河北工业大学2014届优秀毕业论文摘要

基于单片机的锂电池极片成型装置控制系统设计测控103班郝杰鹏指导老师：肖艳军摘要：本设计采用STC89C52单片机作为控制核心，利用8255芯片进行了I/O口扩展，以光电接近开关、张力传感器以及位置传感器等作为输入信号，实现了直流电机PWM调速、步进电机正反转、测速、恒张力控制以及继电器控制液压阀等功能。

利用LCD12864显示模块实时显示工作状态。

利用4X4键盘实现控制信息的输入。

本设计结合锂电池极片生产工艺，设计了锂电池极片成型装置控制系统，实现了成型机的开卷、纠偏、辊压、分切、恒张力控制、辊缝调整以及复卷等功能。

关键词：锂电池极片单片机极片纠偏恒张力控制1 总体方案设计1.1 成型工艺过程分析锂电池极片成型装置所要实现的功能就是将经涂布后的锂电池极片进行开卷、辊压、复卷三大主要过程。

除此之外，为了去除锂电池极片原料的毛边以及满足对成型后的锂电池极片不同宽度规格的要求，锂电池极片需要有一道分切工序；为防止在切边和复卷时锂电池极片跑偏，锂电池极片还需要经过一道纠偏工序。

综上所述，从经涂布后的锂电池极片到最终得到成型后的锂电池极片，需要经过开卷、开卷纠偏、切边、辊压、复卷纠偏、分切、复卷等工序。

除了上述7个工序外，为了得到不同厚度规格的锂电池极片，在工艺上还需要有辊缝调整的过程；为了提高锂电池极片成型质量，在工艺上需要有恒张力控制的过程，工艺流程图如图 1所示。

图 1 工艺流程图1.2 控制系统总体设计本课题旨在结合对应的机械结构的锂电池极片成型装置生产线设计电气控制系统，完成成型机的开卷、纠偏、辊压、分切、恒张力控制以及复卷等功能。

成型装置的输入模块主要有4X4矩阵键盘、测速模块、光电传感器、厚度传感器、张力传感器等；成型装置的输出模块有用于纠偏模块的步进电机、用于分切模块的直流电机、用于辊压模块的两台同步运转的直流电机、用于张力控制模块的磁粉制动器、用于辊缝调整模块中的控制电磁阀的继电器以及用于人机交互模块的LCD液晶屏和报警蜂鸣器等。

系统框图如错误!未找到引用源。

所示。

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系统框图2.硬件系统设计2.1 最小系统及扩展单片机最小系统，指用最少的元件组成的可以使单片机正常工作的系统，一般包括：单片机、复位电路以及晶振电路。

单片机最小系统如图3所示。

图3 单片机最小系统虽然单片机已经自带了32个I/O口，但是由于外设输入输出较多，所以单片机自带的I/O口已不能满足设计需求，从而需要向外部拓展I/O口来实现设计要求。

本设计采用具有可编程能力的并行I/O接口芯片82C55。

2.2 电源模块本设计的额定工作电压为DC+5V。

现场可以接入9~12V的直流电，经过LM7805稳压到5V。

为了方便实验室调试，还加入了一路USB供电通路。

电源部分的电路设计如图4所示。

图4 电源部分2.3 通信及程序下载模块STC89C52单片机支持ISP（在系统可编程）功能，可以通过串口直接下载用户程序。

PC 机内置了可编程串行异步通信控制器8250，因此可以实现异步串行通信。

而STC89C52单片机有全双工的串行接口，利用编程的方式同样可以实现串行通信。

通过串口通信协议RS-232可以实现PC机与单片机之间的通信功能。

图5 通信部分2.4 辊压电机控制模块辊压机是由两个直流电机驱动两个压辊。

本设计中采用“H桥驱动电路”驱动直流电机，实现PWM调速功能。

电路设计如图6所示。

图6 “H桥”驱动电路在本设计中PWM1与PWM2控制直流电机运转方向。

当PWM1为高电平，PWM2为低电平时直流电机正转；当PWM1为低电平，PWM2为高电平时直流电机反转。

PWM1与PWM2也是直流电机调速的控制端。

2.5 极片成型厚度自动调节模块2.5.1 辊缝测量部分锂电池极片的成型厚度是由辊压部分的两个压辊之间的辊缝大小决定的，所以通过测量调整辊缝的大小就可以间接获得锂电池极片的厚度。

因为两个压辊中，一个是固定的，另一个是可动的，所以只要测出可移动压辊的移动量就可以推算出辊缝的大小。

可动压辊的位移量可以通过位移传感器测量得到。

位移传感器的输出信号为标准电信号，即4~20mA直流电流信号、1~5V直流电压信号。

这个信号可以直接被模数转化芯片ADC0809采集。

图7 模数转换电路2.5.2 辊缝调节部分在本设计中辊缝的调节由液压系统实现，液压系统由一个增压阀和一个泄压阀控制，从额定电压与驱动能力方面考虑，增压阀和泄压阀都不能用单片机直接驱动，因而需要用继电器去控制两个阀，继而间接控制液压系统。

继电器的电路设计如图8所示。

图8 继电器驱动电路2.6 分切模块此模块要实现的功能是首先测出压辊电机的转速，然后控制分切电机以与压辊电机的转速成比例的速度运行。

2.6.1 测速部分电路设计如图9所示。

此部分的两个核心元件是槽型光电开关和电压比较器LM393N。

图9测速模块电路LM393N的输出端直接与单片机相连，由单片机测出槽型光电开关的脉冲数，从而间接测出电机转速。

2.6.2 分切电机控制部分此部分与辊压电机部分电路相同。

2.7 纠偏模块2.7.1 纠偏模块检测部分这个模块要实现的功能就是当光电传感器被遮挡时，光电耦合器导通，输出低电位信号。

这部分的核心元件就是光电传感器与光电耦合器。

电路设计如图10错误!未找到引用源。

所示。

图10纠偏检测电路图2.7.2 纠偏模块执行部分此部分要实现的功能是根据纠偏检测模块的信号，实现纠偏执行模块步进电机的正反转。

此部分的核心元件是L298N。

L298N可以接收标准TTL逻辑电平信号，因而可以直接与单片机连接，接受单片机的直接控制。

电路设计如图11所示。

图11 步进电机驱动电路2.8 恒张力控制模块此部分要实现的功能是保证电池极片在成型过程中张力恒定。

2.8.1 张力检测部分此部分的核心元件是张力传感器与模数转换器ADC0809。

张力传感器的输出信号为标准电信号，即4~20mA直流电流信号、1~5V直流电压信号。

这个信号可以直接被模数转化芯片ADC0809采集。

电路设计如图12错误!未找到引用源。

所示。

图12模数转换电路2.8.2 张力控制模块本部分的核心元件是磁粉制动器、数模转换芯片DAC0832以及运算放大器LM324。

电路设计如图13所示。

磁粉制动器是利用电磁原理，并且通过磁粉来传递转矩的。

磁粉制动器传递的转矩与激磁电流基本上成线性关系，所以通过改变激磁电流的大小，就可以控制转矩的大小。

图13 数模转换电路2.9 人机交互模块2.9.1 4X4键盘部分本设计中用到的是行列式键盘，如图14所示。

图14 键盘电路2.9.2 LCD12864显示部分LCD12864用来显示时间，运行状态等信息。

电路设计如图15所示。

图15 LCD12864显示模块电路2.9.3 时间部分DS1302应用于时间实时显示的系统，可以对年月日周时分秒进行计时。

电路设计如图16所示。

图16 时间芯片电路2.9.4 报警部分电路设计如图17所示。

图17 蜂鸣器驱动电路3.软件系统设计3.1辊压电机控制模块此模块要实现的功能是实现直流电机的PWM调速。

本设计利用定时器实现PWM调速。

方波的周期为定时器设定时间与中断执行时间之和，定时器在设定时间后，在程序运行中一般不再改变，中断程序中延时占据大部分时间。

所以通过改变中断程序中延时的长短来改变方波的占空比，进而改变输出脉冲的平均电压，使直流电机的电枢电压随之改变，从而转速改变。

3.2极片成型厚度自动调节模块本模块要实现的功能为将辊缝测量值与辊缝预设值进行比较，根据比较偏差，确定两个继电器的工作状态。

辊缝的预设值可以通过键盘进行调整。

本设计位移传感器接在IN6通道，所以ADC0809的地址为7F06H。

只需执行一条输出指令：MOV @DPTR,A，即可启动模数转换；只需执行一条读入指令：MOVX A,@DPTR，即可读取转换结果。

为了保证转换的完成，需要在模数转换启动与结果读取之间调用一条时间延时指令:LCALL DELAY。

将转换结果存放在单片机内部寄存器40H中。

可以将预设的辊缝值存放在单片机内部寄存器41H中。

41H中的预设值可以通过按键来实现加减。

按下“辊缝加”键，41H中的内容会增加10；按下“辊缝减”键，41H中的内容会减少10。

比较测量的辊缝值与预设的辊缝值，如果测量值大于预设值，说明需要减小辊缝，则导通控制增压阀的继电器1；如果测量值小于预设值，说明需要增大辊缝，则导通控制泄压阀的继电器2。

3.3 极片纠偏模块本模块要实现的功能为根据两个光电接近开关的状态，确定纠偏执行电机步进电机的运行状态。

两个光电接近开关对应的输出端接到了单片机的P1.0与P1.1管脚。

根据两个光电接近开关的状态，确定步进电机正反转。

本模块采用4相5线制步进电机。

本设计采用四相八拍的驱动方式，步进电机正转与反转的时序分别为A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A； D→DC→C→CB→B→BA→A→AD→D。

每拍之间延时的长短决定步进电机的转速。

3.4 恒张力控制模块此模块要完成的任务是实现锂电池极片辊压过程中张力恒定，具体任务为根据张力传感器测得的张力值与预设的张力值作比较，若测得值小于预设值，说明磁粉制动器传递的转矩不够，应增大磁粉制动器驱动电流；若测得值大于预设值，说明磁粉制动器传递的转矩过大，应减小磁粉制动器驱动电流。

比较测量张力值与预设张力值的大小，将偏差值存放在单片机内部寄存器中。

输入DAC0832的数字量为预设值加偏差值。

偏差值为正，则输出模拟量增大，偏差值为负，则输出模拟量减小。

3.5 分切模块本模块要实现测速与直流电机转速控制。

利用单片机计算一定时间内编码器发出的脉冲信号数量，因为码盘转动一周发出的脉冲信号是固定的，所以就可以计算出这段时间内的转数，再除以时间即可得到码盘的转速。

采样时间越长，转速测量越精确。

将脉冲数进行运算后，得到转速值。

利用转速值，对分切电机进行PWM调速。

3.6 人机交互模块3.6.1 4X4键盘部分本设计采用扫描法识别按键，采用软件消抖。

各按键的功能定义如表所示。

3.6.2 LCD12864显示部分LCD12864在显示内容前首先应初始化设置。

常用的初始化指令有清除显示屏幕（01H），位址归位指令（02H），显示状态开指令（0CH）等。

LCD12864写指令需要满足的时序是清0 RS 端，清0 RW端，置1 E端。

LCD12864写数据需要满足的时序是置1 RS端，清0 RW端，置1 E端。

在对LCD12864进行读写前，首先应检查LCD12864是否处于非忙碌状态，即BF标志位是否为0，如果不做检测，那么在两条写指令之间应加足够长的延时，以确保前一条指令已经执行完毕。

3.6.3 时间部分使用DS1302前，要先对其进行初始化。