基于MSP430的机床功率监控系统设计.pdf

第 1 期 总第 1 5 8期 2 0 1 0年 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHAN】 CAL ENGI NEERI NG AUTOMAT1 0N No．1 Fe b ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 0 0 1 0 0 7 7 0 2 基于 MS P 4 3 0的机床功率监控系统设计 张 凯，彭 奠，罗眷彬 四川理工学院 机械工程 学院，囱川 自贡 6 4 3 0 0 0 摘要 以 MS P 4 3 0 F 2 4 7单 片机 为核 心，完成 了机床功率监控 系统 的设计 。本 系统 主要分为 4个大模块 ，分别 是 电源供 电模块、功率计量模块 、中央控制模 块和显示报警模块 。功率计量模块 主要采用 ATTT 0 2 2 A 电计量 芯片来实现 ， 中央控制模块 主要采 用 MS P 4 3 0 F 2 4 7处理器芯 片来 实现 ， 显示报警模块 主要采用 O C MJ 8 x J 5 B液 晶触 摸屏来实现。 关键词 MS P 4 3 O F 2 4 7 ；机床 ；功率监控系统 中图分类号 T HI 6 5 ． 2 文献标识码 A 0 引言 近几年来 ，计算机、通信 、电子的一体化趋势 日 益明显 ，单片机技术 已成为一个研究热点 。在传统产 品中嵌入单片机芯片， 可以大大提高产品的数字化、 网 络化、智能化水平，不仅有助于提高传统产品的技术 含量， 更成为产 品增值的关键因素； 在发展新产 品、 实 现技术创新上，单片机技术也是有效和得力 的手段 。 随着机床加工 自动化的高度发展 ，对机床加工状 态监控技术的研究和应用 日益重要和迫切 ， 近年来 ， 世 界许多国家的专家学者不断研究和应用了各种各样的 监控技术 ， 而功率监控技术以信号获取容易、 成本低 、 稳定性和可靠性好 、 便于现场应用等特点被广泛应用 。 采用功率监控技术可以监控切削过程中刀具的磨损情 况和机床的运行状态 ，保护刀具、工件和机床 ，还可 以监控机床能量消耗情况 ，便于机床操作者选择最佳 切削用量或工艺参数 ，从而提高劳动生产率 。 1设计 原理 本文将单片机技术和功率监控技术相结合 ，完成 了 对 机 床 功 率 监 控 系统 的 设 计 。本 设 计 首 先 用 AT T7 0 2 2 A 电计量芯片对机床的电流、电压、功率信 号进行计量 ， 然后用 MS P 4 3 0 F 2 4 7处理器对计量信号 进行处理 ，将机床的电流、电压、功率信息显示在液 晶触摸屏 OC MJ 8 x l 5 B上。 2系统 硬件 设计 本系统需要完成的主要功能是实时在线监控机床 的功率状况 ，即监控机床当前的电压、电流、功率等 参数 的状况 ，并把上述参数与额定电压 、电流、功率 等参数进行比较、分析、判断 ，从而得出当前机床所 处 的电气环 境 。如 果其 电气 环 境超 过安 全 生产 所要 求 的额定值 ，本系统则产生其对应的预警信号，使机床 管理人员或操作人员快速对机床进行控制操作 ，如立 即停机 、检修等。为了安全生产 ，上述 电气参数通过 液 晶触摸屏 实 时显 示 。要 实现 上述 功能 ，本 系统 主要 由以下 8 部分构成 。 1 电压 、 电流及 功 率参 数采 样 部分 。为 了随 时 了解 、掌握 机床 所 处 的 电气 环 境 ，如供 电的 电压 、电 流等 状况 ， 必须 对 电气 参数 实 时采 集 。 当 电压 ， 、 电流 ，参数采集到后 ， 根据公式 尸UI ， 很快便知该机床的 功率参数 P。 由于电能计量芯片 AT T7 O 2 2 A所测的电 压 、电流信号只能为较低的交流电压、电流信号 ，因 而必须将机床工作时较高的交流电压、电流信号转换 成较低的交流电压、电流信号。要实现上述功能，主 要 是利 用 电压互 感 器 、电流互 感 器 ，由于 电压互 感器 、 电流互感器 的初级与次级成线性关系，利用一个算法 程序就可得到机床的电气参数 。 2 A TT7 O 2 2 A 电能计量部分。由电压互感 器、 电流互感器转换而来 的低交流电压 、电流 ，接人到专 业 的 高 精 度 多 功 能 三 相 电 能 专 用 计 量 芯 片 ATT7 0 2 2 A， 完成对电压 、 电流信号的计量， 从而可知 该机床的功率信息 。 3 MS P 4 3 0 F 2 4 7处理器控制部分 。本部分作为 整个系统的核心部件C P U，完成对时钟芯片信息 的读取 、电能计量芯片 ATT7 0 2 2 A各项参数的读取 、 比较、分析、判断 ，并把结果显示在触摸屏上并可产 生预警信息。 4 存储部分。 本部分采用 AT2 4 C O 2存储器来存 储额定电压、额定电流、额定功率等参数 。 5 报警部分。 本部分根据 AT T7 0 2 2 A采集 的电 收稿 日期 2 0 0 9 0 5 1 0 ；修回 日期 2 0 0 9 0 8 2 0 作者简介 张凯 1 9 8 2 一 ， 男 ， 山东东营人 ， 在读 硕士研究生 ， 研究方 向 机械设 计及理论 ． 智能设 计与控制。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 8 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 0 年 第 1 期 压、电流、功率等参数与额定参数进行 比较 ，从而判 断出各项参数是否超限。若超限，则产生相应的报警 信号，使机床管理人员或操作人员快速对机床进行控 制操作，便于安全生产。 6 实时时钟部分 。本部分采用 I S I 1 2 0 8时钟芯 片来给整个系统提供时钟信号。 7 液晶触摸屏部分 。本部分采用 OC MJ 8 x l 5 B 液晶触摸屏把整个系统的各项参数如电压、电流、功 率、时间等信息实时显示 出来 ，便于机床管理人员或 操作人员了解、掌握机床的各项电气参数。 8 电源部分。本部分为整个系统提供稳定的工 作 电源 。 机床功率监控系统的整体结构见图 1 。 菱 黼 萑 压 I 变 压 及 采 样 电 路 ATT7022A 电 计 量 芯 片 电流实 时 输 出 电压 实时 输 出 功率 实时 输 出 S P I 接 r q l I S I G R E S E T 实 譬 鐾 钟 H M S F⋯ 4 3 O⋯ P 2 4 7 处 理 器 模 块 I 1 处 埋 器 报警模块 I l L C D 触摸屏 I l 存储器模块 图 1 机 床 功 率 监 控 系统 的 整 体 结 构 图 为了简化设计， 将以上 8个部分分为 4个模块 ① 电源供电模块 包括电源部分 ；②功率计量模块 包 括 电压、电流、 功率参数采样部分和 AT T7 0 2 2 A电能 计量部分；③中央控制模块 包括 MS P 4 3 0 F 2 4 7 处理 器控制部分、存储部分、实时时钟部分；④显示报警 模块包括报警部分、液晶触摸屏部分 。 3系统软件设计 MS P 4 3 0处理器的开发平 台是 I AR公司集成调 试环境 E mb e d d e d Wo r k b e n c h ，此编译 软件 可通 过 J TAG调试器 J TAG D e b u g g e r 直接将程序代码下载 到片内 F l a s h中， 脱机运行 ， 整个用户界面友好 。 调试 过程 中可在上层软件中看到各寄存器的内容 ，并可在 线修改，支持单步运行 ，在线观察定义的各个变量的 实时值 。采用所有相关文件放人一个项 目中的组织方 式编译运行时，软件可将文件按内在联系自动组合在 一 起 ，对用户 目标 电路 的调试可使用闪存模 拟工具 F l a s h E mu l a t i o n T o o 1 或 J TAG 调试器进 行 。 MS P 4 3 0单片机程序设计除可使用汇编语 言外 ， 还可使用 C语言。用 C语言进行程序设计是 MS P 4 3 0 开发与应用的必然趋势 ，特别是开发复杂而时间相对 紧张的项 目。因 C语言表达和运算能力强，且具有可 移植性 ，许多以前只能用汇编语 言处理的问题都可以 改用 C语 言来处理 ，从而能充分发挥 MS P 4 3 0的功 能，提高软件开发效率、执行效率 ，增加程序的可读 性、可靠性和可移植性 。 MS P 4 3 0 F 2 4 7程序 流程 图见 图 2 。 图 2 MS P 4 3 0 F 2 4 7程序流程图 系统主程序如下 ma i n { WDT CT LWD THOL DwD TP w ； ／ ／ 关 闭看 门狗定时器 I n i t - L C DO； ／ ／ 初始化图形点 阵 L C D I n i t - ATT7 0 2 2 ； ／ ／ 初始化 AT T7 0 2 2 A的各个寄存器 OP _S e [ e c t OP _C HI NE S E ； ／ ／ 初始化显示字符类型 R e a d 一7 O 2 2 一v o l t a g e O； ／ ／ 读取 AT T7 0 2 2 A的 电压值 C o mp a r e v o l t a g e ； ／ ／ 所读 电压值与 额定 电压 值作 比较、 判断 以及预警 R e a d 一7 0 2 2 -- c u r r e n t O； ／ ／ 读取 AT T7 0 2 2 A 的电流值 C o mp a r e _c u r r e n t ； ／ ／ 所读 电流值与额 定 电流值作 比较 、 判 断 以及预警 Re a d 一7 0 2 2 一 p 0 we r ； ／ ／ 读取 AT T7 0 2 2 A的功率值 Co mp a r e p o w e r ； ／ ／ 所读功率值 与额定功率 值作 比较、 判断以 及预警 R e a d -r e a h i me ； ／ ／ 读取实时时钟值 L c d d i s p l a y ； ／ ／ L C D液晶屏显示 上述参数 4结论 本文设计的机床功率监控系统具有体积小、成本 低、可靠性高、功能强、灵活方便等优点 ，并采用液 晶触摸屏作为人机界面 ， 可以很方便地查看监控信息。 另外 ，虽然本文所设计的功率监控系统主要是针对机 床的，但是由于其具有各种通用的接口、足够的数据 采集精度和控制精度以及 良好 的稳定性 ，因此可以作 为一个通用的监控模块应用于其他系统的监控需求。 参考文献和英文摘要转第 8 1页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 1期 机 械 工 程 与 自 动 化 wj ． s i c h u a n ． u p l o a d ． q u e u e ” Na me ” My J M S Qu e u e ” ／ 3 ． 2 格 式化 传输 消 息 的创 建 在本应用中，单位 A需要向总部进行预算上报 ， 事先传输双方约定数据格式如下 1 ． 0 0 0 ⋯ ⋯ l 1 0 4 0 1 0 1 0 2 0 1 0 1 9 8 7 4 l O O ⋯ ⋯ l 1 0 4 0 1 0 1 0 2 0 1 0 2 2 0 1 4 4 5 ⋯⋯ 在这种预定义的格式 中， 上报的单位、 时间等相关 信 息都在⋯标 签之 中， 而上 报的物资信息则在⋯ l ， ，， l ’ l ， ’ l ib1 1 ． ’ l ， ’ ， ， ， l ， ， l l ’ l ， l ， ， ， l l l l ， ， ， 1 11 ． I II ． ， ， ’ l ● ， 1 1 - ， l ’ ’ I ra ． ， ， ’ ， 上接第 7 8页 参考 文献 [ 1 ] 刘飞， 徐宗俊． 机床加工状态的功率监控技术E J ] ． 制造技 术与机床 ， 1 9 8 6 2 9 - 1 1 ． [ 2 3 王成进 ， 陶维青 ． 基于 A T T7 0 2 2和 MS P 4 3 0的三 相多 费 率电能表[ J ] ． 仪器仪 表用户 ， 2 0 0 5 4 3 8 3 9 ． [ 3 3 诸小 丽． 普通机床数 控技术改造探讨 [ J ] ． 南 宁职业技术学 院学报 ， 2 0 0 3 8 6 2 6 4 ． [ 4 ] 胡 大 可． MS P 4 3 0系 列单 片机 C语 言 程 序 设 计 与 开 发 [ M] ． 北京 北京航空航 天大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． De s i g n o f M a c h i ne To o l Po we r M o ni t o r i ng S y s t e m Ba s e d o n M S P4 3 0 ZHANG Ka i 。PENG Ya n， LUO Chu n b i n Co l l e g e of M e c ha nic a l En g i n e e r i n g，S i c hu a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e＆ En g i n e e r i n g，Z i g o n g 6 43 0 00Chi n a Ab s t r a c t A ma c h i n e t o o l p o we r mo n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o il M S P4 3 0 F2 4 7 wa s d e v e l o p e d i n t h i s p a p e r ． Th i s s y s t e m ma i n l y i n c l u d e d 4 mo d u l e sp o we r s u p p l y mo d u l e，ma c h i n e t o o l p o we r me a s u r e me n t mo d u l e ，c e n t r a l c o n t r o l mo d u l e ，d i s p l a y a n d a l a r m mo d u l e ． P o we r me a s u r e me n t mo d u l e a d o p t e d ATT7 0 2 2 A p o we r me a s u r e me n t c h i p ． Di s p l a y a n d a l a r m mo d u l e a d o p t e d OCMJ 8 x l 5 B LCD t o uc h s cr e e n． Ke y wo r dsM SP43 0 F24 7}ma c hi ne t OOl ；po we r moni t or i ng s y s t e m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m