淺析單片機(jī)的自動(dòng)控制

陶 軍

（大唐甘肅祁連水電有限公司，甘肅 嘉峪關(guān)735100）

0 引言

單片機(jī)技術(shù)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)主要分支，由于它具有體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低廉且使用靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，因而受到國內(nèi)外科技工作者的高度重視，發(fā)展迅速。目前，單片機(jī)已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、智能儀器儀表、通信、家用電器和智能玩具等各個(gè)方面，同時(shí)也滲透到其他各個(gè)科技領(lǐng)域，發(fā)揮出其越來越大的作用。

1 設(shè)計(jì)思路

單片機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，已使其成為計(jì)算機(jī)和機(jī)電專業(yè)大學(xué)生必備的知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。鑒于目前本公司在單片機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用還比較落后，單片機(jī)研究方面的科技人才比較少，加之本公司亟需熟練掌握單片機(jī)技術(shù)的人才，特別是精通單片機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的人才。鑒于單片機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合本公司實(shí)際科研任務(wù)，我們選用8031單片機(jī)實(shí)現(xiàn)剪板機(jī)的自動(dòng)控制。我們選取的課題為《利用8031單片機(jī)實(shí)現(xiàn)剪板機(jī)的自動(dòng)控制》，通過完成這個(gè)課題的設(shè)計(jì)，我們可以熟練掌握利用單片機(jī)開發(fā)工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的全過程。在此控制中，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)都是開關(guān)量。

在本次課題的設(shè)計(jì)中，筆者主要參與了硬件電路的設(shè)計(jì)，通過查閱相關(guān)資料、學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)理論、學(xué)習(xí)Protel98，和同事密切合作，共同探討技術(shù)難題，互相學(xué)習(xí)，互相幫助，繪制出了硬件電路原理圖，并對各元器件的選取參數(shù)都有了明確的規(guī)定，列出了元器件參數(shù)表。此次設(shè)計(jì)中我們利用自己所學(xué)知識(shí)，力求使該設(shè)計(jì)合理可行。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)及現(xiàn)狀分析

近年來微型計(jì)算計(jì)的發(fā)展十分迅速，特別是近幾年來，其發(fā)展方向有兩個(gè)方面，一方面是不斷推出高性能的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，另一方面是面向控制應(yīng)用領(lǐng)域的單片微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展。單片機(jī)在微型計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中占據(jù)著十分重要的地位。MCS－51系列單片機(jī)是Intel公司繼MCS－48系列之后推出的8位高檔微型計(jì)算機(jī)系列，其性能、指令功能、運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般通用微處理器。國內(nèi)外計(jì)算機(jī)應(yīng)用部門競相使用這種單片機(jī)構(gòu)成各種智能儀表、智能控制器、智能接口、通用測控單元等，標(biāo)志著單片機(jī)正式登上了計(jì)算機(jī)世界舞臺(tái)；單片機(jī)作為最典型的嵌入式系統(tǒng)，其成功應(yīng)用推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。近年來，除了各種類型的工控機(jī)，各種以通用微處理器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)主板模塊，以通用微處理器為核心、片外擴(kuò)展一些外圍功能電路單元構(gòu)成的嵌入式微處理器，甚至單片形態(tài)的PC機(jī)等，都實(shí)現(xiàn)了嵌入式應(yīng)用，成為嵌入式系統(tǒng)的龐大家族。作為典型嵌入式系統(tǒng)的單片機(jī)，在我國大規(guī)模應(yīng)用已有10余年。

單片機(jī)在我國應(yīng)用較多的是美國Intel公司生產(chǎn)的MCS－51系列，該系列單片機(jī)有3個(gè)產(chǎn)品：8051、8751和8031。由于上述類型的單片機(jī)應(yīng)用得早，影響很大，已成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。后來很多芯片廠商以各種方式與Intel公司合作，也推出了同類型的單片機(jī)，如同一種單片機(jī)的多個(gè)版本一樣，雖都在不斷改變制造工藝，但內(nèi)核卻一樣，也就是說這類單片機(jī)指令系統(tǒng)完全兼容，絕大多數(shù)管腳也兼容，在使用上基本可以直接互換。由于 MCS－51系列單片機(jī)以其典型的結(jié)構(gòu)，完善的總線，SFR（特殊功能寄存器）的集中管理模式、布爾操作系統(tǒng)和面向控制功能的指令系統(tǒng)，為單片機(jī)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。近年來80C51系列有了許多發(fā)展，推出了許多新產(chǎn)品，主要是改善單片機(jī)的控制功能，以及低電壓、微功耗、電磁兼容、串行擴(kuò)展總線、控制網(wǎng)絡(luò)總線等。

剪板機(jī)是工廠常用的物料加工設(shè)備，在實(shí)際工作中需要進(jìn)行大量重復(fù)、單調(diào)的工作程序。勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且現(xiàn)場環(huán)境惡劣，不適宜人工直接操作。

通過完成設(shè)計(jì)課題《利用8031單片機(jī)實(shí)現(xiàn)剪板機(jī)的自動(dòng)控制》，使該設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)踐中切實(shí)可行，能實(shí)現(xiàn)利用8031單片機(jī)控制機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備、按規(guī)定的時(shí)間順序?qū)崿F(xiàn)某些動(dòng)作，或在現(xiàn)場輸入信號(hào)作用下，按規(guī)定的程序步驟動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制剪板機(jī)切料并將所切料運(yùn)送到指定地點(diǎn)，完成剪板的生產(chǎn)任務(wù)，從而保護(hù)人身安全，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)工作效率和加工精確。

3 關(guān)鍵問題

3.1 研究設(shè)計(jì)中要解決的問題

（1）在本次設(shè)計(jì)中，我們盡量選擇具有新技術(shù)含量的硬件設(shè)備，同時(shí)也以夠用為原則，做到對硬件設(shè)備的利用恰到好處。如對交流電機(jī)的控制，我們選擇了固態(tài)繼電器（SSR）。

（2）電路設(shè)計(jì)時(shí)，采用Protel98設(shè)計(jì)的電路原理圖清晰、方便、簡單、容易掌握。

（3）開關(guān)量輸入電路、交流電動(dòng)機(jī)控制電路、鎖存器、EPROM和單片機(jī)系統(tǒng)要統(tǒng)一考慮，軟硬件要統(tǒng)一考慮；各功能模塊、單片機(jī)系統(tǒng)硬件電路要盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化器件、模塊化結(jié)構(gòu)的典型電路。

（4）硬件電路的抗干擾問題。由于剪板機(jī)控制系統(tǒng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，與被控制的對象相距較遠(yuǎn)，易受各種干擾侵襲，要求要有非常高的可靠性。因此，抗干擾設(shè)計(jì)是該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)主要考慮以下幾個(gè)方面：1）電源設(shè)計(jì)采用低通濾波；2）利用光電耦合切斷來自開關(guān)量輸入電路的干擾；3）軟件設(shè)計(jì)要合理、可靠且具有抗干擾能力，程序需要模塊化；4）單片機(jī)擴(kuò)展時(shí)，不應(yīng)超過其驅(qū)動(dòng)能力；5）接地端應(yīng)根據(jù)有關(guān)規(guī)定，分開連接不同性質(zhì)的地；6）COMS電路不使用的輸入端不允許浮空。

（5）單片機(jī)芯片選取的原則：對于核心芯片，我們盡量選擇滿足應(yīng)用要求的即可，不盲目追求高性能；所選擇的8031芯片在國內(nèi)有成熟的開發(fā)系統(tǒng)和穩(wěn)定的供貨來源，該芯片比較流行，資料豐富，便于交流。

3.2 具體實(shí)施中采用的關(guān)鍵技術(shù)及復(fù)雜性分析

（1）采用光電耦合隔離技術(shù)設(shè)計(jì)開關(guān)量輸入接口電路：光電耦合器電源獨(dú)立，不共地。

（2）對交流電機(jī)的控制采用固態(tài)繼電器：固態(tài)繼電器所需控制驅(qū)動(dòng)電壓低、電流小，非常容易與計(jì)算機(jī)控制輸出接口。

（3）對雙向直流電機(jī)的控制采用光控晶閘管耦合器。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

4.1 硬件工作原理

8031芯片通過對I／O擴(kuò)展口74LS373（IC3）的控制，按一定的時(shí)序循環(huán)檢測74LS373端口的信號(hào)，根據(jù)檢測到74LS373端口的信號(hào)，通過P1口來分別控制交流電動(dòng)機(jī)M1、M2、M3的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過SA6和T0計(jì)數(shù)器的中斷信號(hào)，來控制直流電動(dòng)機(jī)M。從而使整個(gè)系統(tǒng)有效運(yùn)行。

4.2 開關(guān)量輸入電路工作原理

74LS373輸入端口的初始狀態(tài)為11111111，當(dāng)有一個(gè)開關(guān)閉合后，如SA1閉合，光電耦合器OPTOISO1就導(dǎo)通，輸出低電平，其電平≤0.3V。此時(shí)，該低電平加到74LS373的輸入端（1D端）即74LS373輸入端口的狀態(tài)為11111110，其他開關(guān)量輸入電路的工作原理與以上所述相同。

交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)主要靠固態(tài)繼電器控制，P1端口的初始狀態(tài)為11100000，如以M1電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)為例：M1的控制端口為P12，當(dāng)P12＝1時(shí)，U3的輸出為0，此時(shí)固態(tài)繼電器AC1導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)M1運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)P12＝0時(shí)，U3的輸出為1，此時(shí)固態(tài)繼電器截止，電動(dòng)機(jī)M1停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.3 對IC3（74LS373）的控制

本次設(shè)計(jì)中，我們用外部中斷0作為開機(jī)復(fù)位信號(hào)；定時(shí)器0作為計(jì)數(shù)器使用，統(tǒng)計(jì)小車一次所載板的數(shù)量。

5 結(jié)語

經(jīng)過一個(gè)多月的技術(shù)理論準(zhǔn)備后，首先詳細(xì)分析了被控制對象剪板機(jī)系統(tǒng)的工作要求，依據(jù)剪板機(jī)系統(tǒng)要求，深入分析了控制系統(tǒng)所要達(dá)到的要求，進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)；其次完成了軟件設(shè)計(jì)工作；最后順利完成了剪板機(jī)的自動(dòng)控制，大大提高了工作效率和安全系數(shù)，也為公司今后進(jìn)一步改造提供了第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料。