邵伟-基于C8051F040的汽车火花塞滚丝机控制系统的设计

基于C8051F040的汽车火花塞滚丝机控制系统的设计

金荣群1邵伟2刘琦2关玉明2

（1天津福臻工业装备有限公司天津300130）

（2河北工业大学机械学院，天津300130）

摘要：火花塞是汽油发动机中用于点火的重要元件,普遍应用在汽车、摩托车以及农业船舶、航空等各行各业。因此，针对其大批量使用，用来加工火花塞底部螺纹设备的全自动化显得尤为重要。本文火花塞的滚丝机设备采用嵌入式控制系统，以C8051F040为主控芯片的主控电路板，集成变频器驱动电路板和步进驱动器电路板。其对于滚丝机控制系统的改进，成本降低有着重要意义。

关键词：火花塞；滚丝机；嵌入式；C8051F040；控制系统

中文分类号：TH173.5 文献标识码：A

The Control System Design of Rolling Machine on Automotive Spark

Plug Based on C8051F040

JIN Rong-qun1, SHAO Wei2，LIU Qi2, Guan Yu-ming2

（1 Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China）

（2 Tianjin Asset Industrial Equipment Co,.Ltd 300130,China）

Abstract：The spark plug is an important element for ignition gasoline engine, widely used in automobiles, motorcycles and agricultural ship, aviation and other industries. Fully automated equipment which is used to processing spark plug at the bottom of the thread is particularly important. This article spark plug thread rolling machine equipment with embedded control system the master chip C8051F040 as the main control circuit board, integrated inverter drive circuit board and stepper drive circuit board has a good significance for control system improvements and reduction on the cost of the rolling machine.

Key words:Spark plug; rolling machine; embedded; C8051F040; controlled system

1引言

随着汽车工业的发展，火花塞也得到大量的应用。火花塞是汽油发动机中用于点火的重要元件。火花塞上的螺纹是用来连接汽车内气缸，所以对于螺纹深度、牙型、外径的要求比较高。其质量的好坏直接影响点火效果。因此，滚丝机设备技术成为关键技术之一。

简述滚丝机动作过程：筛料，送料，滚丝。原控制系统送料装置用步进电机；另外单次筛料装置用一个小步进电机；滚丝处采用变频电机控制速度。原滚丝机设备的控制系统应用PLC与变频器采用Modbus通讯协议以通讯方式进行控制的。以PLC为主控模块的控制系统虽然应用起来很方便而且很稳定，但企业更注重的是性价比，投入成本过高使企业很难在市场竞争中站稳脚跟，因此本文涉及了以嵌入式系统取代现有控制系统的方案。随着科技的不断发展，嵌入式的应用不断加深，嵌入式系统成为了热门。嵌入式控制系统是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置，其是软件和硬件的综合体。

2 滚丝机嵌入式控制系统的总体方案

滚丝机控制系统的主要被控对象：变频器，两个步进驱动器，振动盘指示灯冷却泵电机等。该系统嵌入式有别于PLC控制系统的最大便捷之处在于其集成性，可以将主CPU，变频器，步进驱动器分别制成电路板插接到一起，所以拟自制主控电路板、变频器和步进驱动器，控制框图如图1所示，由控制框图可以确定整个控制结构由主控电路板、步进驱动器板、变频器电路板组成，对系统的设置、操作等均由触摸屏来完成，并且设置了基本的按钮和数码管的显示。

图1 滚丝机控制方案图

3 系统硬件设计

嵌入式中最主要的是单片机。根据滚丝机控制对象的特点，提出以C8051F040为主控芯片的主控电路板，集成变频器驱动电路板和步进驱动器电路板的一套嵌入式控制模块。

3.1 MCU主控模块

MCU主控模块是整个系统的控制中心。主要包括MCU子系统；一组3*3矩阵按键，2个独立控制按键；状态显示LED，6位数码管及其驱动电路，C8051F040通过时序模拟的方式将显示所需数据送入74HC573并显示出来；RS-232通信接口，电路由MAX232和其外围电路构成；JTAG调试接口和，通过JTAG调试接口可以完成C8051F040的在线仿真、调试和编程；供电电路；温度传感器选择的支持一线总线的DS18B20芯片，独特的单线接口方式使得DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

3.2 变频器

滚丝机控制系统使用自制的变频器以配合嵌入式的控制方案，变频器主要包括整流、滤波和逆变三个部分，而整流滤波是将交流电变为直流电，逆变则将直流电变为交流，送给异步电机使其转动，整流和滤波将不在本文设计之中。

变频系统包括C8051F040单片机和富士公司出品的FSBB20CH60功率逆变模块，它们集成在两个模块上，一个为MCU主控模块另一个是IPM功率逆变模块上，它们通过插座连接在一起，MCU主控模块负责电机驱动信号的产生和整个系统的协调控制；IPM功率逆变模块则提供功率逆变功能，这里说明一下本课题为减少危险性，将整流滤波去除，直接给逆变模块直流电输入。如图5.14所示为

C8051F040通用变频器系统框图。

图2 C8051F040通用变频器系统框图

3.3步进驱动器

步进驱动器的硬件组成主要包括驱动芯片L298，还有单向导通的二极管，这里选用的是DIN4148，及用于检测是否缺相的LED指示灯和电源电路等。L298N的电压接收范围为4.5~7V，为标准TTL电平，驱动2A，46V以下的步进电机，控制的电机种类包括两个两相或一个四相的，L298的输入端有四个，通过单片机提供时序信号，驱动步进电机改变其转速和方向。引脚图如图3所示，Pin1和Pin15可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路；OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2 个步进电机；input1~input4输入控制电位来控制电机的正反转；Enable则控制电机停转。

图3 L298引脚图

4 系统软件设计

整个滚丝机控制系统软件分为三个部分，电机的核心驱动程序，这部分主要是产生驱动电机所用的SPWM信号及相关驱动服务程序；系统控制程序；人机接口界面程序。

4.1 主程序流程

对于SPWM波的生成主要是计算高低电平的时间间隔，这里需要通过上面提到的SPWM生成方法计算时间的间隔再通过C8051F040单片机中可编程计数阵列PCA计算间隔时间，定时输出高低电平，实现SPWM的输出。

主程序流程如图4所示, 在系统初始化过后首先通过键盘设置输出频率，然后进入SPWM脉宽计算程序，根据所设置频率选择调制比N计算脉宽并确定max值。在SPWM输出程序中，对PCA特殊功能寄存器进行设置并启动计数器运行，开始输出SPWM波形。

图4 程序流程图

中断服务程序是判断定时器和捕捉比较模块发生匹配时的程序，其中由CCFn的值来决定哪个模块匹配，其相应的CEX引脚上的电平发生变化，如果CEX为高电平则把高电平脉冲宽度值赋给寄存器，如果是低电平，把时间间隔脉冲宽度值赋给寄存器，同时根据数据指针判断是否和最大值相等，进而确定一个周期的起始，使数据载入正确。载波比N与max的关系式为max=N/2-1。CCFn位和CF 位不能自动清零, 必须软件清零。

部分程序解析如图5所示：

图5 部分程序

4.2 触摸屏的设计

滚丝机控制系统设置操作等选用MCGS嵌入版组态软件，其是昆仑通态公司专门开发用于mcgsTpc的组态软件，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制。选择一块7寸MCGS TPC7062屏。

界面的设计包括：主界面，手动界面和自动界面。主界面为上位机监控系统运行的第一个界面，通过点击屏幕上方的各个按钮，可以进入到相应的各功能界面，在主界面，可以添加一些公司的产品简介及图片，丰富界面的内容，提高可读性使界面美观方便；进入手动操作界面，用户可在点动电机的启动、停止，步进电机的单步运动，变频电机的速度调整，通过手动界面可以测试出个分装置的合理参数，如图6所示；进入自动操作界面，用户可在此界面控制整套设备的启动连续运转停止解除报警等，自动界面会模拟真实设备的运动状况，同时当出现故障，界面会出现报警提示，并自动进入报

警信息界面。如图7所示。

图 6 手动界面

图7 自动界面

MCGS触摸屏上有一个RS232接口可以用来与单片机进行通讯。5. 小结

通过对嵌入式在滚丝机控制系统中的应用进行分析，详细介绍了基于C8051F040的主模块、变频器驱动模块和步进驱动模块的硬件建立，各模块芯片的介绍。软件方面主要讲述了变频原理、变频器用SPWM波的软件生成，及部分程序的编写。在设备不断完善，有了固定的参数后，嵌入式系统的应用将成为必然，其稳定性将不再是局限，同时降低火花塞生产成本，提高生产效率。

参考文献

[1]杨捷.火花塞发展趋势. 汽车与配件，2003,14:30-31

[2]MCGS嵌入版6.5组态软件的帮助手册.北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.2003年

[3]贾俊.嵌入式系统中网络负载平衡群集的研究与应用[D].湖南：湖南大学.2010年

[4]张积微.现代变频技术的应用和电力电子装置带来的危害及对策.机械与电子，2007，17:591-597

[5]刘琦.汽车火花塞生产设备的研制[D].天津：河北工业大学，2012年.

作者简介：金荣群，男，天津福臻工业装备有限公司.工程师，研究方向：机械设计制造

邵伟（1987—），女（汉），河北，河北工业大学机械工程学院在读硕士研究生，研究方向：机电成套设备及其关键技术。sw_717@https://www.wendangku.net/doc/633800013.html,.

刘琦（1986—），男（汉），天津，河北工业大学机械工程学院在读硕士研究生，研究方向：机电成套设备及其关键技术。liuqi@https://www.wendangku.net/doc/633800013.html,.

关玉明（1958—），男（汉），河北，博士，教授，主要研究方向是智能控制，研究方向：机电成套设备及其关键技术。Email:gyuming @https://www.wendangku.net/doc/633800013.html,.

通讯作者：关玉明，男，教授

通信邮箱：sw_717@https://www.wendangku.net/doc/633800013.html,

通信地址：天津市红桥区丁字沽一号路8号河北工业大学北院机械楼317室关玉明(收) 邮编300130 电话：159********