1、 南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目：高速喷水织布机单片机控制系统设计专 业： 自动化（数控技术） 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： 设计地点： Graduation Design (Thesis)Design of Singlechip Control System For the High-speed Water Jet LoomByQian AijingSupervised byAssociate Rrof.HUA MaofaSchool of Automation Nanjing Institute of TechnologyJune,2008摘
2、要本文主要介绍了高速喷水织布机的工作原理及设计要求，叙述了喷水织布机控制系统的设计过程，包括硬件电路和软件编程，以及用Protel DXP软件绘制电路原理图和PCB图的方法及步骤。喷水织布机的硬件控制电路包括：主控电路、故障检测电路、电磁刹车电路、整流电路及强电电路等。其中主控电路利用89C51单片机来控制主电机的正反转、点动以及风机的启动；故障检测电路主要控制断纬、左右捻边纱断纱、电机过热、卷布筒张力过大等五项故障自停以及计长停车；电磁刹车电路控制织布机刹车装置和高、低刹车电压的转换；整流电路将交流电转换为直流电；强电电路控制电机的正反转、两个风机的启动以及星/三角启动的转换。软件控制程序包
3、括主程序，以及中断子程序和延时子程序。本设计采用单片机来控制织布机系统，单片机编程对故障检测精确度高，可随时停机排除故障，这样可以提高织物品质，并且单片机控制灵活性大，操作人性化，可靠性高，价格低廉，维修方便。可广泛投入市场使用。关键词：高速喷水织布机；单片机控制；硬件设计；软件设计ABSTRACT This paper presents the work principle and the design of the high-speed water jet loom and the design process of the control system,including the dar
4、dware and the software,and how to protract the circuit principle fig and PCB. The hardware control circuit of the water jet loom include:the main control circuit,the malfunction check circuit,the electromagnetism brake circuit,the commute circuit,and the strong electricity circuit.The main control c
5、ircuit impose the 89C51 singlechip to control the positive and negative reversal of the direct electromotor,wiht point reversal,and the start and stop of two fans. The malfunction check circuit is used to examine the break of the latitude, left and right side to twist the break yarn, the high temper
6、ature of the electrical engineering, the powerful strain of the sari tube and so on. The electromagnetism brake circuit controls the braking movement of the looms brake installation and the conversion of the high and low brake voltage.The commute circuit would conversion AC to DC.The strong electric
7、ity circuit control the positive and negative reversal of the direct electromotor and the conversion of the startup mode ,which can choose Y or . The software control classify main program ,intermit subprogram and time-lapse subprogram. This design adopt the singlechip to control the high-speed wate
8、r jet loom,which has a strong agility charanter,a human operation,a high dependability.Its so cheap and has a convenient maintain.So it can be dived into agora greatly.Keywords：high-speed water jet loom; singlechip control; hardware design; software design目 录 第一章 绪论1 1.1 织布机的发展1 1.2 织布机的控制1 1.3 织布机控
9、制技术的发展2 1.4 本文的结构3第二章 织布机概述与设计要求42.1 织布机概述4 2.1.1 喷水织布机简介42.1.2 喷水织布机喷纱原理4 2.2 检测的内容与要求4 2.3 织布机的控制要求4 2.3.1 电机的控制4 2.3.2 刹车的控制6 2.3.3 指示灯要求6 2.3.4 直流电源要求6第三章 织布机控制系统电路设计8 3.1 设计方案的拟定8 3.2 主控电路的设计83.2.1 主控电路中单片机89C51的应用83.2.2 主控电路中光电耦合器接口电路123.2.3 主控电路中固态继电器接口电路12 3.3 六项自停电路设计14 3.4 电磁刹车电路设计143.4.1
10、刹车电路中的电气元件143.4.2 刹车电路工作原理15 3.5 强电控制电路设计17 3.6 整流电路设计18第四章 织布机控制系统软件设计20 4.1 主程序设计20 4.2 子程序设计28第五章 原理图与PCB图的绘制34 5.1 Protel DXP的简介34 5.2 如何用Protel画原理图34 5.2.1 原理图的设计步骤34 5.2.2 画原理图35 5.3 织布机控制系统总原理图36 5.4 如何用protel 画PCB图365.4.1 自动布线法画PCB图37 5.4.2 部分元件的封装说明38 5.5 织布机控制系统PCB图39第六章 结论40致谢42参考文献43附录A：
11、英文资料44附录B：英文资料翻译57附录C：硬件设计原理图与PCB图63附件： 毕业论文光盘资料 第一章 绪 论1.1 织布机的发展 喷水织机(如图1.1所示)是20世纪50年代出现的一种新型无梭织机，它由捷克斯洛伐克人V.S vaty发明，1955年在布鲁塞尔国际纺织机械展览会上展出了世界上最早的一台喷水织机样机。1959年捷克斯洛伐克生产的喷水织机，扣幅只有1050mm一种，最高车速仅有400r/min。我国从本世纪70年代开始研制喷水织机。1980年，上 图1.1 喷水织布机海第十五丝织厂在全国首家引进日本津田驹ZW型喷水丝织机52台，因其具有车速高、质量优、看台多、故障少、电子化显示生
12、产情况等特点，立即在国内纺织界引起哄动，在丝绸行业刮起了一股喷水织机引进风，至1992年，全国丝织厂共引进日本日产LW型喷水织机2190台，日本津田驹ZW型喷水织机1842台，意大利JH-1000型喷水织机120台，捷克H175U型喷水织机20台，喷水织机成为丝织行业引进最多的无梭织机机种。同时，我国国产喷水织机销势也渐好，外资、民营均有，有引进技术的，也有仿制改进的，喷水织机在全国遍地开花。随着人民生活的提高，仿真丝、化纤纺丝、仿麻，仿皮的高档服饰面料需求量大幅上升。纤织物的需求快速增长，这不但为喷水织机提供了快速发展的空间，而且因为纤维原料和织物品种的不断更新，人们对织造技术效率不断提出新
13、的要求，促使喷水织机及喷水织造技术逐步提高。经过十多年的发展，喷水织造的技术水平出现了新面貌。常规大批量投产的织机速度已由最初的400r/min提高到1000r/min以上。1.2 织布机的控制 为了保证织机高速、高效的生产各种高质擞的产品，降低劳动强度，提高劳动生产率，除具备先进的机械设计与精密的机加工技术之外，完备的织机电控系统也是其中一个重要方面。进入80年代后期之后，随着微型计算机技术应用的进一步发展，各种无梭织机的电控系统更加成熟与完善，以至当前任何一台先进的织机都体现了机电一体化的完美结合。 新型织机的电控系统具备了下列主要功能: 1）织机工作状态的调整、监控及生产管理功能，如织机
14、参数的设置、工艺参数的设定、织机工作状态监测、生产数据转移、织机信息显示等操作台式中央计算机的键盘功能。 2）提高织机的产品质量及品种适应性的功能，如电子多臂、电子提花、电子选色、电子卷取、电子送经、自动找梭口及防开车档、引纬张力程控、纬纱定长及时间控制、开车补偿、自动修纬、自动修经等。 3）方便织机的操作与维修功能和织机的安全保护劝能等。织机的电气控制系统是织机全部电控系统的强电部分，是织机电子控制系统的执行系统，有时织机机械控制系统的动力来源于控制设备，它由主电路及其控制电路组成。织机的电子控制系统是全部织机电控系统的弱电部分，也是其核心部分，织机各种功能的完备与否，与该机电控制技术的先进
15、程度密切相关。1.3 织布机控制技术的发展 织机控制技术发展到今天，经历了纯人工控制、纯机械控制、机电(或机电液)控制、机电一体化、单台计算机的集中控制、多台微机的分级和分层控制等几个阶段。无梭织机的控制最主要的特征体现在新型引纬方面，且其他方面也采用了许多新技术，所以又称为新型织机。 随着电子控制技术和计算机控制技术的发展，织机控制技术进入了新的迅速发展的阶段，为研制低价格、高性能的织机控制提供了可能性，为不断提高织物质量创造了条件。计算机控制技术在织机中的应用日趋广泛和成熟，它代表了当今织机发展的最新水平。计算机控制技术的应用提高了织造的生产效率和产品的质量，大大降低了劳动强度，节省劳力，
16、实现了织造工厂自动化。织机的计算机控制技术的特点是利用微电子技术来实现自动控制，利用微机生产管理系统完成织造参数设定、修改、现实、检测、控制，使织造生产的管理自动化。国产纺织设备的机电一体化起步较晚，我国织机生产厂家从90年代后期，开始涉足喷水织机控制系统的研究开发领域，走技术引进、技术消化吸收、独立开发的道路。经过十几年的努力，取得了一定的成绩，研发出了多款喷水织机控制系统。与进口喷水织机相比，在织机性能和织造织物的品种适应性等方面还存在很大差距。从理论上研究高速喷水织机的控制系统，对提高国内喷水织机的制造水平，满足日益增长的市场要求，有重要的理论意义和显著的经济效益。织布机一般有硬件和软件
17、两种控制方式。硬件控制成本虽低，但灵活性也低，机器的使用寿命也不长，维修不方便。而软件控制，成本虽高，但可靠性也高，稳定性也好，维修简单，并且节省劳动力，现在被广泛使用。本课题中，采用了单片机控制织布机，通过改变软件程序就可以实现织布机所要求的不同功能，大大增强了灵活性和工作效率。1.4 本文的结构 本文围绕高速喷水织布机控制系统的设计，根据设计任务和要求，介绍了织布机的发展概况，喷水织布机的工作原理，控制系统原理图的设计，软件流程图的绘制与程序的编写，并介绍了如何使用Protel DXP绘制原理图和PCB图。全文分六章，各章内容如下：第一章为绪论，主要介绍织布机的发展及其控制技术；第二章为织
18、布机概述与设计要求，主要介绍了织布机工作原理与检测要求，以及对织布机的控制要求进行阐述；第三章为控制系统硬件电路设计部分，详细说明了硬件部分的设计情况，包括设计方案的确定，主控制电路、整流电路及强电控制电路部分的设计与分析；第四章为控制系统软件设计部分，包括主程序、子程序流程图的绘制，主程序、中断子程序、延时子程序的编写；第五章为Protel DXP的应用，介绍了Protel DXP，以及如何应用Protel DXP绘制系统原理图及PCB图；第六章主要是结论，对论文的总结以及做毕业设计的感想。第二章 织布机概述与设计要求2.1 喷水织布机概述2.1.1 喷水织布机简介 织布机分梭织机、喷水织机
19、和喷气织机，由于梭织惯性大、效率低，基本已淘汰，目前织布机多为喷水织机和喷气织机，两者工作原理基本相同。2.1.2 喷水织布机喷纱原理 喷水织机是利用高压水与纬纱之间的摩擦力，拉动纬纱穿过交错排列好的上下交替运动的一根根经纱，交织过程中，经纱边交替上下运动边向前移动，每上下交替运动一次，高压水喷出一根纬纱，经纱和纬纱绕在各自纱台上，自动放纱，每喷出一根纬纱，剪纱刀自动将其剪断，为使纬纱排紧，每喷一根纬纱，紧纱装置紧纱一次，使纬纱排列紧密。织成的布经吸水装置吸水后，卷到前方卷布筒上。如图2.1所示。2.2 检测的内容与要求在织布过程中，遇到故障必须立即停车，需检测到故障有： 1）断纬。如图2.2
20、所示。在正常工作中，每喷水一次，由接近开关产生一信号，同时探纬传感器也相应产生一信号，两信号同时送到探纬器，若探纬器只收到接近开关信号，没有收到探纬传感器信号，说明已经断纬，此时探纬器立即发出停车信号，切断主电机电源，随后发出刹车信号，刹住织布机，停止运动，以免经纱继续向前移动，造成排除故障重新开机后纬纱不连续，出现次品。 2）电机过热。当电机工作温度过高，电机内部的过热保护装置发出信号，电机须停机并立即刹车。 3）左右捻边纱、缠纬纱断纱、卷布筒张力过大，需停止、刹车。除了上述故障发生的需要停车外，当织布长度达到设定长度的也要立即停车。2.3 织布机的控制要求2.3.1 电机的控制 织布机共有
21、三台电机： 1）主电机。主要为织布机运动装置提供运动以及动力。起动时，有两种 图2.1高速喷水织布机工作原理方式：Y型起动，正常工作时也为Y型；Y型起动，型起动（起动快），经延时后切换成Y型正常运转，起动方式可由操作者选择。 2）风机电机。共两台，一只吹风，一只吸风，将吹风机吹出的水汽吸走。调整织布机各个运动机构位置时，可正、反点动主电机，此时，风机电机不需起动。织布时，要先启动风机电机，后启动主电机，否则主电机不起动。（另外，调整织布机，刹车装置要松开，否则不能点动。织布时，刹车装置处在松开的有效状态。）图2.2 压水及断纬故障检测示意图2.3.2 刹车的控制刹车装置为电磁铁，启动主电机织布
22、时，刹车装置必须处于有效状态，即遇到故障的停车能立即刹车，当刹车装置处于无效状态时，主电机不能启动。点动调整织布机时，刹车也应处于有效状态，松开点动按钮后，能立即刹住织布机。当刹车装置处于无效状态时，可用于手工盘动织布机，以调整织布机运动机构装置。2.3.3 指示灯要求 织布机由四只指示灯，红色作电源指示，接通电源后，该灯亮；黄色作织布指示，正常工作时，该灯不停闪烁，断纬停车后，该灯只亮不闪烁；绿色作电机过热、捻边纱、缠纬纱断纱指示，故障发生后停车时，该灯亮，故障不发生不亮；蓝色作计长指示，设定长度达到后停车时指示，长度未到，不停车，灯不亮。2.3.4 直流电源要求控制系统所需要电源由四种直流
23、电源：单片机工作电压5V，探纬器工作电压12V，控制按钮工作电压12V，刹车装置直流电压110V。上述四种直流电压经变压器、整流后获得。刹车时，加在电磁铁上的电压为110V，停车后，降为24V，这是通过控制系统软件，使电磁铁线圈处于通断通断工作状态，靠改变通、断时间以使线圈的平均电压为24V。如图2.3所示。此处删减NNNNNNNNNNNNNNNN字 需要整套设计请联系q：99872184。图2.3刹车电压第三章 织布机控制系统电路设计3.1 设计方案的拟定根据任务书要求，对织布机控制系统电路进行设计。控制系统电路分三个电路：主控电路、强电电路和整流电路。主控电路利用CPU为89C51的单片机
24、实现正反转、正反点动、风机运转、电磁刹车、故障检测自停，以光电耦合器作为隔离单片机系统与输入输出部分的控制元件。控制系统输出口与强电电路接口为固态继电器。整流电路主要由变压器、二极管整流桥、滤波器和集成稳压器等组成，用来实现三相交流电到5v（单片机工作电压），12v（探纬器工作电压），12v（控制按钮工作电压），110v（刹车装置直流电压）的转换。强电部分主要利用电气控制原理实现电机运转，包括电气保护元件、接触器开关、电机等。3.2 主控电路的设计主控电路主要利用89C51单片机实现主电机正反转、正反点动、风机运转、电磁刹车、故障检测自停，以光电耦合器作为隔离单片机系统与输入输出部分的控制元件
25、，并在电机控制信号输出电路当中采用了固态继电器与电机控制强电电路进行连接。主控电路如图3.1所示。3.2.1 主控电路中单片机89C51的应用AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容MCS51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机可灵活应用于各种控制领域1。如图3.2所示，89C51共有40条引脚。其引脚的说明如下：1.电源引脚VCC和GND（共2根）VCC （40脚
26、）：接5V电压。GND（20脚）：接地。 2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2（共2根）XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接连到内部时钟发生器的输入端。原理图中，XTAL2接振荡信号，图3.1主控电路图XTAL1接地。其使用了12MHz晶振，则根据单片机CPU的工作时序，其4个周期的具体值计算如下：振荡周期=；时钟周期=；机器周期=；指令周期=。3.控制和复位引脚ALE、和RST（共4根）ALE（30脚）：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。 图3.2 89C51引脚图 （29脚）：
27、外部程序存储器读选通信号。 （31脚）：外部访问允许。 RST （9脚）：复位信号输入端（高电平有效）。4. I/O口引脚P0、P1、P2、P3P0口：P0口是一组8位漏极开路输出型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”时，又可作高阻抗输入端用。P1口：P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作输入口。作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P2口：P
28、2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器时或16位地址的外部数据存储器（如执行MOVXDPTR，A）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXR1，A）时，P2口线上的内容（特殊功能寄存器SFR区中的R2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。P3口：P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”时，它们被内部上拉电阻
29、拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。根据任务书要求，本设计所应用引脚功能见表3.1：表3.1 引脚功能说明端口引脚功能说明端口引脚功能说明VCC工作电压5VP1.5控制左绞故障自停GND接地 P1.6控制缠纬故障自停P0.0控制计长指示灯P1.7控制张力过大自停P0.1控制五项自停指示灯P2.0控制高压刹车P0.2控制探纬指示灯P2.1控制低压刹车P0.3控制电源指示灯P2.2控制继电器YKM输出电路P0.4控制继电器KM0输出电路P3.1控制主电机反转点动P0.5控制继电器FKM输出电路P3.2控制系统停车P0.6控制继电器ZKM输出电路P3.3控制主电机正转点动P0.7控制继电器KM输出电路P3.4接近开关信号RST控制系统复位P3.5控制风机启动P1.0手动控制六项自停P3.6刹车开关信号P1.1手动控制主电机Y-启动P3.7控制系统停止P1.2控制计长自停XTAL1接振荡器 P1.3控制电机过热自停XTAL2接振荡器P1.4控制右绞故障自停3.2.2 主控电路中光电耦合接口电路1. 光电耦合器的结构及特点光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发图3.3 光电耦合器的结构和符
