摘 要： 設計了基于STC12C5410AD單片機的水晶鑲嵌控制系統，闡述了該系統的構成和控制原理，給出了硬件電路的設計原理和軟件流程圖。應用證明該控制系統效果好、成本低廉，有助于提高生產效率。
關鍵詞： 單片機；鑲嵌；控制系統
近幾年以來，在浙江義烏、浦江一帶，水晶飾品鑲嵌行業的快速發展，引發了對水晶飾品鑲嵌工藝的各種改進，但由于鑲嵌過程的特殊性，目前主要采用人工方式，該工藝過程總的缺點是：成品率低，工人的勞動強度大。
本文針對鑲嵌過程的工作特點，開發設計了一種由單片機為控制核心的自動化控制系統，從而提供一種光電感應、磁動操作鑲嵌全過程自動控制的水晶飾品鑲嵌機，使飾品鑲嵌操作由最初的手工鑲嵌轉為自動化鑲嵌，最終達到降低工人的勞動強度、提高生產過程的成品率的目的。
1 水晶飾品鑲嵌機
水晶飾品鑲嵌機的工作原理是，放料槽中放入水晶后，按下控制面板上的控制按鈕，水晶在平動振動器的振動下，沿送料道向前送進，同時通過控制系統將鑲嵌鏈送到沖頭上方的指定位置，當水晶送到位后，由光電感應器發出信號，在系統的控制下，磁鐵通過電流產生沖力，完成鑲嵌，然后將沖壓好的鑲嵌鏈在系統的控制下送出，同時將下一節鑲嵌鏈送到指定位置。步進送鏈的長度與時間由單片機發出的脈沖數目的多少來控制步進電機轉過的角度，鑲嵌夾緊力的大小根據水晶的尺寸由單片機控制磁鐵的電流來實現。
根據本次設計的實際需要、系統性能指標、設計開發周期、資金成本等情況，選擇單片機控制人機界面的控制方式，系統控制方案結構示意圖如圖1所示。
整個控制系統主要由單片機控制單元、步進電動機驅動、電磁鐵和人機界面等組成。其中單片機是控制系統的核心，通過單片機實現對整個鑲嵌機的自動控制。
2 控制系統硬件設計
2.1 STC12C5410AD
單片機一方面要通過各種指令對整個鑲嵌水晶系統動作實施控制，另一方面通過人機界面與外界進行通信，接受人的各種指令要求。單片機是整個控制系統的核心，選用適當的單片機很重要。單片機選型的基本原則是在滿足基本控制功能和容量的前提下，盡量保證工作可靠、維護使用方便以及最佳的性價比。基本步驟是先根據工藝控制條件對I/O 點數(數字量及模擬量)進行準確的統計，在統計數據基礎上再增加10%～30%的余量來確定I/O總點數，使得所設計的控制系統有一定的擴充性，同時方便調試階段臨時增加點數的需要。根據設計實際需要，選擇采用STMicroelectronics 公司生產STC系列單片機(STC12C5410AD)，它屬于新一代高速MCU，指令代碼完全兼容傳統8051，4 路PWM，8 路高速10 bit A/D 轉換，針對電機控制，適用于強干擾場合[1]。
2.2 系統硬件電路設計
系統以STC微控器及其擴展存儲器構成的最小系統為核心，包括數據采集、鍵盤與顯示、控制與執行及供電電源等單元。
數據采集單元分為水晶位置檢測和水晶鑲嵌個數兩部分。
鍵盤與顯示單元包括以可編程鍵盤顯示專用接口芯片ZLG7290為核心的鍵盤輸入以及LED數碼管和指示燈顯示部分。
控制與執行單元由光電耦合器件、功率器件、步進電機及電磁鐵等組成。
硬件主要控制組成部分如下：
(1)最小系統電路設計：本設計充分利用了單片機STC12C5410AD的ADC、SPI、PWM、UART等內部硬件資源，減小了系統體積，降低了系統成本，提高了系統穩定性。包括擴展了存儲器的STC12C5410AD微控器、時鐘電路、復位電路以及總線驅動電路等部分，其原理圖如圖2所示[2]。
(2)步進電機控制電路設計：鑲嵌送鏈的平穩程度直接影響鑲嵌質量，而送鏈速度的平穩程度取決于送鏈電機的轉速，因此設計鑲嵌控制系統時應重點考慮以下兩個因素：①實現等速送鏈；②步進電機的速度控制通過控制單片機發出的步進脈沖頻率來實現。鑲嵌步進電機控制原理框圖如圖3所示[3-4]。
(3)信號輸入電路設計：本電路要接收信號，其中STC單片機的P1.0～P1.3是采樣電壓信號，P1.4～P1.7是采樣電流信號，信號輸入電路原理圖如圖4所示。
(4)信號輸出電路設計：本電路要輸出4個信號，分別控制步進電機、電磁鐵、光電檢測、送料機構，這些信號通過繼電器控制電機的運轉，來實現鑲嵌機的自動化控制。信號輸出電路原理圖如圖5所示。
(5)顯示面板電路設計：本電路用STC單片機的一個引腳來接二極管顯示器的公共端，控制其顯示。其原理如圖6所示。
3 微機控制系統軟件設計
鑲嵌工藝流程是編寫程序的依據,本控制系統的程序流程圖如圖7所示。
根據控制任務，鑲嵌控制程序編寫如下：
系統內存分配(30H~6FH)
XRUH EQU 10H ；步進電機運行加減速步數高字節
XRUL EQU 11H ；步進電機運行加減速步數低字節
XRDH EQU 12H ；步進電機運行加減速步數高字節
XRDL EQU 13H ；步進電機運行加減速步數低字節
XRNH EQU 14H ；步進電機運行勻速步數高字節
XRNL EQU 15H ；步進電機運行勻速步數低字節
XNNT EQU 16H ；步進電機每走一步PCA2中斷次數
XBNT EQU 17H ；步進電機每走一步PCA2中斷次數
ZRUH EQU 18H ；步進電機運行加減速步數高字節
ZRUL EQU 19H ；步進電機運行加減速步數低字節
ZRDH EQU 1AH；步進電機運行加減速步數高字節
ZRDL EQU 1BH；步進電機運行加減速步數低字節
ZRNH EQU 1CH ；步進電機運行勻速步數高字節
ZRNL EQU 1DH；步進電機運行勻速步數低字節
ZNNT EQU 1EH ；步進電機每走一步PCA2中斷次數
ZBNT EQU 1FH ；步進電機每走一步PCA2中斷次數
KD EQU 38H ；開關量緩沖地址
步進電機控制（部分）
ACP BIT P1.5 ；水晶輸送
ACW BIT T0 ；A軸正反轉控制
……
I0 BIT 78H ；送鏈正轉點動
I1 BIT 79H ；送鏈反轉點動
I2 BIT 7AH ；送鏈分度
I3 BIT 7BH ；嵌珠點動
I4 BIT 7CH ；嵌珠控制
I5 BIT 7DH ；送料控制
I6 BIT 7EH ；運行控制
I7 BIT 7FH ；珠到檢測
平行振動器開關控制（部分）
……
IQ0 EQU 0D800H ；開關量輸入輸出端口0地址
IQ1 EQU 0D900H ；開關量輸入輸出端口1地址
X0AD EQU 0D900H ；開關量輸入輸出端口1地址
XQAD EQU 0DA00H；0D900H
；開關量輸入輸出端口1地址
IQ2 EQU 0DA00H ；開關量輸入輸出端口2地址
IQ3 EQU 0DB00H ；開關量輸入輸出端口1地址
ZQAD EQU 0DB00H ；開關量輸入輸出端口1地址
IN0 EQU 2FH ；開關量輸入端口0緩沖地址
IN1 EQU 2EH ；開關量輸入端口1緩沖地址
IN2 EQU 2DH ；開關量輸入端口2緩沖地址
IN3 EQU 2CH ；開關量輸入端口3緩沖地址
OUT0 EQU 2BH ；開關量輸出端口0緩沖地址
X0OUT EQU 2AH ；開關量輸出端口1緩沖地址
XOUT EQU 29H；2AH；開關量輸出端口1緩沖地址
OUT2 EQU 29H ；開關量輸出端口2緩沖地址
ZOUT EQU 28H ；開關量輸出端口3緩沖地址
最終完成控制系統接線圖。
水晶鑲嵌控制系統采用STC12C5410AD單片機控制技術為核心，利用步進電機驅動、電磁鐵沖壓鑲嵌技術，實現了對水晶的快速可靠鑲嵌。系統結構簡單，成本較低，適合中小企業應用，在工廠經現場調試，性能穩定，運行良好，鑲嵌成品率由原來的手工鑲嵌80%左右提高到95%以上，鑲嵌效率是手工的8~10倍，大大提高了生產品質和生產率。
參考文獻
[1] 徐瑞華，劉雪春，盛國．單片機原理與接口技術[M]．北京：人民郵電出版社，2008.
[2] 馮良波，宋戰勝，王斌.基于STC單片機的車輛實時檢測系統[J].大慶石油學院學報，2008，32(1)：66～69．
[3] 高改會，于紅星，胡瑞玲.基于單片機的鍋爐液位自動控制系統的設計[J].機械工程師，2008，2,32（1）：129-130．
[4] 陳石龍．基于單片機的步進電機控制系統[J].寧德師專學報（自然科學版），2009，21(1)：16-20.