這種刻度設(shè)計(jì)的切管機(jī)可以具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)不復(fù)雜、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。目前市面上大部分切管機(jī)采用PLC控制器，雖然PLC控制器具有編程簡(jiǎn)單、研發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，但PLC控制器本身價(jià)格過高，每套成本數(shù)千元，而單片機(jī)控制器成本低，體積小， 柔韌性好，適應(yīng)性強(qiáng)，易于批量生產(chǎn)。而單片機(jī)芯片是按照工業(yè)環(huán)境的要求設(shè)計(jì)的，其抗干擾能力更強(qiáng)，包含接口多，擴(kuò)展能力強(qiáng)，指令豐富。雖然前期研發(fā)成本高，但由于生產(chǎn)階段復(fù)制成本低，比PLC控制器更具優(yōu)勢(shì)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域經(jīng)歷了飛速發(fā)展。計(jì)算機(jī)輔助在機(jī)械工業(yè)中的使用可以更好的規(guī)范化，也可以改善操作人員的工作環(huán)境，提高工作效率。現(xiàn)代企業(yè)追求效益最大化，而高度自動(dòng)化的生產(chǎn)設(shè)備是生產(chǎn)效率的保證。企業(yè)不想在競(jìng)爭(zhēng)中被淘汰，必然會(huì)開發(fā)新設(shè)備或改造舊設(shè)備。開發(fā)一臺(tái)新設(shè)備需要時(shí)間太長(zhǎng)，用新技術(shù)改造舊設(shè)備可以節(jié)省時(shí)間，降低費(fèi)用，因此改造舊設(shè)備是企業(yè)技術(shù)改造中的一條好路子。1.2 本課題研究現(xiàn)狀我國(guó)擁有全球最大的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備市場(chǎng)，需要大量工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型有很多方面，如：傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造、工廠自動(dòng)化、企業(yè)信息化等。

顯然，中國(guó)自動(dòng)控制系統(tǒng)市場(chǎng)前景廣闊。工控自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展前景良好，2016年其器件制造業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將超過3500億元。中國(guó)市場(chǎng)雖然廣闊，但技術(shù)水平不如國(guó)外先進(jìn)。目前國(guó)外切管機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀：主流自動(dòng)化切管機(jī)值高速加工和高精度加工;由于全自動(dòng)切管機(jī)越來越多地應(yīng)用于不同行業(yè)，切管機(jī)可用于多任務(wù)和多軸聯(lián)動(dòng)加工;由于智能機(jī)器人的快速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備與機(jī)器人的集成應(yīng)用越來越普及，集成應(yīng)用具有結(jié)構(gòu)形式多樣化、應(yīng)用范圍廣、運(yùn)動(dòng)速度增加、多傳感器融合工作、智能自動(dòng)控制、多機(jī)器人協(xié)同工作等特點(diǎn);自動(dòng)加工監(jiān)控功能不斷發(fā)展，設(shè)備的加工監(jiān)控功能可以實(shí)時(shí)獲取機(jī)床本身的狀態(tài)信息，并可以根據(jù)狀態(tài)信息對(duì)機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，并可以提前進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)數(shù)控切管機(jī)， 從而降低事故發(fā)生概率，保護(hù)人員和財(cái)產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率;采用最新的機(jī)床誤差檢測(cè)和補(bǔ)償技術(shù)，與傳統(tǒng)切割機(jī)中使用的激光干涉儀相比，其所消耗的檢測(cè)和補(bǔ)償時(shí)間大大減少，精度可提高約數(shù)倍，提高工作效率;采用最新的CAD/CAM技術(shù)，在設(shè)計(jì)過程中，可以使用計(jì)算機(jī)對(duì)不同的解決方案進(jìn)行計(jì)算、分析和比較，以選擇最佳解決方案;刀具技術(shù)發(fā)展迅速，許多刀具的設(shè)計(jì)涵蓋了整個(gè)加工過程，新刀具可以滿足加工平穩(wěn)、抗振的要求，而我國(guó)切管機(jī)，其生產(chǎn)技術(shù)水平落后，效率低下。

控制單元多為繼電器和接觸器，自動(dòng)化水平低，需要大量的體力勞動(dòng)。我國(guó)的全自動(dòng)數(shù)控切管機(jī)很多都是進(jìn)口產(chǎn)品，與國(guó)產(chǎn)切管機(jī)相比，具有技術(shù)先進(jìn)、生產(chǎn)誤差小、工作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，我國(guó)切管機(jī)產(chǎn)業(yè)必須創(chuàng)新完善，才能實(shí)現(xiàn)根本性升級(jí)。目前市面上大部分切管機(jī)采用PLC控制器，可以通過PLC控制器與數(shù)控系統(tǒng)與外部設(shè)備進(jìn)行接觸，PLC控制器可以檢測(cè)外部設(shè)備的狀態(tài)，如各軸的復(fù)位開關(guān)、限位開關(guān)、操作面板的控制等。我國(guó)PLC控制器廣泛應(yīng)用于中小型產(chǎn)品，但正面臨高端產(chǎn)品短缺的問題，單片機(jī)控制器已經(jīng)滲透到我們生活的每一個(gè)角落。從IC卡、攝像機(jī)、自動(dòng)洗衣機(jī)的控制到導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，單片機(jī)都用于飛機(jī)的儀表控制。與PLC廠商相比，單片機(jī)控制器的集成資源越來越豐富，產(chǎn)品開發(fā)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定。而且，單片機(jī)的抗干擾能力更強(qiáng)，可以適應(yīng)不同的環(huán)境，更適合在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行程序仿真。采用Proteus軟件進(jìn)行程序仿真，Proteus原理布局智能;混合電路仿真與精準(zhǔn)分析;單片機(jī)軟件調(diào)試;單片機(jī)與外圍電路的協(xié)同仿真;PCB自動(dòng)排版和布線等功能，使工作在沒有實(shí)物的情況下也能完成，避免硬件連接錯(cuò)誤，節(jié)約資源.1.3 本課題主要工作內(nèi)容 本文首先介紹了切管機(jī)的工作原理，并根據(jù)題主的要求設(shè)計(jì)了切管機(jī)結(jié)構(gòu)方案， 然后根據(jù)方案，重點(diǎn)研發(fā)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，選擇使用的電氣設(shè)備，繪制電氣原理圖，編寫系統(tǒng)軟件程序，仿真仿真。

方案設(shè)計(jì) 2.1 概述本文設(shè)計(jì)的切管機(jī)在切割時(shí)是夾緊固定的數(shù)控切管機(jī)，電機(jī)的齒輪齒條進(jìn)給原理由電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，刀具在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)直線進(jìn)給切割管材。新型切管機(jī)可實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)切削、送刀、夾管、自動(dòng)送料、自動(dòng)下料等功能，并可自動(dòng)循環(huán)切削。自動(dòng)化工作，提高工作效率。2.1.1 控制系統(tǒng)的基本要求是控制器能控制整個(gè)切割過程，自動(dòng)檢測(cè)管材是否達(dá)到切割長(zhǎng)度，自動(dòng)送刀，檢測(cè)切割次數(shù)，并通過顯示屏顯示。該控制器還具有一個(gè)緊急停止/復(fù)位按鈕，可以在任何情況下停止操作并復(fù)位到初始狀態(tài)。2.1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要注意系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置兩個(gè)方面。系統(tǒng)擴(kuò)展是指當(dāng)單片機(jī)本身的內(nèi)部功能不能滿足系統(tǒng)要求時(shí)，需要在單片機(jī)外部進(jìn)行擴(kuò)展，并在單片機(jī)外部設(shè)計(jì)并連接相應(yīng)的電路;系統(tǒng)配置是設(shè)備中的外圍電路必須滿足系統(tǒng)功能，如按鍵、光電開關(guān)、電機(jī)、顯示屏等，當(dāng)遇到使用強(qiáng)電流設(shè)備時(shí)，需要驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口電路進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展和配置應(yīng)遵循以下原則： （1）選擇典型電路， 符合常規(guī)使用的單片機(jī)。（2）當(dāng)單片機(jī)的外圍電路較多時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力不足的問題，因此應(yīng)提前添加驅(qū)動(dòng)器。（3）保證控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，防止安全事故和產(chǎn)品廢品率過高。

（4）簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的條件下，盡可能降低生產(chǎn)成本和操作難度。（5）留出擴(kuò)容余量。首先要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的所有功能，然后盡可能多地留出擴(kuò)展余量，以方便二次開發(fā)。2.2 自動(dòng)切管機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖及切割示意圖 2.1 結(jié)構(gòu)示意圖及切割示意圖 2.3 控制器軟硬件設(shè)計(jì) 2.3.1 硬件部分 2.3.2 軟件部分 2.4 本章小結(jié) 本章首先介紹了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)原則。其次，設(shè)計(jì)了自動(dòng)切管機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，然后根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)從軟硬件兩個(gè)方面確定了控制系統(tǒng)方案和控制系統(tǒng)軟件方案;其中，控制系統(tǒng)方案選用單片機(jī)作為控制芯片，按鈕與顯示屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的控制方式;控制系統(tǒng)軟件方案決定了系統(tǒng)程序所需的功能。硬件設(shè)計(jì) 3.1 控制系統(tǒng)框圖 控制系統(tǒng)框圖如圖 3.1 所示。圖3.1 控制系統(tǒng)框圖 3.2 主要部件介紹 3.2.1 單片機(jī) 單片機(jī)是一種高度集成的電路芯片，它集成了眾多模塊電路，形成體積小但功能完善的微機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)的應(yīng)用范圍很廣，如智能電表、工業(yè)控制、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。只要在各種產(chǎn)品中使用單片機(jī)，就可以具有產(chǎn)品升級(jí)的功能，并且經(jīng)常在產(chǎn)品前面加上形容詞——“智能”，比如智能洗碗機(jī)、智能洗衣機(jī)等。

單片機(jī)除了具有體積小、可靠性強(qiáng)、用途廣、靈活性高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下特點(diǎn)： （1）突出控制功能 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、功能和指揮系統(tǒng)都突出了控制功能。對(duì)象更加靈活和實(shí)時(shí)。（2）RAM和ROM分離，ROM用于固化調(diào)試的程序、常量、數(shù)據(jù)表等;RAM 在運(yùn)行時(shí)只保存臨時(shí)數(shù)據(jù)、變量、結(jié)果等。因此，即使在電源故障的情況下，系統(tǒng)也能可靠運(yùn)行并確保程序、常量、數(shù)據(jù)表等的安全。（3）MCU資源通用性廣 同一種MCU可以在不同的系統(tǒng)中使用，只要加載不同的應(yīng)用即可。（4）易于擴(kuò)展外部ROM、RAM、中斷源、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等資源 單片機(jī)的資源（ROM、RAM、中斷源、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等）可以滿足一般應(yīng)用系統(tǒng)的要求。如果應(yīng)用系統(tǒng)過大，單片機(jī)本身的資源無法滿足，需要通過資源進(jìn)行擴(kuò)展。單片機(jī)可以通過其控制引腳或其他結(jié)構(gòu)來擴(kuò)展資源，這樣可以增加I/O端口的數(shù)量，也可以擴(kuò)展每個(gè)寄存器的存儲(chǔ)器，以提高計(jì)算速度。資源擴(kuò)展后，單片機(jī)可以形成不同規(guī)模的系統(tǒng)，滿足不同的需求。目前市場(chǎng)上最常用的是ATMEL公司生產(chǎn)的AT89系列8位單片機(jī)，本設(shè)計(jì)選用了功能強(qiáng)、價(jià)格低廉、應(yīng)用廣的AT89C52單片機(jī)。

其內(nèi)部存儲(chǔ)器為1000 Flash只讀程序存儲(chǔ)器，具有8k字節(jié);它還具有 256 字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是一個(gè)小程序，芯片AT89C52實(shí)物和封裝引腳圖中存儲(chǔ)。如圖所示，AT89C52單片機(jī)共有40個(gè)引腳，其中主端口有1個(gè)復(fù)位口、2個(gè)電源口、2個(gè)振蕩器口和32個(gè)輸入輸出口。圖 3.2 AT89C52 物理和封裝引腳圖 引腳 9 （RST） 是復(fù)位輸入端口，可以連接外部元件組成復(fù)位電路。引腳 20 （VSS） 和引腳 40 （VCC） 是為芯片供電的電源端口，分別連接到電源的正極和負(fù)極。引腳 18 （XTAL2） 和引腳 19 （XTAL1） 是帶有外部 12MHz 振蕩器電路的振蕩器端口;P0~P3共包含32個(gè)可編程通用引腳，包括讀/寫口、2個(gè)外部中斷口、2個(gè)通訊口和3個(gè)計(jì)數(shù)器口，其具體功能由軟件編程定義。AT89C52 單片機(jī)可以正常編程或在線編程 [10] 3.2.2LCD顯示屏 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品性能的要求越來越高。液晶顯示器以其功耗微、體積小、使用靈活等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。

（1）顯示器只記錄切管數(shù)，無需選擇功能復(fù)雜的顯示器，既節(jié)省了端口，又使編寫程序變得簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)選LCD1602液晶顯示器，圖3.3為L(zhǎng)CD1602的實(shí)物圖和引腳圖。圖3.3 LCD1602 1602LCD的實(shí)物圖和引腳圖表示顯示的內(nèi)容為16*2，即可以顯示兩行，每行有16個(gè)字符的LCD模塊，最多可以顯示32個(gè)字符。這樣不僅可以節(jié)省成本，而且一般市面上的字符液晶都是由HD44780液晶芯片控制的，雖然字符液晶的種類不同但工作原理是一樣的，所以書面的控制程序可以應(yīng)用于大部分字符液晶，如果將來功能擴(kuò)展， 更換顯示屏更方便。顯示器共有16個(gè)引腳，其中引腳1（GND）為接地端口;引腳2（VCC）為電源端口，接+5V電源正極端;引腳3（VL）為顯示對(duì)比度調(diào)節(jié)端口，當(dāng)該端口接電源正極時(shí)，顯示對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度最高時(shí)會(huì)產(chǎn)生重影;引腳4（RS）為寄存器選擇端口，端口高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，端口低電平時(shí)選擇指令寄存器;引腳 5 （RW） 是讀/寫端口，端口高電平時(shí)讀取，低電平時(shí)寫入