基于C8051F單片機(jī)的鋼絲斷線檢測裝置

吳 旭，張志軍

(中國電子科技集圖公司第四十五研究所，北京101601)

多線切割機(jī)是一種用于硅材料或其它脆硬材料加工的高效加工設(shè)備，具有加工效率高，加工材料的表面質(zhì)量好，并且能夠加工大直徑的工件等優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體材料加工、太陽能電池材料加工及其它特殊材料的加工中得到了日益廣泛的應(yīng)用。然而，在具備上述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，多線切割機(jī)作為一種復(fù)雜的大型材料加工設(shè)備，其控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性要求很高，一旦在材料切割過程中出現(xiàn)鋼絲斷線的情況，被加工工件很難再繼續(xù)進(jìn)行加工，更為嚴(yán)重的是，如果在材料切割區(qū)出現(xiàn)斷線的情況，如果不能立即發(fā)現(xiàn)鋼絲斷線并且及時(shí)停機(jī)，將有可能造成鋼絲纏繞軸輥，并且損壞軸輥上的聚氨酯涂敷層，使得設(shè)備不得不停機(jī)更換軸輥，給用戶造成更大的損失。因此，為提高設(shè)備的可靠性及工作效率，針對多線切割機(jī)鋼絲斷線的意外情況，我們研制了專用的鋼絲斷線檢測裝置，并且通過獨(dú)立的檢測電路和單片機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，在出現(xiàn)鋼絲斷線時(shí)立即發(fā)出停機(jī)信號，既保證了檢測裝置的實(shí)時(shí)性能，又使得運(yùn)動控制系統(tǒng)能夠?qū)Ｗ⒂谡５脑O(shè)備控制功能，不會對控制系統(tǒng)造成額外的工作負(fù)擔(dān)。

1 檢測裝置的工作原理

鋼絲斷線檢測裝置的工作原理如圖1所示。

圖1 鋼絲斷線檢測裝置的工作原理

在圖1所示的檢測裝置中，收放線輪和探測器桿都是通過絕緣套墊安裝在機(jī)器上，從而使其與機(jī)殼絕緣。檢測裝置首先需要將信號源加載到鋼絲線上，為保證設(shè)備的安全性，通常選用低壓直流電源，在實(shí)驗(yàn)中，我們選擇DC 12 V的線性電源作為信號源。同時(shí)，為防止出現(xiàn)短路等意外情況，信號源輸出電路應(yīng)采取限流和保護(hù)措施。需要注意的是，由于在設(shè)備工作時(shí)，收放線輪處于高速旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動狀態(tài)，為保證檢測裝置工作的可靠性，在線輪上安裝了碳刷，將信號源通過碳刷傳遞到安裝在線輪軸上的銅環(huán)上，從而加載到鋼絲線上。

在靠近軸輥并且與軸輥平行的方向上安裝有數(shù)只金屬探測桿，并且探測桿連接到后續(xù)放大電路的輸入端。由于在加工過程中，軸輥帶動鋼絲高速運(yùn)動，同時(shí)由于有伺服電機(jī)或氣缸等裝置對鋼絲施加有一定的張力，一旦在切割過程中軸輥上的鋼絲斷線，在速度和張力的作用下鋼絲線將在斷點(diǎn)處立即被高速旋轉(zhuǎn)的軸輥甩開，并接觸到金屬探測桿上，加載在鋼絲線上的信號源也因此傳遞到探測桿及后續(xù)放大電路的輸入端上，如果能夠及時(shí)檢測到探測桿上輸入的信號，就可以立即發(fā)現(xiàn)在切割區(qū)出現(xiàn)鋼絲斷線的情況并停機(jī)，保護(hù)軸輥不被鋼絲纏繞傷害。

2 信號放大電路

連接到探測桿的放大電路采用基本的三極管放大電路，其結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，設(shè)計(jì)和調(diào)試都很容易，見圖2。

圖2 信號放大電路原理圖

在設(shè)備正常工作時(shí)，鋼絲線不與金屬探測器桿接觸，加載在鋼絲上的信號源與三極管T1的基極之間存在著較大的電阻，通常砂漿的電阻值都在1 MΩ左右，因此三極管基極的輸入電流很小，通過適當(dāng)選擇R1的阻值，使T1在設(shè)備正常狀態(tài)下工作在截止或放大狀態(tài)。而一旦鋼絲斷線并與金屬探測桿接觸時(shí)，信號源通過鋼絲上和金屬探測桿輸入到T1的基極上，通常鋼絲線上的阻值在數(shù)十千歐以內(nèi)，相對于未斷線時(shí)T1基極輸入的電流值大大增加，使三極管飽和導(dǎo)通，通過測量T1集電極上的電壓值即可區(qū)分設(shè)備正常工作和鋼絲斷線時(shí)的狀態(tài)。

在后續(xù)電路中，對輸入信號進(jìn)行了轉(zhuǎn)換和調(diào)理，使放大器的輸出電壓值與C8051F單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器的工作范圍相匹配，并且通過隔離放大器輸出測量信號，可以使設(shè)備工作更加安全可靠，提高設(shè)備的抗干擾性能。

3 C8051F單片機(jī)測量系統(tǒng)

為簡化硬件電路設(shè)計(jì)，提高設(shè)備可靠性，檢測系統(tǒng)使用Silicon lab公司的C8051F121型單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心。C8051F121型單片機(jī)的指令集與傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)兼容，但其性能卻相對于其它51系列單片機(jī)有了極大的提高：

（1）首先，其內(nèi)核采用了高速、流水線結(jié)構(gòu)的CIP-51內(nèi)核，通過內(nèi)部集成的倍頻器和PLL，最高工作頻率可達(dá)100 MHz，并且70%的指令在一個或兩個系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，運(yùn)算有了大幅度的提高；

（2）片內(nèi)集成了精度較高的8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器，其最高采樣頻率為100KSPS，并且通過設(shè)置內(nèi)部的可編程放大器的增益，輸入電壓范圍可達(dá)到0～5 V，完全可以滿足對測量信號實(shí)時(shí)采集和處理的要求；

（3）片內(nèi)的JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品進(jìn)行全速、在線調(diào)試，并且不占用片內(nèi)資源。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行，使得編程和調(diào)試都十分方便；

（4）片內(nèi)集成了8K＋256字節(jié)的RAM存儲器和128K字節(jié)的FLASH存儲器，可以滿足大多數(shù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的需要，無須再外部擴(kuò)展RAM或ROM存儲單元，大大簡化了PCB板圖的設(shè)計(jì)，并且降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性；

（5）具有32個多功能數(shù)字I/O引腳，所有端口引腳都可耐5 V電壓，當(dāng)工作在輸出方式時(shí)，可以設(shè)置為漏極開路或推挽工作方式，其驅(qū)動電流可達(dá)10 mA以上，可以直接驅(qū)動普通的光耦器件，方便了系統(tǒng)之間的連接與擴(kuò)展；

（6）集成了兩路12位的D/A、電壓比較器、UART串行通訊接口、SPI接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器單元及看門狗電路等外設(shè)或功能模塊，方便系統(tǒng)的擴(kuò)展和開發(fā)應(yīng)用。

由以上介紹可以看出，采用C8051F121單片機(jī)作為檢測系統(tǒng)的CPU完全可以滿足性能要求。結(jié)合測量系統(tǒng)的要求，所采用的檢測系統(tǒng)主要包括了A/D信號采集單元、數(shù)字輸入單元、數(shù)字輸出單元及RS-485串行通訊系統(tǒng)組成。

A/D轉(zhuǎn)換單元用于采集鋼絲斷線檢測電路輸出的測量信號，將圖2所示的測量電路連接到C8051F121單片機(jī)的AIN0.X引腳，由單片機(jī)自帶的2.4 V參考電源提供參考電壓，并且通過軟件將可編程放大器的增益設(shè)置為0.5，這時(shí)單片機(jī)可以測量大約0～5 V的輸入電壓。檢測裝置被設(shè)置為以1～2ms的周期進(jìn)行連續(xù)測量，由定時(shí)器3溢出產(chǎn)生中斷時(shí)測量AIN0.X引腳的輸入電壓，當(dāng)單片機(jī)檢測到輸入的電壓值低于設(shè)定的閾值時(shí)，即通過I/O端口輸出斷線信號，使主機(jī)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷線故障并采取停機(jī)措施。

C8051F單片機(jī)的工作電源為2.7～3.6 V，斷線檢測裝置采用3.3 V電源，為了與控制系統(tǒng)常用的24 V電源匹配并提高測量裝置的抗干擾能力，斷線檢測裝置通過光耦器件與外部控制裝置連接。數(shù)字量輸入單元采用了PS2801光耦器件進(jìn)行隔離和轉(zhuǎn)換，將外部的24 V控制信號轉(zhuǎn)換為檢測系統(tǒng)兼容的3.3 V電壓信號，并通過74HCT14施密特觸發(fā)器整形后輸入到C8051單片機(jī)的數(shù)字輸入引腳，數(shù)字量輸出部分則通過TLP127光耦進(jìn)行隔離輸出，TLP127的輸出部分采用了達(dá)林頓連接晶體管結(jié)構(gòu)，輸出電流可達(dá)500 mA，可以直接驅(qū)動繼電器等器件。

串行通訊接口采用了MAX3485器件，MAX3485用于將RS-485線路驅(qū)動器的電平轉(zhuǎn)換為與單片機(jī)系統(tǒng)匹配的3.3 V低電壓電平。用戶可以通過串口設(shè)置斷線檢測系統(tǒng)的工作參數(shù)并監(jiān)控其工作狀態(tài)，采用RS-485總線電平可以使斷線檢測裝置與控制系統(tǒng)中其它功能模塊兼容，方便系統(tǒng)的連接與擴(kuò)展。見圖3。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

C8051F單片機(jī)的集成開發(fā)環(huán)境可以使用匯編語言或C語言開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用程序，其程序包括主程序和定時(shí)器中斷程序、串口通訊程序等部分。

圖3 C8051F單片機(jī)斷線檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在檢測系統(tǒng)工作時(shí)，需要以一定的時(shí)間周期進(jìn)行連續(xù)測量，通過能使定時(shí)器中斷及編寫定時(shí)中斷程序?qū)崿F(xiàn)定時(shí)檢測，在定時(shí)中斷程序中，A/D轉(zhuǎn)換器采集斷線檢測裝置輸入的電壓值，并將其存入RAM存儲單元中。

串口通訊程序用于接收上位控制計(jì)算機(jī)的控制命令，然后對控制命令進(jìn)行分析，確定是控制命令或是狀態(tài)監(jiān)控操作，并根據(jù)指令修改單片機(jī)中的參數(shù)值或向上位機(jī)返回狀態(tài)值。串口采用中斷操作方式進(jìn)行工作，設(shè)定其波特率為19.2 kHz，并且可以采用常用的MODBUS等通訊協(xié)議傳輸通訊數(shù)據(jù)。

主程序用于初始化系統(tǒng)的定時(shí)器、串行通訊口、A/D轉(zhuǎn)換器及I/O端口的設(shè)置，并根據(jù)串行通訊口接收的命令或I/O端口的輸入命令啟動檢測裝置工作、轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)、修改工作參數(shù)、或者復(fù)位故障與報(bào)警信號等操作。

5 結(jié)束語

采用以上基于C8051F單片機(jī)的多線切割機(jī)鋼絲斷線檢測裝置，具有很高的靈活性和實(shí)時(shí)性，并且獨(dú)立于主控制系統(tǒng)工作，不影響運(yùn)動控制系統(tǒng)的工作。該斷線檢測裝置在多線切割機(jī)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠可靠地捕獲斷線信號，并且與上位控制器進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)傳輸，提高了多線切割機(jī)的可靠性和工作效率。

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