單片機(jī)控制卷紙機(jī)的設(shè)計(jì)說(shuō)明書.doc

本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 32 頁(yè) 共 32 頁(yè)1 引言卷紙機(jī)是配置在造紙機(jī)最末端的一個(gè)聯(lián)動(dòng)設(shè)備。它的主要功能是將紙機(jī)生產(chǎn)出的紙幅卷成紙輥，便于后加工工序進(jìn)一步加工。卷紙機(jī)不僅用于紙機(jī)上，還廣泛用于機(jī)外涂布和機(jī)外壓光等整飾生產(chǎn)線上進(jìn)行再卷取。在紙張生產(chǎn)中，卷紙也是非常重要的技術(shù)之一。卷紙機(jī)的性能直接影響卷紙質(zhì)量、紙卷結(jié)構(gòu)、紙張損失、紙機(jī)和后加工工序的整體生產(chǎn)效率以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)，還影響印刷用戶的印刷質(zhì)量、印刷效率和印刷過(guò)程的運(yùn)行性能。因此，近10多年來(lái)，世界各國(guó)也包括我國(guó)的廣大造紙工作者和造紙機(jī)械制造廠商，都在努力研究改進(jìn)卷紙技術(shù)和提高卷紙機(jī)性能。在20世紀(jì)80年代前的100多年里，世界各國(guó)的造紙機(jī)主要是使用傳統(tǒng)的老式卷紙機(jī)，也稱作第一代卷紙機(jī)。而在1992年出現(xiàn)了第二代卷紙機(jī)。20世紀(jì)末又出現(xiàn)了嶄新的現(xiàn)代卷紙機(jī)，也稱第三代卷紙機(jī)，諸如Valmet公司的OptiReel Plus卷紙機(jī)、Voith Sulzer公司的Sirius卷紙機(jī)和原Beloit公司的TNT卷紙機(jī)。20世紀(jì)90年代造紙機(jī)的發(fā)展空前迅猛，新概念、新技術(shù)、新裝備不斷涌現(xiàn)，紙機(jī)設(shè)計(jì)車速高達(dá)2500m/min；與此同時(shí)，涂布、超級(jí)壓光等后加工技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在試驗(yàn)廠，涂布機(jī)的運(yùn)行速度高達(dá)3000 m/min。隨后，卷紙技術(shù)也取得了同步發(fā)展，采用了新設(shè)計(jì)理念，應(yīng)用了許多新技術(shù)、新裝備和現(xiàn)代調(diào)控技術(shù)，獲得了可喜的成果。本課題設(shè)計(jì)的是單片機(jī)控制的卷紙機(jī)，相信它會(huì)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活、方便，易于控制等優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入造紙業(yè)市場(chǎng)。2 本課題的具體方案2.1 設(shè)計(jì)要求本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容是單片機(jī)控制卷紙機(jī)的設(shè)計(jì)。技術(shù)要求：1) 能將紙張生產(chǎn)線生產(chǎn)出來(lái)的紙卷繞成卷軸紙。卷繞速度要求：50100m/min；要卷的紙的寬度可調(diào)，最大850mm，最小210mm；2) 要求進(jìn)紙的速度能平穩(wěn)上升或下降；3) 并且能測(cè)量顯示生產(chǎn)紙的長(zhǎng)度；4) 紙張運(yùn)行過(guò)程中，如出現(xiàn)斷紙現(xiàn)象，要求立即停機(jī)報(bào)警。2.2 本設(shè)計(jì)的組成本設(shè)計(jì)主要由兩部分組成：機(jī)械部分和控制部分。機(jī)械部分主要由電氣控制系統(tǒng)、卷紙系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成；電氣部分是由單片機(jī)組成的中央控制單元，尤其實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。2.3 卷紙機(jī)的工作原理圖2.1 卷紙機(jī)的工作原理圖本設(shè)計(jì)為一臺(tái)單片機(jī)控制的卷紙機(jī)，它是用于紙張生產(chǎn)廠的一種設(shè)備，紙張生產(chǎn)線生產(chǎn)出來(lái)的紙可以再次自動(dòng)卷繞，達(dá)到一定的緊度。并且進(jìn)紙的速度能平穩(wěn)上升或下降，還能測(cè)量顯示生產(chǎn)紙的長(zhǎng)度。紙張運(yùn)行過(guò)程中，如出現(xiàn)斷紙現(xiàn)象，可以立即停機(jī)報(bào)警。紙材進(jìn)入牽引輥后經(jīng)過(guò)張力傳感器，在張力傳感器的控制下，紙材被收卷電機(jī)卷入卷紙輥上。本設(shè)計(jì)卷成卷的最大直徑為450mm。3 中央控制系統(tǒng)中央控制系統(tǒng)是整套卷紙機(jī)控制系統(tǒng)的控制中樞，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，并且通過(guò)一臺(tái)圖形顯示界面將整套系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的重要參數(shù)顯示給操作員。轉(zhuǎn)速控制采用了可以調(diào)節(jié)速度的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)電路由晶閘管電路構(gòu)成；控制電路主要包括轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速反饋、比例-積分-微分調(diào)節(jié)器，以及晶閘管脈沖觸發(fā)電路；走紙的長(zhǎng)度控制主要由紙長(zhǎng)設(shè)定和紙長(zhǎng)脈沖反饋構(gòu)成。4 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)電氣系統(tǒng)中，由于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速困難，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能好，所以，采用直流傳動(dòng)。所使用的調(diào)速單元均為全數(shù)字式調(diào)速單元。采用一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)卷紙輥。4.1 電動(dòng)機(jī)的選擇在此系統(tǒng)中，由于所選擇負(fù)載的轉(zhuǎn)矩并不太大，所以選擇3.0kW的直流電動(dòng)機(jī)即可滿足要求。所選直流電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和技術(shù)數(shù)據(jù)如下表4.1所示： 表4.1 直流電動(dòng)機(jī)的型號(hào)及技術(shù)參數(shù)型號(hào)額定功率/kW額定電壓/V額定電流/A額定轉(zhuǎn)速/(r/min)勵(lì)磁電壓/V勵(lì)磁方式勵(lì)磁電流/AZ2-413.022017.01500220并0.6075 紙寬調(diào)節(jié)裝置由于所設(shè)計(jì)的卷紙機(jī)要求可以卷210mm850mm不等寬度的紙，所以此設(shè)計(jì)的卷紙機(jī)中采用一端固定，一端滑動(dòng)的方案，而兩端都安裝有可以拆開(kāi)的對(duì)開(kāi)式滑動(dòng)軸承，為保證卷紙輥可以方便裝入。此設(shè)計(jì)裝置要求對(duì)于每一種不同寬度的紙要有和它匹配的不同長(zhǎng)度的卷紙輥，但長(zhǎng)度不一的卷紙輥的共同特點(diǎn)是，他們的兩個(gè)端部必須一樣，這才能保證其順利安裝到滑動(dòng)軸承上。本設(shè)計(jì)采用手動(dòng)安裝方式更換不同的卷紙輥。6 卷紙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6.1卷繞系統(tǒng)張力模型張力控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種輸入量按某種可調(diào)節(jié)的衰減規(guī)律而變化的特殊的隨動(dòng)系統(tǒng)。張力的控制可以說(shuō)是卷紙機(jī)系統(tǒng)控制的核心，要實(shí)現(xiàn)良好的張力控制，建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析是必要條件。我們假定紙?jiān)趥鲃?dòng)輥上沒(méi)有滑動(dòng)摩擦，只有粘滯摩擦，紙的線速度等于膠輥的線速度?？紤]兩個(gè)連續(xù)膠輥，從前一個(gè)膠輥的第一接觸點(diǎn)到后一個(gè)膠輥的第一接觸點(diǎn)之間的張力分布，如圖6.1所示。圖6.1 張力模型由胡克定律可知，紙內(nèi)的張力T：式中：是紙的橫截面積，是楊氏彈性模量，L傳動(dòng)點(diǎn)之間的距離，V1是壓輥的線速度，V2是卷筒的線速度，t是紙傳送時(shí)間，t=L/V1。應(yīng)當(dāng)注意的是，彈性模量會(huì)隨著溫度和濕度等環(huán)境的影響而改變?？梢?jiàn)，紙?jiān)谧鳛閺埩φ{(diào)節(jié)對(duì)象時(shí)，是一個(gè)積分環(huán)節(jié)。在啟動(dòng)過(guò)程中，我們總是控制令V2V1，以使紙內(nèi)產(chǎn)生一定的張力，當(dāng)紙達(dá)到我們所要求的合適張力后，應(yīng)該及時(shí)調(diào)節(jié)動(dòng)力機(jī)構(gòu)使V2穩(wěn)定，這樣，紙就在此張力下穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)際系統(tǒng)中，紙上的初始張力是借由輕質(zhì)浮動(dòng)輥上相連的低摩擦的液壓缸產(chǎn)生，如圖6.2所示： 圖6.2 張力的產(chǎn)生在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)之前通過(guò)液壓缸設(shè)定紙上的初始張力值F，設(shè)紙張力為T，浮動(dòng)重力為G，液壓缸摩擦力為f，系統(tǒng)的力平衡方程如下：當(dāng)系統(tǒng)加減速時(shí)，需要保持壓輥和卷筒的線速度相等，即V1=V2，以保證紙不會(huì)在過(guò)程中由于張力過(guò)大而受損。在調(diào)整低摩擦液壓缸1壓緊紙使V1穩(wěn)定后，通過(guò)控制V2的大小使浮動(dòng)輥保持在設(shè)定的初始張力位置。當(dāng)由于擾動(dòng)使得紙上的張力產(chǎn)生變化時(shí)，浮動(dòng)輥的力平衡被打破，張力增大時(shí)浮動(dòng)輥會(huì)向上方運(yùn)動(dòng)，張力減小時(shí)浮動(dòng)輥會(huì)向下方運(yùn)動(dòng)。此時(shí)只需要保持V1不變，調(diào)整V2的大小便可以調(diào)整紙上的張力大小。調(diào)整后的張力又反過(guò)來(lái)影響浮動(dòng)輥的力平衡，直至浮動(dòng)輥返回原位，即張力為F時(shí)位置，則張力擾動(dòng)就被消除了。因此張力控制系統(tǒng)實(shí)際上也是線速度跟隨系統(tǒng)。圖6.3 控制系統(tǒng)框圖由圖6.3可以看出，每個(gè)張力模塊都是雙閉環(huán)系統(tǒng)，由張力檢測(cè)裝置測(cè)出張力大小，通過(guò)計(jì)算得出電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整量，將調(diào)整量放大輸出到變頻器以控制電機(jī)作相應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)采用光電編碼器測(cè)出當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并反饋回變頻器以控制電機(jī)按照程序設(shè)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。其中轉(zhuǎn)速閉環(huán)由變頻器附加PG同步卡實(shí)現(xiàn)，張力閉環(huán)則由張力控制器實(shí)現(xiàn)。6.2 張力檢測(cè)本系統(tǒng)采用浮輥式張力檢測(cè)方式，其原理圖如圖6.4所示。圖6.4 浮輥式張力傳感器原理圖當(dāng)張力穩(wěn)定時(shí)，紙上的張力與低摩擦液壓缸作用力保持平衡，使浮輥處于中央位置。當(dāng)張力發(fā)生變化時(shí)，張力與低摩擦液壓缸作用力的平衡被破壞，浮輥位置會(huì)上升或下降，此時(shí)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)并導(dǎo)致浮輥電位器的輸出產(chǎn)生變化。這樣，浮輥電位器準(zhǔn)確地檢測(cè)出浮輥位置的變化，它將位置信號(hào)以電壓信號(hào)的形式反饋給張力控制器。浮輥式張力傳感器在張力有發(fā)生變化趨勢(shì)時(shí)就去調(diào)整前后級(jí)的速度差。通過(guò)浮動(dòng)輥的位置移動(dòng)，來(lái)迅速保持張力的恒定。由于浮輥式張力檢測(cè)裝置本身是一種儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，利用其自身的冗余作用，對(duì)大范圍的張力跳變有良好的吸收緩沖作用，同時(shí)也能減弱料卷的偏心（橢圓）以及速度變化對(duì)張力的影響。此系統(tǒng)要求低摩擦液壓缸磨擦系數(shù)小，響應(yīng)速度快。浮輥和連桿的重量要輕，轉(zhuǎn)動(dòng)要靈活。圖中采用模擬輸出方式。在連桿的活動(dòng)端接有電位器，將浮動(dòng)輥的位置變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。這種方式檢測(cè)精度取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度，可以通過(guò)更換更高位數(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)更精確地張力檢測(cè)。7 卷紙質(zhì)量的改進(jìn)由于紙輥的半徑隨著卷紙過(guò)程的進(jìn)行，其值是不段增大的，隨之而來(lái)的就是卷紙輥上所承受的重力越來(lái)越大，防止卷紙輥?zhàn)冃危湎露瞬捎秒p底輥支撐。而所成卷的半徑是不斷增大的，而雙底輥是不上下運(yùn)動(dòng)的，所以卷紙輥必須可以上下運(yùn)動(dòng)。故本設(shè)計(jì)將電動(dòng)機(jī)和卷紙輥放在同一支撐架上，它們整體可以在雙底輥的支撐下，直線上升。在雙底輥卷紙機(jī)卷大直徑紙過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，如卷紙容易出現(xiàn)皺褶，破碎，盤面不整和紙芯偏移等情況。紙卷直徑越大，這些問(wèn)題越嚴(yán)重。根據(jù)不同種類的卷紙材料，使雙底輥卷紙機(jī)具有最大程度的適應(yīng)性，以努力提高卷紙機(jī)的運(yùn)行速度，并消除各種卷紙材料中出現(xiàn)的問(wèn)題。采用不同底輥可使之具有不同的自然頻率，能有效防止振動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題。底輥及壓紙輥的表面必須經(jīng)過(guò)特殊處理，使卷紙機(jī)能夠適應(yīng)不同的紙材。最好在前底輥上覆蓋一層碳化鎢，在后底輥上覆蓋一層包覆層。包覆層優(yōu)良的適應(yīng)性可以增加接觸面積，減少壓區(qū)載荷，同時(shí)允許有一定程度的變形，可以去除由于紙幅橫向波動(dòng)所產(chǎn)生的壓區(qū)載荷峰值。此外，包覆層可以有效的防止空氣卷入，從而防止出現(xiàn)盤形曲卷。為卷出高質(zhì)量的紙卷，要控制紙張橫向的均一性。在前底輥上，包覆層可以使紙卷的硬度趨向均一，從而防止紙張星形曲卷和破碎出現(xiàn)，避免由于振動(dòng)引起的層間偏移及紙張滑動(dòng)引起的斑點(diǎn)問(wèn)題。底輥的外形可以自調(diào)，良好的旋轉(zhuǎn)曲線，可以避免由于紙橫向性質(zhì)不均勻和壓力過(guò)大造成的引紙繩印痕類紙病。采用包覆層能夠有效避免在卷紙過(guò)程中紙張厚度的損失，降低壓區(qū)載荷帶來(lái)的壓區(qū)力高峰。8 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算8.1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)以液體作為工作介質(zhì)來(lái)進(jìn)行能量傳遞的傳動(dòng)方式成為液體傳動(dòng)。按其工作原理的不同，液體傳動(dòng)可以分為液壓傳動(dòng)和液力傳動(dòng)。液壓傳動(dòng)主要利用液體的壓力能來(lái)傳遞能量；而液力傳動(dòng)主要是利用液體的動(dòng)能來(lái)傳動(dòng)能量。液壓傳動(dòng)是基于以密閉容器中流體的靜壓力傳遞力和功率這一原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。8.1.1 液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)1）傳動(dòng)平穩(wěn) 在液壓傳動(dòng)裝置中，由于油液的壓縮量非常小，在通常壓力下可以認(rèn)為不可壓縮，依靠油液的連續(xù)流動(dòng)進(jìn)行傳動(dòng)。油液有吸振能力，在油路中還可以設(shè)置液壓緩沖裝置，故不像機(jī)械機(jī)構(gòu)因加工和裝配誤差會(huì)引起振動(dòng)扣撞擊，使傳動(dòng)十分平穩(wěn)，便于實(shí)現(xiàn)頻繁的換向；因此它廣泛地應(yīng)用在要求傳動(dòng)平穩(wěn)的機(jī)械上，例如磨床幾乎全都采用了液壓傳動(dòng)。2）質(zhì)量輕體積小 液壓傳動(dòng)與機(jī)械、電力等傳動(dòng)方式相比，在輸出同樣功率的條件下，體積和質(zhì)量可以減少很多，因此慣性小、動(dòng)作靈敏；這對(duì)液壓仿形、液壓自動(dòng)控制和要求減輕質(zhì)量的機(jī)器來(lái)說(shuō)，是特別重要的。例如我國(guó)生產(chǎn)的1m3挖掘機(jī)在采用液壓傳動(dòng)后，比采用機(jī)械傳動(dòng)時(shí)的質(zhì)量減輕了1t。3）承載能力大 液壓傳動(dòng)易于獲得很大的力和轉(zhuǎn)矩，因此廣泛用于壓制機(jī)、隧道掘進(jìn)機(jī)、萬(wàn)噸輪船操舵機(jī)和萬(wàn)噸水壓機(jī)等。4）容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速 在液壓傳動(dòng)中，調(diào)節(jié)液體的流量就可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)凋速，并且凋速范圍很大，可達(dá)2000：1，很容易獲得極低的速度。5）易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù) 液壓系統(tǒng)中采取了很多安全保護(hù)措施，能夠自動(dòng)防止過(guò)載，避免發(fā)生事故。6）液壓元件能夠自動(dòng)潤(rùn)滑 由于采用液壓油作為工作介質(zhì)，使液壓傳動(dòng)裝置能自動(dòng)潤(rùn)滑，因此元件的使用壽命較長(zhǎng)。7）容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作 采用液壓傳動(dòng)能獲得各種復(fù)雜的機(jī)械動(dòng)作，如仿形車床的液壓仿形刀架、數(shù)控銑床的液壓工作臺(tái)，可加工出不規(guī)則形狀的零件8）簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu) 采用液壓傳動(dòng)可大大地簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而減少了機(jī)械零部件數(shù)目。9）便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 液壓系統(tǒng)中，液體的壓力、流量和方向是非常容易控制的，再加上電氣裝置的配合，很容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)工作循環(huán)。目前，液壓傳動(dòng)在組合機(jī)床和自動(dòng)線上應(yīng)用得很普遍。10）便于實(shí)現(xiàn)三化 液壓元件易于實(shí)現(xiàn)系列比、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化也易于設(shè)計(jì)和組織專業(yè)性大批量生產(chǎn)，從而可提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本。8.1.2 液壓傳動(dòng)的缺點(diǎn)1）液壓元件制造精度要求高 由于元件的技術(shù)要求高和裝配比較困難，使用維護(hù)比較嚴(yán)格。2）實(shí)現(xiàn)定比傳動(dòng)困難 液壓傳動(dòng)是以液壓油為工作介質(zhì)，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間不可避免的要有泄漏，同時(shí)油液也不是絕對(duì)不可壓縮的。因此不宜應(yīng)用在在傳動(dòng)比要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，例如螺紋和齒輪加工機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)。3）油液受溫度的影響 由于油的粘度隨溫度的改變而改變，故不宜在高溫或低溫的環(huán)境下工作。4)不適宜遠(yuǎn)距離輸送動(dòng)力 由于采用油管傳輸壓力油，壓力損失較大，故不宜遠(yuǎn)距離輸送動(dòng)力。5）油液中混入空氣易影響工作性能 油液中混入空氣后，容易引起爬行、振動(dòng)和噪聲，使系統(tǒng)的工作性能受到影響。6）油液容易污染 油液污染后，會(huì)影響系統(tǒng)工作的可靠性。7）發(fā)生故障不易檢查和排除。8.2 液壓系統(tǒng)的工作原理對(duì)應(yīng)不同的紙張調(diào)整壓輥壓力，此時(shí)就需要預(yù)先設(shè)定好壓輥下面液壓缸的壓力值。當(dāng)系統(tǒng)加減速時(shí)，需要保持壓輥和卷筒的線速度相等，以保證紙不會(huì)在卷紙過(guò)程中由于張力過(guò)大而受損。在調(diào)整低摩擦液壓缸1壓緊紙使V1穩(wěn)定后，通過(guò)控制V2的大小使浮動(dòng)輥保持在設(shè)定的初始張力位置。當(dāng)由于擾動(dòng)使得紙上的張力產(chǎn)生變化時(shí)，浮動(dòng)輥的力平衡被打破，張力增大時(shí)液壓缸帶動(dòng)浮動(dòng)輥會(huì)向上方運(yùn)動(dòng)，張力減小時(shí)液壓缸帶動(dòng)浮動(dòng)輥會(huì)向下方運(yùn)動(dòng)。此時(shí)只需要保持V1不變，調(diào)整V2的大小便可以調(diào)整紙上的張力大小。調(diào)整后的張力又反過(guò)來(lái)影響浮動(dòng)輥的力平衡，直至浮動(dòng)輥返回原位，即張力為F時(shí)位置，則張力擾動(dòng)就被消除了。8.3 液壓缸的選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算液壓缸在液壓系統(tǒng)中的作用是將液壓能變?yōu)闄C(jī)械能。液壓缸主要是輸出直線運(yùn)動(dòng)和力，但有的則是輸出往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)和扭矩。液壓缸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，與杠桿、連桿、齒輪齒條、棘輪棘爪和凸輪等機(jī)構(gòu)配合使用還能實(shí)現(xiàn)多種機(jī)械運(yùn)動(dòng)，或與其他傳動(dòng)形式組合以滿足各種要求，因此在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。液壓缸有多種形式，本設(shè)計(jì)中選擇單作用液壓缸。8.3.1 液壓缸缸筒的設(shè)計(jì)和計(jì)算1)液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算計(jì)算液壓缸內(nèi)徑和活塞直徑均與設(shè)備的類型有關(guān)。根據(jù)液壓缸的載荷力和系統(tǒng)工作壓力計(jì)算式中 D-液壓缸內(nèi)徑（m）； F-液壓缸推力（kN）； P-選定的系統(tǒng)工作壓力（MPa）。2）缸筒壁厚計(jì)算式中 t-缸筒壁厚（m）； -許用應(yīng)力（MPa）； P-缸筒試驗(yàn)壓力（MPa）。3）缸筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缸筒兩端分別與缸蓋和缸底相連，構(gòu)成密閉的壓力腔，因而它的結(jié)構(gòu)形式往往和缸蓋及缸底密切相關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)缸筒結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選用便于裝配、拆卸和維修的連接形式，缸筒內(nèi)外應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。8.3.2 活塞桿的設(shè)計(jì)與計(jì)算活塞桿是液壓缸傳遞力的主要零件，它要承受拉力、壓力、彎曲力和震動(dòng)沖擊等多種作用，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。1） 活塞桿直徑計(jì)算式中 d-液壓缸活塞桿直徑（m）； -速比2） 活塞桿強(qiáng)度計(jì)算3） 活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)活塞桿的外端頭部與負(fù)載的拖動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接，為了避免活塞桿在工作中產(chǎn)生偏心負(fù)載力，適應(yīng)液壓缸的安裝要求，提高其作用效率，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的具體情況，選擇適當(dāng)?shù)幕钊麠U端部結(jié)構(gòu)。8.3.3 缸體長(zhǎng)度的確定液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長(zhǎng)度還要考慮到兩個(gè)端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長(zhǎng)度不大于缸體內(nèi)徑的2030倍。8.3.4 確定液壓缸綜合以上計(jì)算以及本裝置的需要，選定冶金設(shè)備用標(biāo)準(zhǔn)液壓缸系列產(chǎn)品，其產(chǎn)品一般缸徑在40320mm范圍內(nèi)，工作壓力不大于16MPa，可用液壓油機(jī)械系統(tǒng)損耗油和乳化液等工作介質(zhì)，使用溫度范圍為-1080C。型號(hào)：Y-E 40/20160 FF6HL1Q8.4 液壓比例控制元件的原理、特性及選擇比例控制的特點(diǎn)是輸出量隨輸入量變化而相應(yīng)的變化，輸出量與輸入量有一定的比例關(guān)系。比例控制有開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制之分。開(kāi)環(huán)控制的輸出量與輸入量之間不進(jìn)行比較，而閉環(huán)控制的輸出量不斷的被檢測(cè)，與輸入量進(jìn)行比較，其差值成為誤差信號(hào)，以誤差信號(hào)進(jìn)行控制。閉環(huán)控制也稱反饋控制。閉環(huán)控制的特點(diǎn)是能在存在擾動(dòng)的條件下，逐步消除誤差信號(hào)，或使誤差信號(hào)減小。液壓比例控制閥由可動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及液壓放大器兩部分組成。將功率較小的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成較大的液體流量和壓力輸出的元件稱為液動(dòng)放大器。驅(qū)動(dòng)控制閥部件 的功率一般只需要幾瓦，而放大器輸出液動(dòng)的功率可達(dá)數(shù)千瓦。在液壓比例壓力、流量控制系統(tǒng)中，同樣包括比較元件，校正系統(tǒng)放大元件，執(zhí)行元件，檢測(cè)元件。其核心分為四大部分：電控制單元、液動(dòng)控制閥、液動(dòng)執(zhí)行元件以及檢測(cè)元件。液動(dòng)系統(tǒng)的原理圖如下圖8.1所示：圖8.1 液動(dòng)系統(tǒng)的原理圖8.4.1 液壓比例流量控制閥兩位三通液動(dòng)比例流量閥是由一個(gè)兩位四通硬配閥閥體和一動(dòng)鐵式的比例電磁鐵構(gòu)成，當(dāng)輸入電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)比例放大器轉(zhuǎn)換成與其成比例的驅(qū)動(dòng)電流，該驅(qū)動(dòng)電流作用與比例電磁鐵的電磁線圈，使電磁鐵產(chǎn)生成比例的推力并作用與閥芯并使其移動(dòng)，閥芯的移動(dòng)與反饋彈簧力相抗衡，直至兩作用力相平衡，閥芯不再移動(dòng)為止。9 中央控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)9.1 硬件部分的總體方案確定一個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)是有硬件和軟件兩部分組成的。硬件是軟件的運(yùn)行基礎(chǔ)，而只有配置了軟件的硬件才是工作的控制系統(tǒng)。構(gòu)成微機(jī)控制系統(tǒng)的基本硬件一般有以下四部分組成：1） 中央處理單元，即CPU；2） 總線，包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）、控制總線（CB）；3） 存儲(chǔ)器，包括只讀存儲(chǔ)器和隨即讀寫存儲(chǔ)器；4） 輸入、輸出接口電路。其中CPU是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是控制其他各部分協(xié)調(diào)工作的“大腦”；存儲(chǔ)器是監(jiān)控軟件（系統(tǒng)軟件）及系統(tǒng)運(yùn)行中各數(shù)據(jù)的駐留空間；I/O接口電路是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁；總線是連接CPU、存儲(chǔ)器和I/O接口電路的紐帶，是各部分進(jìn)行通行的線路。微機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要是上述四部分的具體設(shè)計(jì)。另外，還要根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的要求配置一些外圍設(shè)備和信號(hào)交換電路。其中CPU、存儲(chǔ)器以及I/O接口是任何一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)，其余部分并非所有控制系統(tǒng)都具備。某一類控制系統(tǒng)可能只包含其中的一部分或幾部分。一般，CPU通過(guò)I/O接口可連接的人機(jī)交換外設(shè)是鍵盤、打印機(jī)、磁盤記錄機(jī)等通信接口；信號(hào)交換電路包括A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、光電隔離、功率放大等，它是實(shí)現(xiàn)微機(jī)與控制對(duì)象之間的信號(hào)匹配與轉(zhuǎn)換的中間電路。這兩部分可根據(jù)控制對(duì)象的特性進(jìn)行取舍。9.1.1 主控制器CPU的選擇 在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下要素： （1）時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng)（控制數(shù)據(jù)處理的速度）。 （2）可擴(kuò)展存儲(chǔ)器（ROM/RAM）的容量。 （3）指令系統(tǒng)的功能是否強(qiáng)（即編程的靈活性）。 （4）I/O口的擴(kuò)展能力（即對(duì)外設(shè)的控制能力）。（5）開(kāi)發(fā)手段（包括支持開(kāi)發(fā)的軟件和硬件電路）。 除此之外，還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合、控制對(duì)象以及對(duì)各種參數(shù)的要求選擇CPU。目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片有8086、8088、0386以及8098、8096等16位機(jī)的CPU。也有8080、80和8051、031、751、T89系列等8位機(jī)的CPU。一般的控制系統(tǒng)中，推薦采用MCS-51系列單片機(jī)作為主控制器。 MCS-51系列單片機(jī)主要有三種型號(hào)的產(chǎn)品：8031、8051和8751。該系列產(chǎn)品是集中CPU、I/O端口及部分RAM等為一體完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開(kāi)發(fā)手段完備，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)，編程語(yǔ)言豐富靈活性大，硬件資料很豐富。三種型號(hào)的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少許差異?？梢哉f(shuō)8031是沒(méi)有ROM的8051，而8751又是用EPROM代替ROM的8051。目前，工業(yè)控制中應(yīng)用最多的是8031單片機(jī)。采用的單片機(jī)有MCS-518031，74LS373，2732，6264，74LS138，8155及8279。國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)應(yīng)用單片機(jī)自80年代初起步，以intel公司的MCS-48系列單片機(jī)為主導(dǎo)機(jī)種滲入微機(jī)控制中的各個(gè)領(lǐng)域，取得了一定的應(yīng)用成果。在我國(guó)目前和今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，8位單片機(jī)仍然是實(shí)際應(yīng)用中的主導(dǎo)品種，大多數(shù)單片機(jī)的應(yīng)用仍以MCS-51單片機(jī)為主。8031單片機(jī)使用方便，價(jià)格低廉，是目前國(guó)內(nèi)使用最多的品種。8031單片機(jī)有1個(gè)8位的CPU,1個(gè)128字節(jié)RAM，21個(gè)特殊功能寄存器，4個(gè)8位并行I/O端口，1個(gè)全雙工異步串行接口，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)具有優(yōu)先級(jí)別的終端袁。在8031外接一片程序存儲(chǔ)器后，就構(gòu)成了一個(gè)有完整功能的微機(jī)應(yīng)用電路。在軟件方面，當(dāng)8031的晶振頻率為12MHz時(shí)，指令周期為1s，絕大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為12s,最長(zhǎng)4s。大部分指令為1字節(jié)或2字節(jié)，最長(zhǎng)3字節(jié)。此外，8031所具有的乘除法指令、多種形式的位操作類指令和邏輯運(yùn)算質(zhì)量能夠也是獨(dú)具特色的。其引腳圖如圖9.1所示。圖9.1 8031單片機(jī)引腳圖8155片內(nèi)具有156個(gè)字節(jié)的靜態(tài)RAM，2個(gè)8位和1個(gè)6位的可編程并行I/O端口，1個(gè)14位的有多種工作方式的減法計(jì)數(shù)器，以及1個(gè)地址鎖存器。8031單片機(jī)外接一片8155后，就綜合地?cái)U(kuò)展了數(shù)據(jù)RAM、I/O端口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。74LS373為8D透明鎖存器，其主要特點(diǎn)在于，控制端G為高電平時(shí)，輸出Q0Q7復(fù)現(xiàn)輸入D0D7的狀態(tài)（透明），G為下調(diào)沿時(shí)，D0D7的狀態(tài)被鎖存在Q0Q7上。利用這一特點(diǎn)，在把ALE與G相連后，ALE的下調(diào)沿正好把P0端口上此時(shí)出現(xiàn)8位指令地址A7A0所存在74LS373的輸出端上，從而給出從2732取指令碼的低8位地址。指令碼的高4位地址A8A11則直接由P2.0P2.3提供。與2732的輸出允許信號(hào)相連，的上升沿前有效，2732中A0A11指定了地址的單元中的指令碼，從2732的輸出，被正好處于讀入狀態(tài)的P0端口輸入到單片機(jī)內(nèi)執(zhí)行。這就是從外存指定地址單元中取出1自節(jié)指令加以執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程。8279是一種通用的可編程的鍵盤/顯示器接口器件，可對(duì)64個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣組成的鍵盤進(jìn)行自動(dòng)掃描，接受鍵盤上的輸入信息，并在有鍵輸入時(shí)想單片機(jī)請(qǐng)求中斷。8279還能對(duì)8位或16位LED自動(dòng)掃描，使顯示緩沖器的內(nèi)容在LED上顯示出來(lái)。單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)提供單片機(jī)內(nèi)各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，復(fù)位操作使單片機(jī)內(nèi)電路初始化，使單片機(jī)從一種特定的初態(tài)開(kāi)始運(yùn)行。時(shí)鐘電路如圖9.2示。圖9.2 單片機(jī)時(shí)鐘電路9.1.2 單片機(jī)的基本特性（1）.具有8位中央處理單元（CPU）。（2）.一般外接晶振頻率為12MHz，指令周期為1s，每執(zhí)行一條指令時(shí)間絕大多數(shù)為1s-2s，最長(zhǎng)為4s。（3）.片內(nèi)具有128字節(jié)的RAM。（4）.具有21個(gè)特殊功能寄存器。（5）.可尋址64k字節(jié)的片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64k的片外程序存儲(chǔ)器。（6）.具有4個(gè)8位的并行I/O端口、具有一個(gè)全雙工導(dǎo)步串行I/O端口，共32根I/O線。（7）.具有5個(gè)中斷源，配備兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。（8）.具有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。（9）.具有位尋址能力，邏輯運(yùn)算靈活。 8031的大部分指令為1字節(jié)或者字節(jié)，最長(zhǎng)為3字節(jié)。此外，8031所具有的乘除法指令、多種形式的位操作類指令和邏輯運(yùn)算類指令也是獨(dú)具特色的。9.1.3 MCS-51系列單片機(jī)的引腳及其功能MCS-51單片機(jī)是一個(gè)具有40根引腳的雙列直插式器件，引腳圖及其功能分類如圖9.3所示。其引腳功能如下：Vcc：編程和正常操作時(shí)的電源，電壓為+5V。Vss：接地端。XTAL1：接外部晶體的一個(gè)引腳。當(dāng)單片機(jī)采用外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，次腳應(yīng)接地。XTAL2：接外部晶體的一個(gè)引腳。當(dāng)單片機(jī)采用外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，外部時(shí)鐘信號(hào)由此引腳接入。RST/Vpd：復(fù)位控制輸入，再振蕩器運(yùn)行時(shí)，使RST腳至少保持兩個(gè)機(jī)器周期為高電平，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。CPU通過(guò)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位來(lái)響應(yīng)，在RST為高電平的第二周期時(shí)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位。在Vcc關(guān)斷前加上Vpd（掉電保護(hù)），RAM的內(nèi)容將不變。：訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，用于鎖存地址底字節(jié)的地址鎖存允許輸出。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE以震蕩頻率的1/6為固定頻率輸出，因而它能用作外部時(shí)鐘或定時(shí) 。ALE主要是提供一個(gè)定時(shí)信號(hào)，再?gòu)耐獠砍绦虼鎯?chǔ)器取指時(shí)把P0口的底地址字節(jié)鎖存到外接的鎖存器中，每個(gè)機(jī)器周期ALE有效兩次。這個(gè)引腳也是EPROM編程時(shí)的編程脈沖輸入。：程序存儲(chǔ)器允許。輸出讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。取指令操作期間，的頻率為振蕩頻率的1/6；但若此期間有訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的操作，則有一個(gè)機(jī)器周期中的信號(hào)將不出現(xiàn)。：當(dāng)=0時(shí)，單片機(jī)只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。對(duì)8031此引腳必須接地。=1時(shí)，單片機(jī)只訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。對(duì)8051和8751此引腳應(yīng)接高電平，但若是地址超過(guò)4K范圍（0FFFH），則單片機(jī)將自動(dòng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。在8751單片機(jī)內(nèi)的EPROM編程期間，此引腳引入編程電源。P0口：一個(gè)8位的開(kāi)漏雙向I/O口，數(shù)據(jù)/外部存儲(chǔ)器低8位地址總線端口，在程序檢驗(yàn)時(shí)它也輸入指令字節(jié)，P0口能吸入8個(gè)LSTTL輸入。P1口：具有提升電阻的8位雙向I/O接口，專門供用戶使用，在程序檢驗(yàn)時(shí)（指8051和8751）它也接收低位地址字節(jié)，P1能吸入或放出3 個(gè)LSTTL的輸入。P2口：具提升電阻的8位雙向I/O口，可供系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)作高8位地址線用。在沒(méi)有外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，它也可以是為用戶作I/O線使用。在程序檢驗(yàn)時(shí)，它也接收高位地址和控制信號(hào)。P2口能吸入或放出3個(gè)LSTTL的輸入。P3口：具有提升電阻的8位I/O口，該I/O口的每一位均可以獨(dú)立的定義為第一功能或第二功能。作為第一功能使用時(shí)，與普通的I/O口沒(méi)有什么不同。作為第二功能時(shí)，該口才具有了它獨(dú)有的串行通訊功能。圖9.3 8051、8751、8031系列單片機(jī)引腳圖單片機(jī)內(nèi)的硬件電路已經(jīng)構(gòu)成了具有基本形式的微機(jī)系統(tǒng)，可滿足許多控制場(chǎng)合的需要。但如在應(yīng)用中，片內(nèi)的這些已有資源不夠使用，就需用在片外加以擴(kuò)展。MCS-51系列單片機(jī)通過(guò)外接具有相應(yīng)電路的外圍芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用EPROM芯片。其型號(hào)分別為：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分別為：2K、4K、8K、16K、32K。在選擇芯片時(shí)，要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配。此外還需要考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲(chǔ)器的容量。在滿足容量要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化。若單片機(jī)內(nèi)有程序存儲(chǔ)器，而該程序又不大于其存儲(chǔ)空間，就不必再擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器了。此設(shè)計(jì)中，選擇程序存儲(chǔ)器2732。74LS373為8D透明鎖存器，其主要特點(diǎn)在于，控制器G為高電平時(shí)，輸出Q0Q7復(fù)現(xiàn)輸入的D0D7的狀態(tài)，G為下跳沿時(shí)，D0D7的狀態(tài)被鎖存在Q0Q7上。利用這一特點(diǎn)，在把ALE與相連后，ALE的下跳沿正好把P0端口上此時(shí)出現(xiàn)的8位指令地址A7A0鎖存在74 LS373的輸出端上，從而給出從2732取指令碼的低8位地址。9.2 I/O口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)8031單片機(jī)共有4個(gè)8位并行I/O口，但可供用戶使用的只有P1口及部分P3口線。因此大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免的要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。9.2.1 可編程接口芯片81558155片內(nèi)具有256字節(jié)的靜態(tài)RAM，2個(gè)8位和1個(gè)6位的可編程并行I/O端口，1個(gè)14位的有多種工作方式的減法計(jì)數(shù)器，以及一個(gè)地址鎖存器。8031單片機(jī)外接一片8155后，就綜合的擴(kuò)展了RAM、I/O端口以及定時(shí)計(jì)數(shù)器。8155的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及芯片引腳如圖9.4所示。圖9.4 8155的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及芯片引腳圖9.2.2 引腳介紹AD0AD7：三態(tài)地址/數(shù)據(jù)輸入線，可以用來(lái)與8031單片機(jī)的總線直接相連。ALE：由于8155片內(nèi)沒(méi)有地址鎖存器，有總線送來(lái)的地址信號(hào)在地址鎖存允許信號(hào)ALE有效時(shí)（下跳沿）與以鎖存。IO/M：為端口存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，當(dāng)IO/M為低電平時(shí)，選中片內(nèi)RAM，當(dāng)IO/M為高電平時(shí)，選中片內(nèi)I/O端口。RD和WR：是用來(lái)讀寫片內(nèi)和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)由I/O端口輸入/輸出的操作信號(hào)。TIME IN：為片內(nèi)定時(shí)器的時(shí)鐘輸入信號(hào)。TIME OUT：為計(jì)時(shí)器計(jì)滿回零后的輸出信號(hào)。RESET：為復(fù)位信號(hào)，高電平有效后使各端口處于基本輸入狀態(tài)。PA PB PC端口：PA、PB端口可工作在基本I/O方式和選通工作方式，PC端口只能工作在基本輸入狀態(tài)，當(dāng)PA或PB端口工作在選通工作方式時(shí)，PC端口的部分或全部端口將用作PA或PB端口的應(yīng)答選通信號(hào)。9.2.3 工作方式的設(shè)定8155I/O口的工作方式選擇通過(guò)對(duì)8155內(nèi)部寄存器設(shè)定命令控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)。I/O口可以有四種工作方式。9.2.4 8155的定時(shí)功能8155片內(nèi)有一個(gè)14位的減法計(jì)數(shù)器，可對(duì)輸入脈沖進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。引腳TIME IN為不定時(shí)器的時(shí)鐘輸入，由外部輸入時(shí)鐘脈沖；TIME OUT為定時(shí)器的輸出端。定時(shí)器啟動(dòng)后，能對(duì)加到輸入端的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器減至零時(shí)，由在TIME OUT端輸出 一個(gè)矩形波或脈沖信號(hào)。啟動(dòng)定時(shí)器前要先裝入時(shí)間常數(shù)。9.3 A/D、D/A轉(zhuǎn)換器微機(jī)在實(shí)時(shí)控制時(shí)，有時(shí)需要把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，有時(shí)需要把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這就必須經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化器來(lái)完成。D/A轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的線性電路器件，已做成了集成芯片。A/D轉(zhuǎn)換器是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器件。由于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的原理和電路結(jié)構(gòu)及工藝有所不同，出現(xiàn)了各種各樣的D/A、A/D轉(zhuǎn)換器。目前，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上已有上百種產(chǎn)品出售，它們的轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度，分辨率以及使用價(jià)值上都各有特色。9.3.1 轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)分辨率：指轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制的位數(shù)。位數(shù)越多，分辨率就越高。轉(zhuǎn)換時(shí)間：指數(shù)字量或模擬量從輸入到轉(zhuǎn)換、輸出達(dá)最終值并穩(wěn)定為止所需的時(shí)間。精度：指轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出值與理論值之差。一般采用數(shù)字量的最低有效位作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。線性度：指轉(zhuǎn)換時(shí)，數(shù)字量與模擬量按比例關(guān)系變化的程度。9.3.2 D/A轉(zhuǎn)換器的連接特性DAC是系統(tǒng)或設(shè)備中的一個(gè)功能單元，把它連入到設(shè)備或系統(tǒng)中與其它器件發(fā)生關(guān)系時(shí)，需用了解它的連接特性：輸入緩沖能力：DAC是否帶有三態(tài)輸入緩沖期或鎖存器來(lái)保存輸入的數(shù)字量，這對(duì)不能長(zhǎng)時(shí)間在數(shù)據(jù)總線保持?jǐn)?shù)據(jù)的微機(jī)系統(tǒng)中使用D/A轉(zhuǎn)換器，十分重要。輸入數(shù)據(jù)的寬度：DAC有8位、10位、12位、14位、16位等。當(dāng)DAC的分辨率高于微機(jī)的數(shù)據(jù)總線時(shí)，需分兩次輸入。輸入碼制：一般單極性輸出的DAC只能接收二進(jìn)制碼或BCD碼。雙極性輸出的DAC只能接收偏移二制碼或補(bǔ)碼。輸出模擬量的類型：DAC輸出的可以是電流，也可以是電壓。輸出電流的叫電流型DAC，輸出電壓的叫電壓型DAC。輸出模擬量的極性：DAC的輸出有單極性輸出，也有雙極性輸出。9.3.3 A/D轉(zhuǎn)換器的外部特性：各廠家的產(chǎn)品不僅型號(hào)五花八門，性能各異，而且功能相同的引腳命名也各不相同。但從A/D轉(zhuǎn)換的連接來(lái)看，任何一種A/D轉(zhuǎn)換芯片一般都有以下輸出信號(hào)之分：（1） 模擬信號(hào)輸入線：來(lái)自被轉(zhuǎn)換的對(duì)象，有單通道輸入與多通道輸入之分。 對(duì)于具有多通道模擬量輸入的A/D轉(zhuǎn)換器，還設(shè)有通道地址線，以便進(jìn)行通道選擇。（2） 數(shù)字量輸入線：是ADC將數(shù)據(jù)送給CPU的數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)線的根數(shù)表示ADC的分辨率。（3） 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)線：它是由系統(tǒng)控制器發(fā)生的一種控制信號(hào)，此信號(hào)一到，轉(zhuǎn)換就開(kāi)始了。（4） 轉(zhuǎn)換結(jié)束線：轉(zhuǎn)換完畢時(shí)，由ADC發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，它是一種狀態(tài)信號(hào)。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的邏輯定義有的是高電平，有的是低電平。9.3.4 A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器主要完成以下操作：進(jìn)行通道選擇、發(fā)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)、取回轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)、讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)、發(fā)采樣保持器控制信號(hào)。ADC0809：是一種8路模擬輸入8位數(shù)字輸出的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器件，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100ms，其引腳功能為：多路開(kāi)關(guān)為8路模擬量輸入端，最多允許8路模擬量分時(shí)輸入，共有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。八路模擬開(kāi)關(guān)的切換有地址鎖存器和譯碼控制，3根地址線A、B、C通過(guò)ALE鎖存。改變不同的地址，可以切換八路模擬通道，選擇不同的模擬量輸入。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)三態(tài)輸出鎖存鎖存器輸出，允許直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。OE為輸出允許信號(hào)，可與系統(tǒng)讀信號(hào)相連。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，表示一次A/D轉(zhuǎn)換已完成，可以作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，也可以被程序查詢以檢測(cè)轉(zhuǎn)換結(jié)束與否。VR（+）和VR（-）是基準(zhǔn)參考信號(hào)，決定了輸入模擬量的范圍。CLK為時(shí)鐘信號(hào)輸入端。START為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，用來(lái)控制啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。9.3.5 D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832是分辨率為8位的乘法型DAC，芯片內(nèi)有兩級(jí)緩沖寄存器。其中有兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)寄存器，即輸入寄存器和DAC寄存器，要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)先送到輸入寄存器，但不能轉(zhuǎn)換，只有數(shù)據(jù)送到DAC寄存器才能開(kāi)始轉(zhuǎn)換，因而稱為雙緩沖。為此設(shè)置了5位信號(hào)控制這兩個(gè)數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)的鎖存。10 系統(tǒng)控制10.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制紙機(jī)電機(jī)運(yùn)行的電氣系統(tǒng)框圖如圖10.1所示。圖中，轉(zhuǎn)速控制采用了帶有轉(zhuǎn)速單閉環(huán)的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)電路由晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成；控制電路主要包括轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速反饋、比例-積分-微分調(diào)節(jié)器，以及晶閘管脈沖觸發(fā)電路；走紙的長(zhǎng)度控制主要由紙長(zhǎng)設(shè)定和紙長(zhǎng)脈沖反饋構(gòu)成。單片機(jī)在控制電路中主要完成的功能如圖中虛線框所示，也就是轉(zhuǎn)速的給定、紙長(zhǎng)的設(shè)定、轉(zhuǎn)速和紙長(zhǎng)反饋的檢測(cè)，以及轉(zhuǎn)速偏差的形成和PID運(yùn)算。完成這些功能的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖10.2所示。10.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖10.2 卷紙機(jī)系統(tǒng)硬件原理圖轉(zhuǎn)速的給定由模擬電壓經(jīng)A/D器ADC0809轉(zhuǎn)換后設(shè)置。6位數(shù)碼管分別用于顯示轉(zhuǎn)速和走紙長(zhǎng)度，前2位顯示運(yùn)行轉(zhuǎn)速的m/min值，后4位顯示當(dāng)前剩下紙張的米數(shù)，紙長(zhǎng)從設(shè)定值開(kāi)始，每走紙1m則減1。為了化簡(jiǎn)顯示電路，采用了串行口的位移寄存器方式，以接口數(shù)碼管。由光電碼盤送來(lái)的反饋脈沖信號(hào)，經(jīng)光電隔離器4N30并整形后送入單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T1和外部中斷INT0，前者用于計(jì)量走紙長(zhǎng)度，后者用于檢驗(yàn)紙機(jī)的轉(zhuǎn)速。單片機(jī)通過(guò)計(jì)量?jī)煞答伱}沖的時(shí)間或計(jì)量單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的脈沖個(gè)數(shù)，即可得到轉(zhuǎn)速值的大小，反饋信號(hào)與轉(zhuǎn)速設(shè)定值形成偏差后，作PID運(yùn)算，并把結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化器DAC0832輸出，從而提供晶閘管脈沖觸發(fā)電路的控制信號(hào)。10.2 系統(tǒng)控制功能10.2.1 轉(zhuǎn)速的設(shè)定在調(diào)速過(guò)程中，要求轉(zhuǎn)速能夠平穩(wěn)地調(diào)節(jié)，為此，系統(tǒng)采用了用模擬電壓設(shè)定轉(zhuǎn)速大小的方法。利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入單片機(jī)內(nèi)作為轉(zhuǎn)速設(shè)定值。10.2.2 紙長(zhǎng)檢測(cè)與控制前已述及，走紙長(zhǎng)度的設(shè)置由4位撥盤設(shè)定，走紙的檢測(cè)信號(hào)來(lái)自速度不變的碼盤脈沖。由于兩脈沖間的距離表示了一定的紙長(zhǎng)（脈沖當(dāng)量），當(dāng)反饋脈沖的引入量達(dá)到一定數(shù)量后，可使設(shè)定值不斷作減1計(jì)數(shù)，直到為零后停車。若系統(tǒng)采用的脈沖當(dāng)量為1cm/脈沖，當(dāng)計(jì)紙長(zhǎng)度單位為10cm時(shí)，1000個(gè)反饋脈沖可使紙長(zhǎng)設(shè)定值減1。這一功能可由單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于1000D=03E8H，T1 的計(jì)數(shù)初值應(yīng)為（03E8H）補(bǔ)=FC18H。當(dāng)T1處于工作方式的計(jì)數(shù)狀態(tài)時(shí)，每引入T1腳個(gè)脈沖后，單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)入T1的中斷服務(wù)程序，使計(jì)數(shù)值減并重置計(jì)數(shù)初值。由于撥盤的設(shè)定值為碼，走紙長(zhǎng)度的顯示值也應(yīng)為碼。所以在不斷作減法運(yùn)算的T1中斷服務(wù)程序中應(yīng)注意逐次減的運(yùn)算方法。在硬件上，為了使反饋脈沖的信號(hào)與單片機(jī)的電平相適應(yīng)，并減小反饋信號(hào)對(duì)單片機(jī)的沖擊影響，采用了光電隔離器把兩端信號(hào)隔離開(kāi)來(lái)，并用放大電路和運(yùn)算放大器來(lái)整形反饋輸入信號(hào)，電路形式如圖10.4所示。圖10.4 反饋信號(hào)的整形、隔離和放大10.2.3 轉(zhuǎn)速反饋量的求取紙機(jī)的反饋信號(hào)僅來(lái)自光電碼盤的脈沖，該脈沖信號(hào)除用于檢測(cè)紙長(zhǎng)外，也用于求取紙機(jī)運(yùn)行的線速度。計(jì)算速度的基本方法如下：設(shè)在單片機(jī)系統(tǒng)中產(chǎn)生了一固有頻率的計(jì)量信號(hào)，其周期為，由設(shè)兩光電反饋脈沖間的距離為，當(dāng)紙機(jī)運(yùn)行時(shí)，在兩反饋脈沖間計(jì)量到個(gè)測(cè)量信號(hào)，則紙機(jī)的線速度可表達(dá)為 固定頻率的計(jì)量信號(hào)可由8155中的計(jì)數(shù)器對(duì)單片機(jī)的ALE信號(hào)分頻后得到。當(dāng)單片機(jī)的晶振頻率fOSC=6MHz時(shí)，ALE的頻率為1MHz，要得到周期為10ms的計(jì)量信號(hào)，需對(duì)ALE作104分頻。這通過(guò)對(duì)8155計(jì)數(shù)器初值的設(shè)置可方便地實(shí)現(xiàn)。獲取兩反饋脈沖間計(jì)量信號(hào)的個(gè)數(shù)，可由外部中斷INT0和定時(shí)器T0的聯(lián)合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)，硬件接線見(jiàn)圖10.2。其方法是將8155輸出的計(jì)量信號(hào)直接引入定時(shí)器T0的外部引腳，以自動(dòng)加1的方式累加計(jì)量信號(hào)的個(gè)數(shù)；反饋脈沖則接入INT0，通過(guò)程序?qū)⑵湓O(shè)置成由下降沿引起中斷的工作方式，兩次中斷間的時(shí)間正好反映兩反饋脈沖間的持續(xù)時(shí)間過(guò)程，在每次中斷服務(wù)程序中，讀出T0中已有的測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)，并在主程序中加以運(yùn)算，就可得出紙機(jī)運(yùn)行的線速度。10.2.4 單片機(jī)PID調(diào)節(jié)器單片機(jī)在獲得了轉(zhuǎn)速的給定值和反饋值以后，就要形成轉(zhuǎn)速的偏差，并且利用調(diào)節(jié)器算法所得到輸出值去控制晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)直流傳動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。傳動(dòng)系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于調(diào)節(jié)器的形式和參數(shù)，對(duì)于圖10.1所示的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器往往采用比例-積分（PI）的形式。比例項(xiàng)用來(lái)放大轉(zhuǎn)速偏差，積分項(xiàng)可使偏差消除，也就是使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的輸出值與給定值在靜態(tài)保持一致。單片機(jī)要構(gòu)成比例-積分調(diào)節(jié)器只能采用離散差分式算法。圖10.5所示為單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及等效電路。 （a）調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) （b）調(diào)節(jié)器等效電路10.5 閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)極等效電路圖中Ug：轉(zhuǎn)速給定 Uf：轉(zhuǎn)速反饋e：轉(zhuǎn)速偏差 Kp：比例系數(shù)Ki：積分系數(shù) u:調(diào)節(jié)器輸出根據(jù)調(diào)節(jié)器應(yīng)實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算：u(t)=KPe(t)+Kie(t)dt將此式寫成離散形式：U()=KPe()Kie(i)T其中T為采樣周期。兩步之間的增量采用后向差分形式：U(K)= U(K)- U(K-1) =KPe（K）-e(K-1)+KiTe(K) =KPe（K）-e(K-1)+KIe(K)其中KI=KiT，這就是用增量式表達(dá)的比例-積分調(diào)節(jié)器算法公式。為了實(shí)現(xiàn)的方便，可用遞推式將上式改寫為U(K)= U(K-1)+ U(K)U(K)=（KP+KI）e(K)-R(K-1)R(K)= KPe(K)其中，R（K）和R（K-1）都是遞推中間值。由于轉(zhuǎn)速偏差e可正可負(fù)（轉(zhuǎn)速超調(diào)時(shí)為負(fù)），并且從運(yùn)算精度上考慮，宜采用雙字節(jié)算法，因此上面的遞推算式主要包括雙字節(jié)補(bǔ)碼數(shù)的乘法運(yùn)算。在實(shí)際編程過(guò)程中，首先，為了擴(kuò)大運(yùn)算的范圍，可先把反饋量和給定量都縮小幾倍（例如8倍），形成偏差，利用上一步的R（K-1）進(jìn)而算出U(K)，之后再擴(kuò)大相同的倍數(shù)還原；然后由U(K)和上一步的U（K-1）算出U(K)；作為PI調(diào)節(jié)器的本步輸出值。在求取U(K)之后，還要算出R（K）以作為計(jì)算下一步U（K+1）的中間值。對(duì)于雙字節(jié)補(bǔ)碼數(shù)的乘法運(yùn)算，由于MCS-51系列單片機(jī)有直接乘法指令，因此能既快又簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中對(duì)轉(zhuǎn)速最高速有一定限制的要求，程 序中還可以設(shè)置U(K)的最大限幅值。此外，為了加快啟動(dòng)過(guò)程，也可以使U(K)具有一定初值。比例-積分調(diào)節(jié)器的參數(shù)可根據(jù)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中介紹的方法求取。若求得的比例系數(shù)KP =0.5，積分系數(shù)Ki=1，采用周期T=10ms，則KI=KiT=0.01。比例積分遞推算式中的系數(shù)（KP+KI）=0.51，KP=0.5。11 調(diào)速操作與保護(hù)紙機(jī)啟動(dòng)前已把紙張安裝在機(jī)器上，因此，要求啟動(dòng)從零平穩(wěn)地達(dá)到給定過(guò)紙速度，不能出現(xiàn)階躍信號(hào)給定的速度沖擊。在運(yùn)行過(guò)程中，調(diào)節(jié)過(guò)紙速度的上升或下降亦要求平穩(wěn)地完成，不能出現(xiàn)轉(zhuǎn)速突變。此外，紙機(jī)在達(dá)到了設(shè)定運(yùn)行的紙張后，機(jī)器能自動(dòng)從給定的線速度逐漸緩慢地下降到零。紙張運(yùn)行過(guò)程中，如出現(xiàn)斷紙現(xiàn)象，應(yīng)要求立即停機(jī)。上述操作及保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是十分簡(jiǎn)便的。為了使啟動(dòng)和調(diào)速過(guò)程中的速度變化平穩(wěn)，單片機(jī)可采用給定積分的形式，也就是啟動(dòng)時(shí)，從零開(kāi)始，每延時(shí)一段時(shí)間后便增加一定量，直到達(dá)到給定的過(guò)紙速度為止。調(diào)速時(shí)，速度的增加或下降都采用不斷延時(shí)時(shí)，不斷緩慢加減的方式。紙機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，是否出現(xiàn)斷紙現(xiàn)象的檢測(cè)來(lái)自光電信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)靜態(tài)口線P3.3引入單片機(jī)內(nèi)。為了區(qū)別是過(guò)紙出現(xiàn)空洞還是確實(shí)出現(xiàn)斷紙現(xiàn)象，單片機(jī)根據(jù)無(wú)紙信號(hào)出現(xiàn)的長(zhǎng)久加以判斷。例如，當(dāng)無(wú)紙信號(hào)持續(xù)1s后消失，說(shuō)明無(wú)斷紙現(xiàn)象，則微機(jī)系統(tǒng)仍然正常運(yùn)行；如超過(guò)此時(shí)間后，無(wú)紙信號(hào)依然存在，則判斷為出現(xiàn)了斷紙現(xiàn)象，單片機(jī)立即停機(jī)。結(jié) 論通過(guò)這一段時(shí)間的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)以前學(xué)過(guò)的知識(shí)有了更好的