CN102240627A - 基于单片机控制的自动平板刮膜机 - Google Patents

基于单片机控制的自动平板刮膜机 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种基于单片机控制的自动平板刮膜机，能够实现平板膜的自动生产，该装置包括参数设置和显示电路、温度测量与控制电路、电机控制与传动电路以及机械传动部分组成。其中参数设置和显示电路是由触摸屏完成的，能实现生产平板膜规格的大小和加热板的温度设置，温度测量与控制电路是由数字温度传感器和低电压加热器组成，温度的控制是由单片机实现PID调节，电机控制与传动电路是由单片机控制步进电机带动刮刀在滑轨上移动来实现的，刮刀的来回移动由步进电机和位置传感器共同完成的，所印膜的厚度是由刮刀的高度所决定的，而刮刀的高度可以用测微头实现精确调节。本发明适用于工业生产及科研院所平板膜的自动印制。

Description

基于单片机控制的自动平板刮膜机
技术领域
本发明涉及工业生产及科研院所平板膜的自动印制系统。 
背景技术
随着经济的不断发展以及国家对环境保护问题的日益重视，污水排放要求越来越严格，而传统的处理方法不能满足日趋严格的排放要求，膜技术几乎能将所有的微生物截流在生物反应器内，合格的膜生物反应器出水无须消毒，即可达到相关的卫生标准，提高出水水质。水环境的严重恶化以及水资源的日趋短缺，迫切需要适合时代发展的污水资源化技术，要求废水能够循环再利用，以最大程度满足工业化生产用水的需求，以缓解水资源的短缺状况，膜生物反应器进行污水处理不仅可以大大节约水资源，避免“二次污染”，可为缺水地区的水资源重复利用提供新的方法。膜技术的高分离作用可以取代生化处理系统中的二次沉淀池。因此，膜设备可以减少占地面积，其既可以用于现有设备的扩容改造，也可以减少新建设备的占地面积。传统的废水处理大多数只有负的经济效益，这无疑使许多企业被迫承受废水处理费用。而膜技术可以实现废水的资源化，减少设备运行费用，减少设备占地面积。膜技术不仅可以用于污水处理，还可用于制药，化工，食品，冶金，电子工业等。 
制膜时的一些工艺条件显著影响着最终的膜结构和膜性能，因此科研中一种能调节控制各工艺条件的刮膜机对研究相转换成膜技术是非常重要的，可以使膜的研制过程中各项指标定量化，将每一个对膜性能有影响的因素都置于定量控制下，从而能精确地研究工艺条件对膜结构和性能的影响，确定获得最佳膜性能的工艺条件，使膜的研制具有重复性。 
发明内容
本发明的目的在于针对以往在实验室制备平板膜常采用手工涂膜的方法，涂制的膜往往厚度不均，不能满足性能测试的要求，提出一种采用单片机为控制核心，利用位置传感器对刮膜的两端的距离进行准确定位，用步进电机带动丝杆转动，由丝杆带动刮刀作前后移动，刮刀的高度可由两边滑轨上的测微头作精确调节，这样可以保证所印出膜 的厚度符合不同的技术要求，且调节方便。 
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案： 
本发明是一种基于单片机控制的自动刮膜机，其特征在于包括参数设置和显示电路、温度测量与控制电路、电机控制与传动电路以及机械传动部分组成。其中参数设置和显示电路是由触摸屏完成的，能实现生产平板膜规格的大小和加热板的温度设置，温度测量与控制电路是由数字温度传感器和低电压加热器组成，数字温度传感器的输出数据由单片机读取，温度的控制是由单片机实现PID调节，并控制低电压加热器平均加热功率，电机控制与传动电路是由单片机控制步进电机带动刮刀在滑轨上移动来实现的，刮刀的来回移动由步进电机和位置传感器共同完成的，位置传感器的信号传送给单片机，由单片机判断刮刀是否改变移动方向，所印膜的厚度是由刮刀的高度所决定的，而刮刀的高度可以用测微头实现精确调节。 
本发明机械部分设计方案采用步进电机通过钢丝带动导轨上的刮刀完成刮刀的水平来回移动，这种方案在速度和精度上完全可以达到制膜的实际设计要求。 
刮膜机的控制核心板是由C8051F020为核心，外设有触摸屏、DS18B20A、步进电机驱动电路、加热器驱动电路等。采用触摸屏作为人机交换设备，省去了键盘接口，为保证操作方便和系统要求，采用OCMJ15X20D液晶屏，触摸屏驱动芯片为ADS7843，通过调节电位器可以调节其对比度，在电路设计中没加入背光关闭控制，在后来的电路中应该增加此电路。 
温度测量是利用DS18B20数字温度传感器，DS18B20通过一个单线接口发送或接受信息，因此在中央处理器和DS18B20之间仅需一条连接线(加上地线)。它的测温范围为-55～+125℃，并且在-10～+85℃精度为±0.5℃，完全可以达到系统的要求。此传感器提供9-12位摄氏温度测量，而且有一个由高低电平触发的可编程的不因电源消失而改变的报警功能。 
电热板加热电源选择24V隔离直流电源，主要是考虑到安全问题，刮膜机台面是金属材料而且操作时人体经常会触碰到台面，因此用220V交流高电压电源加热不安全，系统将220V交流电源经开关电源转换成24V直流电源，根据加热器的面积和工作温度确定加热器额定参数为24V/250W，本开关用的是成品模块，选择24V/350W的成品电源，为了防止干扰，专门设计一个电源给单片机和LCD用，系统选择的MCU是Silicon Laboratories公司的C8051F020，MCU是混合型芯片，模拟电源和数字电源分开供电， 都是3.3V，为防止干扰用一点共地。 
软件采用模块化设计，主要由PID调节软件设计、触摸屏程序设计、LCD显示字符串子程序、电机驱动程序等部分组成，能完成参数设置、电机的正反转及速度控制、温度的控制和显示等功能。 
附图说明
下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。 
图1：自动平板刮膜机的系统框图； 
图2：C8051F020核心板电路； 
图3：触摸屏及其接口电路； 
图4：DS18B20与处理器接口电路； 
图5：运动控制系统实物照片； 
图6：步进电机驱动器接线图； 
图7：直流24V开关电源端口； 
图8：C8051F020单片机及LCD电源； 
图9：主程序流程图。
具体实施方式
由图1系统框图可知，自动平板刮膜机包括MCU主控板、加热系统、电机控制与传动电路、机械传动部分、LCD触摸屏以及电源等几部分组成。其中参数设置和显示电路是由触摸屏完成的，能实现生产平板膜规格的大小和加热板的温度设置，温度测量与控制电路是由数字温度传感器和低电压加热器组成，数字温度传感器的输出数据由单片机读取，温度的控制是由单片机实现PID调节，并控制低电压加热器平均加热功率，电机控制与传动电路是由单片机控制步进电机带动刮刀在滑轨上移动来实现的，刮刀的来回移动由步进电机和位置传感器共同完成的，位置传感器的信号传送给单片机，由单片机判断刮刀是否改变移动方向，所印膜的厚度是由刮刀的高度所决定的，而刮刀的高度可以用测微头实现精确调节。 
MCU主控板：刮膜机的控制核心板是由C8051F020为核心，外设有LCD触摸屏、DS18B20A传感器、步进电机驱动电路、加热器驱动电路等，具体电路如附图2所示。 
LCD触摸屏接口电路：采用LCD触摸屏作为人机交换设备，省去了键盘接口，为保证操作方便和系统要求，采用金鹏电子的OCMJ15X20D液晶屏，触摸屏驱动芯片为ADS7843，此液晶显示模块内建有512KB的16×16中文显示字型ROM(Font ROM)与8×16的ASCII半型字型。除了内建的8×16和16×16的字号外，还提供字型放大的功能，可利用REG[F1h]的设定，将显示字号放大到32×32、48×48或64×64。控制IC分带繁体字库IC和带简体字库IC，其中标准繁体中文BIG5码，包含13,094个常用与次常用字型、408个特殊字与两组ASCII CODE，简体字库储存7602个标准GB码的简体中文。 
ADS7843是四线电阻式触摸屏输入控制芯片。电路中包含触摸屏驱动电路和一个12位电容分压式逐次比较型模数转换器。ADC具有同步串行数据接口，最高数据速率是125KHz，工作电压2.7V到5V，参考电压可以从1V到VCC变动，并且不影响分辨率。ADS7843内部电路如图3-1所示。与单片机接口电路如图3-2所示，通过调节W1电位器可以调节其对比度，在电路设计中没加入背光关闭控制，在后来的电路中应该增加此电路。 
温度测量和控制电路设计：温度测量选择的是DS18B20数字温度计，此传感器提供9-12位摄氏温度测量而且有一个由高低电平触发的可编程的不因电源消失而改变的报警功能。DS18B20通过一个单线接口发送或接受信息，因此在中央处理器和DS18B20之间仅需一条连接线(加上地线)。它的测温范围为-55～+125℃，并且在-10～+85℃精度为±0.5℃，完全可以达到系统的要求。 
DS18B20的核心功能是它的直接读数字的温度传感器。温度传感器的精度为用户可编程的9，10，11或12位，分别以0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃增量递增。在上电状态下默认的精度为12位。DS18B20启动后保持低功耗等待状态；当需要执行温度测量和AD转换时，总线控制器必须发出[44h]命令。在那之后，产生的温度数据以两个字节的形式被存储到高速暂存器的温度寄存器中，DS18B20继续保持等待状态。当DS18B20由外部电源供电时，总线控制器在温度转换指令之后发起“读时序”(见单总线系统节)，DS18B20正在温度转换中返回0，转换结束返回1。如果DS18B20由寄生电源供电，除非在进入温度转换时总线被一个强上拉拉高，否则将不会由返回值。 
DS18B20与处理器接口电路有不要电源和要电源两种，选择的是要电源的接口，接口电路如图4所示，主板上有一个三线接口，只需将DS18B20的三根信号线直接引入即 可。 
运动控制系统设计：如图5所示，移动驱动电机选择的是步进电机，在平行的直线导轨上安装滑块，滑块上安装了支架，刮刀固定在支架上，刮刀的高度由固定在支架上的测微头来调节，用步进电机的轴带动钢丝拉动刮刀在平台上来回移动，刮刀移动到两端的位置由位置传感器决定，平台设有加热装置，其温度可以由触摸屏设定，通过温度传感器实现闭环控制，并采用PID调节。步进电机选用金坛市四海电机电器厂生产的型号为57BYGH203的步进电机。根据步进电机的参数设计此电机配套的驱动器选择，驱动器的电源电压也用24V开关电源这样可以节约成本，因为驱动器内部已经设计了光电隔离，只要在控制主板上留一个接口就可以了，驱动器接口以端子排的形式设计，控制信号为正反转控制和速度控制，接线图如图6所示，各端口功能如下：编号1-4为单片机控制信号，5-8为电机驱动接口，9-10为电源输入端。 
电源电路设计：包含两个部分，即电加热电源和单片机及显示屏电源。电热板加热电源选择24V直流电源，主要是考虑到安全问题，刮膜机台面是金属材料而且操作时人体经常会触碰到台面，因此用220V交流电压电源直接加热不安全，系统将220V交流电源经开关电源转换成24V隔离直流电源，根据加热器的面积和工作温度确定加热器额定参数为24V/250W，开关电源用的是成品模块，选择24V/350W的成品电源，其接口如图7所示。为了防止干扰，专门设计一个电源给单片机和LCD触摸屏用，系统选择的MCU是Silicon Laboratories公司的C8051F020，MCU是混合型芯片，模拟电源和数字电源分开供电，都是3.3V，为防止干扰用一点共地，其电路如图8所示。 
软件系统设计：程序开发使用的环境是Keil集成开发软件(要安装驱动)，使用C语言进行程序设计，程序设计为模块化设计，这样的结构调试比较方便，其主程序很简洁，方框图如图9所示。 
部分函数以头文件的形式包含在主程序中，头文件有四个，具体文件名如下： 
Figure BSA00000512267400051
系统中选择单片机C8051F020内部的定时器3来实现PID调节相关功能，设计定时 
时间为5ms，中断600次为一个调节周期(3S)，分辨率为1/600能够达到系统的要求。 电机驱动程序比较简单，用单片机的一个定时器来实现就行了，只要修改定时器的初值就可以调节速度。 

Claims (6)

  1. 本发明公布了一种基于单片机控制的自动刮膜机，能够实现平板膜的自动生产，该装置包括参数设置和显示电路、温度测量与控制电路、电机控制与传动电路以及机械传动部分组成。其中参数设置和显示电路是由触摸屏完成的，能实现生产平板膜规格的大小和加热板的温度设置，温度测量与控制电路是由数字温度传感器和低电压加热器组成，温度的控制是由单片机实现PID调节，电机控制与传动电路是由单片机控制步进电机带动刮刀在滑轨上移动来实现的，刮刀的来回移动由步进电机和位置传感器共同完成的，所印膜的厚度是由刮刀的高度所决定的，而刮刀的高度可以用测微头实现精确调节。本发明适用于工业生产或科研教学中制膜设备。
    1.一种基于单片机控制的自动刮膜机，其特征在于包括参数设置和显示电路、温度测量与控制电路、电机控制与传动电路以及机械传动部分组成。其中参数设置和显示电路是由触摸屏完成的，能实现生产平板膜规格的大小和加热板的温度设置，温度测量与控制电路是由数字温度传感器和低电压加热器组成，数字温度传感器的输出数据由单片机读取，温度的控制是由单片机实现PID调节，并控制低电压加热器加热与否，电机控制与传动电路是由单片机控制步进电机带动刮刀在滑轨上移动来实现的，刮刀的来回移动由步进电机和位置传感器共同完成的，位置传感器的信号传送给单片机，由单片机判断刮刀是否改变移动方向，所印膜的厚度是由刮刀的高度所决定的，而刮刀的高度可以用测微头实现精确调节。
  2. 2.根据权利要求1所述的基于单片机控制的自动刮膜机，其特征在于所述参数设置和显示电路由LCD触摸屏和单片机构成，实现印制平板膜的规格的设置以及低压加热器的温度参数的设置。
  3. 3.根据权利要求1所述的基于单片机控制的自动刮膜机，其特征在于所述加热系统由加热器功率驱动电路、加热器及温度传感器构成，加热器功率驱动电路的输入端接单片机，加热器功率驱动电路的输出端接加热器的输入端，温度传感器安装在发热盘上，其输出端接单片机的输入端。
  4. 4.根据权利要求1所述的基于单片机控制的自动刮膜机，其特征在于所述电机控制电路由单片机和步进电机驱动器组成，驱动器用24V开关电源供电，驱动器内部已经设计了光电隔离，单片机输出触发脉冲给驱动器，驱动器输出控制信号给步进电机，从而对其进行正、反转和速度控制。
  5. 5.根据权利要求1所述的基于单片机控制的自动刮膜机，其特征在于所述软件采用模块化设计，主要由PID调节软件、触摸屏程序、LCD显示字符串子程序、电机驱动程序等部分组成，能完成参数设置、电机的正反转及速度控制、温度的控制和显示等功能。
  6. 6.根据权利要求1所述的基于单片机控制的自动刮膜机，其特征在于机械传动部分由电机、导轨、滑块、刮刀、测微头和位置传感器构成，电机带动滑块在导轨上移动，刮刀和测微头固定在滑块上，利用测微头可以实现刮刀的升降，位置传感器安装在导轨的两端，其输出信号反馈给单片机，从而控制电机的正反转，带动刮刀来回移动。
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