基于单片机的折页机卡纸检测系统的设计

文章介绍了一种基于单片机AT89C55的折页机卡纸监测控制系统。系统的硬件设计包括电平转换模块、防误动模块、报警停机模块、通讯模块、存储扩展模块，软件设计使用μVision2集成开发环境和WAVE6000。

此系统代替原有PLC检测系统。系统经过测试，运行平稳，反应敏捷。达到设计要求。

一、引言

折页机是一种印后设备，它将每张很大的印刷纸折成适合平常装订得，人们经常见到的纸张的大小。分很多种类型。它可以将纸张四折、八折、十六折、三十二折当在折纸的过程中，发生卡纸时，卡纸检测系统自动发出停机信号和报警信号，并发出信息指示卡纸发生的位置。

目前，国内折页机卡纸系统的设计以PLC为核心控制得为主，PLC控制设计简单，稳定可靠，但PLC有许多不足之处。占用PLC I/O口数量过多，大约14之多。PLC的工作方式是每次扫描各个I/O口。根据每个I/O口的变化作出相应处理。占用I/O口过多就会增加PLC的处理时间。增加主控PLC的负担。国外如日本都是采用以单片机为核心的卡纸监测系统。单片机体积小，运算速度高，有丰富的各种资源，能进行更复杂得运算。可靠性基本满足需求。

二、系统总体设计要求

系统用于检测折页机纸张的运行状态，通过RS485与PLC通讯，在机器运转时如果检测到纸张停留在机器中，系统立即输出信号给PLC。系统的几个输入信号，都是NPN型，即有信号时是24v低电平，没信号时是24v高电平。包括：一个来自光电开关的脉冲信号。五个光电开关信号。单张进纸按钮信号。连续进纸按钮信号。24v直流电源信号。两个备用输入端子。输出信号包括：发生故障时输出有开点变为闭点的继电器信号。3个备用输出端子。

三、硬件设计

图1 系统设计图

本系统采用AT89C55作为核心控制器，外扩4K的RAM存储24C01芯片。本产品是原折页机检测系统的升级换代产品，所以尽量采用原系统的通讯模式。采用M75176芯片，使用485通讯格式与控制显示折页机运行状态的PLC进行通讯。控制输出模块也就是报警停机模块用AT89C55控制24v欧姆龙继电器，输出24v停机信号给主控PLC。

1、电平转换电路

折页机上一共设有5个传感器加上一个时钟信号，一共有由6个24v输入信号。输入有效信号是24v低电平，当纸张通过传感器时，传感器给出一个24v低电平。当没有纸张通过传感器时，传感器给出24V高电平。所以正常工作时，传感器输出一个24v的宽脉冲信号。当有发生卡纸时，传感器将一直输出24v高电平或者24v低电平。当纸卡在传感器下时是输出24v低电平。当纸卡在两个传感器之间时是输出24高电平。输出一个控制信号根据厂家要求预留两个控制线路。因为单片机要求5v的TTL电平，因此必须设计相应的电平转换模块。输入输出均用TLP521-4光隔将24v电平转换成TTL电平，或反之。每条输入输出线路均用发光二极管指示。AT89C55是51系列单片机之一，port1口具有上拉电阻，所以选用port1作为输入口。

2、防误动模块

继电器控制端输入低电平导通线圈，继电器动作停机。折页机工作时，发生卡纸故障时，单片机向继电器控制端输出低电平，线圈通电导通，继电气开关动作。而在折页机开始工作时，电路设计先向单片机送电然后向继电器送电，继电器控制端有电平变化，引起继电器动作。这是不符合生产要求的。为消除继电器误动，采用了 GAL16VB门芯片。GAL输入5个信号，逻辑代表5个传感器的状态，5个信号与门输入。GAL芯片输出控制继电器。当有一个传感器下发生卡纸时。相应改变GAL的一个输入信号。GAL芯片输出改变，如后再导通继电器停机，由于五个传感器开始状态不变，所以继电器不会发生误动作。

图2 原理图

3、存储开展模块

在实际生产中，机器可能暂时停机。下次机器开机时，运行的是同一批任务，这就要使用开始时的某些参数变量。而单片机的RAM存储区在机器停机掉电后，其中的数据将会全部丢失。如果放在ROM中，程序大小已经快接近AT89C55的容量，而且一般变量不存放在ROM中。ROM中的数据一旦写入掉电不变化，一般存放程序数据。而这些参数变量在工作任务改变时，其值也将发生改变。这就需要外扩ROM，24C01是一种EEPROM芯片，掉电还可保存数据，支持I2C。可擦写一百万次以上，能保存数据40年。24C01和AT89C55通讯的方式采用I2C模式。

四、软件设计

1、 软件开发环境

程序使用C51。开始软件模拟测试时，C51的开发工具是使用现在最流行的KEIL 51和μVision2集成开发环境。KEIL 51是德国KEIL公司开发的单片机C语言编译器，其前身是FRANKLIN C51，现在的最新版本V6功能已经相当不错，特别是兼容ANSI C后又增加了很多与硬件密切相关的编译特性，使得在8051系列单片机上的开发应用程序更为方便和快捷。μVision2是一种集成化的文件管理编译环境，编译环境使用KEIL 51，集成了文件编辑处理、编译链接、项目管理、窗口、工具引用和软件仿真调试等多种功能。

在线调试时使用伟福自带的开发工具WAVE 6000。将源代码拷贝到WAVE 6000下，采用WAVE自开发的c编译器comp51，作相应的改动。进行在线调试。WAVE 6000是南京伟福实业公司开发的。支持汇编语言和C语言，也具有强大的项目管理、变量观察合编译功能。

2、 软件设计思想

软件主要采用轮询的方法来检测是否卡纸。首先进行主控芯片AT89C55和扩展存储芯片24C01的初始化。主控芯片AT89C55包括Time方式设置、中断使能等等。扩展存储芯片24C01的初始化包括读写子程序编写等等。单张走纸时记录各种参数包括每张纸通过每个传感器的时间即脉冲数，每张纸在每连个传感器之间行走的时间。连续走纸时，也记录每张纸的这些参数，然后采用轮询的方法，对每张纸的参数与单张走纸时所记录的参数进行比较，如果在允许的范围内，则说明折页机工作正常，反之则发出报警停机信号。

五、结束语

此检测系统提高了折页机的自动控制水平。此系统经过现场实验，运行稳定可靠，达到了设计要求。目前该系统已做成产品应用于实际产品中。如果改进软件的设计思路和使用跟高速的MCU，会使系统进一步优化，达到更好的效果。

参考文献

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2 MITSUBISHI，FX COMMUNICATION (RS-232C, RS485)
3 张仁忠，滕丽娟，韩雷，王建伟，PLC与单片机的通讯方式，应用科技，2001

4 求是科技，《单片机典型模块设计实力导航》，人民邮电出版社，2004
5 胡乾斌，李光斌，李玲，甘锡英，《单片微型计算机原理与应用》，华中科技大学，1997
6 马鸿文，基于AT89C52单片机的自动存取柜的设计与实现，微型计算机信息，2006年1-2期，P101-103