纸币打捆机是广泛应用于银行、邮局、证券公司、造币厂等金融系统的一种操纵设备。所谓的纸币打捆就是在一捆纸币上用打包带打成双十字外形。整个流程共分为四个分解动作，即：打横道、打竖一道、打竖二道、复位。整个流程机械机构要完成四个转位。全自动纸币打捆机控制系统实现了控制打捆机构自动完成整个流程、调节焊头温度和打捆压力等功能。系统具有精度高、可靠性好、本钱低的优点。
1控制系统的功能及设计
1.1控制系统的工作留流程
图1控制系统工作流程示意图
传统的纸币打捆机四个转位动作不连续，位置控制要通过人工作业。我们采用三个步进电机，分别控制一个自由度。其中一个电机控制X自由度;一个电机控制Y自由度;一个电机控制θ自由度。单片机通过对电机的精确控制从而达到较高的定位精度，电机带动机械装置完成四个工位的运动。
1.2控制系统的硬件组成原理
图2系统原理示意图
整个控制系统主要分为以下几个部分：键盘单元、主控单元、位置单元。整个系统的原理框图如图2所示。
2系统的软件设计
系统软件的设计按照结构化的程序设计方法完成，将整个程序细分为若干个子程序（模块），方便调试与检查。由于系统比较复杂而且分散，每个单片机都有相应的主程序和相关的子程序。下面就几个主要的程序做一简单先容。
2.1初始化子程序
在初始化子程序中，主要对89C51的系统资源，包括定时器、中断、串行通讯、8255A进行初始化工作。
2.2键盘程序
键盘程序完成键盘单元的初始化工作、点亮相应的功能指示灯、键值的取得、焊头温度的设定以及和主控单元的通讯功能。
2.3主控程序
在主控程序中，完成与键盘单元和位置单元的通讯、故障报警、各种币值打捆、各个功能电机的控制及其手动操纵。
2.4捆钞作业子程序
在捆钞作业子程序中，完成压板的上升和下降、压力传感器的检测、进带电机进带、抽带电机抽带和下焊电机的控制。
2.5位置控制程序
在程序中，完成与键盘主控单元的通讯、对应于各种币值的位置电机位置的控制及各电机手动操纵。
3系统硬件的子功能模块实现
整个硬件系统按照模块化的设计方法设计，使系统的整体结构更加完善的同时使性能得以进步，方便调试、维修。
3.1键盘模块
键盘采用8255A的A口和C口扩展出一个4×4的键盘，键盘共有12个功能键，在本系统中采用程序扫描法来识别按键。单片机先使8255A的PC口均为低电平，再读A口。假如A口不全为高电平，则延时10ms往抖动，然后再读A口，此时A口仍不全为高电平，说明没有键按下。进一步确定按下键的位置，先置PC0=0，PC1=PC2=PC3=1，读A口，由A口低电平的位便可确定按下键的位置。以此类推，假如检查完所有的键均无按下，说明是干扰或误操纵。扫描结束时，按下键的位置信息存于某个存储单元中。然后通过RS-422串行通讯方式发送至主控单片机，使其控制电机做出相应的打捆动作以及电机的手动控制。
3.2步进电机控制模块
步进电机是机电一体化产品中重要的执行元件。在本系统中，我们采用的是三相异步式步进电机。假如对步进电机的稳定性和控制精度有更高的要求，则可以采用有细分的电机控制器来控制。
该控制模块采用双三拍正的驱动脉冲方式。根据系统的转速要求。由89C51单片机的P0.0送出脉冲，经过n倍频器，送进环形分配器CH250的cp端。CH250的3个输出信号就是步进电机的A、B、C三相的控制信号。其频率是CP信号频率的1/3。控制原理如图所示。
假如直接利用89C51的P0口作为A、B、C三相的控制信号。通过重置定时常数的方法改变频率。这种控制转速的方法缺点是随着转速的进步，误差逐渐增大。我们可以算出，当转速是W转/分时，定时的
图三步进电机控制原理图
微秒数是500000/W。在12M的晶振下，单片机得最小定时单位是1μS。设步距角为3°，我们把每一圈的120步分为长步和短步（由于定时器不能定到小数位）。当W=1200时，则是416.67μS走一步。那末我们就把一圈120步当中80步走417μS，40步走416μS。
这种控制方法可以达到的精度是大约1700±1转。但是随着转速的增大误差逐渐增大。原因是：一，晶振高频时误差比低频时误差大;二，程序进进退出中断的不定时间（1微秒左右）足以使微秒级的定时产生较大的误差。
我们使用n倍频器，当n=20,W>4000时，P0.0的输出频率不超过400HZ。我们仍然采用定时器中断的方式,精度可以达到4000±1转的精度。使用倍频器的实质在于使得定时时间尽量的长，尽量减小各种不定时间对定时时间产生的影响。倍频器又内置锁相环（PLL）实现,倍频数n由程序确定。
环形分配器CH250时专门用于三相异步步进电机驱动控制的集成电路。它可将输进的CP脉冲分配为A、B、C三相驱动信号。要使驱动信号能驱动步进电机的线圈，还必须通过驱动电路。（如图4所示）
图4步进电机驱动电路图
图中只画出一相驱动电路，其余两相与其完全相同。
图中，三极管相当于一个开关，当其截止时，集电极无电流通过，开关断开;当其饱和时，集电极电流最大，开封闭合。这个开关作用由基极电流控制。
驱动电路由T2、T3两个三极管组成达林顿式功率放大，驱动步进电机的3个绕组。
光耦的作用是消除各种干扰信号，并将控制和驱动信号隔离。当控制信号为低电平时，T1截止，输出高电平，红外发光二极管截止，光敏三极管截止，绕组中无电流通过;当控制信号为高电平时，T1饱和导通，红外发光二极管点亮，使光敏三极管导通，向功率驱动级晶体管提供基级电流，使其导通，绕组被加电。
步进电机绕组中的串联电阻Ra的作用是限制绕组中的电流，绕组中并联的二极管其保护作用，在断电时提供一个磁能开释回路，而不至于使晶体管损坏。
3.3焊接功率控制单元
图五焊接功率控制原理图
焊接功率控制是通过脉宽调制控制电压来实现的。这里我们主要用到了8位的D/A转换芯片AD558和PWM控制芯片SG3524。.AD558由内部锁存器、利用R～2R的T型解码网络和晶体管开关组成，仅需要+5V电压供电，输出模拟电压范围围0～2.56V。SG3524是一个定频的双端输出式脉宽调制器（PWM），它的接法有两种，一种是把主电路的输出反馈到芯片内部的比较放大器的反向输进端，往调节输出电路的PWM占空比。另一种接法是把芯片的误差比较放大器结成电压跟随器的形式，从主电路取反馈信号加到误差比较放大器的同相输进端。这里我们采用的是第二种接法。
功率控制模块的工作原理是：键盘单片机接收到键盘信息后。把相应的温度数值写进DAC558的地址单元3800H，DAC558经数模转换后直接输出相应的电压，SG3524产生正比于输进数值量的脉宽信号,然后通过调压模块使输出的交流电压和输进的数字信号成正相关，交流电压经变压器接到焊头，使焊头加热。
3.4串行通讯模块
在工作过程中，控制系统需要精密的位置控制，每一个动作需要各位置电机、和功能电机正确可靠的到达相应的位置。而位置电机和功能电机由不同的单片机控制。因此通讯的可靠性对于本系统而言是非常重要的。
由于RS-232C通讯协议在电平转换时采用的是单端输进/输出，传输过程中的噪声干扰会使信号发生畸变，因此抗干扰能力差，因此我们采用抗干扰能力更强的RS-422通讯协议。接口芯片采用美国MAXIM公司生产的单片光电隔离式全双工串行通讯接口芯片MAX1490。该芯片具有较高的集成度。由其构造成的RS-422接口结构简单、电气隔离性好。
波特率设为90Kbps,单片机之间接收数据采用查询方式，数据的发送采用中断方式。以中断的方式发送数据可以满足通讯实时性的要求。为防止电机的误动作，我们在存储单元中开启了4个动作信息标志位。接受方每接收到一种电机位置信息就把相应的动作标志位置1。假如连续接受到同样的动作信息，就会发出报警信息。位置控制程序中电机的每一次动作，都要检查相应的标志位，标志位为1，则开始启动，到达位置后自动将相应的标志位清零。
4结束语
全自动打捆控制系具有统自动化程度高、作业时间短。大量实验表明：系统具有精度高、可靠性好、本钱低、抗干扰能力强等优点。
参考文献
1何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社.1990
2王福瑞.单片微机测控系统设计大全.北京:北京空航天大学出版社,1999