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基于SI4463的车床安全保护控制器的设计与实现

作者:张丽霞时间:2016-05-26来源:收藏
编者按:为了解决针对普通车床缺乏安全保护装置,在车削加工中易出现安全事故的问题,本文对机床的安全保护缺陷进行了研究,提出了采用基于SI4463芯片的无线通信技术和双MCU控制方法,设计并实现了安全保护控制器。该控制器通过安装在车床相关位置的检测元件测得的状态数据,控制车床主电机和快进电机状态,避免发生事故。车床安全保护控制器可以单机脱机工作,可以通过应用无线通信技术与上位机联机工作,也可以实现多台车床的远程集群控制。

摘要:为了解决针对缺乏安全保护装置,在车削加工中易出现安全事故的问题,本文对机床的安全保护缺陷进行了研究,提出了采用基于SI4463芯片的技术和双MCU控制方法,设计并实现了器。该控制器通过安装在车床相关位置的检测元件测得的状态数据,控制车床主电机和快进电机状态,避免发生事故。车床器可以单机脱机工作,可以通过应用技术与上位机联机工作,也可以实现多台车床的远程集群控制。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201605/291773.htm

引言

  缺乏安全保护装置,但工作时处于高速旋转状态。在使用过程中,特别是在车削加工教学实训中,由于初学者的疏忽,很容易出现安全事故,带来财产和人身损害。为此,我们针对实际问题,设计了一种基于物联网技术的多功能安全保护集成控制装置。该装置实现了对普通车床机群(多台车床)工作状态显示、集中控制和单台车床安全工作保护。该装置可实现4种保护:(1)卡盘扳手未取出安全故障保护;(2)刀架与卡盘相撞安全保护;(3)溜板箱与尾座相撞安全保护;(4)螺纹加工与光轴加工的互锁功能保护。该装置的设计按照物联网体系结构的三个层次进行[1]:(1)感知层,本系统采用行程开关和磁性开关对每台车床的扳手的位置、纵向行程情况、丝杆状态和主螺母状态进行检测,检测到的信息送到每台控制器,控制器对主电机和快进电机发出命令,控制器与上位机通过短距离进行信息交换,并执行上位机发出的控制命令;(2)网络层,利用互联网和3G/4G移动网络,计算机客户端和手机客户端对本装置进行访问和操作;(3)应用层,采用专门开发的应用软件系统完成系统访问、状态查看、现场控制等功能。

  本文在此对其中的器部分设计和实现情况进行介绍。

1 整体设计

  本控制器采用了两片MCU()芯片,由主控模块、无线串口模块、液晶显示、LED指示、矩阵键盘、光电隔离等部分构成,如图1所示。

  该普通车床多功能安全保护集成控制装置系统使用PC机作上位机,上位机通过串行总线USB(Universal Serial Bus)接口经USB接口芯片和无线串口模块连接,与安装在每台车床的控制器通信,实现将车床相应位置检测的元件输出的开关信号转换为电平信号送到主控MCU1,主控MCU1根据检测信号送出相应的电平信号,经光电隔离模块控制继电器,从而允许车床主电机和快进电机启动或停止。同时,主控MCU1控制LCD液晶显示模块显示出相应的状态信息,并且控制LED发光二极管作状态指示。主控MCU1也可根据上位机的命令输出主电机和快进电机的控制信号,主控MCU1通过无线串口模块与上位机实现短距离无线通信。

2 硬件设计

2.1 主控模块

  主控MCU1选用STC12C5A60S2单片机,该单片机是STC Micro公司推出的完全集成的混合信号片上系统MCU,该芯片FLASH内存可实现ISP/ISA系统可编程/在线应用可编程。STC12C5A60S2主要性能[2]

  (1)高速:1个时钟/机器周期,速度比普通MCS-51单片机快8~12倍;

  (2)宽电压范围:3.3V~5.5V,2.2V~3.6V;

  (3)低功耗设计:掉电模式(可由外部中断唤醒)可支持下降沿/上升沿和远程唤醒;

  (4)增加外部掉电检测电路,可在掉电时及时将数据保存在EPROM;

  (5)工作频率:0MHz~35MHz,相当于普通MCS-51单片机的0MHz~420MHz;

  (6)每个I/O口驱动能力均可达到20mA。

  鉴于STC12C5A60S2的这些特点,所以选择该芯片与时钟电路、复位电路等一起构成的单片机最小系统作为主控模块。

2.2 无线串口模块

2.2.1 无线串口模块构成

  无线串口模块主要由MCU2和射频收发芯片组成。MCU2选用意法半导体公司的STM8L152C6T6低功耗微处理器,该芯片自带SPI、UART和多个定时器,具有多种电源管理模式且待机功耗低的特点[3]。射频收发芯片采用SI4463,该芯片工作频段为119MHz~1050MHz,最高输出功率可达+20dB,传输距离可达2km。SI4463芯片能超低功耗工作,在功率为+10dB时,发射电流为18.0mA,接收电流为10.0mA[4]。SI4463芯片可应用在智能计量、遥控、家庭安全、报警、遥测、工业控制和传感器网络等方面。SI4463电路设计简单且成本低。STM8L单片机与SI4463射频芯片接口电路如图2和图3所示。

  SI4463射频芯片与STM8L单片机通过标准4线串行外设接口(SPI)进行通信:SCLK(时钟)——SPI_SCK,SDI(数据输入)——SPI_MOSI,SDO(数据输出)——SPI_MISO,CS(片选)——SPI_CSN。

  需要发送和接收的数据由MCU2控制SI4463进行射频发送和接收。为了在数据射频传输过程中抗干扰,将无线串口模块加了金属外壳进行屏蔽,并且采用了SMA接口的单鞭棒状天线增强传输性能。

2.2.2 接口电路

  无线串口模块的MCU2和主控模块的MCU1通过UART(通用异步串行口)接口进行串行通信,实现数据的接收和发送。

  安装于上位机的无线串口模块增加了CP2102芯片及外围电路,使无线模块和上位机通过CP2102芯片进行USB-UART的转换实现连接。CP2102芯片内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、晶体振荡器、EEPROM及异步串行数据总线(UART),支持调制解调器全功能信号,无需任何外部的USB器件。

2.3 电源电路

  在车床使用现场能方便获得220V交流电,将该电信号经变压、整流和滤波后,经三端集成稳压电源芯片7812和7805获得直流12V和5V电压给继电器和车床安全保护控制器等电路供电。

  在无线串口模块中,使用了74LVC245芯片将5V电压转换为3.3V给STM8L单片机和SI4463芯片供电,并实现电平转换。

2.4 其他电路

  本控制器通过矩阵键盘可以输入密码,赋予操作者相应的权限。本控制器使用12864液晶显示器来显示扳手位置、纵向行程位置等信息,同时用LED发光二极管来直观地指示扳手位置、纵向行程位置等是否正常。液晶显示器和LED发光二极管与主控MCU1单片机的接口为常规并行接口。矩阵键盘也通过单片机的并行口连接,并且将行线经与门后接到单片机的外部中断0。

  经主控MCU1输出的电机控制信号经光电隔离电路和继电器控制主电机和快进电机的工作,电机控制电路如图4所示。其中CTL_MT1端连接主控MCU1单片机的IO口,TLP521是可控制的光电耦合器件,作用是在电路信号传输过程中使控制器前端与负载完全隔离,目的在于增加安全性、减小电路干扰和减化电路设计。主控MCU1输出的高低电平对应继电器线圈的得电和失电,MT11和MT12串联接入电机的电源回路,从而控制电机电源电路的通断。

3 软件设计

  普通车床多功能安全保护集成控制装置在工作时,上位机与多个车床安全保护控制器的通信为主从模式,每个车床安全保护控制器有一个唯一的地址编号,控制器不停地发送采集到的车床各处关键位置点的状态数据,上位机按控制器的地址编号轮流向各个控制器发送数据,以向控制器发送控制命令和读取状态数据。控制器有联机和脱机两种工作模式,可由上位机控制,也可以在通过密码验证操作者身份后,允许其通过键盘设置工作模式。上位机和控制器传输数据的定义见表1、表2和表3。

  车床安全保护控制器软件设计分为主控模块程序和无线串口模块程序两大部分。

3.1 主控模块程序设计

  主控模块程序主要包括主控MCU1初始化、数据收发、矩阵键盘扫描、液晶显示控制、电机控制等功能部分,其主函数流程图如图5所示。

  在主控模块中使用了串行口中断服务函数,用来读入上位机发送的数据,并将相应的标志位置1。还编写了外部中断0的中断服务函数,矩阵键盘任意按键被按下时,进入外部中断0,判断键值,并将相应的标志位置1。

3.2 无线串口模块程序设计

  无线串口模块程序设计主要包括STM8L单片机初始化、SI4463芯片初始化、STM8L单片机与主控MCU1通信、STM8L单片机与SI4463芯片的数据传输以及STM8L控制SI4463芯片实现与上位机的射频通信。

4 结论

  本车床安全保护控制器经实际测试,能实现对单台车床的安全保护和状态显示,并且能与上位机联机工作,实现多台车床的远程集群控制。经测试,本车床安全保护控制器所属的普通车床安全集成控制系统可对1000m2~1500m2范围内的30台~40台车床群组实现有效的集中管理,其安全保护功能可靠、灵活,在各级学校的实习工厂和大型制造企业中都具有广泛的应用前景。

参考文献:

  [1]李志宇.物联网研究技术进展[J].计算机测量与控制:2012,20(6):1445-1448.

  [2]宋凤娟,付侃,薛雅丽.STC12C5A60S2单片机高速A/D转换方法[J].煤矿机械:2010,31(6):219-221.

  [3]陈上挺,谢文彬,游颖敏.基于STM8的红外与超声波测距仪设计[J].电子技术应用:2011,37(9):32-34.

  [4]王志勇,孙顺远,徐保国.基于SI4463的低功耗无线窖池测温系统的设计与应用[J]. 计算机测量与控制:2014,22(2):519-524.

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第5期第69页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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