基于C8051F单片机的钢丝断线检测装置

吴 旭，张志军

(中国电子科技集图公司第四十五研究所，北京101601)

多线切割机是一种用于硅材料或其它脆硬材料加工的高效加工设备，具有加工效率高，加工材料的表面质量好，并且能够加工大直径的工件等优点，在半导体材料加工、太阳能电池材料加工及其它特殊材料的加工中得到了日益广泛的应用。然而，在具备上述优点的同时，多线切割机作为一种复杂的大型材料加工设备，其控制系统的实时性和可靠性要求很高，一旦在材料切割过程中出现钢丝断线的情况，被加工工件很难再继续进行加工，更为严重的是，如果在材料切割区出现断线的情况，如果不能立即发现钢丝断线并且及时停机，将有可能造成钢丝缠绕轴辊，并且损坏轴辊上的聚氨酯涂敷层，使得设备不得不停机更换轴辊，给用户造成更大的损失。因此，为提高设备的可靠性及工作效率，针对多线切割机钢丝断线的意外情况，我们研制了专用的钢丝断线检测装置，并且通过独立的检测电路和单片机进行监控，在出现钢丝断线时立即发出停机信号，既保证了检测装置的实时性能，又使得运动控制系统能够专注于正常的设备控制功能，不会对控制系统造成额外的工作负担。

1 检测装置的工作原理

钢丝断线检测装置的工作原理如图1所示。

图1 钢丝断线检测装置的工作原理

在图1所示的检测装置中，收放线轮和探测器杆都是通过绝缘套垫安装在机器上，从而使其与机壳绝缘。检测装置首先需要将信号源加载到钢丝线上，为保证设备的安全性，通常选用低压直流电源，在实验中，我们选择DC 12 V的线性电源作为信号源。同时，为防止出现短路等意外情况，信号源输出电路应采取限流和保护措施。需要注意的是，由于在设备工作时，收放线轮处于高速旋转的运动状态，为保证检测装置工作的可靠性，在线轮上安装了碳刷，将信号源通过碳刷传递到安装在线轮轴上的铜环上，从而加载到钢丝线上。

在靠近轴辊并且与轴辊平行的方向上安装有数只金属探测杆，并且探测杆连接到后续放大电路的输入端。由于在加工过程中，轴辊带动钢丝高速运动，同时由于有伺服电机或气缸等装置对钢丝施加有一定的张力，一旦在切割过程中轴辊上的钢丝断线，在速度和张力的作用下钢丝线将在断点处立即被高速旋转的轴辊甩开，并接触到金属探测杆上，加载在钢丝线上的信号源也因此传递到探测杆及后续放大电路的输入端上，如果能够及时检测到探测杆上输入的信号，就可以立即发现在切割区出现钢丝断线的情况并停机，保护轴辊不被钢丝缠绕伤害。

2 信号放大电路

连接到探测杆的放大电路采用基本的三极管放大电路，其结构简单实用，设计和调试都很容易，见图2。

图2 信号放大电路原理图

在设备正常工作时，钢丝线不与金属探测器杆接触，加载在钢丝上的信号源与三极管T1的基极之间存在着较大的电阻，通常砂浆的电阻值都在1 MΩ左右，因此三极管基极的输入电流很小，通过适当选择R1的阻值，使T1在设备正常状态下工作在截止或放大状态。而一旦钢丝断线并与金属探测杆接触时，信号源通过钢丝上和金属探测杆输入到T1的基极上，通常钢丝线上的阻值在数十千欧以内，相对于未断线时T1基极输入的电流值大大增加，使三极管饱和导通，通过测量T1集电极上的电压值即可区分设备正常工作和钢丝断线时的状态。

在后续电路中，对输入信号进行了转换和调理，使放大器的输出电压值与C8051F单片机的A/D转换器的工作范围相匹配，并且通过隔离放大器输出测量信号，可以使设备工作更加安全可靠，提高设备的抗干扰性能。

3 C8051F单片机测量系统

为简化硬件电路设计，提高设备可靠性，检测系统使用Silicon lab公司的C8051F121型单片机作为控制系统核心。C8051F121型单片机的指令集与传统的51系列单片机兼容，但其性能却相对于其它51系列单片机有了极大的提高：

（1）首先，其内核采用了高速、流水线结构的CIP-51内核，通过内部集成的倍频器和PLL，最高工作频率可达100 MHz，并且70%的指令在一个或两个系统时钟周期内完成，运算有了大幅度的提高；

（2）片内集成了精度较高的8通道12位A/D转换器，其最高采样频率为100KSPS，并且通过设置内部的可编程放大器的增益，输入电压范围可达到0～5 V，完全可以满足对测量信号实时采集和处理的要求；

（3）片内的JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品进行全速、在线调试，并且不占用片内资源。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行，使得编程和调试都十分方便；

（4）片内集成了8K＋256字节的RAM存储器和128K字节的FLASH存储器，可以满足大多数单片机应用系统的需要，无须再外部扩展RAM或ROM存储单元，大大简化了PCB板图的设计，并且降低了系统成本，提高了系统的可靠性；

（5）具有32个多功能数字I/O引脚，所有端口引脚都可耐5 V电压，当工作在输出方式时，可以设置为漏极开路或推挽工作方式，其驱动电流可达10 mA以上，可以直接驱动普通的光耦器件，方便了系统之间的连接与扩展；

（6）集成了两路12位的D/A、电压比较器、UART串行通讯接口、SPI接口、定时器/计数器单元及看门狗电路等外设或功能模块，方便系统的扩展和开发应用。

由以上介绍可以看出，采用C8051F121单片机作为检测系统的CPU完全可以满足性能要求。结合测量系统的要求，所采用的检测系统主要包括了A/D信号采集单元、数字输入单元、数字输出单元及RS-485串行通讯系统组成。

A/D转换单元用于采集钢丝断线检测电路输出的测量信号，将图2所示的测量电路连接到C8051F121单片机的AIN0.X引脚，由单片机自带的2.4 V参考电源提供参考电压，并且通过软件将可编程放大器的增益设置为0.5，这时单片机可以测量大约0～5 V的输入电压。检测装置被设置为以1～2ms的周期进行连续测量，由定时器3溢出产生中断时测量AIN0.X引脚的输入电压，当单片机检测到输入的电压值低于设定的阈值时，即通过I/O端口输出断线信号，使主机能够及时发现断线故障并采取停机措施。

C8051F单片机的工作电源为2.7～3.6 V，断线检测装置采用3.3 V电源，为了与控制系统常用的24 V电源匹配并提高测量装置的抗干扰能力，断线检测装置通过光耦器件与外部控制装置连接。数字量输入单元采用了PS2801光耦器件进行隔离和转换，将外部的24 V控制信号转换为检测系统兼容的3.3 V电压信号，并通过74HCT14施密特触发器整形后输入到C8051单片机的数字输入引脚，数字量输出部分则通过TLP127光耦进行隔离输出，TLP127的输出部分采用了达林顿连接晶体管结构，输出电流可达500 mA，可以直接驱动继电器等器件。

串行通讯接口采用了MAX3485器件，MAX3485用于将RS-485线路驱动器的电平转换为与单片机系统匹配的3.3 V低电压电平。用户可以通过串口设置断线检测系统的工作参数并监控其工作状态，采用RS-485总线电平可以使断线检测装置与控制系统中其它功能模块兼容，方便系统的连接与扩展。见图3。

4 软件系统设计

C8051F单片机的集成开发环境可以使用汇编语言或C语言开发单片机应用程序，其程序包括主程序和定时器中断程序、串口通讯程序等部分。

图3 C8051F单片机断线检测系统总体设计

在检测系统工作时，需要以一定的时间周期进行连续测量，通过能使定时器中断及编写定时中断程序实现定时检测，在定时中断程序中，A/D转换器采集断线检测装置输入的电压值，并将其存入RAM存储单元中。

串口通讯程序用于接收上位控制计算机的控制命令，然后对控制命令进行分析，确定是控制命令或是状态监控操作，并根据指令修改单片机中的参数值或向上位机返回状态值。串口采用中断操作方式进行工作，设定其波特率为19.2 kHz，并且可以采用常用的MODBUS等通讯协议传输通讯数据。

主程序用于初始化系统的定时器、串行通讯口、A/D转换器及I/O端口的设置，并根据串行通讯口接收的命令或I/O端口的输入命令启动检测装置工作、转换工作状态、修改工作参数、或者复位故障与报警信号等操作。

5 结束语

采用以上基于C8051F单片机的多线切割机钢丝断线检测装置，具有很高的灵活性和实时性，并且独立于主控制系统工作，不影响运动控制系统的工作。该断线检测装置在多线切割机中进行实验，能够可靠地捕获断线信号，并且与上位控制器进行通讯和数据传输，提高了多线切割机的可靠性和工作效率。

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