全自动绕线机系统绕线单元的设计.docx

发布时间：2022-06-03 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.11M 资料格式：docx 举报版权申诉

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第1章绪论

1.1课题研究的背景

1.2国内外技术现状

1.3研究内容及章节安排

第2章8051单片机

2.1单片机的核心部件

2.2MCS-51系列单片机

2.38051单片机

2.3.18051的工作原理

2.3.2存储器的寻址方式

2.3.3程序状态字PWS

2.3.4外围设备

第3章直流电机与步进电机

3.1直流电机

3.2步进电机

第4章 L298电机驱动模块

4.1L298驱动电机的原理

4.2L298的功能特点

第5章系统的开发设计与模型搭建

5.1总体设计

5.2电机控制的设计与实现

5.2.1无刷直流电机的控制结构

5.2.2无刷直流电机的驱动方法

摘要全自动绕线机是自动化生产工控设备的拖动（电动机类）及控制元件（电子变压器、继电器等）的加工制造设备，同时在民用工业领域也有着广泛的应用。单片机的全称是单片微型计算机，又称微型控制器，是将中央处理器、存储器、各种输入/输出接口和中断系统等都集成在一块集成电路芯片上的器件。8051 单片机是英特尔公司于 1981 年推出的嵌入式微控制器，其内核为 MCS-51，和其他的 MCS-51 系列单片机一样，8051 采用的是哈佛结构，其存储器结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的寻址方式。直流电机是将直流电能转换为机械能的电动机。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。由于步进电机能直接接受数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制。本文侧重于全自动绕线机系统中绕线单元的设计实现，主要研究内容是基于 8051 单片机的直流电机与步进电机的控制系统及其在绕线机绕线单元设计上的应用，着重讨论采用 8051 单片机为核心，通过硬件器件的分析和选型搭建具体的绕线单元模型，并通过代码实现系统对直流电机和步进电机的自动控制。关键词： 8051 单片机；L298 电机驱动模块；直流电机；步进电机；绕线单元

Abstract The full-automatic winding machine is a processing and manufacturing equipment for the automatic production of dragging (motors) and control elements (electronic transformers, relays, etc.) of industrial control equipment, and also has a wide range of applications in the field of civil industry. The Single chip microcomputer, also known as microcontroller, is a device that integrates the central processing unit, memory, various input/output interfaces and interrupt systems on an integrated circuit chip. 8051 is an embedded microcontroller introduced by Intel in 1981. Its core is MCS-51. Like other MCS-51 series microcontrollers, 8051 adopts Harvard structure. One of the characteristics of its memory structure is to separate program memory from data memory and have their own addressing methods. DC is a motor that converts DC energy into mechanical energy. Because of its good speed regulation performance, it is widely used in electric drive. Stepping motor is an electromechanical element that converts electrical pulse signals into angular displacement or linear displacement. Because stepping motor can directly accept digital control, it is especially suitable for microcomputer control. This paper focuses on the design and implementation of winding unit in full-automatic winding machine system. The main research content is the control system of DC motor and stepping motor based on 8051 and its application in the design of winding unit. It focuses on the discussion of using 8051 as the core, building a specific winding unit model through the analysis and selection of hardware components, and realizing the automatic control of DC motor and stepping motor by codes. Keywords:8051 Single Chip Microcomputer; L298 Motor Drive Module; DC Motor; Stepping Motor; Winding Unit

目录第 1 章绪论 ...................................................... 4 1.1 课题研究的背景 ............................................................................................................4 1.2 国内外技术现状 ............................................................................................................4 1.3 研究内容及章节安排 ....................................................................................................5 第 2 章 8051 单片机 ................................................ 6 2.1 单片机的核心部件 ........................................................................................................6 MCS-51 系列单片机 .......................................................................................................8 2.2 8051 单片机 ...................................................................................................................8 2.3 8051 的工作原理...............................................................................................8 2.3.1 2.3.2 存储器的寻址方式 ............................................................................................8 2.3.3 程序状态字 PWS...............................................................................................12 2.3.4 外围设备 ..........................................................................................................13 第 3 章直流电机与步进电机 ......................................... 14 3.1 直流电机 ......................................................................................................................14 3.2 步进电机 ......................................................................................................................16 第 4 章 L298 电机驱动模块 ...........................................17 L298 驱动电机的原理 .................................................................................................17 L298 的功能特点 .........................................................................................................17 第 5 章系统的开发设计与模型搭建 ................................... 18 5.1 总体设计 ......................................................................................................................18 5.2 电机控制的设计与实现 ..............................................................................................19 5.2.1 无刷直流电机的控制结构..............................................................................19 5.2.2 无刷直流电机的驱动方法..............................................................................19 4.1 4.2

第 1 章绪论 1.1 课题研究的背景全自动绕线机是自动化生产工控设备的拖动（电动机类）及控制元件（电子变压器、继电器等）的加工制造设备，同时在民用工业领域也有着广泛的应用，主要用于绕制手机、3C 产品中所使用的不同规格的线圈，例如扬声器音圈、耳机音圈、VCM 马达线圈等特种材料。全自动绕线机在民用工业领域的成熟运用，实现了绕线生产的自动化，极大程度上为音响、手机、数码等行业降低了生产成本，提高了生产效率。在电子技术的不断发展过程中，特别是各种单片机和可编程控制器的出现，让计算机控制自动绕线过程成为了可能。由计算机控制，不仅绕线和排线可以由机械来完成，整个绕线生产过程所用时间也比以前大大的缩短了，基本上工作全是在计算机的控制下由机械完成的，对于操作者来说，只需根据需要绕制的产品的特点在计算机上设置好参数即可，非常方便快捷。全自动绕线机的组成大致可以分为三个部分。第一部分基本与普通的绕线机相同，是由电机带动一个夹头，夹头上固定绕组的骨架。电机的转动带动骨架按照要求的速度和方式转动，来完成绕线的工作。第二部分是自动排线结构，这部分代替了人来完成排线功能。由于各种绕线设备所针对的产品不同，生产方式上也有所差异，所以自动排线的结构也不尽相同。根据不生产要求，自动绕线机的结构和形式也有着很大的差别。第三部分是控制部分，不管是绕线结构还是排线结构都是在控制部分的指令下进行的。控制系统可以根据生产需要对参数进行设置，如：旋转方式，线圈外径、气源、是否需要骨架等等。控制机制要能够适应不同的生产需求，生产不同的线圈应当采用不同的绕制方法，来完成规定的绕线工作。控制系统是实现全自动化绕线功能的关键技术，控制系统的性能可以直接影响到整个绕线工作的效率和最终产品的质量。随着我国经济的发展，用户对线圈的质量以及性能的指标要求越来越高，这也对全自动绕线机提出了更高的要求，使其能制造出满足各种不同需求的绕线机。这对绕线机的要求也越来越高，线圈绕制企业对于绕线机的要求是性能稳定、操作方便、功能齐全、外型美观。 1.2 国内外技术现状全自动绕线机大体由机械本体、传感器、驱动技术和软件控制等部分组成，为了适应现代电气线圈绕制工艺不断提高的需求，设备经历了不断的技术革新和功能拓展，

从最初的手摇式发展到后来的 PLC 简易控制再到半自动化及目前最先进的全自动化控制，已经综合了机械、传动、电气、微处理器控制等多种高新技术。控制系统和主轴驱动元件是绕线机最为核心的部件，直接决定着绕线机的性能优劣。随着电子元器件及芯片技术的快速发展，绕线机的控制系统核心已经由早期的 PLC 可编程逻辑控制器技术转向了 MCU 微控制器和 DSP 数字信号处理器技术，同时，随着新材料新工艺的不断发展，绕线机的主轴驱动元件也由交流电机转向了步进电机、无刷电机及伺服电机。目前，全自动绕线机的研究发展趋势主要集中在以下几个方面。一、机械本体技术全自动绕线机设备的机械本体以金属结构为主，大部分的设备都有减轻质量和提升精度的需求，质量减轻了之后，才能实现轻量化驱动和提升响应的能力，缩短响应的时间。在机械体的结构上，仍有较大的优化的空间，随着其他部件技术含量的提升，机械结构也可以进行优化和提升。二、传感器及测量技术传统的绕线设备主要是以机械控制为主，现代绕线设备已经具备了反馈和处理的能力，使用传感器可以提高设备的可靠性、灵敏度和精确度，对设备的工作状态进行实时的监控。例如，采用温度传感器可以实时监控热风枪的温度，始终使温度在一个最佳的范围之内。而在没有传感器的情况下，无法监控到热风枪损坏带来的温度剧增或者剧减，导致不良率大大增加。三、驱动技术目前全自动绕线机设备的驱动机构已经不在是单一的交流电机，常见的步进电机、无刷电机及伺服电机均已被广泛应用在自动化设备上，在响应速度和精度上都得到很大提升。定位精度的提升对于线圈精度提升有决定性的作用，线圈允许的误差将大大减少。四、软件技术现代绕线设备普遍采用数控系统作为控制核心，单片机、DSP 处理器、PLC 都是非常常见的配置，软件控制在自动化进程中尤为重要，其发展必须与硬件相结合在一起，硬件往往也是制约软件发展的一大因素。比如在传感技术没有发展到一定阶段，即使算法再好，也无法保障设备的可靠性。 1.3 研究内容及章节安排本文的课题为：全自动绕线机系统绕线单元的设计，主要研究内容是基于 8051 单片机的直流电机与步进电机的控制系统及其在绕线机绕线单元设计上的应用，着重

讨论采用 8051 单片机为核心，通过对相关硬件设备的原理分析和器件选型，设计并搭建具体的绕线单元模型，同时通过代码实现系统对直流电机和步进电机的自动控制，使绕线单元能够成功运行。文中涉及到的专业知识点包括：单片机、MCS-51 系列、8051 单片机、L298 电机驱动模块、直流电机、无刷直流电机、步进电机、全自动绕线机、绕线单元等。通过对本项目中的用到的主要器件在其内部结构、特点、工作原理等方面进行归纳和分析，在此基础上进一步进行设计和开发。第 2 章 8051 单片机 2.1 单片机的核心部件单片机诞生于 1971 年，经历了 SCM、MCU、SoC 三大阶段，如今依然处于快速发展当中，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型型号，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。单片机的全称是单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer），又称微型控制器（Microcontroller），是将中央处理器、存储器、各种输入/输出接口和中断系统等都集成在一块集成电路芯片上的器件。其中，中央处理器、存储器和输入/输出设备是单片机乃至现代计算机的三大核心部件。一、中央处理器中央处理器（Central Processing Unit，缩写 CPU）的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。计算机的可编程性主要是指对中央处理器的编程。早期的中央处理器由多个独立单元构成，后来发展出由集成电路制造的中央处理器，这些高度收缩的组件就是微处理器，其中分出的中央处理器最为复杂的电路可以做成单一微小功能强大的单元。微处理器是单片机内部的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。 CPU 由运算部件和控制部件两大部分组成。控制协调各功能部件正确工作。 1、运算部件运算部件是以算术逻辑单元为核心，再加上累加器，寄存器，暂存器，程序状态字等部件构成的。（1）算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，缩写 ALU）：是进行整数运算的结构。现阶段是用电路来实现，应用在电脑芯片中。在计算机中，算术逻辑单元是专门执行算术和逻辑运算的数字电路，可以完成以下运算∶ 整数算术运算（加、减、乘、除）

位逻辑运算（与、或、非、异或）移位运算（将一个字向左或向右移位或浮动特定位，而无符号延伸），移位可被认为是乘以 2 或除以 2。（2）累加器（Accumulator，缩写 ACC）：是一个另类 8 位寄存器，用来存储计算的中间结果，比直接放回主内存中拿取速度要快（3）寄存器（Register，缩写 R）：是中央处理器内运算部件的组成部分。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，可用来暂存指令、数据和地址。（4）程序状态字（Program Status Word，缩写 PSW）：又称为状态寄存器，用来存储 CPU 操作的有关状态标志信息。 2、控制部件控制部件一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。起作用是完成取指令、将指令译码形成各种微操作并执行指令，同时控制计算机的各个部件有条不紊地工作。指令由操作码和地址码组成。（1）指令寄存器（Instruction Register，缩写 IR）：就是用来存放从当前的计算机状态的内存中读取出的计算机操作指令（2）指令译码器（(Instruction Decoder，缩写 ID）：是可以将输入二进制代码的状态翻译成输出信号，以表示其原来含义的电路。根据需要，输出信号可以是脉冲，也可以是高电平或者低电平。（3）时序电路。（4）控制电路。二、存储器随机存储器（Random Access Memory，缩写 RAM），也叫数据存储器，用于存放运算的中间结果，数据暂存和缓冲，标志位等，掉电后会丢失数据。只读存储器（Read-Only Memory，缩写 ROM），也叫程序存储器，用来存放用户程序，掉电后不会丢失数据。三、输入输出接口输入/输出设备（Input / Output，缩写 I/O），包含了串行口，并行口，定时器，记时器等等。此外，微处理器通过内部总线把 ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线（Data Bus，缩写 DB）、地址总线（Address Bus，缩写 AB）和控制总线（Control Bus，缩写 CB）。通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。

2.2 MCS-51 系列单片机单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛（Harvard）结构，如上；另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿（Princeton）结构。MCS 是 Intel 公司推出的单片机系列，有 MCS-48、MCS-51、MCS-96。INTEL 的 MCS-51 系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品 16 位的 MCS-96 系列单片机则采用普林斯顿结构。 MCS-51 系列的典型产品包括 8031、8051、8751。8051 是 ROM 型单片机，内部有 4K ROM， 8031 无片内 ROM，8751 片内有 4K EPROM，除了 ROM 不同之外，8031、 8051、8751 的内部结果及引脚完全相同。MCS-51 单片机包括中央处理器（运算器和控制器）、数据存储器、程序存储器、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。 2.3 8051 单片机 2.3.1 8051 的工作原理 8051 是英特尔公司于 1981 年推出的嵌入式微控制器，是一种 8 位元的单芯片微控制器，其内核为 MCS-51，可同时支持汇编语言编程和 C 语言编程。8051 单芯片是同步式的顺序逻辑系统，整个系统的工作完全是依赖系统内部的时脉信号，用以来产生各种动作周期及同步信号。在 8051 单片机中已内建时钟产生器，在使用时只需接上石英晶体谐振器（或其它振荡子）及电容，就可以让系统产生正确的时钟信号。8051 能够达到以一般工业配线盘更小的体积，来达成自动控制作业，如感测讯号的撷取、循序控制等，它皆能轻易的完成。近年来单芯片的功能不断加强， 8051 具备了便宜、电路简单、体积小与耗电低等优点，所以目前在业界使用的极为广泛。比如要控制一个马达就不需要使用一台 PC 来控制，只要一颗单芯片加上驱动电路就可以加以控制这颗马达的运转了。 2.3.2 存储器的寻址方式指令要对数据进行操作，指令给出参与运算数据的方式称为寻址方式，8051 单片机支持的寻址方式有：寄存器寻址、直接寻址、寄存器间接寻址、立即寻址和基址寄存器加变址寄存器间接寻址。 8051 单片机的存储器采用的是哈佛结构，即将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的寻址方式。8051 单片机内有 256 字节数据存储器和 4KB 的程序存储器，此外还可以对存储器进行片外外扩。因此，8051 单片机在物理上有四个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。8051 通过

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