劉杰，梅建偉，周祥成

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北十堰442002；2.十堰恒進(jìn)科技有限公司，湖北十堰442000）

基于單片機(jī)淬火機(jī)床顯示控制儀系統(tǒng)設(shè)計

劉杰1，梅建偉1，周祥成2

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北十堰442002；2.十堰恒進(jìn)科技有限公司，湖北十堰442000）

介紹了基于單片機(jī)技術(shù)的新型淬火機(jī)床顯示控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用串口分別與機(jī)床檢測控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通信，獲取機(jī)床運(yùn)行的主要參數(shù)，并控制機(jī)床的運(yùn)行。系統(tǒng)使用工業(yè)級液晶屏設(shè)計了良好的人機(jī)交互界面，可通過鍵盤設(shè)置機(jī)床參數(shù)并儲存。經(jīng)長期在淬火機(jī)床上使用，結(jié)果表明各項功能指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

單片機(jī)；顯示控制儀；淬火機(jī)床

現(xiàn)代淬火機(jī)床加工工件種類繁多，工藝比較復(fù)雜，不同產(chǎn)品加工工藝曲線不同，通過手動控制無法滿足生產(chǎn)需要。尤其在特殊加工行業(yè)中，關(guān)鍵部件對淬火工藝有著十分嚴(yán)格的要求，工藝上的細(xì)微差別可能會導(dǎo)致部件存在質(zhì)量不過關(guān)，直接影響產(chǎn)品整體性能［1］。隨著科技的進(jìn)步，單片機(jī)控制技術(shù)越來越成熟，在存在復(fù)雜電磁干擾的環(huán)境中，新型單片機(jī)工作的穩(wěn)定性、可靠性能夠滿足生產(chǎn)的要求［2］。使用單片機(jī)開發(fā)的顯示控制儀，能夠不斷接收檢測控制系統(tǒng)發(fā)出的機(jī)床各項主要參數(shù)，通過在線編程的方式輸入多種加工工藝參數(shù)，由控制器自動控制淬火機(jī)床的加工，能提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量，實(shí)時監(jiān)控機(jī)床的工作狀態(tài)及關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

本顯示控制系統(tǒng)在淬火機(jī)床加工系統(tǒng)中主要承擔(dān)人機(jī)交互和控制加工參數(shù)的功能，負(fù)責(zé)收集相關(guān)傳感器檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，結(jié)合產(chǎn)品工藝實(shí)際情況，設(shè)定參數(shù)，通過發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)命令，控制淬火機(jī)床電源的工作模式。本系統(tǒng)主要功能包括：1）向機(jī)床檢測控制系統(tǒng)DSP發(fā)送請求數(shù)據(jù)命令，接收并解析DSP數(shù)據(jù)，通過LCD液晶屏顯示；2）通過鍵盤在線輸入、存儲多種加工參數(shù)；3）實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)的在線存儲，方便新產(chǎn)品工藝的研究；4）向DSP發(fā)送加工參數(shù)，精確控制加工時間和其他工藝參數(shù)；5）含有多種工作模式，能夠滿足不同場合的各種生產(chǎn)要求；6）和遠(yuǎn)方的主控PC機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等功能。

為滿足系統(tǒng)功能要求，顯示控制儀系統(tǒng)硬件部分主要由單片機(jī)控制模塊、時鐘模塊、開關(guān)量輸出、數(shù)據(jù)輸入（按鍵）、數(shù)據(jù)顯示（5.7寸LCD）、數(shù)據(jù)存儲（EEPROM和Flash）、時鐘、電源、串口通訊等部分組成，顯示控制儀系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)通過RS232通信與DSP檢測控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，獲取相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)，控制淬火機(jī)床的加工；通過RS485通信與PC機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控和機(jī)床的加工控制。開關(guān)量輸入檢測部分主要用來檢測面板上的各個功能按鍵和選擇開關(guān)控制本系統(tǒng)的工作模式：本機(jī)模式、手動模式、遠(yuǎn)程控制模式。開關(guān)量輸出部分主要是控制輸出繼電器動作，以及控制面板各個指示燈、蜂鳴器等實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)顯示以及聲光報警功能。數(shù)據(jù)顯示采用工業(yè)級大屏LCD顯示，具有比嵌入式串口屏在強(qiáng)磁干擾現(xiàn)場工作更加穩(wěn)定可靠，單屏顯示內(nèi)容更多等優(yōu)點(diǎn)［3］。

圖1　顯示控制儀系統(tǒng)框圖

1.1時鐘電路設(shè)計

在淬火機(jī)床的工藝參數(shù)采集中，不僅要記錄電壓，電流，淬火液溫度等重要信息，還需要記錄這些故障信息發(fā)生的準(zhǔn)確時間。在控制淬火機(jī)床的加工時間中，需要能夠?qū)崿F(xiàn)最大99.9 h的計時，由于時間跨度較大，通過讀取專用時鐘芯片的當(dāng)前時間，采用軟件計算的方式比較合適。系統(tǒng)選用低功耗CMOS時鐘芯片PCF8563，地址和數(shù)據(jù)采用IIC串行總線接口進(jìn)行傳遞，能夠很好地滿足系統(tǒng)需求，節(jié)約了系統(tǒng)MCU的IO口，時間精度較高，通過添加3V電池，在系統(tǒng)斷電后時鐘依然能夠準(zhǔn)確提供當(dāng)前時間［4］。時鐘電路圖如圖2所示。

圖2　時鐘電路設(shè)計

1.2存儲電路設(shè)計

不同設(shè)備的工作系統(tǒng)參數(shù)不一樣，需要能方便修改系統(tǒng)的各項參數(shù)并能實(shí)現(xiàn)掉電存儲，為了方便加工并增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性，滿足存儲多套加工工藝參數(shù)，為此選擇采用AT24C04芯片來實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的保存。該芯片采用IIC總線方式通信，與時鐘電路部分共用一路IIC總線接口，減少對單片機(jī)資源的占用。系統(tǒng)采用2片AT24C04芯片，將系統(tǒng)參數(shù)與加工過程記錄數(shù)據(jù)分開存儲，減少對存儲器的頻繁操作，增強(qiáng)系統(tǒng)核心參數(shù)的安全性［5］。

機(jī)床在加工過程中，可能會出現(xiàn)部分警告或者故障，為了方便分析故障，在出現(xiàn)警告或故障后，控制系統(tǒng)需要及時給出聲光報警信息，并將當(dāng)前故障信息數(shù)據(jù)存儲下來?？紤]到機(jī)床加工時間較長，在特定情況下出現(xiàn)的報警次數(shù)較多、數(shù)據(jù)量較大，需要采用容量較大的Flash芯片來存儲記錄故障信息以及故障發(fā)生前后的系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)。系統(tǒng)采用了AT45DB161 Flash型芯片來存儲數(shù)據(jù)，AT45DB161采用3.3 V電源，系統(tǒng)MCU采用5 V電源，考慮到系統(tǒng)工作的安全性和抗干擾性，在存儲芯片和MCU之間采用磁耦隔離芯片ADUM1411來轉(zhuǎn)化電平。Flash存儲電路圖如圖3所示。

1.3其他部分電路設(shè)計

系統(tǒng)需要和負(fù)責(zé)采集淬火機(jī)床關(guān)鍵性能參數(shù)的DSP通過RS232通信，該部分通過MCU的一路串口接口通過MAX232芯片和DSP通信；同時還需要和PC機(jī)通過RS485進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，使用MCU的另外一路串口外接MAX485芯片即可實(shí)現(xiàn)［6］。所有外部IO檢測和IO輸出均使用光耦進(jìn)行光電隔離，利于提高系統(tǒng)的抗干擾能力。電源采用隔離性開關(guān)電源，防止淬火電源對系統(tǒng)造成干擾，外部通信電纜均使用屏蔽電纜，利于增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性［7］。

圖3　Flash存儲電路設(shè)計

2　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由液晶顯示、通信、輸入輸出IO口處理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)存取、加工參數(shù)計算等構(gòu)成。液晶顯示主要控制LCD液晶屏顯示數(shù)據(jù)和切換相應(yīng)的界面；通信主要負(fù)責(zé)和DSP以及PC機(jī)通信，并處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時處理和本系統(tǒng)內(nèi)部的IIC通信和SPI通信；輸入輸出IO口處理是檢測、識別鍵盤按鍵［8］；系統(tǒng)數(shù)據(jù)存取負(fù)責(zé)AT24C04和AT45DB16 1的數(shù)據(jù)讀取和寫入；加工參數(shù)計算完成淬火機(jī)床加工參數(shù)的計算與設(shè)置。

2.1系統(tǒng)主程序

為保證系統(tǒng)參數(shù)的安全可靠，每次正式加工前，反復(fù)對比系統(tǒng)參數(shù)，備份核心的系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)，為防止人工誤操作修改設(shè)定參數(shù)，系統(tǒng)設(shè)計了管理員和操作員2級密碼。對輸入系統(tǒng)的參數(shù)采用智能化控制方式，對每個參數(shù)進(jìn)行比對，不符合條件的數(shù)據(jù)不允許錄入，及時給出提示，防止參數(shù)設(shè)定出錯情況的發(fā)生。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

2.2液晶顯示界面

液晶顯示作為主要的人機(jī)交互界面，必須具有良好的操作性和實(shí)用性。根據(jù)本系統(tǒng)的功能，采用工業(yè)級液晶屏幕，設(shè)置了多個功能頁面，主要包括主菜單、設(shè)置菜單、運(yùn)行菜單、顯示菜單、報警菜單、系統(tǒng)信息頁面等，頁面的切換由面板上功能按鍵操作，具體的頁面顯示結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

主菜單界面為各個功能菜單的選擇界面；激活菜單界面可設(shè)置機(jī)床的加工模式（遠(yuǎn)程模式、手動模式、計時加工、程序加工等）及機(jī)床系統(tǒng)參數(shù)、在線程序參數(shù)；運(yùn)行菜單界面顯示當(dāng)前的加工狀態(tài)；顯示菜單頁面實(shí)時顯示機(jī)床的主要性能參數(shù)；報警菜單界面顯示加工過程中機(jī)床發(fā)生的詳細(xì)報警、故障信息以發(fā)生故障的時間；系統(tǒng)信息界面顯示系統(tǒng)的軟件版本號、升級記錄、系統(tǒng)時間設(shè)置等。

圖4　主程序流程圖

圖5　顯示界面結(jié)構(gòu)圖

3　總結(jié)

基于單片機(jī)控制技術(shù)的淬火機(jī)床顯示控制儀系統(tǒng)，通過單片機(jī)對關(guān)鍵參數(shù)的控制，提高了加工控制精度，產(chǎn)品的不良率得到有效控制，生產(chǎn)效率得到較大提高，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。系統(tǒng)在淬火機(jī)參考文獻(xiàn)：

床上的應(yīng)用使得機(jī)床智能化進(jìn)一步提高，降低了對相關(guān)進(jìn)口設(shè)備的依賴性，通過對系統(tǒng)參數(shù)的適當(dāng)修改，能應(yīng)用于多種型號的機(jī)床，適應(yīng)性較強(qiáng)。

［1］李書常.熱處理實(shí)用淬火技術(shù)介質(zhì)精選［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：10-12.

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Design of Display Control System for Quenching Machine Based on MCU

Liu Jie1，Mei Jianwei1，Zhou Xiangcheng2
（1.School of Electrical&Information Engineering，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan442002，China；2.Shiyan Heatking Technology Co.Ltd.，Shiyan 442000，China）

A new display control system of the quenching machine tool was introduced based on the mi?cro controller unit technology，which communicated with the machine tool detection control system and remote control system by the serial port.The main parameters of the machine tool running were ob?tained and the quenching machine operation was controlled by the display control system.A good inter?active interface was designed with the industrial grade LCD screen.The machine parameters were set and stored through the keyboard.Through a long period use on quenching machine tool，the results show the function parameters meet the design requirements.

MCU；display control device；quenching machine tool

TP368

A

1008-5483（2015）04-0056-03

10.3969/j.issn.1008-5483.2015.04.013

2015-10-05

劉杰（1988-），男，湖北公安人，從事電力電子及智能控制技術(shù)研究。E-mail：liujie_dy@huat.edu.cn