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摘要：电镀是使用电解工艺在制件表面形成均匀致密结合良好的金属或合金沉积层的过程。传统的电镀工艺采用继电控制加人工操作完成电路简单、操作直接，但继电控制件触点多在强腐蚀环境下故障率高，维修频率高，电镀工序全由人工完成，工作效率低，工人工作在有毒环境中对人体造成严重毒害。现设计一种以AT89S52系统为平台结合步进驱动技术，采用灵活的程序控制方式，实现电镀加工的全过程自动控制，完全解决上述问题。
关键词：电镀；单片机；步进驱动；程序控制
中图分类号：TQ153 文献标识码：A 文章编号：1671-864X（2015）04-0045-03
一、湘潭地区电镀厂存在的普遍问题
湘潭作为老工业基地，工业基础好，上世纪80年代，在湘潭的羊古塘，锰矿和竹埠港等地区，建设了很多小型和微型电镀厂，这些电镀厂大多有设备简陋，环保不达标等多种问题。现在已经不能满足两型社会建设的要求，多数工厂实现了关、停、并、转的过程，在这个过程中，我们根据工厂的要求，对其中的几个工厂的电镀生产线进行了现代化改造，改造过程中，我们主要是采用AT89S52系统为平台结合步进驱动技术，采用灵活的程序控制方式，实现电镀加工的全过程自动控制，现在看来，效果还不错。现在将我们设计过程整理如下。
二、基于AT89S52单片机的系统构成
1、电镀系统单片机控制。
控制系统采用AT89S52单片机，系统控制电路如图1所示。
2.电镀系统通信接口定义。
电镀系统模型提供开放式功能端口，通过单片机系统或数字电路控制电路都可对其进行加工控制。电镀系统通信端口示意图如图2所示。
M1为步进电动机，驱动龙门架进行左右运动，带动加载电动机和负载在三个加工槽中转换。M2是直流电动机（加载电机），作用是放下或起吊工件，通过系统控制程序实现正、反转功能。M3为小型直流电机（酸洗电机），在系统程序控制下通电运转。LED为电镀过程的发光指示燈，在系统程序控制下可常亮、闪烁等。Heat为加热丝，电镀后工件烘干功能。开放端口功能说明见表1。
三、电镀控制过程的程序设计
1.编写步进控制程序。
要求：编写步进电机驱动脉冲和方向控制信号程序，使单片机P1.7端口输出一个脉冲信号，脉宽大于2μS，幅度为5VP-P。在P1.6端口输出T=10S的方波信号，幅度为5VP-P。
2.编写电镀加工程序。
要求：根据图1硬件连接图和加工流程的要求，编写电镀加工程序，应用中断计数，设计两个按键，分别为启动和停止功能。电镀加工过程中，按一次停止键，系统能立即停止加工，若需继续完成电镀加工，只要按一下启动键即可。连续按两次停止键，系统复位，回到原点位置等待。当电镀加工过程时发生断电，重新通电后，系统能自动回到原点位置（复位），系统控制流程图如图3所示。
图3 加工流程图
注意：程序中输出状态要严格控制时间参数，加工时间准确。
3.程序仿真和烧写。
编写好的电镀加工程序使用伟福SP51仿真器进行仿真，反复仿真调试无误后，使用RF-1800编程器将编译的十六进制文件烧写入单片机。烧写完毕后从编程器上取下单片机，插入系统控制板的IC1插座上，等待通电运行调试。
4.系统控制板测试。
给系统控制板接上5V电源，由于单片机输出信号均为高低电平信号，使用示波器或发光二极管可观察程序输出的情况。除P1.7端口的脉冲信号无法用发光二极管观察外，其它端口的控制信号都可外接上发光二极管观察输出状态是否正常，加工时间是否准确。使用示波器观测P1.7端口的输出波形。
四、电镀系统加工调试
1、驱动电路的设计。
驱动电路在电镀系统中起到中间转换控制作用，单片机电路输出数字信号无法直接控制负载，需经过驱动电路转换才能控制大电流或大功率负载。驱动电路主要采用光电耦合器件进行隔离，使用继电器作为转换控制器件，电路如4图所示。
图5 驱动控制电路板
2.步进电机驱动器的连接。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制器件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。它实际是一种感应电机，正常工作受控于步进驱动器。步进驱动器主要原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电、多相时序控制电流，作为步进电机的供电。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机按设定方向转动一个固定角度，称为“步距角”，它旋转是以固定角度一步一步运行。可通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位目的。同时可通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速目的。一套完整步进控制系统包括上位机、驱动器、步进电机和工作电源组成，连接示意图如图6所示。
图6 步进控制系统连接图
（1）电机的接法和选型。
四出线、六出线、八出线的两相混合式步进电机，电机接法如图7所示。
图7 步进电机接法
电机选择和驱动器特性
①根据系统对速度的要求，确定选择步进电机还是伺服电机。步进电机随着速度增加，输出扭矩下降，一般带轻负载时，最高工作速度在15转/秒以下，带较重负载时最高工作速度在10转/秒。若系统对速度要求更高，则选择伺服电机。
②根据负载大小，选择合适扭力的步进电机型号，电机与驱动器参数应匹配。
③实际带动负载时，可通过减速机构来改变系统传动比，从而调整输出扭矩和负载速度的关系。
④加大步进驱动器供电电压可提高步进电机工作速度，加大步进驱动器工作电流可提高步进电机的力矩，加大步进电机的细分数，可提高步进电机的精度，同时提高电机运行平稳度，减少振动和噪声。 ⑤步进电机以较低速度工作时，有时会造成共振，应注意跳开这一速度段。
（2）驱动器端口功能说明。
M415B步进驱动器的面板端口功能见表2。
3.步进电机与驱动器连接。
步进驱动控制信号由单片机系统控制板P1.6和P1.7输出，经DB25信号线传输至驱动板，再由IC1光耦隔离后送入步进驱动器接线端口。
连接要求：
①使用DB25信号线进行连接。
②根据表3-1端口功能将步进电机与步进驱动器进行连接。
③初始设置步距角细分数为为4和输出电流为2A。
4.加工程序现场调试。
（1）硬件连接完毕，经检查无误后，打开直流电源，选择单组调试功能。龙门架加载机构的步进电机定位是否准确，与系统程序的脉冲个数和步距角有关。当工件移动至每号槽上空正中位置时，步进电机应立即停止。系统程序是以时间或脉冲个数作为定位，由于驱动器和电机的精度误差，在实际运行时可能不够准确，需调整程序或步距角细分数。根据表5要求，现场调试龙门架加载机构，并作数据记录。
表5 龙门架加载步进电机调试记录表
数 据
项目 起始位置到达1号槽
脉冲个数 1号槽到达2号槽
脉冲个数 2号槽到达3号槽
脉冲个数
步距角细分数为2时
步距角细分数为4时
步距角细分数为8时
（2）工件加载电机是个能正、反转的电机，控制信号从单片机的P1.3和P1.4端口输出，驱动两个三极管控制继电器转换实现正、反转。控制信号功能见表6。
工件加载电机没有任何定位开关，工件起吊到龙门架或下放到槽底，在程序中是通过时间来控制。由于电机和继电器的精度误差，实际加载时会发生偏差，需修改程序参数，使得工件上升不碰顶和下降不触底。
表6 加载控制功能表
电平方向 Inversion Corotation
停止 0 0
正转 0 1
反转 1 0
根据下表要求，调试工件加载直流电机的正、反转时间，记录在表7中。
表7 加载直流电机正、反转时间
调试项目 1号槽用时（S） 2号槽用时（S） 3号槽用时（S）
正转（下降）
反转（上升）
注意：加载直流电机上升或下降时间需严格控制准确，不同加工槽时间可能不相同。
（3）电镀过程和发热控制。
电镀过程采用发光二极管作指示，正常加工时发光二极管點亮，如果不亮，请检查单片机程序或连接信号。3号槽采用电阻丝作为发热器件，加工工件应离发热器件有一定距离，防止受热。
五、总结：
将上述改造方法用于湘潭本地的几个小型电镀厂电镀系统的电气改造，一年多来运行正常，设备故障率低，同时减少了员工数，改善了职工的工作环境，降低了电镀成本，提高了工作效率，取得了明显的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]《电机调速技术与技能训练》王镇宇 王荣欣 电子工业出版社
[2]西莫电机论坛 http：//bbs.simol.cn/forum-151-1.html
[3]中华工控网论坛 http：//bbs.gkong.com/list.asp？boardid=33
[4]单片机教程网 http：//www.51hei.com/
[5]51单片机学习论坛 http：//www.51c51.com/bbs/
作者简介：苏石龙，男，1970年10月出生，一级实习指导教师职称，现任职于湖南省湘潭技师学院，主要研究方向为电气自动化方向。
关键词：电镀；单片机；步进驱动；程序控制
中图分类号：TQ153 文献标识码：A 文章编号：1671-864X（2015）04-0045-03
一、湘潭地区电镀厂存在的普遍问题
湘潭作为老工业基地，工业基础好，上世纪80年代，在湘潭的羊古塘，锰矿和竹埠港等地区，建设了很多小型和微型电镀厂，这些电镀厂大多有设备简陋，环保不达标等多种问题。现在已经不能满足两型社会建设的要求，多数工厂实现了关、停、并、转的过程，在这个过程中，我们根据工厂的要求，对其中的几个工厂的电镀生产线进行了现代化改造，改造过程中，我们主要是采用AT89S52系统为平台结合步进驱动技术，采用灵活的程序控制方式，实现电镀加工的全过程自动控制，现在看来，效果还不错。现在将我们设计过程整理如下。
二、基于AT89S52单片机的系统构成
1、电镀系统单片机控制。
控制系统采用AT89S52单片机，系统控制电路如图1所示。
2.电镀系统通信接口定义。
电镀系统模型提供开放式功能端口，通过单片机系统或数字电路控制电路都可对其进行加工控制。电镀系统通信端口示意图如图2所示。
M1为步进电动机，驱动龙门架进行左右运动，带动加载电动机和负载在三个加工槽中转换。M2是直流电动机（加载电机），作用是放下或起吊工件，通过系统控制程序实现正、反转功能。M3为小型直流电机（酸洗电机），在系统程序控制下通电运转。LED为电镀过程的发光指示燈，在系统程序控制下可常亮、闪烁等。Heat为加热丝，电镀后工件烘干功能。开放端口功能说明见表1。
三、电镀控制过程的程序设计
1.编写步进控制程序。
要求：编写步进电机驱动脉冲和方向控制信号程序，使单片机P1.7端口输出一个脉冲信号，脉宽大于2μS，幅度为5VP-P。在P1.6端口输出T=10S的方波信号，幅度为5VP-P。
2.编写电镀加工程序。
要求：根据图1硬件连接图和加工流程的要求，编写电镀加工程序，应用中断计数，设计两个按键，分别为启动和停止功能。电镀加工过程中，按一次停止键，系统能立即停止加工，若需继续完成电镀加工，只要按一下启动键即可。连续按两次停止键，系统复位，回到原点位置等待。当电镀加工过程时发生断电，重新通电后，系统能自动回到原点位置（复位），系统控制流程图如图3所示。
图3 加工流程图
注意：程序中输出状态要严格控制时间参数，加工时间准确。
3.程序仿真和烧写。
编写好的电镀加工程序使用伟福SP51仿真器进行仿真，反复仿真调试无误后，使用RF-1800编程器将编译的十六进制文件烧写入单片机。烧写完毕后从编程器上取下单片机，插入系统控制板的IC1插座上，等待通电运行调试。
4.系统控制板测试。
给系统控制板接上5V电源，由于单片机输出信号均为高低电平信号，使用示波器或发光二极管可观察程序输出的情况。除P1.7端口的脉冲信号无法用发光二极管观察外，其它端口的控制信号都可外接上发光二极管观察输出状态是否正常，加工时间是否准确。使用示波器观测P1.7端口的输出波形。
四、电镀系统加工调试
1、驱动电路的设计。
驱动电路在电镀系统中起到中间转换控制作用，单片机电路输出数字信号无法直接控制负载，需经过驱动电路转换才能控制大电流或大功率负载。驱动电路主要采用光电耦合器件进行隔离，使用继电器作为转换控制器件，电路如4图所示。
图5 驱动控制电路板
2.步进电机驱动器的连接。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制器件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。它实际是一种感应电机，正常工作受控于步进驱动器。步进驱动器主要原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电、多相时序控制电流，作为步进电机的供电。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机按设定方向转动一个固定角度，称为“步距角”，它旋转是以固定角度一步一步运行。可通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位目的。同时可通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速目的。一套完整步进控制系统包括上位机、驱动器、步进电机和工作电源组成，连接示意图如图6所示。
图6 步进控制系统连接图
（1）电机的接法和选型。
四出线、六出线、八出线的两相混合式步进电机，电机接法如图7所示。
图7 步进电机接法
电机选择和驱动器特性
①根据系统对速度的要求，确定选择步进电机还是伺服电机。步进电机随着速度增加，输出扭矩下降，一般带轻负载时，最高工作速度在15转/秒以下，带较重负载时最高工作速度在10转/秒。若系统对速度要求更高，则选择伺服电机。
②根据负载大小，选择合适扭力的步进电机型号，电机与驱动器参数应匹配。
③实际带动负载时，可通过减速机构来改变系统传动比，从而调整输出扭矩和负载速度的关系。
④加大步进驱动器供电电压可提高步进电机工作速度，加大步进驱动器工作电流可提高步进电机的力矩，加大步进电机的细分数，可提高步进电机的精度，同时提高电机运行平稳度，减少振动和噪声。 ⑤步进电机以较低速度工作时，有时会造成共振，应注意跳开这一速度段。
（2）驱动器端口功能说明。
M415B步进驱动器的面板端口功能见表2。
3.步进电机与驱动器连接。
步进驱动控制信号由单片机系统控制板P1.6和P1.7输出，经DB25信号线传输至驱动板，再由IC1光耦隔离后送入步进驱动器接线端口。
连接要求：
①使用DB25信号线进行连接。
②根据表3-1端口功能将步进电机与步进驱动器进行连接。
③初始设置步距角细分数为为4和输出电流为2A。
4.加工程序现场调试。
（1）硬件连接完毕，经检查无误后，打开直流电源，选择单组调试功能。龙门架加载机构的步进电机定位是否准确，与系统程序的脉冲个数和步距角有关。当工件移动至每号槽上空正中位置时，步进电机应立即停止。系统程序是以时间或脉冲个数作为定位，由于驱动器和电机的精度误差，在实际运行时可能不够准确，需调整程序或步距角细分数。根据表5要求，现场调试龙门架加载机构，并作数据记录。
表5 龙门架加载步进电机调试记录表
数 据
项目 起始位置到达1号槽
脉冲个数 1号槽到达2号槽
脉冲个数 2号槽到达3号槽
脉冲个数
步距角细分数为2时
步距角细分数为4时
步距角细分数为8时
（2）工件加载电机是个能正、反转的电机，控制信号从单片机的P1.3和P1.4端口输出，驱动两个三极管控制继电器转换实现正、反转。控制信号功能见表6。
工件加载电机没有任何定位开关，工件起吊到龙门架或下放到槽底，在程序中是通过时间来控制。由于电机和继电器的精度误差，实际加载时会发生偏差，需修改程序参数，使得工件上升不碰顶和下降不触底。
表6 加载控制功能表
电平方向 Inversion Corotation
停止 0 0
正转 0 1
反转 1 0
根据下表要求，调试工件加载直流电机的正、反转时间，记录在表7中。
表7 加载直流电机正、反转时间
调试项目 1号槽用时（S） 2号槽用时（S） 3号槽用时（S）
正转（下降）
反转（上升）
注意：加载直流电机上升或下降时间需严格控制准确，不同加工槽时间可能不相同。
（3）电镀过程和发热控制。
电镀过程采用发光二极管作指示，正常加工时发光二极管點亮，如果不亮，请检查单片机程序或连接信号。3号槽采用电阻丝作为发热器件，加工工件应离发热器件有一定距离，防止受热。
五、总结：
将上述改造方法用于湘潭本地的几个小型电镀厂电镀系统的电气改造，一年多来运行正常，设备故障率低，同时减少了员工数，改善了职工的工作环境，降低了电镀成本，提高了工作效率，取得了明显的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]《电机调速技术与技能训练》王镇宇 王荣欣 电子工业出版社
[2]西莫电机论坛 http：//bbs.simol.cn/forum-151-1.html
[3]中华工控网论坛 http：//bbs.gkong.com/list.asp？boardid=33
[4]单片机教程网 http：//www.51hei.com/
[5]51单片机学习论坛 http：//www.51c51.com/bbs/
作者简介：苏石龙，男，1970年10月出生，一级实习指导教师职称，现任职于湖南省湘潭技师学院，主要研究方向为电气自动化方向。