PJ—54织布机控制系统设计

前言20世纪80年代以来，从原料进入车间到纺成纱，以及织成布的各个工序都在提高自动监控水平的基础上加快了纺纱速度、缩短了纺纱生产周期，并逐步实现了许多自动生产线，纺纱生产有的实现了无人车间、无人工厂、无人工序，织造生产也在自动化进程中加快了步伐。

自动化的实现及自动监控水平的实现，不仅减少了用工，提高机器运转效率，而且显著提高了半制品及成品质量，使棉纺织工业走向高科技阶段，估计再经过若干年时间，不论纺纱及织造工厂都将在自动化进程中向着更加完善、更加高级的水平发展，甚至会实现无人纺纱及织造工厂。

本篇论文围绕喷水织布机控制系统的设计，根据设计要求，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 99SE 绘制原理图、出PCB图。

全文分五章，第1章为织布机概述，主要介绍了织布机的种类及发展概况、喷水织布机的结构组成、工作原理及控制、检测要求。

第2章为硬件设计部分，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、整流控制电路及强电控制电路部分的设计、分析。

第3章为软件设计部分，包括主程序、子程序流程图的绘制，主程序、中断子程序、延时子程序的编写和说明等。

第4章为Protel 99SE的应用，介绍了Protel 99SE，并简单说明了如何应用Protel绘制系统原理图及PCB板。

第5章主要写了做毕业设计的心得体会。

第一章织布机概述1.1 织布机简介织布机分梭织机、喷水织机和喷气织机，由于梭织机惯性大、效率低，已基本淘汰，目前的织布机多为喷水织机和喷气织机，两者的织布原理基本相同。

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的上下交替运动的一根根经纱。

经纱和纬纱交替过程中，经纱边交替上下运动边向前移动，每上下交替运动一次，高压水嘴喷出一跟纬纱。

纬纱和经纱绕在各自的纱管上，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。

原理图如图1-1所示。

1.2 检测的内容及要求在喷水织布过程中，遇到故障必须立即停车，需检测的故障有：（1）断纬。

在正常工作中，每喷一次水，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，以免经纱继续向前走，造成织布故障，重新开机后，纬纱不连续，织出次品。

（2）电机过热。

当电机温度过高，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，需停车、刹车。

（4）除了上述的故障发生，需停车外，当织布机长度达到设定长度时，也需要立即停车。

1.3织布机的控制要求1.3.1 织布机的三只电机1.主电机主电机主要为织布机运动装置提供运动及动力。

起动时，有两种方式：①Y形起动，正常工作时也为Y形；②Δ-Y形起动，Δ形起动（起动快），经延时后切换成Y形正常运转，起动方式可由操作者选择。

2.风机电机风机电机共两只，一只吹风，一只吸水，将吹风机吹出的水汽吸走。

图1-1 织布机原理1.3.2 电机的控制调整织布机各个运动机构位置时，可正、反点动主电机。

此时风扇电机不需要起动。

织布时，要先起动风扇电机，后起动主电机，否则主电机不起动。

1.3.3 刹车的控制刹车装置为电磁铁，起动主电机织布时，刹车装置必须处于有效状态，即遇到故障时停车后能立即刹车。

当刹车装置处于无效状态时，主电机不能起动。

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，可用手工盘动织布机，以调整织布机运动机构位置。

1.3.4 指示灯织布机有四盏指示灯。

红色为电源指示灯，接通电源后，该灯亮；黄灯为织布（探纬）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；绿灯为电机过热、捻边纱、缠纬纱断纱指示，故障发生后停车时，该灯亮，故障不发生灯不亮；蓝灯为计长指示，设定长度达到后停车时指示，长度未达到不停车不亮。

1.3.5 直流电源控制系统所需直流电源有四种：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、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，改变通、断时间比，使线圈的平均电压为24V。

如图1-2所示。

图1-2 刹车电压第二章硬件部分设计硬件的设计主要包括两部分内容：电路原理图部分和PCB板图部分。

2.1 设计方案根据毕业任务书，要求设计织布机控制系统。

电路图包括强电与弱电两部分内容。

弱电部分的直流电压由工业用电380V交流电压经整流滤波获得，包含主控电路与整流电路的设计。

主控电路主要由单片机、控制电机实现正反转、点动、风机运转、电磁刹车、故障检测和各项运行指示电路组成，并使用光电耦合器耦合脉冲信号、隔离单片机系统的输入、输出部分,固态继电器控制系统输出口与强电电路接口。

整流电路主要由整流变压器、二极管整流桥、滤波器和集成稳压器等环节组成。

强电部分主要包括电气保护元件、接触器开关、电机等。

2.2 主控电路的设计主控电路主要由单片机、控制电机实现正反转、正反点动、风机运转、电磁刹车、故障检测和各项运行指示电路组成，并使用光电耦合器耦合脉冲信号、隔离单片机系统的输入、输出部分，固态继电器控制系统输出口与强电电路接口。

1.89C2051在织布机控制系统中的应用分析89C2051是由ATMEL公司推出的一种小型单片机，其主要特点为采用Flash存储器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。

（1）如图2-1所示，89C2051共15条I/O引脚，P1口共8脚，准双向端口，P3口共7脚，准双向端口，并且保留全部P3口的第二功能。

在织布机控制系统电路图中，2051的P1口、P3口只作为双向I/O口使用，不使用P3口的第二功能。

（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2接外部振荡器信号，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=1/12us；时钟周期=1/1221/6⨯=；us us机器周期=1/12261⨯⨯=；us us指令周期=1(1~4)1~4⨯=。

us us（3）单片机工作电压+5V，由交流电压经变压、整流、滤波得到。

（4）各引脚应用说明(表2-1)表2-1 引脚应用说明2.光电耦合器驱动接口（1）光电耦合器的结构及特点光电耦合器由发光源和受光器两部分组成，并封闭在同一不透明的管壳内由绝缘的透明树脂隔开，如图2-2所示。

发光源引出的管脚为输入端，受光器引出的管脚为输出端。

光耦合器的封装形式有管形，双列直插式和光导纤维连接等形式。

光电耦合器的发光源常用砷化镓红外发光二极管，受光器常用光电三极管、光敏晶体管和光敏集成电路等。

（2）设计原理图中的光耦（如图2-3所示），为光电耦合器在控制系统图2-2 光电耦合器的结构和符号原理图中的应用方式。

图中光耦为晶体管输出型光电耦合器。

光电晶体管以光取代基极电流，作为晶体管的输入，当光电耦合器的发光二极管发光时，光电晶体管受光的影响在cb和ce间会有电流流过，电流受光照强度控制。

光电耦合器起到耦合脉冲信号和隔离单片机89c2051 系统与控制开关、输出部分的作用，使两部分的电流相互独立。

由于光电耦合器是电流型输出，不受输出端工作电压的影响，因此可以用于不同电平的转换。

图2-3 原理图中的光耦接口电路图中，当开关闭合时，发光二极管通电发光，受光部分受光导通，P3.4低电平有效；当开关断开，光耦输入端电流为0，发光二极管不导通，输出相当于开门，P3.4为高电平。

图中电阻起限流保护作用：①将直流电压+12v加到发光二极管正极，让其具有导通发光的条件，这是从直流电压供给电路方面考虑的；②发光二极管在导通下如果正向偏置电压稍稍增大一点，其正向电流就会增大许多，而导致烧坏器件，限流保护电阻的目的就是要限制正向电压的增大量；③当直流工作电压+12V增大时，流过电阻R和发光二极管VD的电流也同时增大，在R上的压降增大，直流工作电压的大部分增大量都降在了R上，因为电流增大R上的压降也增大，VD上的正向电压增大量大大降低，有效的限制了VD的正向电流，达到保护VD的目的。

4.固态继电器型输出接口固态继电器是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。

固态继电器有三部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出电路。

按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。

有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。

固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。

固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。

交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。

（1）继电器型输出接口电路分析（图2-4）：①继电器的输入为单片机的逻辑电平，信号经光电耦合器耦合后，经驱动三极管进行转换，使输出的驱动电压能够适应继电器线圈的要求。

图中PNP 三极管为固态继电器的驱动管，与其连接的电阻R23为三极管基极提供直流工作电压。

②继电器动作时，对电源有一定的干扰，为了提高单片机系统的可靠性，在单片机和继电器之间用光耦隔离，使两部分的电流相互独立。

输出部分的地线接机壳或大地，单片机电源地线浮空，不与交流电源的地线相接。

避免输出部分电源变化对单片机电源的影响，减少系统所受上午干扰，提高系统可靠性。

图2-4继电器型驱动接口电路③图中二极管用于保护固态继电器驱动管。

固态继电器输入端接收信号后，输出端产生输出信号，接触器FC线圈通电，当断电时，接触器线圈会产生电压很大的反向电动势，会击穿继电器的驱动三极管。

加入二极管后，线圈产生的感应电流由二极管流过，不会产生很高的感应电压，保护了驱动三极管。

④ZC为接触器ZC的常闭触点，为防止两个接触器同时得电而导致短路，利用两个接触器的常闭触点分别串在对方的工作线圈电路中，构成相互制约关系，保证电路安全可靠的工作，起电气互锁的作用。