于单片机的便携式气动打标机的设计

基于单片机的便携式气动打标机的设计口周扬胜口唐一科口杨鹏重庆大学机械工程学院重庆４０００４４摘要：介绍了一种基于单片机的便携式数控标记机应用方案，详细阐述了该方案的软硬件设计思路。应用该方案设计的产品具有成本低、体积小和易于携带的特点，特别适合对汽车ＶＩＮ码、产品出厂日期等进行标记打印。关键词：打标机单片机步进电机驱动器中图分类号：ＴＧ６６９文献标识码：Ｂ１概述在成批、大量的现代化工业生产中，为了及时而准确地识别产品的零部件，往往需要在重要的零部件上标以明显的标志或记号，例如摩托车行业中的发动机代码，汽车行业中的ＶＩＮ码（俗称车架号）。因此，标记打印是机械制造过程中的重要工序之一…。目前采用的标记方法主要有激光标记技术和气动标记技术。气动标记技术是采用打印针头按照编辑好的字符或图形轨迹运动，控制高压气体高频冲击打印针，在工件表面形成由密集点阵组成的字符或图形。它可打标任意字符、图形、商标图案等，具有的特点是：标记速度快，对标记材料无特殊要求；抗干扰能力强，能够在较恶劣的环境下工作；采用气体作为动力源，生产成本低，无污染；特别适合速度要求较快的流水线场合。目前国内市场上销售的打标机中，９０％以上是大中型的打标机【２Ｉ，而且大多数都是基于工控机或ＰＣ机架构的产品，价格较高，且移动不便。基于这些原因，我们开发了基于单片机的便携式气动打标机，由于采用单片机＋ＬＣＤ图形液晶的思路，简化了成本，而且大大缩小了体积，可以将所有控制部件简化安放在手提箱内或打标机的机头上。２打标机控制系统硬件设计系统总体结构如图１所示。系统本身内置１０种ＳＨＸ矢量字库，简单英文字符、ＶＩＮ码和流水号等，可通过键盘编辑输入，系统内部插补程序可对其进行插补计算并最终完成打印。汉字字库比较庞大，故在单片机内实现汉字打印不太现实。系统对于汉字、图形等复杂内容是通过上位机编辑好后，下载到Ｕ盘中，单片机通过Ｕ盘读写模块（ＣＨ３７５）读出打印数据后实现打印。２．１单片机选型收稿日期：２００８年６月盛机械制造４７卷第５３３期万方数据文章编号：１０００—４９９８（２００９）０１—００６９—０２系统选用ＷＩＮ．ＢＯＮＤ公司的Ｗ７８Ｅ５１６Ｂ为控制核心。Ｗ７８Ｅ５１６Ｂ是具有带ＩＳＰ功能的ＦｌａｓｈＥＰＲＯＭ的低功耗８位微控制器；该单片机的ＩＳＰ功能可方便厂家对产品的升级，通过ＩＳＰ的下载线即可完成软件升级，而无需拆开设备。其次Ｗ７８Ｅ５１６Ｂ的指令集同标准８０５２指令集完全兼容，它包含６４ｋ字节的主ＲＯＭ（４ｋ字节的辅助ＲＯＭ）、５１２字节片内ＲＡＭ，足够用户编程使用。２．２键盘和显示接口键盘接口选用周立功单片机发展有限公司生产的ＺＬＧ７２８９，具有ＳＰＩ串行接口功能的可同时驱动８位共阴式数码管（或６４只独立ＬＥＤ）的智能显示驱动芯片，可连接多达６４键的键盘矩阵。显示接口采用驱动器Ｔ６９６３Ｃ，选用的图形液晶屏为２４０×１２８点阵显示屏，可显示１６行每行３２个英文字符。Ｔ６９６３Ｃ控制器是日本东芝公司的产品，常用于控制小规模的点阵式液晶显示屏。Ｔ６９６３Ｃ控制器在电路上给ＣＰＵ提供了一个良好的易于使用的接口，接口采用１’Ｉ’Ｌ电路标准，由８位数据线、片选信号ＣＥ，读写信号ＷＲ和ｌｉＤ、数据／控制寄存器选择信号Ｃ／Ｄ，复位信号ＲＳＴ组成。Ｗ７８Ｅ５１６与Ｔ６９６３Ｃ的电路连接如图２所示。２．３步进电机驱动电路２００９／１画步进电机驱动电路主要采用美国ＤＯ—Ｄ７ＤＯ．Ｄ７Ｐ１２Ａｌｌｅｇｒｏ公司生产的ＣＥＡ３９７２芯片。Ａ３９７２Ｐ１３ＲＤＰ１４是一款双ＤＭＯＳ全ＷＲＡ１３．Ａ１５桥微步距脉宽调制（Ｃ／ＤＷ７８Ｅ５１６７４ＬＳｌ３８１＂６９６３ＣＰＷＭ）步进马达驱动集成电路，利用▲图２Ｗ７８ＥＳｌ６与Ｔ６９６３Ｃ的电路连接图ＣＰＵ通过３线（时钟、数据、选通）串行接口对其进行控制，可设置步进电机的运转方向及各种不同的步进法（从微步距到满步驱动），对步进电机的转矩控制具有很大的灵活性…。系统采用ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机单独对Ａ３９７２Ｊ，挂行时序控制，图３为一个完整的写数据时序图。数据在每一个时钟节拍的上升沿传人移位寄存器，通常情况下，ＳＴＲＯＢＥ将会保持为高电平，只有在初始化为写周期时才会变为低电平。传输数据时，最先传送数据的最高位，最后传送数据的最低位【４１。图中的Ａ是最小数据建立时间，时长为１５ｎｓ；Ｂ是最小数据保持时间，时长为１０ｒｉｂ；Ｃ是最小建立ＳＴＲＯＢＥ信号到ＣＬＯＣＫ上升沿时间，时长为１５０ｎ８；Ｄ是最小ＣＬＯＣＫ高电平脉冲宽度，时长为４０璐；Ｅ是最小ｃＬｏｃＫ低电平脉冲宽度，时长为４０ａｓ；Ｆ是最小建立ＣＬＯＣＫ上升沿到ＳＴＲＯＢＥ时间，时长为５０ｎ８；Ｇ是最小ＳＴＲＯＢＥ脉冲宽度，时长为１５０ｎｓ。２．４Ｕ盘控制模块由于图形文件无法在单片机上编辑，而用户经常需要打印图形，如商标等。为解决此问题，可以在上位软件事先将图形文件和汉字编辑好，并将插补完成的内容下载到Ｕ盘中，最后系统单片机通过Ｕ盘模块读出数据并打印。一般来说，在单片机下开发Ｕ盘的读写系统，外部单片机需要编写驱动程序，会涉及较多的协议，从底层到上层必须实现ＵＳＢ的控制传输、ＵＳＢ批量传输、ＳＣＳＩ／ＵＦｌ／ＲＢＣ命令传输及ＦＡＴ文件系统等功能哺Ｉ。对于Ｍａｓｓ．Ｓｔｏｒａｇｅ海量存储，ＣＨ３７５内置了ＵＳＢ通信协议的固件，并提供ｕ盘文件级子程序库，单片机可以直接调用子程序读写Ｕ盘的文件数据，简化了开发流程。３打标机控制系统软件设计回２００９／１万方数据图４为系统软件功能结构。参数设置功能主要包括对ＶＩＮ码、流水号及打印参数等进行设置。Ｕ盘导入打印功能可以使用户从Ｕ盘中导入要打印的图形汉字数据，还可以导入新的字体文件。键盘输入打印功能包括文本打印、流水号打印、ＶＩＮ码打印，用户可通过键盘编辑输入，还可切换输入法。系统测试功能可帮助用户对步进电机、Ｉ／Ｏ等进行测试，解决常见故障。Ｉ软件功能结构Ｊ０Ｊ上ｌ参数设置ＩＵ盘导人打印键盘输入打印系统测试ｌ土上土ｊＬ３Ｌ土上土土土打流《加印加《载文流参才ｃ２载图太水２电数号码字形打号码机舌设设设体文印打打测测置置置件印印试试▲图４系统软件功能结构图软件采用Ｃ语言开发，开发环境为ＫｅｉｌｕＶｉｓｉｏｎ２。是美国ＫｅｉｌＳｏｆｔｗａｒｅ公司出品的５１系列兼容单片机Ｃ语言软件开发系统，使用接近于传统ｃ语言的语法来开发。与汇编相比，ｃ语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。软件采用逐点比较法插补，系统中考虑到了打标机机械部分的间隙补偿，故打印精度比较高，打印出的图形和字符比较优美。４结束语采用本文方案的打标机与传统的由ＰＣ机控制的打标机相比，体积大大减小，而功能上基本一致，非常适合对ＶＩＮ码、发动机号等进行打印。目前采用本文方案的打标机产品已经上市，从用户反馈的信息来看，该机运转平稳，硬件可靠，软件使用方便，用户界面友好，对不同用户均达到满意的打印效果。参考文献【１】武卫，辛世界，张新仪．自动打标机的研制【Ｊ】．机械制造，２００２，４０（１２）：２４—２５．【２】刘格，周璐，罗娅．气动标记打印机【Ｊ】．机械制造，１９９７，３５（６）：３３．【３】胡亚山，刘卫国．新颖的串行控制步进电机驱动器【Ｊ】．国外电子元器件，２００５｛９）．【４】Ａ３９７２ＤｕａｌＤｍｏｓＦｕｌｌ．ＢｒｉｄｇｅＭｉｃｒｏｓｔｅｐｐｉｎｇＰＷＭＭｏｔｏｒＤｒｉ－ｖｅｒ［Ｚ］．ＡｌｌｅｇｒｏＭｉｅｒｏｓｙｓｔｅｍｓ，２０００．△（编辑禾禾）机械制造４７卷第５３３期盛基于单片机的便携式气动打标机的设计作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：周扬胜，唐一科，杨鹏，ZhouYangsheng，TangYike，YangPeng重庆大学,机械工程学院,重庆,400044机械制造MACHINERY2009，47(1)0次参考文献(4条)1.武卫.辛世界.张新仪自动打标机的研制[期刊论文]-机械制造2002(12)2.刘格.周璐.罗娅气动标记打印机1997(06)3.胡亚山.刘卫国新颖的串行控制步进电机驱动器[期刊论文]-国外电子元器件2005(09)4.A3972DualDmosFull-BridgeMicrosteppingPWMMotorDriver2000相似文献(10条)1.学位论文杨鹏基于单片机的便携式打标机的应用与研究2007气动标记技术在工业领略应用十分广泛，但现有的标记系统有的结构比较庞大，有的价格较贵，在一定程度上限制了其应用，本文在分析了现有标记技术的状况、发展趋势以及存在的一些问题之后，提出了一种数控标记机方案，其目的主要是提高气动标记系统的便携性和降低成本。这种新型的数控标记系统具有双层结构：上层微机负责图形的处理、生成标记文件以及文件的传输，下层单片机系统负责控制x轴和Y轴步进电机的运动，以及打印头的高频微冲运动。与其他上下位机控制方案相比，本系统的特点在于上层微机与下层单片机之间的通讯将采用USB接口的方式，上层微机生成好打标文件后，直接存入U盘，单片机直接读取U盘上的文件，完成打标，整个过程不再需要上位机的参与，所以，本系统上下位机之间是一种松散耦合方式，实现了便携性。同时，一台微机可以为多个控制器服务，一个U盘可以在多台控制器上使用，提个了系统灵活性，降低了成本。该方案与采用串口通讯的上下位机方案相比，串口通信需要PC机实时控制下位机的工作，下位机无法脱离上位机的控制，系统灵活性不够高。本文完成了便携式气动标记机控制系统的研制工作。主要实现了硬件电路的设计和控制软件的编写。其中，硬件电路主要包括：①LCD显示模块，该模块的主要功能是负责显示打标过程中的各种状态，如打印速度、打印内容等。该模块在硬件实现上采用OCMJ液晶显示模块；②键盘接口电路，其主要功能是实现控制命令的输入、参数的设置。该部分电路采用了8279键盘控制器作为控制核心。③步进电机驱动电路，该部分电路在实现上采用了A3972控制芯片，可以完成32、16、8细分驱动。④U盘驱动电路，这部分电路的功能是实现单片机读写U盘，其硬件设计上采用了USB主从控制芯片CH375。控制软件主要包括：①插补软件，插补软件的控制方法采用的是脉冲增量逐点比较法。②U盘文件操作模块，该模块实现了以FAT格式对U盘文件的读写、编辑和删除。③键盘管理软件，该模块实现了对按键的处理。④打印头的运动控制软件，这部分软件的功能是控制打印头在XY平面内运动以及打印头的高频微冲运动。⑤系统管理软件，管理软件主要是负责各个模块协调工作，共同完成打标任务。本文的研究为开发新一代的工业气动标记机的工作打下了坚实的基础，具有重要的现实意义和应用前景。2.期刊论文杨继东.符艳君.YANGJi-dong.FUYan-jun基于单片机的打标机导向控制系统设计-机电设备2007,24(5)设计了一套基于微处理机控制单元(microprocessorcontrolunit)气动打标机导向控制系统,该系统具有汉字及字符打印功能.该文介绍了系统的硬件组成和软件设计思想.此系统易操作、流程清晰.3.学位论文姚遥基于USB接口气动打标机控制系统的研发2009气动打标机是一种广泛应用于汽车、摩托车、机械、航空等领域中的重要辅助工具，能够对产品的生产、使用等过程进行有效的管理和识别。目前，国外气动打标技术较为成熟，但价格昂贵，国内气动打标系统抗干扰性不强，精度容易丢失，操作不便。因此，研制一种经济适用、运行可靠、操作方便的气动打标机控制系统，既具有一定的理论意义，又具有较大的实用价值。本文研制了一套基于USB接口的气动打标机控制系统。该系统的控制器在硬件组成上，采用了单片机和FPGA作为步进电机控制器的控制芯片，CP2102作为控制器上的USB接口芯片。在WindowsXP操作系统软件开发平台下，利用VisualC++6.0作为开发工具进行编写。本文主要内容归纳为以下几个方面：①分析了气动打标机的现状，指出目前市场上气动打标机产品的发展方向，并提出了解决方案；②对各种方案进行筛选，提出以CP2102做为USB接口芯片，单片机、FPGA共同控制的总体设计，利用VisualC++6.0作为软件开发工具；③设计单片机、FPGA功能，编制控制程序，设计硬件电路；④设计出上位机软件，并对其功能进行演示；⑤在硬件、软件、通信三个方面做了抗干扰设计。整套打标系统经过较长时间的运行调试，表现稳定，现已经试用性投放市场。从客户的反馈信息来看，系统工作稳定，打印速度达到设计指标，能够平稳快速运动，打印精度高，达到市场领先水平，并且得到客户充分的肯定。关键词：气动打标机，USB，单片机，FPGA，抗干扰4.学位论文叶秀云一种气动打标机控制驱动器的研究与开发2005气动打标机是集机、电、数控技术于一体的机电一体化产品。它可以在各种零部件上打印中英文字符、图形、流水号和其它标记符号，广泛用于汽车、摩托车、机械、化工等行业。气动打标机有标准型、便携型和生产线型三种。标准型适用于中小件，便携型适合大型件，生产线型适用于流水线生产。气动打标机运动控制系统目前大致有四种：一是由计算机进行运动控制运算后直接发出脉冲到步进电机驱动器驱动打标机打标，操作系统多为DOS系统；二是计算机下传运动控制指令，由运动控制卡进行运动控制运算后发出脉冲到步进电机驱动器驱动打标机打标，成本较高；三是计算机下传运动控制指令，由控制器进行运动控制运算后发出脉冲到步进电机驱动器驱动打标机打标；四是不需要计算机，控制器中固化了一定的打标文件，由分离的驱动器或集成的控制驱动器驱动打标。这种情况节省了计算机资源，但是对于用户自定义的打标文件操作不方便，而且控制器体积大成本高。因此开发控制器和驱动器集成在一起、体积小价格经济的气动打标机控制驱动器显得非常重要。为解决以上问题，本文研发了一种气动打标机控制驱动器，将控制器和驱动器集成在一起。在计算机中编辑、修改和预览打印标记的内容，达到预期的效果后，将画板中的作图元素转换成控制驱动器可以识别的指令代码，发送到控制驱动器控制打标机完成打标任务。控制驱动器负责解析从计算机接收到的控制指令，由控制驱动器中的单片机进行运动控制运算后发出数字信号到步进电机功率驱动芯片，控制打标机执行相应的运动。本文重点对气动打标机控制驱动器的软硬件进行了研究和开发。本文研发的控制驱动器具有以下特点：将驱动程序与控制程序写在同一块芯片上，充分利用了现有的软硬件资源；采用计算机发出运动控制指令；通过接收控制指令而不是脉冲信号来完成打标机的运动控制。基于这种气动打标机控制驱动器，本文简要介绍了气动打标机运动控制系统和上位机软件系统。5.期刊论文邹必昌.吴文秀.ZOUBi-chang.WUWen-xiu便携式油管打标机控制系统研究-机电工程技术2007,36(2)油管是采油设备的重要零部件,但油管上标识会随时间的推移逐渐磨损,标识是油管设备必不可少的.如何方便快捷地将有关标记重新打上是许多厂家正在研究的难题.本文介绍了一种由单片机控制、步进电机驱动的便携式快速打标机控制系统能有效解决这一难题.6.学位论文何攀气动打标系统动态特性分析及运动控制技术研究2007链带式直线铸型机是电铅的重要生产设备，但其具有长链带(刚性低)、摩擦接触面大的特点，致使铸型机常发生不规则爬行振动。经过现场测试的发现，振动的周期和目前采用的机械式重锤打印机构的打印周期非常吻合，故判断打印机构是造成铸型机链带在传输过程中振动的一个重要因素。故设计一台新式的工业气动打标机，代替老式的重锤打标机构，从而减小打标对铸型机生产工作的影响。首先，针对链带式直线铸型机对使用的打标技术的特定要求，综合考虑铸型机的结构特点和现场环境，对打标机总体机械结构进行设计，并着重对三坐标运动机构和气动打标头进行设计。其次，对影响打标机工作性能的关键部件打标头进行动态特性分析。分别采用了ADAMS建立了打标头机械系统模型，采用Simulink建立动态压力仿真模型，并在ADAMS和Simulink的基础上联合对打标头的工作进行了仿真，得出设计参数与性能的关系，以及最优设计参数。最后，在实验的基础上对仿真结果进行了验证，结果表明仿真与实验基本符合。最后，分析了打标机的打标运动轨迹。根据铸型机用打标机工作的特点，采用单片机设计打标机的控制系统。对控制系统各个功能部件和总体硬件电路进行着重设计。此外对控制系统软件设计也作了研究。7.期刊论文何攀.严宏志.HEPan.YANHong-zhi工业气动标记机控制系统研究-计算机工程与科学2008,30(7)本文针对工业打标技术在工业中的应用现状,介绍了一种工业用三坐标自动打标机,采用单片机作主控机,研究了CPU与外围设备的接口电路以及软件设计.该气动打标机系统结构简单、成本低、功能稳定.8.学位论文谭庆全阵列式高速在线CO<,2>激光打标机控制系统的设计与实现2005本文设计实现的阵列式高速在线CO2激光打标机全由国产器件实现，适用于食品、饮料、烟酒、药品等生产线的高速在线打标。本文首先对动态链接库编程和多线程编程进行了深入讨论，然后对实现Windows平台下定时功能的各种方法进行分析和比较。在此基础上，用VisualC++作为开发工具，设计实现了功能强壮、界面友好、操作方便、能运行于各种Windows操作系统的控制系统。为了打标机的小型化、产品化，文中又设计实现了一种基于单片机的激光打标机控制系统。9.学位论文刘俊便携式气动标记打印机的研制2009机械产品在生产过程中，对机械零部件进行标记是非常必要的。机械行业除了追求打印在零部件上的标记美观外，还要求要有一定的打印速度和打印深度。为了满足现代化的生产需求，气动标记打印机是一种比较好的选择。根据控制器和控制方式的不同，气动打标系统主要分为计算机控制、单片机控制和上位机、下位机混合控制等类型。为了适应大型工件或不方便移动工件的打标，并且配合流水线作业的使用，需要研制一种体积小、安装方便、操作灵活、字体清晰、打印速度快、成本低、工作稳定的便携式标记打印系统。该便携式标记打印系统采用目前广泛使用的32位高性能嵌入式RISC(ReducedInstructionSetComputer)处理器取代传统设计中的PC(PersonalComputer)机和单片机，独立地完成字符输入、参数显示、轮廓坐标点计算、打标图形预览、插补计算和打标控制等功能。经过对系统