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基于SI4463的車床安全保護(hù)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者:張麗霞 時(shí)間:2016-05-26 來源: 收藏
編者按:為了解決針對(duì)普通車床缺乏安全保護(hù)裝置,在車削加工中易出現(xiàn)安全事故的問題,本文對(duì)機(jī)床的安全保護(hù)缺陷進(jìn)行了研究,提出了采用基于SI4463芯片的無線通信技術(shù)和雙MCU控制方法,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了安全保護(hù)控制器。該控制器通過安裝在車床相關(guān)位置的檢測(cè)元件測(cè)得的狀態(tài)數(shù)據(jù),控制車床主電機(jī)和快進(jìn)電機(jī)狀態(tài),避免發(fā)生事故。車床安全保護(hù)控制器可以單機(jī)脫機(jī)工作,可以通過應(yīng)用無線通信技術(shù)與上位機(jī)聯(lián)機(jī)工作,也可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)車床的遠(yuǎn)程集群控制。

摘要:為了解決針對(duì)缺乏安全保護(hù)裝置,在車削加工中易出現(xiàn)安全事故的問題,本文對(duì)機(jī)床的安全保護(hù)缺陷進(jìn)行了研究,提出了采用基于SI4463芯片的技術(shù)和雙MCU控制方法,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了器。該控制器通過安裝在車床相關(guān)位置的檢測(cè)元件測(cè)得的狀態(tài)數(shù)據(jù),控制車床主電機(jī)和快進(jìn)電機(jī)狀態(tài),避免發(fā)生事故。車床器可以單機(jī)脫機(jī)工作,可以通過應(yīng)用技術(shù)與上位機(jī)聯(lián)機(jī)工作,也可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)車床的遠(yuǎn)程集群控制。

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/201605/291773.htm

引言

  缺乏安全保護(hù)裝置,但工作時(shí)處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。在使用過程中,特別是在車削加工教學(xué)實(shí)訓(xùn)中,由于初學(xué)者的疏忽,很容易出現(xiàn)安全事故,帶來財(cái)產(chǎn)和人身?yè)p害。為此,我們針對(duì)實(shí)際問題,設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多功能安全保護(hù)集成控制裝置。該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)普通車床機(jī)群(多臺(tái)車床)工作狀態(tài)顯示、集中控制和單臺(tái)車床安全工作保護(hù)。該裝置可實(shí)現(xiàn)4種保護(hù):(1)卡盤扳手未取出安全故障保護(hù);(2)刀架與卡盤相撞安全保護(hù);(3)溜板箱與尾座相撞安全保護(hù);(4)螺紋加工與光軸加工的互鎖功能保護(hù)。該裝置的設(shè)計(jì)按照物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的三個(gè)層次進(jìn)行[1]:(1)感知層,本系統(tǒng)采用行程開關(guān)和磁性開關(guān)對(duì)每臺(tái)車床的扳手的位置、縱向行程情況、絲桿狀態(tài)和主螺母狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)到的信息送到每臺(tái)控制器,控制器對(duì)主電機(jī)和快進(jìn)電機(jī)發(fā)出命令,控制器與上位機(jī)通過短距離進(jìn)行信息交換,并執(zhí)行上位機(jī)發(fā)出的控制命令;(2)網(wǎng)絡(luò)層,利用互聯(lián)網(wǎng)和3G/4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò),計(jì)算機(jī)客戶端和手機(jī)客戶端對(duì)本裝置進(jìn)行訪問和操作;(3)應(yīng)用層,采用專門開發(fā)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)完成系統(tǒng)訪問、狀態(tài)查看、現(xiàn)場(chǎng)控制等功能。

  本文在此對(duì)其中的器部分設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行介紹。

1 整體設(shè)計(jì)

  本控制器采用了兩片MCU()芯片,由主控模塊、無線串口模塊、液晶顯示、LED指示、矩陣鍵盤、光電隔離等部分構(gòu)成,如圖1所示。

  該普通車床多功能安全保護(hù)集成控制裝置系統(tǒng)使用PC機(jī)作上位機(jī),上位機(jī)通過串行總線USB(Universal Serial Bus)接口經(jīng)USB接口芯片和無線串口模塊連接,與安裝在每臺(tái)車床的控制器通信,實(shí)現(xiàn)將車床相應(yīng)位置檢測(cè)的元件輸出的開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)送到主控MCU1,主控MCU1根據(jù)檢測(cè)信號(hào)送出相應(yīng)的電平信號(hào),經(jīng)光電隔離模塊控制繼電器,從而允許車床主電機(jī)和快進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)或停止。同時(shí),主控MCU1控制LCD液晶顯示模塊顯示出相應(yīng)的狀態(tài)信息,并且控制LED發(fā)光二極管作狀態(tài)指示。主控MCU1也可根據(jù)上位機(jī)的命令輸出主電機(jī)和快進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào),主控MCU1通過無線串口模塊與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)短距離無線通信。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

  主控MCU1選用STC12C5A60S2單片機(jī),該單片機(jī)是STC Micro公司推出的完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)MCU,該芯片F(xiàn)LASH內(nèi)存可實(shí)現(xiàn)ISP/ISA系統(tǒng)可編程/在線應(yīng)用可編程。STC12C5A60S2主要性能[2]

  (1)高速:1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期,速度比普通MCS-51單片機(jī)快8~12倍;

  (2)寬電壓范圍:3.3V~5.5V,2.2V~3.6V;

  (3)低功耗設(shè)計(jì):掉電模式(可由外部中斷喚醒)可支持下降沿/上升沿和遠(yuǎn)程喚醒;

  (4)增加外部掉電檢測(cè)電路,可在掉電時(shí)及時(shí)將數(shù)據(jù)保存在EPROM;

  (5)工作頻率:0MHz~35MHz,相當(dāng)于普通MCS-51單片機(jī)的0MHz~420MHz;

  (6)每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA。

  鑒于STC12C5A60S2的這些特點(diǎn),所以選擇該芯片與時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等一起構(gòu)成的單片機(jī)最小系統(tǒng)作為主控模塊。

2.2 無線串口模塊

2.2.1 無線串口模塊構(gòu)成

  無線串口模塊主要由MCU2和射頻收發(fā)芯片組成。MCU2選用意法半導(dǎo)體公司的STM8L152C6T6低功耗微處理器,該芯片自帶SPI、UART和多個(gè)定時(shí)器,具有多種電源管理模式且待機(jī)功耗低的特點(diǎn)[3]。射頻收發(fā)芯片采用SI4463,該芯片工作頻段為119MHz~1050MHz,最高輸出功率可達(dá)+20dB,傳輸距離可達(dá)2km。SI4463芯片能超低功耗工作,在功率為+10dB時(shí),發(fā)射電流為18.0mA,接收電流為10.0mA[4]。SI4463芯片可應(yīng)用在智能計(jì)量、遙控、家庭安全、報(bào)警、遙測(cè)、工業(yè)控制和傳感器網(wǎng)絡(luò)等方面。SI4463電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且成本低。STM8L單片機(jī)與SI4463射頻芯片接口電路如圖2和圖3所示。

  SI4463射頻芯片與STM8L單片機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)4線串行外設(shè)接口(SPI)進(jìn)行通信:SCLK(時(shí)鐘)——SPI_SCK,SDI(數(shù)據(jù)輸入)——SPI_MOSI,SDO(數(shù)據(jù)輸出)——SPI_MISO,CS(片選)——SPI_CSN。

  需要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)由MCU2控制SI4463進(jìn)行射頻發(fā)送和接收。為了在數(shù)據(jù)射頻傳輸過程中抗干擾,將無線串口模塊加了金屬外殼進(jìn)行屏蔽,并且采用了SMA接口的單鞭棒狀天線增強(qiáng)傳輸性能。

2.2.2 接口電路

  無線串口模塊的MCU2和主控模塊的MCU1通過UART(通用異步串行口)接口進(jìn)行串行通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

  安裝于上位機(jī)的無線串口模塊增加了CP2102芯片及外圍電路,使無線模塊和上位機(jī)通過CP2102芯片進(jìn)行USB-UART的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)連接。CP2102芯片內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、晶體振蕩器、EEPROM及異步串行數(shù)據(jù)總線(UART),支持調(diào)制解調(diào)器全功能信號(hào),無需任何外部的USB器件。

2.3 電源電路

  在車床使用現(xiàn)場(chǎng)能方便獲得220V交流電,將該電信號(hào)經(jīng)變壓、整流和濾波后,經(jīng)三端集成穩(wěn)壓電源芯片7812和7805獲得直流12V和5V電壓給繼電器和車床安全保護(hù)控制器等電路供電。

  在無線串口模塊中,使用了74LVC245芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V給STM8L單片機(jī)和SI4463芯片供電,并實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

2.4 其他電路

  本控制器通過矩陣鍵盤可以輸入密碼,賦予操作者相應(yīng)的權(quán)限。本控制器使用12864液晶顯示器來顯示扳手位置、縱向行程位置等信息,同時(shí)用LED發(fā)光二極管來直觀地指示扳手位置、縱向行程位置等是否正常。液晶顯示器和LED發(fā)光二極管與主控MCU1單片機(jī)的接口為常規(guī)并行接口。矩陣鍵盤也通過單片機(jī)的并行口連接,并且將行線經(jīng)與門后接到單片機(jī)的外部中斷0。

  經(jīng)主控MCU1輸出的電機(jī)控制信號(hào)經(jīng)光電隔離電路和繼電器控制主電機(jī)和快進(jìn)電機(jī)的工作,電機(jī)控制電路如圖4所示。其中CTL_MT1端連接主控MCU1單片機(jī)的IO口,TLP521是可控制的光電耦合器件,作用是在電路信號(hào)傳輸過程中使控制器前端與負(fù)載完全隔離,目的在于增加安全性、減小電路干擾和減化電路設(shè)計(jì)。主控MCU1輸出的高低電平對(duì)應(yīng)繼電器線圈的得電和失電,MT11和MT12串聯(lián)接入電機(jī)的電源回路,從而控制電機(jī)電源電路的通斷。

3 軟件設(shè)計(jì)

  普通車床多功能安全保護(hù)集成控制裝置在工作時(shí),上位機(jī)與多個(gè)車床安全保護(hù)控制器的通信為主從模式,每個(gè)車床安全保護(hù)控制器有一個(gè)唯一的地址編號(hào),控制器不停地發(fā)送采集到的車床各處關(guān)鍵位置點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù),上位機(jī)按控制器的地址編號(hào)輪流向各個(gè)控制器發(fā)送數(shù)據(jù),以向控制器發(fā)送控制命令和讀取狀態(tài)數(shù)據(jù)??刂破饔新?lián)機(jī)和脫機(jī)兩種工作模式,可由上位機(jī)控制,也可以在通過密碼驗(yàn)證操作者身份后,允許其通過鍵盤設(shè)置工作模式。上位機(jī)和控制器傳輸數(shù)據(jù)的定義見表1、表2和表3。

  車床安全保護(hù)控制器軟件設(shè)計(jì)分為主控模塊程序和無線串口模塊程序兩大部分。

3.1 主控模塊程序設(shè)計(jì)

  主控模塊程序主要包括主控MCU1初始化、數(shù)據(jù)收發(fā)、矩陣鍵盤掃描、液晶顯示控制、電機(jī)控制等功能部分,其主函數(shù)流程圖如圖5所示。

  在主控模塊中使用了串行口中斷服務(wù)函數(shù),用來讀入上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù),并將相應(yīng)的標(biāo)志位置1。還編寫了外部中斷0的中斷服務(wù)函數(shù),矩陣鍵盤任意按鍵被按下時(shí),進(jìn)入外部中斷0,判斷鍵值,并將相應(yīng)的標(biāo)志位置1。

3.2 無線串口模塊程序設(shè)計(jì)

  無線串口模塊程序設(shè)計(jì)主要包括STM8L單片機(jī)初始化、SI4463芯片初始化、STM8L單片機(jī)與主控MCU1通信、STM8L單片機(jī)與SI4463芯片的數(shù)據(jù)傳輸以及STM8L控制SI4463芯片實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的射頻通信。

4 結(jié)論

  本車床安全保護(hù)控制器經(jīng)實(shí)際測(cè)試,能實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)車床的安全保護(hù)和狀態(tài)顯示,并且能與上位機(jī)聯(lián)機(jī)工作,實(shí)現(xiàn)多臺(tái)車床的遠(yuǎn)程集群控制。經(jīng)測(cè)試,本車床安全保護(hù)控制器所屬的普通車床安全集成控制系統(tǒng)可對(duì)1000m2~1500m2范圍內(nèi)的30臺(tái)~40臺(tái)車床群組實(shí)現(xiàn)有效的集中管理,其安全保護(hù)功能可靠、靈活,在各級(jí)學(xué)校的實(shí)習(xí)工廠和大型制造企業(yè)中都具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn):

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本文來源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第69頁(yè),歡迎您寫論文時(shí)引用,并注明出處。



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