基于80C196MC单片机的自动定位系统

1引言?

包装机上卷筒型包装纸印有连续的商标，当机器开动时，连续的标纸由送纸辊牵引向机器内输送，再经切纸刀辊将连续标纸分切成单张的包装纸。刀辊每旋转一周，切下一张包装纸，若要使实际切纸线与理论切纸线重合，送纸辊的直径和单张包装纸的长度必须满足严格的数学关系。由于送纸辊加工有公差，包装机工作过程中卷筒的半径逐渐减小，标纸所受张力发生变化等等因素，使得刀辊切下的包装纸和理论切纸线之间有偏差，即使这种偏差很小。例如，某张标纸偏差只有0?1mm，刀辊速度为300r/min，机器运行10min，累计偏差即达300mm。此时，包装纸上的图案就会明显偏离正确位置，不符合工艺要求。然而，随着经济的发展和人们审美情趣的提高，人们对商品的包装效果提出了更高的要求。为解决这一问题，必须在包装机上设计商标自动定位系统。?

2自动定位系统调节原理?

本系统设计为单片机控制的交流伺服系统，因为交流伺服电机与直流伺服电机相比，具有体积小、过载能力强、输出转矩大、不存在电刷磨损、无需经常维修等优点。而且由于无电刷压降因素影响，因此可以达到很低转速，并且有硬的机械特性。定位系统框图如图2—1所示，其调节原理为：在送纸辊上，光电装置利用印在卷筒包装纸上的色标，即可检测标纸的输送位置；与刀辊旋转同步的光电码盘通过光电装置，可以反映刀辊的切纸时间；上述光电装置产生的光电脉冲均送入单片机进行逻辑处理，然后决定伺服电机的旋转方向。伺服电机的运行时间由单片机的定时器中断控制，以伺服电机的输出作为补偿量，它通过差动轮系与主动轮系相合成，带动送纸辊，从而补偿刀辊实际切线与理论切线的偏差，实现标纸的自动定位。?

3自动定位系统的硬件结构?

经过比较，选用Intel公司的80C196MC作为系统的CPU。其性能优越，功能强大，专为电机控制而设计，特别适用于与轴式光电码盘和伺服电机接口。而且，与MCS—51相比，不仅在主频和90°相移记数方式方面有很大的优势，同时其片内还增加了波形发生器和大量的存储空间。考虑80C196MC 片内有这样丰富的硬件资源，本系统由80C196MC单片机组成最简单、最基本的单片机系统，如图3—1所示。这样，可以大大简化许多外部硬件和控制软件，达到优化系统的目的。?

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3.1存储空间的确定?

80C196MC片内存储器容量可达65536Bytes,除了0000H～01FFH、1F00H～1FFFH和2000H～207FH 3个专用区及标明“保留”的个别单元共896 Bytes外，其余都可作为程序存储区、数据存储区或存储器影射的外设区，共计64642 Bytes，约计64KB可用。因此，不需片外扩展数据存储器和程序存储器。?

3.280C196MC的前向通道设计?

单片机80C196MC的前向通道配置由光电开关、脉冲整形电路、光耦电路和缓冲电路组成。光电开关采用机电部电气传动研究所研制的最新产品，光源进行脉冲调制，GaAs红外发光二极管，对外界杂乱光和电气噪声的抗干扰能力强。光电开关1LS和2LS检测码盘的旋转位置，亦反映刀辊的旋转位置，光电脉冲信号分别送入P1.0和P1.1脚，供逻辑处理用。光电开关3LS检测卷筒包装纸输送位置，EXTINT为外部中断输入端，光电脉冲信号送入计数脉冲输入端T1CLK，实现包装机的自动计数。?

复位采用一种简单而又实用的上电及手动复位电路，低电平有效，由脚引入。?

3.380C196MC的后向通道设计?

80C196MC的后向通道由缓冲电路、光耦电路、达林顿功放电路及固态继电器等组成。由PWM0(P6.6)和PWM1(P6.7) 输出定时和逻辑处理程序运行结果，因PWM模块本身包含脉冲宽度调制计数器和内部时钟，所以不必另增硬件，控制伺服电机运行的时间。输出信号经固态继电器 1SSR和2SSR控制伺服电机正、反转。固态继电器具有无机械噪声、无抖动、开关速度快、寿命长等优点，适合伺服电机正、反转频繁起动。?

3.4系统显示和键盘电路设计?

因80C196MC单片机本身的双向I/O端口已经够用，故不须另扩展并行I/O接口，可直接由P3和P4口建立显示和键盘电路，设置6位LED共阴极显示器，段选码由P3提供，位选码由P4口提供。键盘与显示电路合并，列输入依次由P4.1～P4.6提供，行输出由P4.0提供，共设置6个功能键：启动、停止、增加定时时间、减少定时时间、显示定时时间、显示包装数量。

3.5系统报警和停车电路设计?

由P2.1输出逻辑处理程序运行结果，再经缓冲器、光耦和达林顿电路控制中间继电器KA，从而实现蜂鸣器报警和包装机自动停车。?

4自动定位系统的软件设计?

在主传动轴上装有光电码盘，如图4—1a所示，采用2圈光栏，可同时确定位置和方向，分别控制两个光电开关1LS和2LS，码盘旋转时可产生不同时序的脉冲信号。码盘分成4个控制区域，分别对应4种不同的工作状况。?

①若标纸的输送速度与刀辊的线速度相等，则检测卷筒包装纸输送位置的光电脉冲3LS出现在I区域，此时无需补偿，伺服电机停止旋转。?

②若标纸的输送速度落后于刀辊的线速度，则光电脉冲出现在Ⅱ区，此时要求伺服电机正转，通过差动轮系增加送纸辊的速度，从而使标纸输送速度得到正的补偿。?

③若标纸的输送速度超过刀辊的线速度，光电脉冲3LS出现在Ⅲ区，此时要求伺服电机反转，通过差动轮系减慢送纸辊的速度，从而使标纸输送速度得到负的补偿。?

④若是光电脉冲出现在Ⅳ区，说明包装纸图案位置的偏差超过允许值，此时要求包装机自动停机，并由蜂鸣器发出报警，停机后重新调整。?

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应该指出的是，80C196MC中的EXTINT中断不同于其它80C196系列的外部中断，它是由波形发生器的保护电路产生中断，可以选择4种外部中断的触发方式：上升沿触发、下降沿触发、低电平触发和高电平触发。和边沿触发方式比较起来，电平触发中断更适用于噪声环境中。本系统选用低电平触发产生中断的方式。有光照射时，光电开关向CPU输入低电平“0”；否则输入“1”。CPU输出低电平“0”时，继电器接通；否则继电器断开。依据上述控制原理和输入输出控制规律，可得输入输出时序图(图4—1b)，并写出状态表(见表4—1)。

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MCS—96布尔指令集，在解决逻辑控制问题上是一个强有力的工具，所以求解上述状态方程的程序十分简单。?

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利用80C196MC中PWM模块本身包含的脉冲宽度调制计数器和内部时钟，能够很准确地控制伺服电机运行时间的长短，从而控制每一张标纸的补偿量。通过增、减定时时间的按钮，可以很方便地修正定时时间。同时，利用80C196MC的定时器1记录包装机的生产量。系统主程序框图如图4—2所示。?

5结束语?

系统设计方便灵活，通过PWM可编程的占空比和频率或功能键盘，可以很方便地调整控制伺服电机运行的时间，以便产生精确的补偿控制量，使刀辊实际切纸线与理论切纸线很好地吻合。

系统设计方案简单经济，属80C196MC最基本、最简单系统，为日后开发、改造系统留有较大的裕量。?

以80C196MC单片机为中央控制单元的补偿自动调节定位系统，它比目前基于继电器控制线路的传统型包装机，大大提高了自动定位系统工作的可靠性和定位精度，减少了产品不合格率，可提高产品质量，降低生产成本，提高经济效益。具有一定的经济性和实用性。

［参考文献］?
［1］孙涵芳?Intel16位单片机［M］?北京航空航天大学出版社，1999??
［2］袁国干，等?单片微机在自动定位系统中的应用［J］?电气自动化，1998(4)??
［3］汪建?MCS—96系列单片机原理及应用技术［M］?华中理工大学出版社，1999?