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。

错误!未找到引用源。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。