基于STM32单片机的数控机床数据采集系统设计.pdf
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1、 装备及自动化 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料16基于 STM32 单片机的数控机床数据采集系统设计*朱力琼甘肃机电职业技术学院,甘肃 天水 741001摘要:文章针对异构型数控车床设计了 STM32 通用采集模块,将单片机技术与无线通信技术相结合,在保证质量的同时提高了生产效率。测试结果表明,文章所设计的采集系统可以准确采集到加工过程中的生产数据信息,采集速度快、传输迅速,具有很强的实用价值。关键词:STM32 嵌入式单片机;数据采集;电路设计;程序设计分类号:TG659;TP274随着大数据、云计算等技术的兴起和工业 4.0 的发展,现代制造业正在从以机器为特征
2、的传统技术时代向高效化、智能化、信息化的技术时代迈进,制造业在各个环节努力管控生产质量、提升生产效率,促进企业经营管理模式系统化。数控机床作为制造业最为核心的设备,车间的信息化已经成为制造类企业发展的必然选择,而数控机床的生产数据采集,乃至制造业装备系统的数据采集发展,真正构成了智能制造和工业 4.0 发展的第一步1。文章基于数控机床生产数据采集通用性的需求,设计了基于嵌入式单片机 STM32 的采集方案,通过各种传感器将被测量对象转换为电量,设计开关量和模拟量采集接口电路,实现了数控机床的运行状态和生产数据的综合采集。1 总体方案设计数控机床生产数据采集系统要解决的第一个问题是机床加工过程中
3、各种模拟和数字信号的数据采集,目前国内外应用最为广泛数控系统是西门子系统和发那科系统,这两个系统都自带采集软件,因此可以直接采集加工过程中的各项数据。但这种软件通常在短时间内不易掌握且价格昂贵,而且与其他数控系统软件和不同厂商生产的机床互不兼容。目前,我国数控机床数据采集的研究方向主要集中在如何统一接口和选择合适的采集方法,首先需要解决的是流程复杂、信息纷乱的车间数控设备信息化的问题。自行开发的数据采集方法,一方面可以节省成本,另一方面可以适应用户定义和需求。目前国内企业中广泛使用的采集方法有基于 PLC 和电器电路的机床信号采集、基于 ARM9 的数控机床数据采集、基于外接传感器的机床模拟量
4、采集、基于串口的数控机床数据采集等。数控机床采集的数据类型如图 1 所示。数控机床生产数据机床开关量信息机床模拟量信息加工相关信息通电状态、主轴启停、程序启停、故障报警.主轴电流、主轴功率、主轴转速.数控程序号、当前刀具号、工件计数.通电状态、主轴启停、程序启停、故障报警图 1 数控机床的数据主要类型从以上分析可以看出,数控加工制造车间的数据庞大复杂、分散多变,既需采集车间生产数据,也要采集设备运行数据,数据载体分布于车间的不同地方。因此,文章采用分布式采集和集中管理的采集系统。分布式采集由嵌入式单片机采集模块完成,集中管理由上位机管理系统完成,通过采集系统的无线传输网络上传到上位机。上位机的
5、主要任务是接收信息,处理和分析并将结果存储下来2。2 采集模块硬件电路设计2.1 核心芯片选择采集电路模块的主要功能是将串口数据或者模拟量数字量采集、分析、转换和校验后通过网络进行数据传输。该设计采用单片机嵌入式微机系统,以增加文章编号:2096-3092(2023)08-0016-03*基金项目:甘肃机电职业技术学院科学技术类项目“一种基于单片机控制的开关电源的分析与设计”(GSJD2022A03)作者简介:朱力琼,女,硕士,讲师,研究方向为电气自动化技术、应用电子技术。造纸装备及材料 第 52 卷 总第 221 期 2023 年 8 月 装备及自动化17系统的准确性和灵活性。芯片采用意法半
6、导体(ST)公司的 STM32F103C8T6 系列处理器,STM32F103C8T6 芯片是基于 Cortex-M3 内核的 32 位处理器,寄存器和存储器也是 32 位的。硬件的封装形式采用 48 脚(LQFP48),属于 ST 公司微控制器中的 STM32 系列。此系列处理器对嵌入式系统编程进行了简化,具有高性能、低功耗、低成本的特点。2.2 核心电路设计数控机床生产数据采集系统的核心是单片机 STM32采集模块,采集芯片将数控机床、外围器件和上位机连接起来。但是 STM32 微处理器芯片不能独立工作,必须提供外围电路,构成 STM32 系统,并设计对应的接口电路。STM32F103C8
7、T6 最小系统电路由 3.3 V 电源电路、滤波电路、8 MHz 时钟电路、复位电路、显示屏电路、下载电路以及通信模块等组成。为了方便之后扩展,芯片的所有 I/O 管脚都已拔出。该设计的最小系统电路原理图如图 2 所示。(a)电源及时钟部分电路(b)采集及通信部分电路图 2 最小系统电路原理图STM32F103C8T6 总共有 5 个接电源正极和 4 个接地引脚,分别给内部不同的模块供电。芯片的工作电压为 2.0 3.6 V 的直流电,因此首先需要将 220 V 的交流电整流为 5 V 的直流电,然后通过降压电路降为3.3 V 供电。转换过程中需要对电压进行滤波,5 V 和 3.3 V 端分别
8、接入电容进行滤波。滤波电容接在输出端与负载之间,以滤除直流电源中的高频噪声,使直流电平滑,保证电源输出的稳定性和可靠性。通常采用大容量的电解电容,也可以在电路中同时并接其他类型的小容量电容以滤除高频交流电3。晶振电路是主控芯片的核心,通过振动给单片机提供时钟信号,因此可以无差错地跑程序。所有的外设电路和 CPU 工作都要基于该时钟。时钟电路由时钟发生器(时钟芯片)、晶振、电阻、电容和电感等组成。复位电路的作用是使电路恢复到起始状态,当单片机受到环境干扰出现程序运行偏离的时候,按下复位按钮,单片机从初始状态开始工作,把除了备份区域寄存器以外所有寄存器状态恢复到原始状态。STM32 单片机有上电复
9、位、系统复位、备份区域复位等方式。该设计采用的是系统复位中的外部复位(NRST引脚的低电平复位),在上电瞬间通过按键为 NRST 引脚产生一个短暂的低电平,让系统完成复位。刚上电的时候电流会通过 R12 和 C13 到地,为 C13 充电,此时 NRST 的引脚为低电平。当 C13 充满电以后,C13就处于“断路”的状态,此时 NRST 的引脚由低变高电平4。STM32F103C8T6 烧录下载方法大体上有三种,分别为 JTAG 下载、SWD 下载以及串口下载。该设计采用的烧录方式为 SWD 下载,下载电路设计时 SWDIO、SWDCLK、VCC 和 GND 这 4 个引脚引出,同时单片机的
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