基于AT89C52單片機實現VCM磁鋼快速檢測控制系統的應用方案

釹鐵硼稀土永磁材料是目前磁性能最強的一種永磁材料，該材料具有磁能積高、原材料豐富和易于加工等特點。因此，釹鐵硼永磁材料廣泛應用于電動機、發動機、音圈馬達、磁共振成像儀、通信、控制儀表、音響設備等方面。其最主要的應用領域是音圈馬達（VCM），目前國外生產的燒結釹鐵硼磁體約有一半用于VCM。由于VCM磁鋼的形狀較復雜，外輪廓一般都是由圓弧及直線組成，尺寸及表面質量要求較高，所以，對VCM磁鋼的檢測設備也提出了更高的要求。本文主要介紹VCM磁鋼快速檢測控制系統的軟硬件設計。

1 控制系統的方案設計

本文所設計的VCM磁鋼快速檢測控制系統主要是與快速智能檢測系統中的機械、氣動及檢測部分相結合，利用單片機控制技術實現VCM磁鋼快速智能檢測系統的上料、分揀與下料等動作?？刂葡到y的結構框圖如圖1所示，在檢測設備控制系統中，主要輸入部分有急停按鈕開關、PC機通信、步進電機的限位開關、上料下料的限位開關等，主要輸出部分有上料下料氣缸和步進電機等裝置?？刂圃硎菃纹瑱C通過采集輸入量的信號，對上料下料氣缸和步進電機等輸出元件進行相應的控制，實現VCM磁鋼上料、檢測、下料的快速智能檢測過程。

系統上電后，單片機先控制步進電機使其運行至步進進限位開關處，然后執行下料氣缸的下料進和下料退動作，再控制步進電機使其運行至步進退限位開關處，完成整個系統的初始化，以便開始一個新的工作循環。

2 控制系統的硬件設計

控制系統的硬件主要由電源模塊、MCU模塊、485模塊、輸入電路模塊和輸出電路模塊等組成。本設計的電源模塊由獨立的24 V和5 V開關電源控制。

（1） MCU模塊

MCU模塊主要由AT89C52單片機和晶振電路組成，是整個控制系統的“大腦”，根據各個輸入電路模塊的輸入信號，按功能進行相關的邏輯控制，并輸出相應的控制信號，驅動氣動部分和步進電機，實現VCM磁鋼快速智能檢測系統的上料、分揀、下料的動作。模塊原理圖如圖2所示。

（2） 485模塊

485模塊主要是實現控制系統與PC機中的上位機軟件進行通信，接收上位機發送過來的動作按鈕及檢測結果，反饋給MCU模塊，由單片機對氣動部分和步進電機進行控制，實現上位機響應的動作指令。其原理圖如圖3所示。

（3） 輸入電路模塊

輸入電路模塊主要由7路相同的光耦隔離電路組成，分別用來采集急停按鈕、上料進限位和上料退限位開關、下料進限位和下料退限位開關、步進進限位開關和步進退限位開關等的狀態信號，傳遞給單片機，由單片機實現相應的動作控制。其原理圖如圖4所示。

（4） 輸出電路模塊

輸出電路模塊主要由4路氣缸驅動模塊和2路步進電機的驅動模塊組成，其原理圖分別如圖5、圖6所示。4路氣缸驅動模塊分別用來驅動上料氣缸的上料進和上料退、下料氣缸的下料進和下料退。2路步進電機驅動模塊用來控制步進電機的脈沖和方向。通過單片機對這些輸出模塊的控制，從而實現VCM磁鋼快速智能檢測系統的上料、分揀和下料動作。

3 控制系統的軟件設計

單片機控制系統的軟件主程序流程如圖7所示。首先要進行系統的初始化，主要完成對單片機端口的初始狀態和一些變量的初始值的設定，同時也要對串口及中斷進行初始化，完成串口通信速率及中斷使能等初始設置。系統先對輸入的開關量進行掃描，然后執行上料進，將磁鋼推至相機下方，并向上位機發送上料到位信號。如果上位機接收到上料到位信號，就會回復確認信號，如果此時上位機已經執行了相應的操作，隨后上位機就會將這些操作命令以字符串形式發送給下位機。如果下位機接收到的是上位機的停止信號，則馬上停止當前的動作，等待下一個命令的動作。而且由于控制系統執行了停止操作，所以系統要先執行一次起動操作，才能使系統復位，重新接收并執行新的動作命令。如果前面接收到的不是停止命令，而是起動命令，首先要判斷運行模式。如果是自動模式，則要判斷磁鋼是否合格，如果合格，則執行下料進動作，將合格品推至合格料箱里。如果是不合格品，則先要執行步進電機的進動作，然后執行下料進動作，將不合格品推至不合格料箱里。如果在自動模式中選擇的是單次動作，那么，至此就分別完成一個合格品和不合格品的上料、分檢、下料動作。如果選擇的是連續動作，則系統接下來將會循環地執行上面的動作，直到接收到上位機的停止命令或控制板上的急停操作為止。如果是處于調試模式，則相當于執行一次不合格品的操作過程，即先要執行步進電機的進動作，然后執行下料進動作，將不合格品推至不合格料箱里。如果系統是處于手動模式，則系統執行上位機發送過來的相應的上料進、上料退、下料進、下料退、步進、步退中的一種動作，然后再進行下一輪新的動作過程。其中，步進電機的速度是根據上位機發送過來的步進電機的脈沖頻率來確定的。另外，單片機系統和上位機之間的數據交換都是通過串口實現的。由于采用的是RS485通信，所以單片機系統和上位機之間只能進行半雙工通信，所以，雙方之間的收和發的協調很重要，否則會引起通信中斷，導致系統死機。為保證系統的可靠性，除了在硬件設計上加強隔離、屏蔽、濾波、抑制等措施外，還在軟件設計上通過在程序中適當的位置設置軟件看門狗來增強軟件的抗干擾，當程序受到干擾跑飛或進入死循環時，能將程序強制復位。

4 串口通信模塊

串口通信模塊主要是與PC機上的上位機軟件進行通信，接收上位機發送過來的動作按鈕及檢測結果，實現上位機對單片機控制模塊的自動、手動、調試等控制功能，從而驅動氣動部分和步進電機，實現VCM磁鋼快速智能檢測系統的上料、分揀、下料動作。

通信協議（波特率為38 400 kb/s）的制定主要包括以下幾個部分：

（1）下位機向上位機發送“上料到位”信號

單片機控制模塊在執行完初始化程序后，先執行上料進動作，直到上料進限位開關動作，即此時上料已到位，則向上位機發送“上料到位”信號，通知視覺檢測系統可以進行拍攝。發送的協議代碼為：0x01。

（2）上位機向下位機發送確認信號

上位機如果接收到下位機發送過來的“上料到位”信號0x01，則向下位機發送已接收到下位機信號的確認信號，其協議代碼為：0x02。同時通知視覺檢測系統進行拍攝。

（3）上位機向下位機發送“動作執行”信號

該字節的高4位為固定值“1”，低4位表示步進電機脈沖頻率的低4位。第6個字節為校驗字節，是對這串字符串的前5個字節進行“和校驗”，如果校驗結果大于0xFF，則取結果的低8位，同時如果結果小于0xC0，則結果加上0xC0，以便于與起始字節和確認字節等控制命令區分開來。

（4） 下位機向上位機發送確認信號

下位機接收到上位機發送過來的“動作執行”信號后，經過校驗，如果校驗正確，則向上位機發送確認信號0x03，表示接收數據正確；如果校驗不正確，則向上位機發送確認信號0x05，表示接收數據不正確，要求上位機重新發送。

（5） 上位機向下位機發送“動作停止”信號

如果上位機的停止按鈕按下，則向下位機發送“動作停止”信號0x04，命令下位機馬上停止所有動作。

（6） 下位機向上位機發送確認信號

下位機接收到上位機發送的“動作停止”信號后，向上位機發送確認信號0x03，并通知控制系統停止所有動作。

在整個通信過程中，如果下位機向上位機發送“上料到位”信號或上位機向下位機發送“動作停止”信號，并經過20 ms還沒接收到對方的確認信號，則要求本方重新發送一次，直到接收到對方的確認信號為止。如果上位機向下位機發送“動作執行”信號，并經過20 ms還沒接收到對方的確認信號，或者已接收到對方確認信號，但為校驗不正確的確認信號時，也應該要求本方重新發送一次，直到接收到對方的確認校驗正確的信號為止。

本設計通過與機械部分、氣動部分、檢測部分相結合，并利用單片機控制技術，較好地實現了VCM磁鋼快速智能檢測系統的上料、分揀與下料等動作。該系統結構簡單、效率高，通用性好，通過更換導料管、送料板等少數幾個零件，就可以應用于不同規格VCM磁鋼的快速檢測，具有較為廣闊的市場前景

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