殷凤君　马航宇

【摘 要】针对LRXAY-8印刷机设计一款便携式角度测量设备用于记录印刷机转轴旋转的角度，此款设备只有三个按钮，分别为：“设定/清零开始”键、“+”键、“←”键，便可完成角度的測量以及测量数据的更改、存储。

【关键词】印刷机；旋转角度测量；欧姆龙旋转编码器

印刷机在信息时代扮演着重要的角色，直接促进人类文明和文化的传播。即使随着网络时代的到来，电子阅读渐渐占据了人类的生活，但有着几千年发展历史的图书依然居于人们阅读的高端地位，人类知识的核心内容，仍然由纸媒传承的。

在工业生产中，印刷机转轴的角度一旦发生问题，就会对印刷产品的质量产生极大的影响，比如上墨不均、漏印等问题。随着科技技术的发展，印刷机的印刷速率也变得越来越高，若成品一旦出现印刷问题并且由人为发现，则此时损失代价太大。结合实际生产的需要，角度控制器不仅仅要求测量结果精准，更要求设备方便携带便于随时随地地检测，因此便携性、轻巧性会成为这个设计有别于其他产品的地方。另外，此款设备内嵌AT93C46可存储芯片，能存储大量的检测数据，极大的方便了工作人员的生产管理。

1 设计任务和总体方案

本设计主要基于C51单片机的仪器仪表的开发，并利用到了最新型号的工业角度编码器和存储芯片。

印刷机角度控制器的电源由普通电池供电，并通过降压型电源芯片转为合适大小的电压供给单片机[1]。单片机开发板作为整个系统的主控，需要用到单片机最小系统，通过P0-P4的I/O口分别连接LCD0802显示屏、AT93C46存储芯片、按键和欧姆龙旋转编码传感器[2]。当有不同的按键被按下时，单片机可以操作传感器检测脉冲、并根据特定的程序算法算出实际的旋转角度，可以把数据实时输入存储芯片内，以及可通过按键对数据进行更改，这几个操作过程或结果在液晶显示屏都可看，整个硬件电路工作过程如图1所示。

2 主要模块设计和任务

2.1 单片机系统

单片机又称为单片微计算机，它的结构特点是把控制应用所必需的基本功能部件全部集成在一个电路芯片上，如CPU、RAM、ROM、定时/计数器和可编程并行I/O口。这些功能部件通常都挂靠在单片机内部总线上，通过内部总线传送数据信息和控制信息[2]。

2.1.1 单片机最小系统

本实验只需用到由单片机、电源、晶振电路和复位电路组成的单片机最小系统，便可以组成可以工作的系统。

2.1.2 I/O口

AT89C51单片机有4个8位的并行I/O端口，分别记作P0、P1、P2、P3。P0～P3口都可作为准双向通用I/O口提供给用户，其中P1～P3口无须外接上拉组排，P0口需要外接上拉电阻，如图2。

2.1.3 中断系统

使用时，当按下其中一个功能按钮后，CPU在执行现行主程序的同时反复查询所有按键的状态。当第二次按键的数据准备就绪后，主动向CPU发出中断请求。CPU接到其中断请求后，暂停正在执行的程序，转去执行中断服务程序。当中断服务完成之后，再返回到原先的现行程序中继续执行。当然，一个主程序中可以嵌套有多个断点，如图3。

AT89C51单片机共有5个中断源，包括2外部中断源和3个内部中断源。中断触发方式分别为：外部引脚上出现低电平或负跳变脉冲、计数器中接收的脉冲数达到溢出程度、完成一帧串行数据的发送或接收。

对单片机中断系统的操作是通过控制寄存器实现的，如图4。C51设置了4个控制寄存器：TCON（定时控制寄存器）、SCON（串口控制寄存器）、IP（中断优先级控制寄存器）和IE（中断允许控制寄存器）。

2.2 欧姆龙旋转编码器测速原理

欧姆龙旋转编码器是将旋转的的机械位移矢量信号转换成电气信号，可有效实现对角度控制器角度的测量，即角度传感器是能感受被测角度并转换成可用输出信号的传感器[4]。

欧姆龙编码器身体中有一个孔，可以配合转轴。该编码器旋转一周输出固定个数的脉冲。当轴每转过固定角度时，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。当初始化角度传感器时，它的计数值被设置为0，如果需要，你可以用编程把它重新复位。

本本产品有2种测量方式，分为直接测量（D）和间接测量（L）：

①直接测量方式

对应1000脉冲，转换为360.0度；

②间接测量方式

测量轮的周长为L1，显示角度=（计数值（N）*360.0*L1）/（1000*输入周长L）。

2.3 按键功能设计

印刷机角度控制器有“设定/清零开始”、“+”、“←”这三个按键，如图5。通过这三个按钮的不同组合，做出相应的处理后，便可以实现以下功能：

①角度的测量

按“设定/清零开始”键长达3秒，进入设定状态，可使用“+”键，选择以直接测量或者间接测量的方式进行对印刷机转轴角度的测量；在得到测量的数据后，按“设定/清零开始”键一下，便可实现数据的清零。

② 测量数据的更改

在设定状态下，用“+”键可修改数字的大小（0～9）。

③测量数据的存储

不在设定状态下，按“+”键，进入存储状态，测量的角度值会存入存储芯片中，测量完成后，直接按“←”键，就可以调看之前测量的数据。

2.4 工作流程

角度控制器接通电源后，打开存储器，如图6，主要工作内容为：

①初始化：LCD、显示的数据、中断等；

②检测按键，CPU进行相应处理，包括：选择角度的测量方式（直接测量或间接测量）以及对角度数据的测量、存储、更改；

③实时更新LCD的显示。

计算旋转编码器所转过的角度

if（Data.mode == MODE_D） //判断模式和周长，不同模式计算角度不同{

float temp； //角度计算临时缓存

if（count > 1000）

count -= 1000；

if（count < 0）

count += 1000；

temp = （float）count*3.6； //

3600/1000

Data.angle[Data.index]= （uint16）temp；}

if（Data.mode == MODE_L）//判断模式{

float temp；

long t = （float）Data.L*1000/Data.S；

if（count > t）

count -= t；

if（count < 0）

count += t；

temp = （float）count*3.6*Data.S/Data.L；

Data.angle[Data.index] =

（uint16）temp；

}

通过中断来进行编码器计数

void int_0（） interrupt 0 {

if（INT_1 == 1）

count++；

else

count--；

}

void int_1（） interrupt 2 {

if（INT_0 == 1）

count--；

else

count++；

}

void Split_Q（uint16 *n，uint8 *q，uint8

*b，uint8 *s，uint8 *g） {

*g = *n%10；

*s = *n/10%10；

*b = *n/100%10；

*q = *n/1000%10；

}

void Split_W（long *n，uint8 *w，uint8

*q，uint8 *b，uint8 *s，uint8 *g） {

*g = *n%10；

*s = *n/10%10；

*b = *n/100%10；

*q = *n/1000%10；

*w = *n/10000%10；

}

void Merge_W（long *n，uint8 *w，uint8

*q，uint8 *b，uint8 *s，uint8 *g） {

*n=（long）*g+（long）*s*10+（long）*b*100+

（long）*q*1000+（long）*w*10000；}

处理A：按“设定/清零开始”键马上松开，系统进入清零开始状态；按3秒，则进入设定状态。

处理B：在设定状态下，按“+”键切换测量方式（系统有两种测量方式：直接测量“D”和间接测量“L”）或者修改数字的大小（0～9）；不在设定状态下，按“+”键，则进入“存储”状态。

处理C：在设定状态下，移动修改或设定光标位置。

3 技术要点

本产品需要达到角度的精确、快速测量以及测量数据的更改、存储的目的，因此旋转编码器的信号采集方面至关重要。

3.1 如何判断正反转

脉冲有正转、反转之分，即A、B向脉冲。从硬件上来讲，并未在电路中使用检测正转、反转的功能元件[5]，但从软件方面足以实现此项功能，可通过编写一个“双向计算”的程序算法。这样，可以减少电路的复杂程度以及降低产品成本。

3.2 脉冲数量的采集

对于脉冲数量的采集，可以使用单片机的中断功能来计数。定义全局变量作为计数单元，中断设置下降沿触发，然后在中断服务程序中对该全局变量加1[6]。

如图7所示，设定两列脉冲，一列为标准的周期脉冲L1（将L1的脉冲数设定成额定值A），另一列为检测到的随机脉冲L2，并分别记L1和L2的脉冲个数为a，b：

①当L2产生一个下降沿突变，就对L1进行计数；

②当L2产生下一个下降沿时，停止计数，并对b加1，以及将计数a与固定值A进行大小比较；

③重复①和②的命令，直到a等于A的大小，此时取出b的大小，即b为采集到的脉冲数量。

4 结论

计算机技术的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量[7]。

在设计时，需要考虑到温度、湿度、信号干扰、受众人群等实际使用情况，选择一款合适的传感器能大大地提高产品使用的稳定性以及数据测量的准确性、精确性。

在市场经济条件下，为了使企业能在激烈的市场竞争中，获得更多、更大的利润空，使公司更好的生存和发展，各个企业开展和采取了很多关于降低成本的活动和措施。从日常的管理、原料的购买、元件的选用、工艺的简化等环节来实现，但是很少人会从产品开发和设计的源头上去考虑对产品成本的控制。按其实施的时间划分，成本控制可分为设计阶段、制造阶段、营销阶段。

根据帕雷特定律，80%的成本通常由20%的作业引起，产品的主要成本发生在制造阶段，因为产品材料、人工成本主要在这一阶段形成，所以必然要加强该阶段的生产过程成本控制。设计阶段虽然发生的成本较少，可是设计一旦完成并被投入生产，产品成本就已经被决定了。因此，要想大幅节约、避免浪费、降低成本，则应在设计阶段就开始实施成本控制。

很明显，选择元件时无需选择性能最高的产品，比如设计时选用的单片机型号为AT89C51，这已足够满足设计需求了。这样，既能避免性能浪费，又可以降低产品成本，另外在价格上也能获得更大的市场竞争优势。

【参考文献】

[1]崔丽.2009年国内旋转编码器市场分析[J].电气时代，2009（5）.

[2]黄革.《印刷技术》，2007（4）：40-42.

[3]余昌盛，許力.旋转编码器抗抖动接口电路设计[J].电子技术，2004（8）.

[4]尹传卓.旋转编码器的原理及应用研究[J].科技与企业，2014（16）.

[5]徐海，胡荣贵，张东.基于单片机旋转编码器鉴相方法，《微型机与应用》，北京，2010（13）.

[6]邱宏安，朱治富.一种高精度旋转编码器单片机计数电路的实现[J].计算机自动测量与控制，2000（3）.

[7]陈培勇.《产品设计与成本控制》，《科技创新导报》2011 （15）.

[责任编辑：田吉捷]