封切機自動定位系統的設計和實現
１ 引言
由于單片機具有很靈活的控制功能和能夠提供可靠的運行測試，因此在機電一體化的領域中得到廣泛的應用。利用單片機的功能實現自動化控制加工已成為現代工業最常用的控制方法之一。
本設計的主要目標在于充分的利用單片機的資源和功能，以最簡單的方法來完成封切機定位系統的復雜任務。系統工作時通過光電信號傳感器對封切機運動參數進行檢測和單片機的軟硬件控制功能來實現對封切機運動狀態的自動定位，從而控制步進電機的送料的速度，使之與主電機控制的封切運動狀態相配合，實現包裝袋的精確封切；同時，實現包裝自動電子計數及顯示，袋長顯示及調整，點動和清零等操作功能。
２ 封切機自動定位系統的工作原理
封切機自動定位系統的應用對象是包裝袋，通過８７５１單片機的軟硬件功能和光電信號傳感器檢測到的信號來實現對包裝袋輸送和封切的運動狀態自動定位，控制送料步進電機的速度，使送料與無級調速主電機的封切動作相配合，以實現包裝袋封切的自動化和精確化；同時，通過顯示器和報警系統向生產操作員提供準確的生產信息。
封切機自動定位系統的工作原理，圖中虛線部分為８７５１單片機及其外部接口，在輸入端有人工操作信息和現場信息輸入；輸出端有顯示系統和執行機構響應單片機的運行結果；人工輸入包括：調整袋長、清零、復位、點動等操作；現場信息有主要為光電眼的信息；工作狀態顯示則為顯示袋長數值和被加工袋的數量；外部執行機構是起送袋作用的步進電機，它的頻率受單片機控制。
在包裝生產行業中，用作包裝袋的復合薄袋可以分為兩種：一種為空白袋，另一種為印刷袋（色袋）。色袋上印有可供光電信號檢測傳感器識別的標識。封切機自動定位系統通過光電信號傳感器自動檢測到主電機控制的封切機頻率，從而轉化為脈沖數與另一個光電信號傳感器檢測到的脈沖數作比較，調整送料步進電機的頻率，以達到改變其送料的速度，使之適應主電機的封切運動。
自動定位系統根據封切袋的不同又可以分為兩種定位方式：一種是空白袋定位系統，此定位系統為定長定位系統，只要求封切運動的速度與送袋速度相配合，達到定長封切的要求；另一種是印刷袋定位系統，印刷袋定位系統則為定位的跟蹤，要求每次封切的位置必須落在指定的標識位置。
我們在進行各項封切任務時，必然會遇到一個問題；就是每次任務要求的袋長都可能會改變，而這必然會影響到我們在系統中預置的袋長初值。又因為檢測色袋標識的光電眼與封切口之間的距離Ｓ為一個定值，袋長改變了，也必然會影響送袋速度與封切速度之間的關系。因此為實現加工的自動化定位，必須要對此袋長與距離Ｓ之間作一定的函數調整。但這只對封切印刷袋有效，而在封切空白袋時則沒有意義了。
３ 自動定位系統的硬件設計
３．１ 步進電機的控制
本系統因８７５１單片機的硬件接口限制和為了提高系統運行時的精度，對步進的控制采取硬件分配方式而不是用軟件分配，步進電機的運行、停止和運動速度則由８７５１單片機的Ｐ１．０端口輸出脈沖頻率來控制。當改變Ｐ１．０端口輸出脈沖的周期時，ＡＢＣ三相繞組高低電平的寬度將發生變化。這就導致通電和斷電的速率發生了變化，從而改變步進電機的速度。綜上所說，要控制步進電機的運動狀態和運行速度，只要調節Ｐ１．０端口輸出的脈沖周期和脈沖數就可以實現了。
圖1 封切機的簡易結構
３．２ 光電信號傳感器的應用
光電信號傳感器是以光為媒介進行信號傳輸的器件。在封切機自動定位系統中，安裝了兩個光電信號傳感器（如圖１所示）。它的主要作用是：對整個系統進行實時監控，當光電信號傳感器接收到信號時，就會把接收到的信號以電平的形式傳輸給ＣＰＵ，并產生中斷要求：要求ＣＰＵ在完成當前指令的下一機器周期跳變到該中斷要求所對應的中斷子程序，執行該中斷子程序，完成對整個系統的實時監控和有關數據的運算及傳送。
一個光電信號傳感器（又稱光電眼）安裝在包裝機熱封裝置前，當封切機自動定位系統的運行模式為印刷袋控制時，便開啟光電眼來檢測印刷袋上的顏色信號并將檢測得到的信號傳輸給ＣＰＵ，ＣＰＵ通過軟件功能將信號轉化為能夠控制步進電機運行的脈沖信號之一。
另一個光電眼傳感器安裝在封切到下落處，當封切機自動定位系統啟動時，該光電眼信號傳感器檢測到因封切刀起落引起的光亮變化而產生的或高或低電平信號并傳輸給ＣＰＵ，ＣＰＵ通過計數軟件和脈沖寬度測量軟件實現系統的自動電子計數功能和調整步進電機送料的速度。
３．３ 顯示系統
封切機自動定位系統中顯示系統的作用有兩個方面：一是向生產操作員提供袋長信息：二是顯示已封切的袋數，同時與報警系統相結合，實現定量生產的控制。
封切機自動定位系統的顯示系統硬件結構沒有應用譯碼器，譯碼器通過軟件來實現；顯示方式為串行口輸出共陰極動態顯示。
３．４ 報警系統
封切機自動定位系統中，報警系統的功能：一是當封切袋數累計到ｎ１００＋９０個時（ｎ為任意整數），系統就會自動報警；當封切袋數累計到ｎ１００個時（ｎ為任意整數），系統便自動取消報警。該功能的實現可有助生產操作員實現定量生產控制。二是當光電信號傳感器檢測到的封切機動作進行地過快時，系統自動報警。其硬件結構由蜂鳴器、功率放大晶體管和８７５１單片機組成。
３．５ 系統的可靠性設計
為了保證封切機自動定位系統運行的可靠性，降低ＩＮＴ０、ＩＮＴ１口輸入的外部中斷信號對ＣＰＵ運行的干擾，系統硬件設計中采用了光電隔離電路。當光電眼向ＣＰＵ的ＩＮＴ０、ＩＮＴ１中斷口輸送電平脈沖信號時，經光電耦合器輸入輸出隔離電路和六相施密特觸發器４０１６０輸入給８７５１單片機的相應端口，使８７５１單片機的內部數據總線的運行不受噪聲電平的影響。
４ 自動定位系統的軟件設計
４．１ 系統的定義
在此系統為連續工作的自動定位系統。所以送料和封切運動是連續進行。因此必須要求系統快速的反映各個中斷的請求。多個中斷嵌套構成了整個系統的主體。
首先從主電機得出封切速度，經過速度轉換運算子程序求出步進電機的初速度并送給步進電機，然后將步進電機的速度反饋給單片機，再與封切機的速度作比較，由速度調整子程序調整步進電機的速度。
在封切機自動系統中，軟件主要解決的問題是ＣＰＵ將獲取到的袋長信息和主電機的封切速度的脈沖信號轉化為定時器ＴＯ的初值問題，以及如何比較兩者之間的差異進而實時監控步進電機的速度。
袋長信息的獲取則在系統初始化時，由操作員人工輸入，系統默認值為１５０ＭＭ。可以通過按鍵對其數值進行“１”、減“１”操作，調整袋長數值。而步進電機的輸出速度則由８７５１單片機Ｐ１．０端口輸的脈沖頻率決定。若檢測到兩次封切之間的脈沖數比此期間所送袋長對應的脈沖數少，這說明送料速度比封切速度慢了，應該加快送料速度，此時定時器ＴＯ的值增加；反之，減少ＴＯ的值。
４．２ 系統軟件流程圖的設計
系統軟件的主要功能是判斷封切自動定位系統的工作方式（空白袋／印刷袋）和實現自動定位操作等。
對于印刷袋由于印刷不可避免地存在印刷誤差，使得包裝袋的袋長長度不一致，為了糾正該誤差信息就必須利用第二個光電眼，對印刷袋實行實時定位，并通過一系列軟件對誤差進行處理，調整ＣＰＵ的Ｐ１．０端口向步進電機輸送的脈沖系列，以實現包裝袋的精確封切。
當封切機自動定位系統的處理對象是空白袋時，將主程序中設定的或經人工修改的袋長化為脈沖數作為自動定位系統比較的初值；與光電眼１檢測到的脈沖數相比較，將比較結果反饋給ＣＰＵ，ＣＰＵ根據反饋回來的信號調整單片機Ｐ１．０端口輸出脈沖的頻率，從而控制步進電機的送袋速度。