專利名稱：基于單片機控制的自動平板刮膜機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工業(yè)生產(chǎn)及科研院所平板膜的自動印制系統(tǒng)。
背景技術：
隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及國家對環(huán)境保護問題的日益重視，污水排放要求越來越嚴格，而傳統(tǒng)的處理方法不能滿足日趨嚴格的排放要求，膜技術幾乎能將所有的微生物截流在生物反應器內(nèi)，合格的膜生物反應器出水無須消毒，即可達到相關的衛(wèi)生標準，提高出水水質。水環(huán)境的嚴重惡化以及水資源的日趨短缺，迫切需要適合時代發(fā)展的污水資源化技術，要求廢水能夠循環(huán)再利用，以最大程度滿足工業(yè)化生產(chǎn)用水的需求，以緩解水資源的短缺狀況，膜生物反應器進行污水處理不僅可以大大節(jié)約水資源，避免“二次污染”，可為缺水地區(qū)的水資源重復利用提供新的方法。膜技術的高分離作用可以取代生化處理系統(tǒng)中的二次沉淀池。因此，膜設備可以減少占地面積，其既可以用于現(xiàn)有設備的擴容改造，也可以減少新建設備的占地面積。傳統(tǒng)的廢水處理大多數(shù)只有負的經(jīng)濟效益，這無疑使許多企業(yè)被迫承受廢水處理費用。而膜技術可以實現(xiàn)廢水的資源化，減少設備運行費用，減少設備占地面積。膜技術不僅可以用于污水處理，還可用于制藥，化工，食品，冶金，電子工業(yè)等。制膜時的一些工藝條件顯著影響著最終的膜結構和膜性能，因此科研中一種能調節(jié)控制各工藝條件的刮膜機對研究相轉換成膜技術是非常重要的，可以使膜的研制過程中各項指標定量化，將每一個對膜性能有影響的因素都置于定量控制下，從而能精確地研究工藝條件對膜結構和性能的影響，確定獲得最佳膜性能的工藝條件，使膜的研制具有重復性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對以往在實驗室制備平板膜常采用手工涂膜的方法，涂制的膜往往厚度不均，不能滿足性能測試的要求，提出一種采用單片機為控制核心，利用位置傳感器對刮膜的兩端的距離進行準確定位，用步進電機帶動絲桿轉動，由絲桿帶動刮刀作前后移動，刮刀的高度可由兩邊滑軌上的測微頭作精確調節(jié)，這樣可以保證所印出膜的厚度符合不同的技術要求，且調節(jié)方便。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術方案本發(fā)明是一種基于單片機控制的自動刮膜機，其特征在于包括參數(shù)設置和顯示電路、溫度測量與控制電路、電機控制與傳動電路以及機械傳動部分組成。其中參數(shù)設置和顯示電路是由觸摸屏完成的，能實現(xiàn)生產(chǎn)平板膜規(guī)格的大小和加熱板的溫度設置，溫度測量與控制電路是由數(shù)字溫度傳感器和低電壓加熱器組成，數(shù)字溫度傳感器的輸出數(shù)據(jù)由單片機讀取，溫度的控制是由單片機實現(xiàn)PID調節(jié)，并控制低電壓加熱器平均加熱功率，電機控制與傳動電路是由單片機控制步進電機帶動刮刀在滑軌上移動來實現(xiàn)的，刮刀的來回移動由步進電機和位置傳感器共同完成的，位置傳感器的信號傳送給單片機，由單片機判斷刮刀是否改變移動方向，所印膜的厚度是由刮刀的高度所決定的，而刮刀的高度可以用測微頭實現(xiàn)精確調節(jié)。本發(fā)明機械部分設計方案采用步進電機通過鋼絲帶動導軌上的刮刀完成刮刀的水平來回移動，這種方案在速度和精度上完全可以達到制膜的實際設計要求。刮膜機的控制核心板是由C8051F020為核心，外設有觸摸屏、DS18B20A、步進電機驅動電路、加熱器驅動電路等。采用觸摸屏作為人機交換設備，省去了鍵盤接口，為保證操作方便和系統(tǒng)要求，采用0CMJ15X20D液晶屏，觸摸屏驅動芯片為ADS7843，通過調節(jié)電位器可以調節(jié)其對比度，在電路設計中沒加入背光關閉控制，在后來的電路中應該增加此電路。溫度測量是利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，DS18B20通過一個單線接口發(fā)送或接受信息，因此在中央處理器和DS18B20之間僅需一條連接線(加上地線)。它的測溫范圍為-55 +125°C，并且在-10 +85°C精度為士0. 5°C，完全可以達到系統(tǒng)的要求。此傳感器提供9-12位攝氏溫度測量，而且有一個由高低電平觸發(fā)的可編程的不因電源消失而改變的報警功能。電熱板加熱電源選擇MV隔離直流電源，主要是考慮到安全問題，刮膜機臺面是金屬材料而且操作時人體經(jīng)常會觸碰到臺面，因此用220V交流高電壓電源加熱不安全，系統(tǒng)將220V交流電源經(jīng)開關電源轉換成24V直流電源，根據(jù)加熱器的面積和工作溫度確定加熱器額定參數(shù)為MV/250W，本開關用的是成品模塊，選擇MV/350W的成品電源，為了防止干擾，專門設計一個電源給單片機和IXD用，系統(tǒng)選擇的MCU是Silicon Laboratories公司的C8051F020，MCU是混合型芯片，模擬電源和數(shù)字電源分開供電，都是3. 3V，為防止干擾用一點共地。軟件采用模塊化設計，主要由PID調節(jié)軟件設計、觸摸屏程序設計、LCD顯示字符串子程序、電機驅動程序等部分組成，能完成參數(shù)設置、電機的正反轉及速度控制、溫度的控制和顯示等功能。


下面結合附圖對本發(fā)明具體實施方式
進行詳細說明。圖1 :自動平板刮膜機的系統(tǒng)框圖；圖2 :C8051F020核心板電路；圖3 觸摸屏及其接口電路；圖4 :DS18B20與處理器接口電路；圖5 運動控制系統(tǒng)實物照片；圖6 步進電機驅動器接線圖；圖7 直流24V開關電源端口 ；圖8 :C8051F020單片機及LCD電源；圖9:主程序流程圖。
具體實施例方式由圖1系統(tǒng)框圖可知，自動平板刮膜機包括MCU主控板、加熱系統(tǒng)、電機控制與傳動電路、機械傳動部分、IXD觸摸屏以及電源等幾部分組成。其中參數(shù)設置和顯示電路是由觸摸屏完成的，能實現(xiàn)生產(chǎn)平板膜規(guī)格的大小和加熱板的溫度設置，溫度測量與控制電路是由數(shù)字溫度傳感器和低電壓加熱器組成，數(shù)字溫度傳感器的輸出數(shù)據(jù)由單片機讀取，溫度的控制是由單片機實現(xiàn)PID調節(jié)，并控制低電壓加熱器平均加熱功率，電機控制與傳動電路是由單片機控制步進電機帶動刮刀在滑軌上移動來實現(xiàn)的，刮刀的來回移動由步進電機和位置傳感器共同完成的，位置傳感器的信號傳送給單片機，由單片機判斷刮刀是否改變移動方向，所印膜的厚度是由刮刀的高度所決定的，而刮刀的高度可以用測微頭實現(xiàn)精確調節(jié)。MCU主控板刮膜機的控制核心板是由C8051F020為核心，外設有IXD觸摸屏、 DS18B20A傳感器、步進電機驅動電路、加熱器驅動電路等，具體電路如附圖2所示。LCD觸摸屏接口電路采用LCD觸摸屏作為人機交換設備，省去了鍵盤接口，為保證操作方便和系統(tǒng)要求，采用金鵬電子的0CMJ15X20D液晶屏，觸摸屏驅動芯片為ADS7843， 此液晶顯示模塊內(nèi)建有512KB的16X16中文顯示字型ROM (Font ROM)與8X16的ASCII半型字型。除了內(nèi)建的8X16和16X16的字號外，還提供字型放大的功能，可利用REG[Flh] 的設定，將顯示字號放大到32 X 32、48 X 48或64 X 64?？刂艻C分帶繁體字庫IC和帶簡體字庫IC，其中標準繁體中文BIG5碼，包含13，094個常用與次常用字型、408個特殊字與兩組ASCII CODE,簡體字庫儲存7602個標準GB碼的簡體中文。ADS7843是四線電阻式觸摸屏輸入控制芯片。電路中包含觸摸屏驅動電路和一個12位電容分壓式逐次比較型模數(shù)轉換器。ADC具有同步串行數(shù)據(jù)接口，最高數(shù)據(jù)速率是 125KHz，工作電壓2. 7V到5V，參考電壓可以從IV到VCC變動，并且不影響分辨率。ADS7843 內(nèi)部電路如圖3-1所示。與單片機接口電路如圖3-2所示，通過調節(jié)Wl電位器可以調節(jié)其對比度，在電路設計中沒加入背光關閉控制，在后來的電路中應該增加此電路。溫度測量和控制電路設計溫度測量選擇的是DS18B20數(shù)字溫度計，此傳感器提供9-12位攝氏溫度測量而且有一個由高低電平觸發(fā)的可編程的不因電源消失而改變的報警功能。DS18B20通過一個單線接口發(fā)送或接受信息，因此在中央處理器和DS18B20之間僅需一條連接線(加上地線)。它的測溫范圍為-55 +125°C，并且在-10 +85°C精度為士0. 5°C，完全可以達到系統(tǒng)的要求。DS18B20的核心功能是它的直接讀數(shù)字的溫度傳感器。溫度傳感器的精度為用戶可編程的9，10，11或12位，分別以0. 5°C，0. 25°C，0. 125°C禾口 0. 0625°C增量遞增。在上電狀態(tài)下默認的精度為12位。DS18B20啟動后保持低功耗等待狀態(tài)；當需要執(zhí)行溫度測量和 AD轉換時，總線控制器必須發(fā)出[44h]命令。在那之后，產(chǎn)生的溫度數(shù)據(jù)以兩個字節(jié)的形式被存儲到高速暫存器的溫度寄存器中，DS18B20繼續(xù)保持等待狀態(tài)。當DS18B20由外部電源供電時，總線控制器在溫度轉換指令之后發(fā)起“讀時序”(見單總線系統(tǒng)節(jié))，DS18B20正在溫度轉換中返回0，轉換結束返回1。如果DS18B20由寄生電源供電，除非在進入溫度轉換時總線被一個強上拉拉高，否則將不會由返回值。DS18B20與處理器接口電路有不要電源和要電源兩種，選擇的是要電源的接口，接口電路如圖4所示，主板上有一個三線接口，只需將DS18B20的三根信號線直接引入即可。運動控制系統(tǒng)設計如圖5所示，移動驅動電機選擇的是步進電機，在平行的直線導軌上安裝滑塊，滑塊上安裝了支架，刮刀固定在支架上，刮刀的高度由固定在支架上的測微頭來調節(jié)，用步進電機的軸帶動鋼絲拉動刮刀在平臺上來回移動，刮刀移動到兩端的位置由位置傳感器決定，平臺設有加熱裝置，其溫度可以由觸摸屏設定，通過溫度傳感器實現(xiàn)閉環(huán)控制，并采用PID調節(jié)。步進電機選用金壇市四海電機電器廠生產(chǎn)的型號為57BYGH203 的步進電機。根據(jù)步進電機的參數(shù)設計此電機配套的驅動器選擇，驅動器的電源電壓也用 24V開關電源這樣可以節(jié)約成本，因為驅動器內(nèi)部已經(jīng)設計了光電隔離，只要在控制主板上留一個接口就可以了，驅動器接口以端子排的形式設計，控制信號為正反轉控制和速度控制，接線圖如圖6所示，各端口功能如下編號1-4為單片機控制信號，5-8為電機驅動接口，9-10為電源輸入端。電源電路設計包含兩個部分，即電加熱電源和單片機及顯示屏電源。電熱板加熱電源選擇24V直流電源，主要是考慮到安全問題，刮膜機臺面是金屬材料而且操作時人體經(jīng)常會觸碰到臺面，因此用220V交流電壓電源直接加熱不安全，系統(tǒng)將220V交流電源經(jīng)開關電源轉換成24V隔離直流電源，根據(jù)加熱器的面積和工作溫度確定加熱器額定參數(shù)為24VA50W，開關電源用的是成品模塊，選擇24V/350W的成品電源，其接口如圖7所示。 為了防止干擾，專門設計一個電源給單片機和LCD觸摸屏用，系統(tǒng)選擇的MCU是Silicon Laboratories公司的C8051F020，MCU是混合型芯片，模擬電源和數(shù)字電源分開供電，都是 3. 3V，為防止干擾用一點共地，其電路如圖8所示。軟件系統(tǒng)設計程序開發(fā)使用的環(huán)境是Keil集成開發(fā)軟件(要安裝驅動)，使用 C語言進行程序設計，程序設計為模塊化設計，這樣的結構調試比較方便，其主程序很簡潔， 方框圖如圖9所示。部分函數(shù)以頭文件的形式包含在主程序中，頭文件有四個，具體文件名如下
#include <Sys.h>//系統(tǒng)初始化
#inClude <Num.h>//數(shù)組定義頭文件，主要是LCD界面信息
include <Dsl820.h>//溫度傳感器 DS18B20 的函數(shù)
#include <PID.h>//PID 調節(jié)函數(shù) 系統(tǒng)中選擇單片機C8051F020內(nèi)部的定時器3來實現(xiàn)PID調節(jié)相關功能，設計定時時間為5ms，中斷600次為一個調節(jié)周期(3S)，分辨率為1/600能夠達到系統(tǒng)的要求。電機驅動程序比較簡單，用單片機的一個定時器來實現(xiàn)就行了，只要修改定時器的初值就可以調節(jié)速度。
權利要求
本發(fā)明公布了一種基于單片機控制的自動刮膜機，能夠實現(xiàn)平板膜的自動生產(chǎn)，該裝置包括參數(shù)設置和顯示電路、溫度測量與控制電路、電機控制與傳動電路以及機械傳動部分組成。其中參數(shù)設置和顯示電路是由觸摸屏完成的，能實現(xiàn)生產(chǎn)平板膜規(guī)格的大小和加熱板的溫度設置，溫度測量與控制電路是由數(shù)字溫度傳感器和低電壓加熱器組成，溫度的控制是由單片機實現(xiàn)PID調節(jié)，電機控制與傳動電路是由單片機控制步進電機帶動刮刀在滑軌上移動來實現(xiàn)的，刮刀的來回移動由步進電機和位置傳感器共同完成的，所印膜的厚度是由刮刀的高度所決定的，而刮刀的高度可以用測微頭實現(xiàn)精確調節(jié)。本發(fā)明適用于工業(yè)生產(chǎn)或科研教學中制膜設備。
1.一種基于單片機控制的自動刮膜機，其特征在于包括參數(shù)設置和顯示電路、溫度測量與控制電路、電機控制與傳動電路以及機械傳動部分組成。其中參數(shù)設置和顯示電路是由觸摸屏完成的，能實現(xiàn)生產(chǎn)平板膜規(guī)格的大小和加熱板的溫度設置，溫度測量與控制電路是由數(shù)字溫度傳感器和低電壓加熱器組成，數(shù)字溫度傳感器的輸出數(shù)據(jù)由單片機讀取， 溫度的控制是由單片機實現(xiàn)PID調節(jié)，并控制低電壓加熱器加熱與否，電機控制與傳動電路是由單片機控制步進電機帶動刮刀在滑軌上移動來實現(xiàn)的，刮刀的來回移動由步進電機和位置傳感器共同完成的，位置傳感器的信號傳送給單片機，由單片機判斷刮刀是否改變移動方向，所印膜的厚度是由刮刀的高度所決定的，而刮刀的高度可以用測微頭實現(xiàn)精確調節(jié)。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于單片機控制的自動刮膜機，其特征在于所述參數(shù)設置和顯示電路由LCD觸摸屏和單片機構成，實現(xiàn)印制平板膜的規(guī)格的設置以及低壓加熱器的溫度參數(shù)的設置。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于單片機控制的自動刮膜機，其特征在于所述加熱系統(tǒng)由加熱器功率驅動電路、加熱器及溫度傳感器構成，加熱器功率驅動電路的輸入端接單片機， 加熱器功率驅動電路的輸出端接加熱器的輸入端，溫度傳感器安裝在發(fā)熱盤上，其輸出端接單片機的輸入端。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于單片機控制的自動刮膜機，其特征在于所述電機控制電路由單片機和步進電機驅動器組成，驅動器用24V開關電源供電，驅動器內(nèi)部已經(jīng)設計了光電隔離，單片機輸出觸發(fā)脈沖給驅動器，驅動器輸出控制信號給步進電機，從而對其進行正、反轉和速度控制。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于單片機控制的自動刮膜機，其特征在于所述軟件采用模塊化設計，主要由PID調節(jié)軟件、觸摸屏程序、LCD顯示字符串子程序、電機驅動程序等部分組成，能完成參數(shù)設置、電機的正反轉及速度控制、溫度的控制和顯示等功能。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于單片機控制的自動刮膜機，其特征在于機械傳動部分由電機、導軌、滑塊、刮刀、測微頭和位置傳感器構成，電機帶動滑塊在導軌上移動，刮刀和測微頭固定在滑塊上，利用測微頭可以實現(xiàn)刮刀的升降，位置傳感器安裝在導軌的兩端，其輸出信號反饋給單片機，從而控制電機的正反轉，帶動刮刀來回移動。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于單片機控制的自動平板刮膜機，能夠實現(xiàn)平板膜的自動生產(chǎn)，該裝置包括參數(shù)設置和顯示電路、溫度測量與控制電路、電機控制與傳動電路以及機械傳動部分組成。其中參數(shù)設置和顯示電路是由觸摸屏完成的，能實現(xiàn)生產(chǎn)平板膜規(guī)格的大小和加熱板的溫度設置，溫度測量與控制電路是由數(shù)字溫度傳感器和低電壓加熱器組成，溫度的控制是由單片機實現(xiàn)PID調節(jié)，電機控制與傳動電路是由單片機控制步進電機帶動刮刀在滑軌上移動來實現(xiàn)的，刮刀的來回移動由步進電機和位置傳感器共同完成的，所印膜的厚度是由刮刀的高度所決定的，而刮刀的高度可以用測微頭實現(xiàn)精確調節(jié)。本發(fā)明適用于工業(yè)生產(chǎn)及科研院所平板膜的自動印制。
文檔編號B05C11/04GK102240627SQ201110150780
公開日2011年11月16日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權日2011年5月25日
發(fā)明者吳俊 , 周云龍, 孫宏國, 董銳, 邵榮 申請人:鹽城工學院