专利名称：基于单片机的全电动注射成形机的控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于单片机的全电动注射成形机的控制器，专门用于 全电动注射成形机的微机控制系统。
技术背景近年来，随着新型材料的涌现和要求使用高精度注射成形件范围的扩大， 以及绿色环保意识的日渐增强，人们对注射成形机的要求越来越高，高速、高 效、精密、节能、低噪声以及高自动化成为注射成形机生产厂家所追求目标。 这种发展趋势一方面体现在机械和控制领域中新技术不断应用到注射成形机的 设计与制造中，另一方面则体现在全电动注射成形机的兴起。在我国全电动注 射成形机还是空白，没有一家企业正式批量生产。原因是核心技术掌握在国外 厂商手里，例如主要配件伺服电机和滚珠丝杆均依赖进口，以及专用、先进的 控制技术相对落后，这样带来生产成本大幅提高等难题。国内企业正致力于研 究先进的控制技术，开发高性能、低成本的全电动注射成形机控制技术。 发明内容由于目前全电动注射成形机核心技术伺服电机、滚珠丝杆、先进的控制技 术都掌握在国外厂商手里，我国要在注射成形机行业有一席之地，不仅要积极 发展基础工业技术，而且应该从先进的控制技术着手。因此，开发高性能、低 成本的全电动注射成形机控制器，成为目前研究的重点和突破口。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是采用廉价的MCS-51单片机控制代替价格较贵的专用注射成形机控制器，设计高性能低成本的全电动 注射成形机控制器。采用单片机做处理器，配上适当外围电路，控制器设计灵活、扩展方便、成本低，整机成本降低。本实用新型控制器由4个MCS-51系列单片机组成，包括l个主单片机(主机)和3个从单片机(从机)，系统主要 分为三个部分，包括人机界面、伺服控制单元、温度控制单元。由主机控制人机界面、系统i/o扩展以及系统任务调度，其中人机界面包括液晶显示和操作键盘；#01单片机(从机1)控制射台移动、顶针进退以及注射伺服单元，驱动 相应伺服电机分别完成射台移动、顶针进退以及注射工艺过程；#02单片机(从 机2)控制预塑、锁模和调模伺服单元，驱动相应伺服电机分别完成预塑、开模、 锁模和调模工艺过程；#03单片机(从机3)控制温度调节单元以及其它辅助 单元。主从4个单片机与I2C EEPROM都作为I2C总线的一个节点挂接在I2C总 线上，实现多个单片机之间的信息交换与资源共享。软件方面采用模糊PID控 制理论进行模块化控制，不需采用高精度传感器就可达到较高的控制精度。本实用新型的有益效果是，采用MCS-51单片机作控制器的控制效果接近 专用控制器，而且低成本、结构简单、易于扩充、鲁棒性好、性能稳定可靠。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。 图l是全电动注射成形机的微机控制系统框图。 图2是# 01单片机伺服电机控制单元框图。 图3是弁02单片机伺服电机控制单元框图。 图4是弁03单片机温度控制部分框图。 图5是主机控制人机界面部分框图。图中l.液晶显示，2.人机界面，3.主单片机数据总线，4.操作键盘，5.#00 主单片机(主机)，6.控制器单元，7.I2C EEPROM汉字库，8.系统I/0扩展，9. 井01从单片机(从机l)， 10.#02从单片机(从机2)， 11.弁03从单片机(从机 3)， 12.fC总线，13.从机数据总线，14.缓存器54HC573， 15.开模合模伺服单元，16.传感器，17.开模合模伺服电机，18.顶针伺服电机，19.调模伺服电机，20.伺 服控制单元，21.顶针伺服单元，22.调模伺服单元，23.射台移动伺服单元，24. 射台移动伺服电机，25.注射伺服电机，26.预塑伺服电机，27.注射伺服单元，28. 预塑伺服单元，29.从机3联络信号，30.固态继电器，31.温度控制部分执行单元， 32.加热器，33.加热部位，34.I2C EEPROM参数库，35.信号放大，36.多路转换 开关，37.热电偶，38.液晶显示控制信号，39.液晶显示接口， 40.矩阵键盘。
具体实施方式
一、主机控制部分图1是全电动注射成形机的微机控制系统框图。在图1中主机(5)与从机1 (9)、从机2 (10)、从机3 (11)通过数据总 线(3)和虚拟的^C总线(12)相连，数据总线(3)传输控制命令，fC总线 (12)传输大量数据，通过产C EEPROM参数库(34)实现各个单片机信息交 换与资源共享。在传输大量数据时不会影响主机(5)的实时性能，主机(5) 只要发出指令，并交出I2C总线(12)的控制权就可以，从机直接从I2C EEPROM 参数库(34)获取系统参数与状态信息。系统I/O扩展(8)包括16个输出点和 16个输入点，由4片缓存器54HC573 (14)实现。其主要硬件的配置为-1、 存贮器系统采用I力EEPROM 24C64提供8K存贮空间，共2片，其中一 片24C64作为液晶显示器汉字字库存贮空间，另一片用于存贮注射成形机工作 参数、模具数据及工作状态。2、 键盘管理键盘共计32个键，采用4X8矩阵键盘。3、 液晶显示器320X240大屏幕液晶显示器，由于它自带驱动模块SED1335， 所以将其直接挂于单片机的总线上，对其操作非常简单，可以实现对注射成形机工况的实时监测及各关键参数的修改。4、 数据缓冲器采用54HC573实现对外部I/0进行扩展。5、 开关量输入在注射成形机中广泛使用行程开关，用于表示各个执行器所处 位置，它们都是开关量。单片机本身所具有的1/0 口并不能满足需要，所以本系 统中采用普通的TTL芯片54LS573进行扩展，利用读写信号及地址译码，将 54LS573的输出直接挂于单片机的数据总线上， 一片54LS573可以输入8个开 关量。在各个开关量输入之前都先经过光电隔离，将开关量的24V电平与单片 机的5V相隔离，以增加控制器的抗干扰性能b在本控制器中，基本输入点为 16点，可以通过增加输入输出接口板扩至32点。6、 总线驱动采用74LS245P实现对数据总线DB进行驱动。7、 地址译码采用74LS138实现对各个外部芯片地址译码，总线驱动74LS245 由P2口直接片选，在实际中可以根据需要进行调整。8、 电平转换采用SP232EEP实现在下载程序时，单片机TTL电平与计算机 CMOS电平进行转换。二、单片机伺服控制图2和图3所示为弁01 #02单片机伺服控制。在图2中从机1 (9)通过数据总线(13)扩展系统输入接受传感器(16) 信号，系统输入扩展由缓存器54HC573 (14)实现，从机(1)其它I/0用于控 制伺服控制单元(20)。图3实现方式与图2相同。为了保证控制电机的精确性，控制电机的脉冲信号由单片机定时器产生。 伺服控制单元主要是指伺服电机控制单元，包括射台移动单元、顶针进退单元、 注射单元、预塑单元、开模合模单元、调模单元和温度控制单元，主要功能是 实现注射成形机的动作指令。#02、 #03单片机伺服单元控制方式与弁Ol单片机的类似。P0 口作数据总 线用来扩展输入点，检测位移传感器、机械零点以及到位信号，Pl 口用来检测 伺服驱动单元的反馈信号以及对伺服驱动的控制。采用上述设计可以达到全电 动注射成形机的控制精度要求。其主要硬件的配置为-1、 单片机单片机可以采用STC89C51RC，也可采用STC89C516RD，根据实 际情况确定。从功能角度两种芯片基本相同，只是STC89C51RC程序存储空间 只有4K，较STC89C516RD的小。如果控制电机算法较复杂，需要程序代码空 间较大，且希望系统有一定扩展能力，那么应选用空间较大的STC89C516RD。2、 总线驱动总线驱动同样采用74LS245P实现对数据总线DB进行驱动。3、 输入扩展采用54LS573为系统扩展8个输入点。4、 光电耦合部分光电耦合器件采用PC817，驱动放大三极管采用8050。 三、温度控制部分图4为从机3温度控制部分。在图4中，从机(3)接收通过信号放大器(35)的输入信号，处理后固态继电器(30)控制加热器(32)对加热部位料筒(33)进行加热，热电偶(37)检测加热部位料筒(33)的温度，通过多路转换开关(36)将一路信号输入信号放大器(35)进行信号放大。 其基本硬件配置如下1、 单片机采用ATMega16不仅可以进行A/D转换，而且可以对其进行处理， 比直接采用A/D转换，如MAX197等更加廉价，使用更加方便。2、 A/D转换利用ATmega16的10位逐次逼近型ADC，精度高，结构简单。3、 多路转换开关采用CD4051， CD4051可以从8路输入中选择一路输出。4、 放大器采用高精度斩波自稳零运算放大器ICL7650，构成两级运算放大器。5、 对加热器的控制由于注射成形机料筒的加热器功率较大，本控制器采用继 电器带交流接触器的方式实现对加热器的控制。本控制器共有7个继电器输出， 每个继电器的过流能力为IOA。 一般情况下注射成形机料筒的加热器均少于7 段，多出来的继电器输出点可以用于主泵电机及自动润滑泵电机的控制。6、 温度检测在常用的注射成形机控制系统中，温度检测的敏感元件为热电偶。 热电偶的输出特点为微电压且非线性很强。所以在温度检测的硬件上，采用继 电器采样的方式，尽量减少采样损失，采样信号经过低通滤波及放大后，直接 由单片机的A/D端口进行输入。同时在硬件上设置温度检侧芯片，对热电偶冷 端温度进行检测，并用软件的方法实现其温度的冷端补偿及非线性校正。四、人机界面部分图5所示为主机控制人机界面部分。其基本硬件配置如主机控制部分所述。单片机与SED1335控制器的连接部 分，包括电源、控制信号、数据总线、参考电压、复位信号、背光等。SED1335 控制器的接口部分具有功能较强的I/O缓冲器，这使得单片机访问SED1335不 需判断其是否忙，SED1335随时准备接收单片机的访问并在内部时序控制下及 时把单片机发来的指令数据传输到位。综上所述，本实用新型与现有全电动注射成形机控制器相比有如下优点1、 采用廉价的MCS-51单片机作控制器，控制效果接近较贵的专用控制器，成 本低，效果好。2、 采用计算机集散控制原理，巧妙的以I2C EEPROM为媒介，应用I2C总线实 现多个单片机资源共享，结构简单，易于扩充。3、 采用模糊PID控制，鲁棒性好，性能稳定可靠。
权利要求1. 一种基于单片机的全电动注射成形机的控制器，其结构包括人机界面、单片机伺服控制单元、温度控制单元、I2C EEPROM提供数据交换区，其特征是控制器由4个单片机组成，包括1个主机和3个从机，由主机控制人机界面、系统I/O扩展以及系统任务调度，(#01)单片机控制射台移动、顶针进退以及注射伺服单元，(#02)单片机控制预塑、锁模和调模伺服单元，(#03)单片机控制温度调节单元以及其它辅助单元。
2、 根据权利要求1所述的控制器，其特征是主从4个单片机与I2C EEPROM 都作为I2C总线的一个节点挂接在I2C总线上，单片机的I2C接口由普通10接 口模拟，同时单片机通过数据总线接口与系统数据总线相连，实现多个单片机 之间的信息交换与资源共享；人机界面由液晶显示和操作键盘组成，其数据总 线通过系统数据总线与主单片机数据总线接口相连，控制信号由主单片机普通 10 口控制。
3、 根据权利要求1所述的控制器，其特征是(#01)单片机和(#02)单片 机的普通IO 口与伺服控制器单元控制信号线连接，伺服控制器单元分别与对应 的伺服电机的控制信号线和电源线连接，传感器输入信号通过54LS573与单片 机数据总线连接。
4、 根据权利要求1所述的控制器，其特征是(#03)单片机的普通10 口与SSR 固态继电器的输入端相连，固态继电器的输出端与加热器相连，温度传感器的 探头安装在加热部位的适当位置，温度传感器的信号线通过多路选通CD4051 与放大器的输入相连。
专利摘要一种基于单片机的全电动注射成形机的控制器，本系统由4个MCS-51系列单片机组成，包括1个主单片机和3个从单片机。系统主要分为三个部分，包括人机界面、伺服控制单元、温度控制单元。由主机控制人机界面、系统I/O扩展以及系统任务调度，#01单片机控制射台移动、顶针进退以及注射伺服单元，#02单片机控制预塑、锁模和调模伺服单元，#03单片机控制温度调节单元以及其它辅助单元。采用计算机集散控制原理，巧妙的以I<sup>2</sup>C EEPROM为媒介，应用I<sup>2</sup>C总线实现多个单片机资源共享，采用模糊PID控制理论进行模块化控制。实际应用表明，该微机控制系统结构简单、易于扩充、鲁棒性好、性能稳定可靠。
文档编号G05B19/042GK201107616SQ20072005109
公开日2008年8月27日 申请日期2007年4月29日 优先权日2007年4月29日
发明者鹏 向, 李绣峰, 杜遥雪 申请人:五邑大学