自动贴标机的单片机控制
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自动贴标机的单片机控制
摘要
贴标机是以粘合剂把纸或金属箔标签粘贴在规定的包装容器上的设备。贴
标签机是现代包装不可缺少的组成部分。目前我国生产贴标机的种类正在逐步增加，技术水平也有了很大的提高，已从手动、半自动贴标的落后局面，转向自动化高速贴标机占据广大市场的格局。
本设计主要介绍了一种包装设备，贴标机的工作原理及对设备的控制的设计过程，且对本次设计有重大影响的步进电机的转速控制设计。本次设计主要用于贴圆柱身瓶的纸质标签。步进电机作为一种执行机构广泛的应用于机电控制系统中，作为机电控制主要的组成部分步进电机的使用也有特殊的用途，它将电脉冲以一定的方式转化为一定的角位移，如果此时，一个脉冲信号被步进电机接收到，那么这个脉冲信号就会使其按照事先约定的方向旋转一定的角度（也就是俗称的步距角）。通常控制角位移量的方式就是控制获取脉冲信号个数的方式，通过这种方式可以达到精准的定位效果；与此同时，当脉冲频率得以控制之后，电机的速度和加速度也会随之改变，这就打到了调速的目的。而单片机具有能够动态实时调节脉冲频率的能力，用单片机控制步进电机调速将会取得良好的效果。
关键词步进电机；单片机控制；自动贴标机
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- II- Automatic labeling machines single-chip control
Abstract
Labeling machines, is the paper or foil adhesive label on the packing of the provisions on the container equipment.Modern packaging label machine is the indispensable component. At present our country production labeling machine types is increasing, the technical level also had the very big enhancement, already from manual, semiautomatic stick mark backward situation, turning to automation high-speed labeling machines occupy the market structure.
This design is mainly introduced a kind of packaging equipment, labeling machines and working principle of the control of the design process of the equipment, and has great influence on the design of stepping motor speed control design. This design is mainly used for cylindrical body bottle of paper put labels. Stepping motor is a commonly used mechanical and electrical control actuator, its purpose is to electrical impulses into angular displacement, when stepping drive to receive a pulse signal, it will drive stepping motor set according to turn a fixed Angle (i.e. step distance Angle). Through the control pulse that can control the number of angular displacement quantity, so as to achieve the purpose of accurate positioning; And at the same time through control pulse frequency to control motor rotation speed and acceleration, so as to achieve the purpose of speed.
And the single chip microcomputer to dynamic real-time adjustment is the ability of the pulse frequency, with single-chip microcomputer control stepping motor speed will obtain good effect.
Keywords Stepping motor; Single-chip microcomputer control; Automatic labeling machines
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- III- 目录
摘要……....................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................II
第1章绪论 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 贴标机的介绍 (1)
1.3 贴标机的工作原理及结构特点，主要用途 (2)
1.3.1 主要用途 (2)
1.3.2 贴标机的工作原理 (2)
1.3.3 结构特点 (2)
1.4 自动贴标机的工作过程 (3)
1.5 贴标机的发展过程 (4)
1.6 论文研究内容 (6)
第2章贴标机控制系统的主要组成与整体设计 (7)
2.1 步进电机的分类和主要参数 (7)
2.1.1 步进电机分类 (7)
2.1.2 步进电机的基本参数 (7)
2.2 步进电机原理 (8)
2.2.1 步进电机的基本控制原理 (8)
2.2.2 步进电机控制系统结构框图 (8)
2.3 步进电机的特点 (8)
2.4 贴标机控制系统的整体设计 (9)
2.4.1 设计原理 (9)
2.4.2 设计思路 (9)
2.5 本章小结 (9)
第3章贴标机控制系统的硬件设计 (10)
3.1 各器件的选型 (10)
3.2 硬件电路的整体设计 (10)
3.3 驱动电路的设计 (10)
3.3.1 步进电机的驱动方法 (11)
3.3.2 光电隔离装置的选择 (13)
3.4 单片机系统 (14)
3.5 光电传感器的介绍 (18)
3.6 控制电路的设计 (19)
3.7 显示电路设计 (19)
3.8 本章小结 (20)
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第4章软件设计 (21)
4.1 主程序设计 (21)
4.2 驱动子程序 (23)
4.3 速度计算子程序 (24)
4.4 本章小结 (25)
结论 (26)
致谢 (27)
参考文献 (28)
附录A (29)
附录B (36)
附录C (43)
附录D (44)
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第1章绪论
1.1课题背景
本设计源自一种自动贴标签的装置设计实例，通过使用单片机对步进电机的硬件连接和软件编程实现调速，从而提高设备的稳定性，是单片机对步进电机控制方法的完善。
1.2贴标机的介绍
自动贴标机机的种类很多，功能各异，但基本原理都是相似的。自动贴标机是以粘合剂把纸或金属箔标签粘贴在规定的包装容器上的设备。可完成平面粘贴，包装物的单面或多面粘贴，柱面粘贴，局部覆盖或全覆盖圆筒粘贴，凹陷及边角部位粘贴等各种作业。
本机的特点是能够完成自动贴标、抚平等工作，生产效率高。主要技术特点：输瓶带与本机同步驱动全自动工作进度控制，胶水薄膜厚度有可调机构控制，无瓶胶,无标签电子测距装置。标签供送装置，贴标原理如下：回转式机械转鼓贴标机，其特点是：利用两个机械转鼓进行取标，传送和贴标工作。带贴标的圆柱身瓶罐类包装件有板链输送机载运供给，经分件供送螺杆传送，分割成要求的等间距而到达回转工作台，此时装在工作台上方的定位压头受凸轮控制下降，加于带贴标瓶罐包装件顶部，使它们在回转工作台上处于确定位置而运行。粘贴标签由取标转鼓和标签的协调运动实现。取标转鼓连续回转，胶涂装置在其标版上涂布适量的粘接胶液，当他转到固定的标签盒前部的标签接触时，取标转鼓将粘取最前方的那张标签，作回转传送，当转到由夹子的贴标转鼓相接处时，夹子将标签从取标转鼓上夹走，夹子受凸轮控制而夹上标签作回转运动，当与回转工作台上再运来的待贴标瓶罐装件表面相接触时，夹子抬起，松开夹持，标签被粘贴到瓶罐表面上。之后，在回转工作台作回转工作时，定位器在凸轮控制下作自传性运动。转到某一个角度，以便接受刷子和海绵滚轮的磨砺，使标签贴牢实整齐。完成贴标的瓶罐包装件由星型拨轮自回转工作台拨送到板链输送机上排出。
标签传送装置，标签传送装置是自动贴标机的重要组成部分，其功能是与供标装置和涂胶装置等配合，自动表盒采取标签并进行传送，且完成有关涂胶工作，最后把标签粘贴到待贴标对象。
涂胶装置，涂胶装置多种多样，常用的由圆盘式涂胶装置、辊式涂胶装置、滚子式涂胶装置等。
贴标整理装置，标签由取标装置粘取传递给贴标转鼓作传送，传送中接受涂胶，最后转移粘贴到包装件上。然而在标签粘付到包装件上的初始阶段内，由于受到标签材质、包装件贴标表面状态及粘合剂初期粘接性能等因素的影响，尚不一定能达到良好的贴合状态，为使所贴标签发挥设计要求功能，起到
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美化包装的装潢作用，保证搬运过程中标签不脱落，贴标操作中应确保标签按设计要求平整牢靠的贴合到包装件表面[1]。
其功能特点为：
1．适用范围广：既能实现方瓶/扁瓶(满瓶状态)的侧面(平面)单张贴标/拐角抚标，还能实现圆瓶周向定位单张/双张贴覆功能。
2．独特的分料机构，确保与生产线联机使用时的可靠、有效分料。
3．独特的拐角扶标机构确保方瓶三侧面拐角贴标平整、不起皱。
4．既能单机使用，又能与生产线配合使用。
1.3贴标机的工作原理及结构特点，主要用途
本节主要介绍贴标机的基本工作原理、贴标机系统的结构特点以及贴标机在现代工业中的主要用途。
1.3.1主要用途
本贴标机适用制药、食品、轻工、日化等行业的圆形塑料瓶、玻璃瓶等或类似物体的贴标。该机能自动完成分瓶、送标带、同步分离标签，标贴和自动打印批号，字迹清晰。
1.3.2贴标机的工作原理
工作过程的开始是瓶子在传送带上以一个不变的速度向贴标机进给。机械上的固定装置将瓶子之间分开一个固定的距离，并推动瓶子沿传送带的方向前进贴标机的机械系统包括一个驱动轮，一个贴标轮，和一个卷轴。驱动轮间歇性地拖动标签带运动，标签带从卷轴中被拉出，同时经过贴标轮贴标轮会将标签带压在瓶子上。在卷轴上采用了开环的位移控制，用来保持标签带的张力因为标签在标签带上是彼此紧密相连的，所以标签带必须不断起停。标签是在贴标轮与瓶子移动速度相同的情况下被贴在瓶子上的。当传送带到达了某个特定的位置时，标签带驱动轮会加速到与传送带匹配的速度，贴上标签后，再减速到停止。由于标签带有可能会产生滑动，所以它上面有登记标志，用来保证每一张标签都被正确地放置。登记标志通过一个传感器来读取，在标签带减速阶段，驱动轮会从新调整位置以修正标签带上的任何位置错误[2]。
1.3.3结构特点
1．放卷轮。为被动轮，用于安放卷筒标签。通常装有可调节摩擦力的摩擦制动装置，目的是控制卷筒速度及张紧力，保持平稳输纸。
2．缓冲轮。工同弹簧相连。可往复摆动。目的是当装置启动时能吸收卷筒材料的张紧力，保持材料同各辊接触，防止材料断裂。
3．导向辊。由上下两个组成，起卷筒材料的导向和定位作用。
4．驱动辊。由一组主动的摩擦轮组成。通常一个为橡胶辊，一个为金属辊，底纸在其间通过。作用是驱动卷筒材料，实现正常贴标。
5．收卷轮。为带摩擦传动装置的主动轮，作用是复卷贴标后的底纸。收纸
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轮的转动收纸同驱动轮的办理纸互不干扰，同步传动由摩擦装置调节。
6．剥离板。离板一端有一角度（一般小于30°），目的是使底纸在经过剥离板改变方向时，标签便于出标、脱离底纸，实现同贴标物体接触。
7．贴标辊。将脱离底纸的标签均匀、平整地贴敷在待贴物品上。
1.4自动贴标机的工作过程
为当传感器发出贴标物准备贴标的信号后，贴标机上的驱动轮转动。由于卷筒标签在装置上为张紧状态，当底纸紧贴剥离板改变方向运行时，标签由于自身材料具有一定的坚挺度，前端被强迫脱离、准备贴标。此时贴标物体恰好位于标签下部，在贴标轮的作用下，实现同步贴标。贴标后，卷筒标签下面的传感器发出停止运行的信号，驱动轮静止，一个贴标循环结束。无论是哪种类型的贴标机，贴标过程大致相似，所不同的是：贴标装置的安装位置不同，贴标物体的办理送方式、定位方式不同以及贴标辊的形式不同。一般自动贴标机对标签有要求：表面材料。标签的坚挺度是出标的关键，因此要求表面材料的一定的强度和硬度，标签的坚挺度又和材料的厚度和标签的面积有关，所以使用柔软的薄膜材料时，要适当增加其厚度，一般控制在100μm以上。薄的纸张类材料，如60~70g/m2的贴标纸，一般不适合做大标签，而适合加工成小标签，如标价枪上使用的价格标签。标签的坚挺度差会导致贴标时不出标，或标签同底纸一同复卷，使自动贴标失效。示意图如图1-1所示。
1．离型力。也称剥离力，是标签脱离底纸时的力。离型力与粘合剂的种类、厚度及底纸表面的涂硅情况有关，还和贴标时的环境温度有关。离型力太小，标签在输送过程中容易掉标（脱离底纸）；离型力太大，标签脱离底纸困难，无法出标。应综合控制各项技术指标，使离型力在一合理的范围内。
2．底纸。也是控制自动贴标的重要指标。要求底纸表面涂硅均匀，离型力一致；厚度均匀，有好的抗拉强度，确保贴标时不断裂；厚度均匀，有好的透光性，确保传感器正确识别标签的位置。
3．加工质量。要求分切后底纸两侧平整、无破口，避免张力变化时底纸断裂。模切时要避免切穿底纸或破坏涂硅层，底纸和涂硅层被破坏容易出现底纸拉断或标签内的粘合剂渗入底纸，出现不出标和撕裂底纸现象。此外，在贴标前要消除卷筒纸标签内的静电，因为静电会造成贴标时不出标或出现贴标不准的现象[3]。
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图1-1 贴标机工作过程示意图
1.5 贴标机的发展过程
1．从20世纪80年代末到1994年为第一阶段。这个阶段主要是学习阶段，由于技术不成熟，所以只能进行仿制。当时几个贴标机生产厂家只能生产贴二标（颈、身标）的贴标机，一种是型号为12-8-6回转式贴标机，一种是型号为15-4-6回转式贴标机。大约有近200台的型号为15-4-6（生产能力24,000瓶/时）贴标机和200多台的型号为12-8-6（生产能力12,000瓶/时）贴标机装备在国内各啤酒厂的灌装生产线上运行，而大部分灌装生产线上的贴标机都是进口产品。这一时期，啤酒包装只需贴二标，这些国产机器基本上还可以满足要求。由于国产设备在功能、性能、外观和贴标质量方面与进口设备相比差距太悬殊，对进口设备不可能产生任何威胁。因此、大家处于相安无事状态。这个时期进口贴标机在中国市场上占主导地位，绝大部分啤酒厂家还是选择进口贴标机。广东省内的啤酒厂基本上用的都是德国克朗斯（KRONES ）的产品。
2．从1995年至2001年为第二阶段。这个阶段是中国贴标机生产的提升阶段。一是贴标速度的提升，从24,000瓶/时提升到33,000瓶/时，二是贴标功能的提升，从贴二标(颈、身标)提升到贴四标，即同时可贴头、颈、身、背标。从1995年开始，国内各啤酒生产厂家为了提高产品装潢档次，提出在啤酒瓶上贴头标和背标。为了适应这一发展趋势，各贴标机生产企业一方面研究在原二标机上增设贴头标和背标的功能，另一方面也积极研发四标贴标机。 1995年，“青岛机床厂”率先推出了18-8-6(生产能力26,000瓶/时)三标贴标机，可贴颈、身、背标，无贴头标功能。这一机型是当时国内生产的最大型号的贴压轮 纸带
停车传感器
步进电机驱动轮 出标板 压标机构
传送带
红外传感器 压标板
红外传感器 药瓶 V
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标机。我认为，这一款贴标机的问世应该是一个里程碑。是中国第二代贴标机(四标机)研制开发的前奏曲。1997年，“广东轻工机械集团”推出了18-8-6四标机，1998年，“南海平航”(以下称平航)也推出了PH18-8-6四标机。1999年平航又研制成功PH24-8-6(生产能力33,000瓶/时)的四标机。2000年“秦皇岛中德”ZD18-8-6四标机和“广轻’24-8-6四标机相继问世。这些机型在功能上有重大突破，结束了过去国产贴标机只能贴二标的历史。在贴标速度上也有很大提高，速度从2,4000瓶/时到33,000瓶/时的提升，为高速贴标机的研发奠定了基础。同时在外观和内在质量上也有了重大改进，大大缩小了与进口贴标机的差距。但是，由于这些产品均属于试生产阶段，耐用度和稳定性仍有待于提高，加上用户长期以来对国产设备持有怀疑态度，还是普遍认为进口的贴标机比国产的要好，所以，在国内市场进口贴标机仍占主导地位。国产贴标机仍然对进口贴标机没有构成多大威胁。从1998年到2001年的几年间，由于“克朗斯”的产品价格长期居高不下，国产四标贴标机还处于襁褓之中，所以，外国其他品牌的贴标机乘机大量涌入中国市场，仅盖奈普(GERNEP)、科时敏(KOSME)、萨西布(SASIB)等各种型号的贴标机在国内就有近百台之多。
3．从2002年至今为第三阶段。这个阶段是中国贴标机技术成熟阶段，是中国贴标机历史上的一个重大转折点。这四年，国产贴标机的生产企业在互相竞争的同时，也形成了与国外贴标机生产企业竞争的态势，在竞争中提高、在提高中发展、在发展中创新，在创新中壮大，逐步完成了一个“质”的飞跃。2002年9月，平航自主研制出PH40-8-8(生产能力50,000瓶/时)的高速回转式贴标机，该机在北京“2002中国国际啤酒、饮料制造技术及设备展览会”上一亮相，立即引起了业内的轰动。同年11月，金华金狮啤酒有限公司和福建燕京啤酒有限公司敢为天下先，在‘南轻’的40,000瓶/时啤酒灌装生产线上同时选用了PH40-8-8高速回转式贴标机，成为第一个“吃螃蟹”的人。使得这一新产品有了一个试用、提高、完善的平台。2003年，平航PH40-8-8高速回转式贴标机获4项国家实用新型专利。该项目于2004年8月在浙江金华市通过科技成果鉴定(到目前为止，仍是全国唯一通过省级鉴定的国产贴标机)。该项目荣获2005年度广东省科技进步二等奖。被列为“2005年国家重点新产品计划”。这是中国贴标机制造业的一件大事，是国家对中国贴标机制造业的首肯。不仅仅是平航，也是所有同行乃至啤酒界的骄傲。因为它标志着国内啤酒高速生产线长期被国外贴标机垄断的局面已被打破，高速贴标机领域不二价的时代一去不复返了！这之后，“秦皇岛中德”、“青岛德隆”也相继推出45-8-9高速贴标机。这些生产贴标机的骨干厂家一方面拥有了高、中、低速各类型号贴标机的拳头产品，另一方面在产品质量上和技术含量上都有了不同程度的提高。过去，人们总喜欢问我：“你的产品跟进口产品比有没有差距、有多大差距？”现在，人们有时候会问我：“你的产品与“克朗斯”的产品相比还有哪些差距？”是否可以这样理解，国外贴标机产品除“克朗斯”外，其他品牌的贴标机已经不如国产的好了？从2002年至今国内贴标机的供求量就足以说明问题。据不完全统计，目前在中国啤酒行业贴标机的年需求量大约100多
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台，“平航”占大约40%的市场份额，德国“克朗斯”约占5%左右的份额，其他国外品牌基本上销声匿迹，已无蛋糕可分。国产贴标机在中国市场上独领风骚，国外产品已经陷入“无可奈何花落去”的境地。长期充斥国内市场的外国产品有的受到了致命的打击，有的感受到了“唇齿之寒”的威胁。
中国贴标机虽然在短短的三年时间里把绝大部分国外产品挤出了“国门”，在国内市场上树立了霸主地位，但是，在国际市场中仍无地位可言。究其原因，大致如下： 1. 缺少核心技术，或者说核心技术发掘不够，产品质量的稳定性提高不大，与国际一流的产品尚有差距。 2. 产品品种单一，缺乏系列产品，如套标机、热熔胶贴标机、不干胶贴标机等，这些产品虽然在“2006中国国际啤酒、饮料制造技术及设备展览会”上偶见一、二，也基本上属于“拿来主义”产物，尤其在高速领域仍是空白。综上所述，国产贴标机若要全面占领国内啤酒、饮料的需求市场，打入国际市场，提高国际竞争力，就应该在“质”和“量”上下功夫，在产品的稳定性、可靠性、实用性上下功夫，在发掘自己的核心技术、自主创新上下功夫[4]。
“平航”在发掘和完善自身的核心技术和提高产品竞争力的长期实践中，找到了影响贴标机质量的五个“三要素”。不但对制造贴标机有了理论基础，对贴标机使用过程中出现的故障也有排查依据。依此贴标机理论，平航新研制出了PH48-8-8高速回转式贴标机，生产能力为68,000瓶/时，可同时贴四种标签。是目前国产贴标机中贴标速度最高的，是贴标机制造行业一次新的革命。该机在“2006中国国际啤酒、饮料制造技术及设备展览会”上一亮相，就被“北京燕京啤酒集团公司”选中，与同时在展会上展出的由“南京轻工业机械集团公司”最新推出的48,000瓶/时的啤酒灌装生产线配套,全新展示了行业技术的最新水平。
1.6论文研究内容
本设计主要研究自动贴标机的控制系统部分，通过单片机对步进电机的驱动控制及调速控制，提高贴标机的贴标质量，利用51单片机的高性能实现动态控制，使贴标机更加智能化。
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- 7- 第2章 贴标机控制系统的主要组成与整体设计
2.1 步进电机的分类和主要参数
2.1.1 步进电机分类
步进电机是贴标机控制系统中最重要的部分之一，所以研究贴标机的单片机控制，首先得对步进电机进行了解。
步进电机（如图2-1）是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
2.1.2 步进电机的基本参数
1．电机固有步距角
这个概念指的是控制系统每发一个脉冲，所转动的未经过细分的角度。电机在出厂的时侯一般给出一个的值，如86BYG250A 型电机给出的值为0.9°/1.8°，这个角度可以被叫做固有的电机步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，工作时的步距角和是否有细分的驱动相关装置有关。
2．步进电机相数
是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。
3．保持转矩
在通电的前提下但没有转速的情况下，定子锁住转子的力矩。它是衡量电机的优劣与选择的关键因素，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。比如，当人们说2N.m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m 的步进电机[6]。
图2-1 四相步进电机示意图
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2.2步进电机原理
2.2.1步进电机的基本控制原理
由于脉冲能够调节它的速度，它的角位移是又脉冲变换顺序频率控制，也就是有一个脉冲，它就换一次相，因此非常适合于单片机控制。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定。
单片机的控制信号能通过驱动电路控制电机，这种控制方式的原理如下：1．控制换相顺序
步进电机的转向是由换相的顺序决定的。举例来说：四相的步进电机的四拍工作方式，它的每一相的通电的顺序必须为A-D,必须具有严格的控制通断方能实现。
2．步进电机的转向控制
按照固定不变的正转通电顺序通电电动机就会正转，按照严格的反向通电顺序通电电动机就反转。
3．对于步进电机速度的控制
给步进电机脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转；步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进脉冲频率低，步进电机转得就慢；
2.2.2步进电机控制系统结构框图
典型的步进电机控制系统如图2-2所示，主要是由步进控制器，功率放大器及步进电机等组成。
步进电机控制器功率放大器步进电机负载
图2-2 步进电机控制系统组成
2.3步进电机的特点
1．给步进电机脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转；
2．步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进脉冲频率低，步进电机转得就慢；
3．改变各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改变步进电机的运行方式；
4．改变通电顺序，可以控制步进电机的正、反转[7]。
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2.4贴标机控制系统的整体设计
2.4.1设计原理
步进电机的一个重要特点就是能够精确的控制转速和转向，为了保证贴标的质量，我们的设计应围绕使步进电机的转速与药瓶在传送带上的速度相一致，保证标签能够顺利的贴到指定的位置，提高贴标质量。用51单片机可以动态检测传送带的速度变化，而且加上一对红外传感器，可以通过计算算出药瓶在传送带的速度，通过软件编程实现与步进电机的转速相适应，同时可以通过控制系统的控制电路与显示电路进行产量设置，定时设置等，并加入显示电路以便于人机交互，使产品更加智能化，规范化。
2.4.2设计思路
通过对51单片机控制系统的学习，首先应对于单片机步进电机控制系统进行硬件设计，单片机步进电机控制系统的硬件部分包括驱动，调速，显示，控制等。
步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O接口、中断、键盘、LED显示器的扩展、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。
2.5本章小结
本章主要介绍了步进电机自动控制系统的主要组成以及整体设计思路，同时对系统中的重要组成部分即步进电机进行了介绍，通过了解步进电机的特性探索设计思路，为控制系统的设计打下坚实的基础。
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第3章贴标机控制系统的硬件设计
3.1各器件的选型
步进电机采用86BYG250A型四相步进电机，步距角为1.8°/0.9°，
矩频特性如表3-1所示：
表3-1步进电机的矩频特性
转矩N.M 1.7 1.6 1.5 1.4 1
频率Hz 1 2 4 8 10
单片机选择80C51单片机，此芯片具有很强的性能，而且之前有过学习和了解。At公司生产的80C51单片机是一种低功耗/低电压高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，80C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。
步进电机的驱动采用L298N芯片驱动，L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。该芯片的主要特点是：工作电压高，输出电流大，内含两个H桥的高电压大电流的全桥式驱动器。
3.2硬件电路的整体设计
硬件电路包括控制电路，显示电路，驱动电路组成。控制电路主要由按键组成，简单的人机交互按键实现对系统的操控，显示电路的作用为显示当前的工作状态，驱动电路是对单片机输出的脉冲放大，从而使电机转动。整体框图如图3-1所示：
3.3驱动电路的设计
步进电机的驱动要求：
1．控制系统能够产生速度快的高低电平，使产生的控制波形类似于矩形。能够提供一个截止时期的电流流通的回路，能够使电机的反电动势的影响降到最低，加快电流衰减。
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- 11- 单片机
光电隔离键盘
传感器驱动模块步进电机
复位电路
显示电路
图3-1 硬件电路的设计框图
2．能够提供一个足够大的功率并且有着较高的效率。驱动装置，步进电机的角位移能够通过控制系统并且经过放大之后产生一定的逻辑位移，或者说：有了一个脉冲，通过驱动放大装置就能旋转一个固定角度角。也就是切换的频率越快转速越快。控制脉冲信号的切换的频率，就可以对电机精确调速；脉冲数量的多少，决定着步进电机的精确定位。
3.3.1 步进电机的驱动方法
1．单电压功率驱动
在电机绕组回路中串有电阻Rs ，使电机回路时间常数减小，高频时电机能产生较大的电磁转矩，还能缓解电机的低频共振现象，但它引起附加的损耗。一般情况下，简单单电压驱动线路中，Rs 是不可缺少的。
2．双电压功率驱动
双电压驱动的基本思路是在较低（低频段）用较低的电压UL 驱动，而在高速（高频段）时用较高的电压UH 驱动。这种功率接口需要两个控制信号，Uh 为高压有效控制信号，U 为脉冲调宽驱动控制信号。功率管和二极管构成电源转换电路。当低电平关断，正偏置，低电压UL 对绕组供电。反之Uh 高电平，TH 导通，DL 反偏，高电压UH 对绕组供电。
3．斩波恒流功率驱动
这种驱动的设计原理为，使电机的每一个通电相无论在任何状态下的绕组电流的数值不变。能够实现电机的转矩固定不变。
4．升频升压功率驱动
为了进一步提高驱动系统的高频响应，可采用升频升压功率驱动接口。这种接口对绕组提供的电压与电机的运行频率成线性关系。它的主回路实际上是一个开关稳压电源，利用频率-电压变换器，将驱动脉冲的频率转换成直流电
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平，并用此电平去控制开关稳压电源的输入，这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。
5．集成功率驱动
现在市场上已经有了多种多样的小型集成电路能够完成驱动作用。L298芯片桥式驱动器，它能够接收控制逻辑信号完成对电机的驱动[8]。
步进电机的驱动控制系统框图如下，8051单片机发出控制信号，光电隔离装置防止干扰，经过功率放大芯片L298N ，最后完成对步进电机的驱动控制。由于本设计选择四相步进电机，所以选用集成芯片L298N 驱动步进电机。工作原理框图如图3-2。 8051光电隔离L298N 步进电机
图3-2
步进电机驱动框图
驱动芯片L298N 原理电路如图3-3：
图3-3 L298N 芯片原理图 通过使用L298N 芯片驱动步进电机电路，其中，单片机的P1.0-P1.3连接L298N 芯片的IN1-IN4，P1.4,和P1.5控制ENA 和ENB 。
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3.3.2光电隔离装置的选择
光电隔离的作用：把高低信号分离开，能够把高频的干扰信号和对于干扰响应较大的控制信号分隔开，能够让控制信号和被控装置有着相对稳定的环境，不用线路直接相连。其本质为把干扰隔离开，使现场与能够产生干扰的源头分开。
光电隔离装置的分类：
1．光电耦合器：
将发光元件和受光元件组合在一起，通过电-光-电这种转换，利用“光”这一环节完成隔离功能，使输入和输出在电气上是完全隔离的。根据受光元件的不同可分为晶体管输出型和晶闸管输出型两类。
光电耦合器具有三个特点：
以光为媒介进行信号传递能够避免一些干扰源对于控制电路的波形产生失真；
能够较强的抑制非必要的噪声；
能够快速的响应，而且稳定性高，耐用性好。
2．固态继电器：
固态继电器按使用场合可以分为交流型(AC-SSR) 和直流型(DC-SSR)两类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用。
3．隔离放大器：
为完成地线隔离，将放大器加上静电和电磁屏蔽浮置起来，这种放大器叫隔离放大器，或叫隔离器，其输入和输出电路与电源没有直接的电路耦合关系。常用的隔离放大器有Analog Devices公司的AD277J、AD202、AD204、AD289、AD290、AD210、AD281等[9]。
4．线性光电隔离放大器：
利用发光二极管的光反向送回输入端，正向送至输出端，从而提高了放大器的精度和线性度。放大器的输入端和输出端是用光隔离的，所以不存在电气连接。常见的线性光电隔离放大器有Burr-Brown公司的ISO100、3650和3652。
6N137芯片应用比较广泛，它的内部有着发光和精确检测接受电路，检测电路有着强大的功能，能够放大信号，对于外部环境干扰有着补偿的作用。
此芯片的工作原理如图3-5，其中引脚2和3接受来自外部的激励，经过发光电路产生一定波长和频率的光，通过封装好的内部传输被接受，经过一系列的转换后经过与一个与门进行逻辑控制比较，内部电路路加上拉电阻或电压调整电路。
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表3-2 6N137真值表
输入使能输出
1 1 0
0 1 1
1 0 1
0 0 1
3.4单片机系统
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。其内部结构如图3-4所示：
图3-4 51单片机内部结构
单片机的发展历史：
1971年intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国《经济学家》杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器）其中4004（下图）包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm×4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。1973年intel公司研制
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出8位的微处理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。976年intel公司研制出MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。
单片机的硬件特性：
1．主流单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128 B容量的RAM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。
2．系统结构简单，使用方便，实现模块化；
3．单片机可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小时无故障；
4．处理功能强，速度快。
5．低电压，低功耗，便于生产便携式产品
6．控制功能强
7．环境适应能力强。
单片机的应用范围：
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
1.智能仪器。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（电压表、功率计，示波器，各种分析仪）。
2.工业控制。单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力
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强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
3.家用电器。现在的家用电器广泛采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备和白色家电等。
4.网络和通信。现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
5.医用设备领域单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
6.模块化系统。某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。
7.汽车电子。单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器、GPS导航系统、abs防抱死系统、制动系统、胎压检测等。
此外，单片机在工商、金融、科研、教育、电力、通信、物流和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路。内部引脚图如图3-7所示。
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