摘 要

在现代信息技术自动化与智能化的发展趋势下，张力控制系统已经广泛运用于工业生产线的方方面面。而钢丝绳作为实际生产生活中常用的工具，由于其生产过程中每股钢丝受力的大小直接影响钢丝绳的使用寿命，是以研究钢丝绳在生产过程中的张力的控制有着极其重要的作用。

本文主要研究了以单片机为基础的管式合绳机的张力控制系统的设计。 文中首先分析了管式合绳机及张力控制系统的工作原理，对在本系统设计中所要用到的重要器件做了初步介绍，确定选择了C8051F040系列单片机作为本次设计的张力控制系统的核心。然后介绍了张力控制系统的硬件平台，包括电源电路，A/D转换，D/A转换，调试电路，键盘与液晶显示等。随后在此硬件平台基础上分析了详细地介绍了C8051F040与各模块相关的各个部分代码的结构及其编写。

关键词：管式合绳机；张力控制系统；C8051F040

ABSTRACT

In the development trend of modern information technology automation and intelligence, the tension control system has been widely used in all aspects of industrial production line. And wire rope as a tool commonly used in the actual production and living, due to the production process in each strand of wire by force directly affects the service life of the wire rope is of wire rope in the production process of tension control is extremely important role.

This paper mainly studies the design of the tension control system of the pipe line machine based on single chip microcomputer. This paper begins with the analysis of the tube type rope machine and tension control system principle of work, a preliminary introduction to an important device in the system is designed by the use of the, to determine and select the C8051F040 MCU as the design of the tension control system core. Then introduces the tension control system hardware platform, including power circuit, A/D conversion, D/A conversion, debugging circuit, keyboard and LCD display, etc.. Based on this hardware platform, this paper analyzes the structure of each part of the code related to C8051F040 and its preparation.

Keywords：Pipe line machine；Tension control system；C8051F040

目 录

第1章 绪论 1

1.1 管式合绳机简介 1

1.2 张力控制系统简介 1

1.3 国内外张力控制系统发展现状 2

1.4 本课题研究的内容和意义 2

第2章 张力控制系统的整体设计 3

2.1 张力控制系统工作原理 3

2.2 系统控制方式选择 3

2.3 系统整体框架设计 4

第3章 系统主要器件初步了解 5

3.1 单片机 5

3.1.1 单片机介绍 5

3.1.2 单片机C8051F040 5

3.2 变频器 6

3.1.1 变频器介绍 6

3.1.2 变频器MD200 6

3.3 张力传感器 7

3.3.1 张力传感器介绍 7

3.3.2 张力传感器 8

第4章 张力控制系统硬件设计 11

4.1 电源电路 11

4.2 单片机系统电路设计 11

4.2.1 晶振和复位电路 11

4.2.2 调试端口电路 12

4.3 信号放大电路 12

4.4 A/D转换电路 13

4.5 D/A转换电路 14

4.6 串行总线通讯电路 15

4.7 键盘与LCD显示 15

第5章 张力控制系统软件设计 17

5.1 张力PID控制 17

5.1.1 PID算法 17

5.1.2 张力控制程序 18

5.2 张力控制系统主程序 19

5.3 单片机初始化子程序 20

5.3.1 晶振选择及时钟初始化 20

5.3.2 端口初始化 21

5.3.3 SPI初始化 21

5.3.4 12位ADC初始化 22

5.3.5 DAC初始化 22

5.3.6 串口初始化 23

5.3.7 定时器初始化 23

5.4 液晶显示子程序 25

5.5 通讯子程序 27

5.5.1 通讯传输方式 27

5.5.2 CRC校验 29

第6章 系统调试 31

6.1 系统通讯调试 31

6.2 系统模拟调试 33

结 论 36

致 谢 37

参考文献 38

附录A C8051F040开发板实物图 39

附录B 变频器及电机实物图 40

第1章 绪论

1.1 管式合绳机简介

合绳机是严格按照钢丝绳制造工艺规定，将几股绳绕着绳芯中轴线旋转而生产钢丝绳的设备。其机体的型式主要有筐篮式、管式以及无管式等，合绳机在合绳原理与结构上与捻股机没有明显的差别，主要的不同之处是合绳机的工字轮上装载的不是钢丝线而是捻制好的钢丝股；此外，因为工艺上的需要，合绳机在捻股机的基础上添加了一些辅助设备，例如预变形及后变形装置、涂油装置、预张拉装置以及翻身机构等^[1]。

管式合绳机可分为有4、6、8、12个等工字轮的管式合绳机，由一节或数节筒体构成机体。工字轮在机体内沿中轴线呈一字形排开，工字轮在放线时一直保持水平。飞速旋转的筒体和产生直线牵引的牵引装置相配合，产生能使钢丝股捻成具有一定捻距的钢丝绳的旋转运动和使钢丝绳向前的直线运动，从而完成了钢丝绳的基本合绳动作。管式合绳机的转速与其他结构型式的合绳机相比有显著的提高，是重要的捻制成中小直径规格的钢丝绳的合绳设备。目前为了提高安装的精度和旋转的稳定性和速度，已研究出新型的管式合绳机。

1.2 张力控制系统简介

张力控制系统通常是张力传感器与张力控制器的一种集成，目前主要运用于造纸、纺织、线缆等工业生产领域中，是一种实现恒定张力或时变张力控制的自动控制系统。在实际工业生产过程中，张力控制系统在实际上是一个非线性的、大时变的系统，强扰动、变负载、变参数是它的一系列典型的特点^[2]。它的控制方式可分为三种，其中手动控制方式只适用于一些如低速的复合机、或挤出机、或纺织机等张力控制要求不高的场合；半自动方式的实施成本较低，在中档机械中应用广泛；全自动方式从原理上讲能够试试反映出张力的变化，其控制精度最高，在一些高档的精轧机、高速切分机等冶金上应用较为广泛。

钢丝绳是在实际生产生活中应用极为普及的一种挠性部件，国内已有较长的生产历史。在捻绳的时候，生产出来的钢丝绳的质量与材料受到的张力大小以及材料受到的张力分布的均匀程度有着密切的关系^[3]。合绳机在合绳放线时使材料受力均匀，这样得到的钢丝绳能够在使用中使每根钢丝承受相同大小的力，有效延长钢丝绳的使用寿命。如果在合绳时张力的大小控制不均匀，在使用时会使得钢丝股在钢丝绳中不仅松紧不均而且结构松散。张力过小，会使钢丝股之间的间隙大，而且如果采用的是异型钢丝股，还会造成钢丝股之间咬合不紧，从而使钢丝绳松散；张力过大，钢丝股对工字轮会产生较大的拉力，这会损坏工字轮及其固定机构 ^[4]。因此在钢丝绳的生产流程中，张力控制有着至关重要的作用。

1.3 国内外张力控制系统发展现状