生产过程中最重要的部分，因为 它担当了确定钢管长短的任

26、务，直接影响了生产的钢管是否合格，如果飞锯切割控制 不好，切出来的管就不能达到预定要生产的长度，而且还会长短不一，造成了很大的 损失。此次设计的任务就是要对原控制飞锯切割器进行改造，提高切割精度，减少误 差，减少浪费，降低生产成本。 原对飞锯切割机的控制十分简陋，钢管生产成型后，通过切割机，一直行走，直 到钢管顶到远处的挡板开关，挡板开关如下图所示： 图 1-2 挡板开关图 挡板开关动作会对原先固定好的红外线接收头遮挡一次，红外接收头与控制飞锯切割 机的继电器连接，这样，红外线每遮挡一次，继电器就吸合一次，从而使飞锯动作一 次，立即切断钢管，也就是说，当钢管运动到挡板位置，就使飞锯切割。如下图

27、所示： 图 1-3 挡板控制切割图 所以，确定钢管的长短是通过确定切刀到挡板的距离来实现的，改变管长时，就 要移动挡板的位置，人工量度切刀到挡板的距离。这样生产出来的钢管误差很大，平 均每条长了 40mm，而且长短还很不一致，造成巨大的损失。 1.2原切管机缺点、问题分析 原切管机的缺点主要有下面几方面： 1.切出来的钢管误差大，有 40mm，而且很不整齐。 2.每次要改变钢管的长度麻烦，需要人工测量刀具到挡板距离，人工移动装置。 3.在切不同粗细的钢管的时候，不能改变飞锯切管的时间，在切粗管的时候， 不能很好的切断钢管。 4.在切管机运行时，不能随时微调切钢管的长度。 5.利用钢管顶挡板开关

28、来驱动红外接收头工作时，因为钢管不能固定，容易出现档不 到和把钢管顶弯的问题。 造成这么多问题主要是因为生产条件比较简陋，还有控制切刀的部分放到了离刀 具的远处，在不断连续出管的过程中，因为钢管的行进路径不能固定，是为了一条管 切完了，马上跌下，后面的钢管马上补上，这样就造成了钢管在运动中有晃动，不能 很好的顶到挡板。另外就是红外检测装置直接跟继电器相连了，不能调整继电器的吸 合时间，所以不能控制切刀的时间。所以要想比较准确的切管，就不能把检测装置放 到钢管成型出来之后，而且检测装置应该时间可调4。 1.3改进后的控制飞锯装置的要求 从上面原控制飞锯装置的缺点来看，改进后的控制装置应满足下面的

29、要求： 1.能准确检测出钢管成型后，穿过刀具那部分钢管的长度。 2.当达到钢管预定要求的长度时，刀具能及时把钢管切断，误差允许范围在+10mm 内。 3.在钢管行进中，应随时可以调整切割钢管长度的预定值，任何时刻都可以微调长度。 4.控制飞锯的继电器吸合的时间应该可调，可调范围在 0.1us-0.9us 内，以满足切不 同粗细的钢管。 5.控制装置应该操作方便，简单，易懂，能显示当前预设钢管长度的数值和飞锯动作 时间的数值，调整数值时，容易操作。 6.控制装置还要有一个可以让操作者遇到紧急情况下，可以随时让钢管切断的功能。 7.由于生产现场电磁环境比较恶劣，高频焊接会产生强大的电磁场，所以该控

30、制装置 还要能抵御电磁干扰。 2总体设计方案 2.1方案选择 本设计的任务是把钢管的长度模拟值，转换成我们可以控制的数值，所以，决定 要利用单片机来实现这种模数转换，因为单片机的运行稳定，而且有内部定时中断， 可以达到控制刀具动作时间的目的，单片机的运行也比较稳定，造价也很便宜，要修 改控制程序跟功能扩展也比较简单，非常适用这次的控制任务。 2.1.1 方案一 现在要实现上面所述的功能，首先要解决的问题就是怎样检测出成型后钢管的长 度，而且精准度要非常高。想检测出长度值，但是由于钢管是不断出的，当检测完这 一条，那下一条又要怎样检测呢？因为要得到一个长度值，我们很容易就会想到可不 可以把长度值

31、转换成其他数值来，可以被单片机可以辨别呢？所以，提出了 （2-1）tvL 上式中，L 代表要切钢管的长度，v 为钢管出管的速度，t 为要切钢管所用的时间。因 此，思想是把长度值转换成单片机可以计算的时间值，利用单片机内的地那时中断来 实现控制11。但是，这里出现了一个问题，钢管出管的速度要恒定，这样才能确保时 间跟长度成正比，究竟出管的速度 v 是不是不变呢？由于整个生产流程是由同一电机 控制的，所有的轮轴都连在一起，可以理解成驱动钢管的速度，也就是 v。而且整个驱 动电机的速度值是可调可视的，这样就可以得到了要转换的中间变量。 设计中进行了钢管出管速度的测量，设定好了电机的运行速度后，用原控

32、制装置 出了第一条管，记录这条管所用的时间，如此类推，记录了几条管的所用时间。设定 速度为 1m/s,定管长为 6m,所得数据如下表所示： 表 2-1 试验测得的数据 第一条第二条第三条第四条第五条 长度 6m6m6m6m6m 时间 6.2s6.3s6s6.5s6.1s 速度 0.97m/s0.95m/s1m/s0.92m/s0.98m/s 由上表数据可以看出，钢管出管速度不是恒定的，这是什么原因造成的呢。通过 调查研究，发现造成这个问题主要有一下几个方面： 1.在钢带要进入滚压成型环节时，由于钢带原来是一卷的，要拉成直条的时候，会有 点滞后延缓。 2.钢管通过高频焊缝时，要把钢管焊好，必须有

33、一定的时间，也造成了速度下降了一 点。 3.在之后的挤压切平缝口时，钢管与刀具也产生了一定影响。 所以，还有一些还没发现的影响都造成了钢管出管速度不是恒定的，而且这些误 差影响并不是每次都一样的，不能每次都减去这部分的误差。 由此看来，假设方案一的这种把长度值转换成时间值，由单片机读取来控制的思 想不能实现。 2.1.2 方案二 通过假设方案一，我们要得到单片机可以读取的数值，唯一的办法是直接得到钢 管的长度值，由于钢管是一个连续运动的物体，用传感器直接来检测长度值是不可能 的。那么，通过怎样的机械硬件才能把长度值转换过来呢？经过现场环境的研究，发 现在钢管完全成型到切割机之间有一段稳定的距离

34、，也就是说在这段距离里，钢管是 不会晃动的，那我们就抓住这段距离引入一个机械硬件，就是钢管的从动轮。 从动轮是与运动的钢管夹紧的，当钢管直线运动的时候，就会带动从动轮转动， 我们又会在从动轮的边缘上面打上多个孔，这样，引入一个思想，就是把钢管走过的 距离变成了从动轮上面圆孔所转过的孔数。这时，我们要用到一个检测装置来检测所 转过的孔数，就是红外线接收头，当从动轮转过一个孔，红外接收头就接收一个信号。 实现方法如下图所示： 图 2-1 转换表示图 通过验证，红外接收头可以一孔不差的接收信号。这样，就实现了把钢管的长度 转换成单片机可以接收的红外信号，基本定下了这个实现方案。 2.2方案分析 在利

35、用从动轮实现把钢管长度转换成孔数，然后通过红外接收头检测孔数信号， 给单片机读的时候，有两个问题需要分析： 1.从动轮所产生的误差。 2.单片机能否读到读准红外接收信号。 2.2.1 误差分析 钢管在不断运动时，从动轮也在不断，轮上的孔也在转，然后红外头接收孔数信 号，当到了钢管要切的长度，孔数也到了应接收的数目，如果这时刻红外头刚好对准 孔，就可以无误差的代表了长度值，但如果这时的孔不是正对着红外头，那就会产生 了孔与孔之间距离引起的误差，长度也不是预定的值，那这个误差最大有多大呢？引 入下图进行分析： d r R 图 2-2 从动轮 假设要切的钢管长为 L，从动轮的直径为 d，在从动轮上打

36、上 N 个孔，则有， 从动轮转过一圈的距离 C 为： （2-2）dC 从动轮转过的圈数 T 为: （2-3） CLT/ 要读到得孔数 K 为： （2-4） NTK* 根据上面三式可得： （2-5） /*NdLK 上式中，从动轮 d 和轮上打孔数 N 是已知的，而 L 为钢管的要切长度，这样根据 上式，就可求出要数的孔数，实现转换。 当红外对头刚好落在孔边缘时，所产生的误差为最大，就是两孔之间的距离 R, （2-6） NdNCR/*/ 设计所用到的从动轮直径 d 为 200mm,现最大误差允许为 10mm，也就是两孔之间的 最大距离 R 为 10mm，则根据上面公式，要打的孔数为： （2-7）

37、6310/200*14 . 3 /*RdN 这样就满足了误差方面的要求了。 2.2.2 接收信号的分析 这次用到红外检测头来作接收信号装置，该传感器的型号为欧姆龙 E3S-GS3E4，如 下图所示： 图 2-3 红外接收头 该装置的资料为： 型号： E3S-GS3E4 特 点：放大器内藏型，带有动作批示灯，直流三线 式。 电 压：DC12-24V 检测距离：3M 产 地：日本 认证：CE CSA U 现在考虑的问题就是该装置能否检测到孔数这样的高速信号，钢管出管速度是靠 整个生产电机控制的，而电机的最高运行速度 V 为 90m/min,现在要计算出的是两孔之 间运动时间 t，只要 t 在红外检

38、测头的反应时间之内，就可以检测到孔了。 要求两孔间运行时间，用两孔间的距离比上从动轮的转速就可以了，由于从动轮 是与钢管夹紧的，所以从动轮的转速就是钢管的运动速度 V=1.5m/s，而两孔间距离为 R=0.01m,则根据公式： （2-8）msVRt7 . 65 . 1/01 . 0 / 红外检测头的反应时间为 1ms，也就是说，孔间最高运行时间在红外检测头的反应时间 之内，可以检测到。 而红外检测信号与单片机的外部中断口相连，单片机的读取时间为 1us，绝对可以 给单片机读取到红外检测信号。 方案分析表明，利用这个方案完全可以在误差允许范围内，把要切钢管的长度转 换成红外检测信后，然后给单片机

39、读取。 2.3方案实行 外部机械硬件已经实现了把钢管的长度量转换成了孔数量，红外头可以检测的信 号，让单片机可以读取这个数字信号。那之后单片机应该实现怎样的功能呢？ 首先，单片机应有按键设置，用来随时可以调整长度，但这时按键设定就不是直 接表示长度值了，应该是孔数值，表示预定长度转换成红外头所扫过的孔数了。本设 计把按键设置了六个，第一个按键是要设置孔数的百位值，第二个是十位值，第三个 是个位值，这三个按键组成了预定的扫描孔数值，而且按键每按一次，该值就自动加 1，等加到 9 了，又重新归 0。第四个按键是用来确定数值用的，当设置好孔数预定值 后，要按这个确定键，给单片机送去一个变量值，这样就

40、不怕不小心按了键，造成设 错数了。第五个按键是微调刀具键，上面已经提到，在切不同粗细的管的时候，要让 继电器吸合的时间不同，在 0.1s 到 0.9s 时间内变化，这个按键就是为了控制刀具切 刀时间用的，也是每按一下该键，时间数值就自动加 1，加到 9 后就自动归 1。第六个 按键是一个强行切刀键，由于切管时经常有可能遇到什么紧急情况，例如焊缝得不够 好，就要强行把钢管切掉。 有按键功能就要有显示功能，设计用到了 LED 数码管。显示功能用来随时显示设 数时的值，所以要有四位显示，前三位用来表示孔数值，最后一位表示微调刀具时间， 数码管不但要可以表示设置当前值，还要可以显示读数当前值，随时显示

41、单片机读取 红外头信号，这样就可以看到有没明显的漏数现象，或者数错数。一个数码管要实行 上面两个功能，就必须要加一个切换键，用来转换预定设数当前值和数孔变化值。单 片机驱动四位数码管时，用到了动态扫描，一共用到了 11 个 I/O 口。 单片机要用到一个中断口来接收红外检测信号，当中断口被拉低电平一次，则接 收一个信号，直到接收够了按键所预设的数值后，单片机通过内部处理数据，产生一 个内部中断信号，通过另外一个中断口，输出一个电平信号，控制片外的小继电器吸 合，继而控制高压电路中的飞锯继电器动作，实现切割目的5。在控制继电器时，单片 机还用到了一个内部定时功能，使继电器吸合的时间可以调整，内部

42、定时分成了十个 级别，通过准确的计算定时时间，可以实现 0.1S 到 0.9S 的时间等级。以上三部分的 构成如下图所示： MCS_51MCS_51 数码 显示 通信 设置 输入 通信 输出 信号 接收 图 2-4 单片机构成图 在电源部分，因为单片机的工作电压为 DC-5V，所以要把 220V 交流电压降压整流 成所需要的电压值，用到了变压、桥式整流、电容滤波、7805 整流电路。而红外检测 装置和小继电器的动作电压是 DC-12V，所以在变压器的选择时，要用到了 220/12 的变 压器。 整个电路最容易受干扰的部分是红外接收信号，所以红外信号与中端口接入单片 机部分，应加入电容和电阻来防

43、干扰11。 所以，总的控制系统如图所示： 带动轮 钢管切割控 制系统 红外传感器 电源 设备 大继 电器 切割设 备 图 2-5 控制系统图 3硬件设计 3.1单片机介绍 3.1.1 STC89C51RC 系统综述 STC89C51RC 是宏晶科技研推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令 代码完全兼容传统 8051 单片机，支持标准 C 语言，可以实习 C 语言与汇编语言的互相 调用。这些都为软件开发提供了方便条件13。 STC89C51RC 系统性能 STC89C51RC 系统性性能参数如下所述： *8 位微处理器 *工作电压(CPU) VCC 为 5.53.4V *CPU 时钟

44、：0 MHz40MHz ； *内置 4K 字用户程序空间； *片上集成 512 字节 RAM； *通用 I/O 口（32/36 个） ； *ISP（在系统可编程）/IAP（在运用可编程） ，无需专用编程器，通过串口直接下 载用户程序; *EEPROM 功能； *3 个 16 位可编程定时器/计数器； *看门狗； *外部中断 2 个； *通用异步串行口（URAT） ； *具有保密能力； 3.1.2 芯片的引脚排列和说明 STC89C51RC 的引脚排列如下图所示： 图 3-1 STC89C51RC 引脚排列图 STC89C51RC 各管脚功能介绍如下12： VCC：供电电压。 GND：接地。 P

45、0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口。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。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。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。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口 P3 口也可作为 STC89C51RC 的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0）

46、P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 1 外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） RST：复位输入。 /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/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH） ，不管是 否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时， /EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高 电平时，此间

47、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13。 3.2各部分硬件设计介绍 3.2.1 STC89C51RC 单片机最小系统 单片机的最小系统包括单片机芯片，复位电路，时钟电路。有了以上个部分单片 机才能工作13。如下图所示： 图 3-2 STC89C51RC 最小系统电路图 3.2.2 STC89C51RC ISP（在系统可编程） ISP（在系统可编程）指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码， 而不 需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用 ISP 方式擦除或再编程。 单片机的 ISP 是要求用户在 PC 机上将

48、程序写入单片机中，也就意味着单片机必须 与 PC 机通信，单片机是 TTL 电平，PC 机是 RS232C，所以就要进行电平的转换。 MAX232 就有这样的功能12。MAX232 实现电平转换电路图： 图 3-3 MAX232 实现电平转换电路图 3.2.3 设置输入 设置输入：用于接收用户输入的长度信息将其转换成数字信号给处理器处理。 输入电路如下图所示： 4.7uf 4.7uf 4.7uf 4.7uf 图 3-4 设置输入电路图 用户通过不同按键按下时，就将对应的 I/O 口变为低电平，单片机通过判断按键 的信息，就可将用户输入的信息存入单片机中。 3.2.4 数码显示 数码显示：用于将

49、接收到的红外信号以及用户的输入信号显示于数码管上。 数码显示硬件如下图所示： 图 3-4 数码显示电路图 单片机采用动态扫描的方式将处理的数据用数码管显示出来，P0.0P0.7 为段选， P2.7P2.4 控制位选，当 P2.7P2.4 中的某一位为高电平时，三极管导通，数码管位 选端为高，通过跟段选的低电平一起就使的数码管亮，通过亮不同的值就会将要显示 的数据显示出来12。 3.2.5 信号接收 信号接收：通过接收红外信号将实际钢管的长度信息输入给处理器处理。 信号接收部分如下图： 图 3-5 信号接收电路图 当带动轮上每移动过一个孔时，红外传感器将接收到信号，就会将单片机外部中 断口拉低触

50、发中断，单片机响应中断时将信号存起来带处理8。 3.2.6 单片机处理 单片机处理：将信号进行处理后控制输出，并显示数据等，是本系统的重要组成 部分。如下图： 图 3-6 单片机处理 两个单片机间通过半工进行通信，首先 IC1（左边的单片机）对用户输入信息处理 后并将信息通过 ULN2003 传输给 IC2（右边的单片机） ，当 IC2 通过红外传感器接收到 信号记数跟 IC1 传输给 IC2 一样时，IC2 发出切刀信号给 IC1 并记数清零，IC1 接收到 信号，实行切刀并开始记时，记时时间到断开切刀信号。 3.2.7 输出 输出：控制切刀设备进行切割。如下图： 图 3-7 输出 单片机输

51、出高电平，由于继电器控制端的电压不够就断开，单片机输出低电平时， 继电器控制端电压足够析合，在 OUTN 与 OUTL 两端就存在 220V 电压控制切刀设备进行 切割。 3.2.8 电源的保护 切割控制系统要求的误差要小，而且工作的环境比较不理想，所以硬件设计时要 有一些措施来防止不安因素。电源部分如下图： 图 3-8 电源 电源部分：220V 的交流电通过变压器，输出经过整流桥整流再通过滤波就变成直 流电，经 7805 稳压输出 5V 电压。图中压敏电阻在电压突变时会短路，电路中的电流 就会过大，保险丝就会烧坏电路就断开就起到保护其他器件的作用，安规电容是防高 频干扰的7。 4软件设计 系

52、统是由两个单片机组成，所以在软件设计方面实时性要求很高，大体两个单片 机的分工为：IC1 主要负责用户设置的信息并将其传输给 IC2 进行处理，同时接收 IC2 给的切割信号并维持一定时间。IC2 主要是对红外传感器输入信号的处理并接收处理 IC1 传输来的信息并负责发送切割信号。 4.1控制系统程序主流程 主流程图如下： 图 4-1 程序主流程图 系统在不发生中断的情况下，IC1 一直在等待着用户按键信息，有按键按下就调用 响应函数把信息传给 IC2，而 IC2 一直等待着 IC1 的信号，一旦 IC1 有信息过来 IC2 就 处理并更新用户信息，并等待下一个信号到来。 4.2中断流程 单片

53、机的四个中断流程如下图所示： 图 4-2 IC1 外部中断流程图 图 4-3 IC2 定时中断流程图 图 4-4 IC2 外部中断 0 流程图 图 4-5 IC2 外部中断 1 流程图 当 IC2 接收到红外传感器触发的中断（外部中断 0）时自动记数，如果记数值跟原 先设置的数值一样时，IC2 发出信号触发 IC1 中断（外部中断） ，IC1 发出切割信号同 时开定时中断定时，定时时间到撤消切割信号。当 IC1 接收到用户的强行切割信号时， IC1 触发 IC2 的外部中断 1，IC2 发出切割信号给 IC1 执行切割并记数清 01。具体代码 如下： void timer_1() interr

54、upt 1 using 2 /IC1 定时中断 TH0=-10000/256; /工作 12MHZ 晶阵下定时 10ms TL0=-10000%256; dtime+; /每次 10ms 时间到，记数加 1 if(dtime=time*10) /判断时间是否到 set_6=0; /时间到撤消切割信号 dtime=0; /记数清 0，等待下一次的定时 TR0=0; /关闭定时中断 void timer() interrupt 0 using 1 / IC1 外部中断 set_6=1; /发出切割信号 TH0=-10000/256; /初始化定时器 TL0=-10000%256; TMOD=0 x

55、01; TR0=1; /开定时器 void timer() interrupt 0 using 1 /IC2 外部中断 0（用于接收红外传 感器） output=1; /关闭给 IC1 的切割信号 count+; /记数加 1 if(count=dtime) /记数值是否跟设置值相等 count=0; /记数清 0 output=0; /发出切割信号给 IC1 dtime=btime; /更新设置值 void timer_1() interrupt 2 using 2 /IC2 外部中断 1（强行切割） count=0; /记数清 0 output=0; /发出切割信号给 IC1 dtime=

56、btime; /更新设置值 4.3输入设置 用户通过按键的方式将需要设置的数据传给单片机，单片机通过高低电平的变化 来感知的，具体如下9： if(set_0=0) /判断是否有按键按下 delays(40); /去抖动延时 if(set_0=0) /确实有按键按下 while(!set_0); /等待按键放开 output_0=1; /把信息给 IC2 delays(5); /给时间让 IC2 接收完 output_0=0; /关闭信息 以上是 IC1 将用户按下按键的信息进行处理传输给 IC2，而 IC2 怎么将 IC1 的信息 进行保存。实现如下： if(input_0=0) /IC1 有

57、信息传过来 while(input_0=0) /等待 IC1 关闭信息（为了两个单片 / 同步这段时间比较长所以就带显示功能 display(hun,1); display(ten,2); display(one,3); display(cut,4); if(hun=9) /如果加到 10 了就清 0 hun=0; else hun+; /否则就继续加 1 通过半工的通信 IC1 就将用户信息传给 IC2。IC2 再进行处理完成整个输入过程。 4.4数码显示 数码显示是单片机将处理的结果显示给用户的，用户可通过显示的结果在进行调 整等，具体怎么样将处理的数据显示出来如以下代码15： Uchar

58、codedis_112=0 x40,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90,0 x88,0 xff;/11 种显示 code uchar dis_25=0 x00,0 x20,0 x40,0 x80,0 x10;/4 种选通 以上是 7 段数码显示的数据，将其保存与代码段中。 void delays(uint x) /延时函数 while(-x); void display(uchar x,uchar y) /显示函数 data_2=dis_20; /关闭显示 delays(300); /延时 data_1=dis_1x; /

59、将要显示的段选写入 P0 口 data_2=dis_2y; /将要显示的位选写入 P2 口 以上是实现一位数码管的亮，在通过动态扫描的方式显示 4 位数码管，代码如下： void display_1() display(hun,1); /显示百位 display(ten,2); /显示十位 display(one,3); /显示个位 display(cut,4); /显示切割时间 5应用与说明 5.1生产应用 该装置已成功造成实物，在按键设置数值时，根据长度与孔数转换公式（2-5） ， 就可以知道当前管长要设的按键数值。从数码管显示中，可以看出单片机准确地接收 红外检测信号，当信号达到预设数值

60、时，继电器吸合，实现切割。当调整刀具动作时 间，可以很好地满足不同管径的切割要求。 该装置经过在钢管厂一个星期的测试应用，最终投入使用，现场情况如下图所示： 图 5-1 现场装置图 装置切出来的钢管在 10mm 误差允许范围之内，比较精确地完成生产任务，装置运行至 今未出现不良现象，运行情况良好。因此，成功完成了此次设计要求。公司证明如下： 图 5-2 工作证明 5.2装置操作说明 控制装置操作界面如图所示： 图 5-3 控制装置界面 功能操作说明： 1）输入/输出电压: AC220/50HZ。 2）系统上电复位后发出 0.3 秒的切刀信号进行切断。数码显示“0001” 3）系统等待用户输入信