鋼筋捆扎機(jī)電氣控制設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u19914鋼筋捆扎機(jī)電氣控制設(shè)計(jì)案例 1192501.1控制方案設(shè)計(jì)思路 157101.3代碼生成 7150891.4實(shí)際演示 1129001.5電機(jī)轉(zhuǎn)速和時(shí)間校核 111.1控制方案設(shè)計(jì)思路根據(jù)前面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，我們可以確定了綁扎機(jī)的工作流程，設(shè)計(jì)電氣控制方案時(shí)可以注意到，由于伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)置，綁扎時(shí)扎絲的用量隨著伸縮距離的改變而改變，總體上是呈正相關(guān)。因此在設(shè)計(jì)電氣控制中，要加入一個(gè)傳感器類(lèi)似的設(shè)備來(lái)確定伸縮的距離，從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速和時(shí)長(zhǎng)，保證扎絲能夠全部用于綁扎，不會(huì)堵塞扎絲走過(guò)的軌道。在本科期間，通過(guò)各種各樣的課程我學(xué)習(xí)過(guò)單片機(jī)、STM32、Arduino等等控制芯片，但是根據(jù)我自己實(shí)際的平時(shí)課題的使用和研究來(lái)看，單片機(jī)在工程里面應(yīng)用的比較少，而STM32確實(shí)功能比較齊全，但是相應(yīng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積也比較大，放在綁扎機(jī)里面是不合適的。Arduino結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制代碼也不是很復(fù)雜，上位機(jī)的軟件也比較成熟，而且主板尺寸也很小，完全適合用來(lái)控制。而且在以前的課程中做過(guò)Arduino和傳感器。但是如果Arduino直接和電機(jī)相連接的話(huà)，串口輸出電壓不夠，高電平輸出為5V，而電機(jī)的額定電壓是12V，所以還需要一個(gè)L298N驅(qū)動(dòng)芯片和12V的外接直流電源，來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。除了這些之外，為了符合正常人們操作使用的習(xí)慣，還需要再加上電壓檢測(cè)傳感器配合開(kāi)關(guān)，保證電機(jī)能夠隨著工人按下開(kāi)關(guān)而啟動(dòng)，而不是一接通電源就啟動(dòng)。所以最終我確定了電氣控制方案，整體使用了Arduino、HCSR04超聲波測(cè)距傳感器、電壓檢測(cè)傳感器（VoltageSensor）、USB開(kāi)關(guān)、帶線無(wú)檔復(fù)位式開(kāi)關(guān)、5V電源、12V電源、YS-3420微型高速永磁直流電機(jī)、L298N以及若干電線這些材料。如下圖。圖1.1.1Arduino圖1.1.2L298N圖1.1.3HCSR04超聲測(cè)距傳感器圖1.1.4電壓檢測(cè)模塊圖1.1.5YS-3420微型高速永磁直流電機(jī)Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)。包含硬件（各種型號(hào)的Arduino板）和軟件（ArduinoIDE)?？缙脚_(tái)ArduinoIDE可以在Windows、MacintoshOSX、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行，而其他的大多數(shù)控制器只能在Windows上開(kāi)發(fā)。ArduinoIDE基于processingIDE開(kāi)發(fā)。對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，極易掌握，同時(shí)有著足夠的靈活性。Arduino語(yǔ)言基于wiring語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，是對(duì)avr-gcc庫(kù)的二次封裝，不需要太多的單片機(jī)基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)后，你也可以快速的進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫(kù)文件都是開(kāi)源的，在開(kāi)源協(xié)議范圍內(nèi)里可以任意修改原始設(shè)計(jì)及相應(yīng)代碼。L298N是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片采用15腳封裝，主要特點(diǎn)是工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V，輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率為25W；內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，繼電器線圈等感性負(fù)載，采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受使能信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作，可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路；使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。?模塊使用L298N作為主驅(qū)動(dòng)芯片，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)?模塊使用內(nèi)置75M08通過(guò)驅(qū)動(dòng)電源部分去電工作，但是為了避免穩(wěn)壓片損壞，當(dāng)使用大于12V驅(qū)動(dòng)電壓的時(shí)候請(qǐng)使用外置的5V邏輯供電?模塊使用大容量濾波電容，續(xù)流保護(hù)二極管，可以提高可靠性?邏輯電壓：5V?邏輯電流：0Ma-36mA?存儲(chǔ)溫度：-20℃到+135℃?工作模式：H橋驅(qū)動(dòng)?驅(qū)動(dòng)電壓：5V-35V?驅(qū)動(dòng)電流：:2A（MAX單橋）?最大功率：25W?產(chǎn)品尺寸：60.0mm*60.0mm而YS-3420微型高速永磁直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如下：1、結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，小型高效；2、傳動(dòng)速比大，扭矩大，承受過(guò)載能力高；3、運(yùn)行平穩(wěn)，噪音小，經(jīng)久耐用；4、配用電機(jī)品種廣，且均可實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。5、適用性強(qiáng)，安全可靠性大；6、安裝簡(jiǎn)易，靈活輕捷，性能優(yōu)越，易于維護(hù)檢修；HC-SR04超聲波模塊常用于機(jī)器人避障、物體測(cè)距、液位檢測(cè)、公共安防、停車(chē)場(chǎng)檢測(cè)等場(chǎng)所。超聲波模塊有4個(gè)引腳，分別為Vcc、Trig（控制端）、Echo（接收端）、GND；其中VCC、GND接上5V電源，Trig（控制端）控制發(fā)出的超聲波信號(hào)，Echo（接收端）接收反射回來(lái)的超聲波信號(hào)。HC-SR04超聲波模塊主要是由兩個(gè)通用的壓電陶瓷超聲傳感器，并加外圍信號(hào)處理電路構(gòu)成的。其中，HCSR04超聲波測(cè)距傳感器的測(cè)距范圍是20mm到4500mm，大致符合我們的工作范圍。測(cè)距精度為3mm，測(cè)距周期為10us。主要參數(shù)有：使用電壓：DC—5V靜態(tài)電流：小于2mA電平輸出：高5V電平輸出：低0V感應(yīng)角度：不大于15度探測(cè)距離：2cm-450cm高精度可達(dá)0.2cm工作流程為：a.單片機(jī)引腳觸發(fā)Trig測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)；b.模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；c.有信號(hào)返回，通過(guò)IO輸出一高電平，并單片機(jī)定時(shí)器計(jì)算高電平持續(xù)的時(shí)間；d.超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。電壓檢測(cè)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)大于5V的電壓，此模塊基于電阻分壓原理所設(shè)計(jì)，能使紅色端子接口輸入的電壓縮小5倍，模擬輸入電壓上限為5V，那么電壓檢測(cè)模塊的輸入電壓則不能大于5V×5=25V（如果用到3.3V系統(tǒng)，輸入電壓不能大于3.3Vx5=16.5V）。因?yàn)锳rduino所用AVR芯片為10位AD，所以此模塊的模擬分辨率為0.00489V（5V/1023），故電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)輸入下限電壓為0.00489V×5=0.02445V。通過(guò)3P傳感器連接線插接到傳感器擴(kuò)展板，不僅可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電量大小的檢測(cè)，監(jiān)控互動(dòng)媒體作品或機(jī)器人電池供電的電量，也可以通過(guò)IICLCD1602液晶模塊顯示電壓制作電壓監(jiān)測(cè)器。電機(jī)的參數(shù)為工作電壓12V,空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速3500RPM/MIN，空載電流為0.31A，額定轉(zhuǎn)速3200RPM/MIN，額定電流為2.42A。而我們的動(dòng)作是實(shí)現(xiàn)一個(gè)綁扎還有空轉(zhuǎn)，因此都是處于輕載荷和空載荷的工作狀態(tài)，因此可以基本認(rèn)定工作時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速在3500RPM/MIN，具體的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。1.2相關(guān)參數(shù)的計(jì)算在之前的實(shí)習(xí)中，我通過(guò)觀察、測(cè)量以及對(duì)現(xiàn)有綁扎機(jī)的測(cè)算，人工綁扎一個(gè)綁扎點(diǎn)的時(shí)間平均為1.6s左右（新手員工用時(shí)會(huì)稍長(zhǎng)，綁扎距離較遠(yuǎn)或者較近的點(diǎn)也會(huì)稍長(zhǎng)），綁扎機(jī)綁扎一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間為0.8s左右，比較符合產(chǎn)品包裝上面的描述，所以我在設(shè)計(jì)電機(jī)控制時(shí)間的時(shí)候，考慮到工人和現(xiàn)有產(chǎn)品，目標(biāo)設(shè)計(jì)處于最長(zhǎng)伸長(zhǎng)距離時(shí)用時(shí)1.4s，而處于最短距離時(shí)用時(shí)為1.2s，算上對(duì)準(zhǔn)綁扎點(diǎn)和綁扎完成之后離開(kāi)綁扎點(diǎn)的時(shí)間，總共需要1.2s-1.9s的時(shí)間。這樣比較符合工人們?nèi)斯そ壴墓?jié)奏，也能夠保證效率。因?yàn)樵z用量也是會(huì)隨著伸長(zhǎng)距離的增加而增加，所以在時(shí)間設(shè)定好的情況下，需要通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速的方式來(lái)控制。正好Arduino的5、6、10、11等串口可以通過(guò)代碼實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊PWM控制，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。同樣的，HCSR04超聲波測(cè)距傳感器的控制原理是只需要提供一個(gè)10us以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40kHz周期電平并檢測(cè)回波。輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間Temp就是超聲發(fā)出到回來(lái)使用的時(shí)間，從而可以使用如下的公式來(lái)計(jì)算出伸縮機(jī)構(gòu)的距離x(cm)。電壓檢測(cè)傳感器（VoltageSensor）測(cè)量用時(shí)1000us。根據(jù)測(cè)量，綁扎機(jī)使用的扎絲平均每次用量是400mm，而人工綁扎使用的綁扎用量為200-250mm。但是整體綁扎效果還是機(jī)器綁扎效果更好，綁扎也更緊，所以考慮我設(shè)計(jì)的綁扎機(jī)扎絲用量在600-800mm，主要還是看伸長(zhǎng)的距離L(cm)決定。而x(cm）又和超聲波的檢測(cè)時(shí)間Temp有關(guān)。L=(Temp?17)/1000(cm)(4-1)根據(jù)讀出的距離確定現(xiàn)在的工作長(zhǎng)度S(cm)：S=L+29.6Smm根據(jù)工作長(zhǎng)度S，就可以確定工作總時(shí)間t(s)和工作時(shí)間twork(ms)：t=1/1300?tms=t?1000(ms)(4-5)twork=0.5?tmsms當(dāng)然，僅僅是這些還是不夠的。在實(shí)際編寫(xiě)代碼的過(guò)程中還是遇到了不少問(wèn)題。第一就是電壓檢測(cè)的問(wèn)題，在一開(kāi)始打版本中，由于arduino電壓檢測(cè)模塊程序的開(kāi)源代碼是一個(gè)不停檢測(cè)的過(guò)程，大概1000us就檢測(cè)一次，會(huì)導(dǎo)致程序不停地重置，因?yàn)楹竺媸且蟾鶕?jù)檢測(cè)到的電壓執(zhí)行動(dòng)作，這就是需要解決的問(wèn)題。同樣的，還有一個(gè)問(wèn)題就是我用的是無(wú)檔復(fù)位式開(kāi)關(guān)，因?yàn)檫@也是參考工人的使用習(xí)慣和平時(shí)常見(jiàn)的綁扎機(jī)，所以在檢測(cè)電壓12V后，電機(jī)轉(zhuǎn)完之后，工人還是會(huì)有一小段時(shí)間一直按著開(kāi)關(guān)的，此時(shí)電壓也是檢測(cè)12V，還是可能會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。所以如何在這段時(shí)間內(nèi)保證電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，這也是需要解決的問(wèn)題。如果一直檢測(cè)不到電壓符合要求的話(huà)，會(huì)以一定的周期循環(huán)檢測(cè)電壓，這樣就可以實(shí)現(xiàn)按下開(kāi)關(guān)再啟動(dòng)電機(jī)。整體的工作流程如下圖：圖1.2.1控制流程圖1.3代碼生成根據(jù)之前總結(jié)的控制流程，那么代碼就不會(huì)很難編寫(xiě)。由于使用的是Arduino，和傳感器，Arduino代碼是用C++語(yǔ)言編寫(xiě)的，增加了一些特殊的方法和函數(shù)。Arduino常用數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換函數(shù)：char()：將任意類(lèi)型的值轉(zhuǎn)換成char類(lèi)型;byte()：將任意類(lèi)型的值轉(zhuǎn)換成byte類(lèi)型;int():將任意類(lèi)型的值轉(zhuǎn)換成int類(lèi)型;long():將任意類(lèi)型的值轉(zhuǎn)換成long類(lèi)型;float():將任意類(lèi)型的值轉(zhuǎn)換成float類(lèi)型;常量：HIGH、LOW表示讀寫(xiě)數(shù)字IO腳的值INPUT、OUTPUT表示數(shù)字IO腳的方向true、false數(shù)字IO：pinMode()pinMode(pin,mode);pin:0-13mode:INPUT/OUTPUTdigitalWrite()digitalWrite(pin,Value);Value:HIGH/LOWdigitalRead()digitalRead(pin,Value);Value:HIGH/LOW串口收發(fā)函數(shù)：Serial.begin(speed)一般取值300，1200，2400，4800，9600，14400，19200，28800，38400，57600，115200voidsetup(){Serial.begin(9600);//又稱(chēng)為波特率}Serial.end()禁止串口傳輸函數(shù)。此時(shí)串口傳輸?shù)膒in腳可以作為數(shù)字IO腳使用Serial.end();基本的Arduino代碼邏輯是一個(gè)“if-then”結(jié)構(gòu)，可以分為4個(gè)塊：●設(shè)置-通常會(huì)寫(xiě)入Arduino代碼的Setup部分，并執(zhí)行只需要執(zhí)行一次的操作，例如傳感器校準(zhǔn)?！褫斎?在loop函數(shù)的開(kāi)始處，讀取輸入信號(hào)。這些值將用作條件（“if”），例如使用analogRead()從LDR讀取環(huán)境光強(qiáng)度?！癫僮鲾?shù)據(jù)-本節(jié)用于將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為更方便的形式或執(zhí)行計(jì)算。例如，AnalogRead()輸出0-1023的讀數(shù)，其可以被映射到0-255的范圍，以用于PWM?！褫敵?本節(jié)根據(jù)上一步計(jì)算的數(shù)據(jù)定義邏輯的最終結(jié)果（“then”）。下面需要解決的就是在計(jì)算公式時(shí)遇到的問(wèn)題了。首先是不斷檢測(cè)的問(wèn)題，這里使用一個(gè)while語(yǔ)句，而且還是while（電壓不滿(mǎn)足要求），這樣就可以讓電壓不足時(shí)一直檢測(cè)，滿(mǎn)足時(shí)就不檢測(cè)。其次就是我在實(shí)際仿真的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電機(jī)一直在晃動(dòng)，而且旋轉(zhuǎn)時(shí)間幾乎不會(huì)改變，在我反復(fù)試驗(yàn)以及檢查代碼之后發(fā)現(xiàn)，Arduino的int類(lèi)型的數(shù)據(jù)范圍是-32,768~32,767（2字節(jié)），雖然使用的C++，但是int類(lèi)型數(shù)據(jù)是2字節(jié)，所以在我使用us作為單位進(jìn)行時(shí)間控制的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以我全部改成了float類(lèi)型的數(shù)據(jù)，它是4字節(jié)的，范圍是-3.4028235E+38to3.4028235E+38，完全滿(mǎn)足要求。最后就是上面提到的那個(gè)問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題也是困擾了我比較久的問(wèn)題。當(dāng)時(shí)我用了很多if和while語(yǔ)句，發(fā)現(xiàn)單用電壓的檢測(cè)是不太好實(shí)現(xiàn)的。所以還要額外的插入?yún)?shù)n，這個(gè)n就是用來(lái)和電壓大小一起表示表示電壓狀態(tài)。n的值只有1或者2。所以有四種情況：n=1，電壓不足。這種情況不會(huì)啟動(dòng)電機(jī)；n=1，電壓符合。這種情況下電機(jī)會(huì)啟動(dòng)；n=2，電壓不足。這種情況不會(huì)啟動(dòng)電機(jī)；n=2，電壓符合。這種情況不會(huì)啟動(dòng)電機(jī)。即：表4-1電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)電壓不足電壓符合n=1電機(jī)不動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)電機(jī)不動(dòng)n=2電機(jī)不動(dòng)總結(jié)一下，想要實(shí)現(xiàn)這樣的功能就是需要通過(guò)一種表達(dá)方式來(lái)表達(dá)至少四種以上的狀態(tài)，所以這是僅檢測(cè)電壓大小無(wú)法實(shí)現(xiàn)的事情，那么引入一個(gè)變量n就可以了。我們令電壓不足時(shí)n=1，這樣電機(jī)處于狀態(tài)1。當(dāng)電壓符合要求時(shí)，n不變，仍然為1，這樣電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。然后電機(jī)操作完成之后，令n=2，這樣即使工人沒(méi)有松開(kāi)開(kāi)關(guān)，電壓符合要求，也不能啟動(dòng)電機(jī)。最后松開(kāi)開(kāi)關(guān)，會(huì)有短暫的一小段時(shí)間處于狀態(tài)3，電機(jī)依舊不啟動(dòng)，而因?yàn)橐粋€(gè)循環(huán)指令的存在，電壓會(huì)重新檢測(cè)到不足，令n重新回到1，就可以不斷重復(fù)上述過(guò)程，從而復(fù)刻現(xiàn)實(shí)中的綁扎過(guò)程。最終的代碼如下：#definePIN_TRIG12#definePIN_ECHO11intinput1=5;intinput2=6;intval;floatS;floatSmm;floatt;floattms;floattwork;floattsh;intn;floatx;floattemp;floatt1;voidsetup(){Serial.begin(9600);pinMode(PIN_TRIG,OUTPUT);pinMode(PIN_ECHO,INPUT);pinMode(input1,OUTPUT);pinMode(input2,OUTPUT);}voidloop(){val=analogRead(0);t1=val/40.92;val=(int)t1;delayMicroseconds(100);while(val<5){val=analogRead(0);t1=val/40.92;val=(int)t1;n=1;delayMicroseconds(1000);}if(val>=5,n==1){Serial.println(val);digitalWrite(PIN_TRIG,LOW);delayMicroseconds(2);digitalWrite(PIN_TRIG,HIGH);delayMicroseconds(10);digitalWrite(PIN_TRIG,LOW);temp=float(pulseIn(PIN_ECHO,HIGH));x=(temp*17)/1000;Serial.print("Echo=");Serial.print(temp);Serial.print(",Distance=");Serial.print(x);Serial.println("cm");S=x+29.5;Smm=S*10;t=(1/1300)*(Smm-320)+1.2;tms=t*1000;twork=0.5*tms;digitalWrite(input1,HIGH);//給高電平digitalWrite(input2,LOW);//給低電平delay(tms);//延時(shí)digitalWrite(input1,LOW);//給低電平digitalWrite(input2,HIGH);//給高電平delay(tms);//延時(shí)digitalWrite(input1,LOW);//給低電平digitalWrite(input2,