基于單片機STC89C52的串聯型移位步進控制器的設計

金珍珍， 徐鋒， 林海波(臺州職業(yè)技術學院 自動化研究所，浙江 臺州　318000)

0　引　言

順序控制是工業(yè)自動化裝備最常采用的一種工作方式，據文獻[1-2]顯示，固定順序控制約占控制總數的60%。在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，順序控制往往采用繼電器-接觸器控制系統(tǒng)或可編程序控制器(簡稱PLC)加以解決。這兩種方法各有其優(yōu)缺點。

繼電控制系統(tǒng)可靠性差、體積大、能耗高，對于復雜的順序控制不適合。PLC系統(tǒng)在可靠性、穩(wěn)定性及節(jié)能等方面有著其它控制無法比擬的優(yōu)勢，但對于順序控制顯得大材小用，其性價比無法得到充分體現。文獻[1]18提出的串聯順序控制器具有一定的局限性，其主要問題是當順序“步”較多時，控制器自身的結構將變得復雜。

針對以上論述，提出一種基于STC89C52的邏輯步進控制器，它由STC89C52和少量的外圍分立元件構成，具有性能穩(wěn)定、可靠性高、體積小、重量輕、通用性強、價格低等優(yōu)點，可廣泛應用于生產實踐。

1　串聯型順序控制的邏輯關系

順序控制是指：裝備的工藝流程在預先固定時，系統(tǒng)在各控制信號的作用下，工作機構按規(guī)定的要求分時、分序進行工作的一種控制方式[1]18。

圖1為串聯型順序控制的狀態(tài)轉移圖。SX(X=1,2,…)表示各步的工作狀態(tài)，其值表示各順序步是否開通或激活；S0為初始狀態(tài)。YX(X=1,2,…)表示各狀態(tài)對應的執(zhí)行機構的工作狀態(tài)。當某狀態(tài)Sn為1時，該狀態(tài)將驅動對應的執(zhí)行機構Yn(即Yn=1)。IX(X=1,2,…)為轉移條件，它表示相連步之間轉移的必要條件。Sx、Ix和Yx稱為狀態(tài)轉移圖三要素。

圖1　串聯型順序控制系統(tǒng)狀態(tài)轉移圖

串聯結構狀態(tài)轉移圖各狀態(tài)之間的邏輯關系：

(1)

在關系式(1)中“×”表示與運算，“+”表示或運算，非號表示與非運算。

可見，激活某一狀態(tài)的條件必須是該狀態(tài)(SX)的前一步(SX-1)已經開通，且當對應的轉移條件(IX)出現的瞬間該步被激活；當該狀態(tài)的后一狀態(tài)(SX+1)激活時，該狀態(tài)將瞬間關斷[1]19。

初始狀態(tài)S0在系統(tǒng)上電時由系統(tǒng)初始化自動激活，隨后在系統(tǒng)完成每一次工作循環(huán)時再次激活初始狀態(tài)S0。

2　移位控制器的設計

控制器主要由電源電路、輸入/輸出接口電路、單片機最小系統(tǒng)和控制程序等幾部分組成。

2.1　控制器整體框圖

圖2中輸入電路的功能是將工業(yè)裝備產生的控制信號(如控制按鈕、行程開關、各種工業(yè)傳感器等)，轉變?yōu)閱纹瑱C能處理的標準電平并輸入STC89C52。輸出電路的作用是將單片機STC89C52輸出的標準信號放大為可直接驅動現場執(zhí)行機構(接觸器、繼電器的線圈等)的高電平、大電流信號。

輸入信號一旦觸發(fā)，控制器會根據控制程序實現狀態(tài)轉移，并通過各狀態(tài)的執(zhí)行機構實現相應的工作。

圖2　控制器結構框圖

2.2　控制器輸入/輸出電路

生產裝備控制信號有兩類，一類是使裝備依次“步進”的工作信號(下稱工作信號)；另一類則是使裝備停止工作的信號(下稱停機信號)。這些信號均為強電流信號，必須經輸入電路轉變?yōu)闃藴孰娖胶蟛拍茌斎雴纹瑱C。

由于各工作信號的作用以及發(fā)生時序是不相同的，必須采用相對獨立的電路進行處理，即每個工作輸入信號均連接一個輸入接口電路，但所有輸入接口電路可以共用COM端。

圖3　工作信號輸入接口電路

圖3為控制器工作信號輸入接口電路[1]20。

停機信號一般有主令電器(如停止按鈕等)和保護電器(如過載、過流等)產生。停機信號不同于工作信號，它們的目的均是使裝備停止工作，因此可將這些信號并聯后接入復位電路處理。

單片機的輸出信號是標準的電平信號，而大多數執(zhí)行機構采用的電壓為交流220 V或380 V，因此，需借助輸出電路放大后才能驅動執(zhí)行電器。

圖4為控制器輸出接口電路圖[1]20。

每個輸出信號均連接一個輸出接口電路。由于工業(yè)現場執(zhí)行電器的電壓多樣性，因此每個輸出電路的COM以獨立為好。

圖4　控制器輸出接口電路

為了增加控制器工作時的可靠性和安全性，輸入/輸出電路與STC89C52內部信號之間均采用光電隔離措施。

2.3　控制器軟件設計

經輸入接口電路處理后的現場正?？刂菩盘枌⒆鳛榭刂破饔|發(fā)信號編入程序。由于這些信號有可能在不正確的時序內發(fā)生，如按鈕的誤操作、行程開關的誤觸碰等。為避免類似誤操作和誤觸碰可能導致的事故，必須在程序中加入前一狀態(tài)激活為約束條件，這樣才能滿足(1)式要求。

根據圖1的狀態(tài)轉移圖描述以及上述說明，控制程序流程圖如圖5所示。

圖5　主程序流程圖

2.4　控制器總電路

綜上所述，可得基于單片機STC89C52的串聯型移位步進控制器電路。

圖6　串聯型移位邏輯控制器的電路

圖6中，輸入接口電路接現場裝備控制信號，各停機信號并聯后與圖6中的復位按鈕SW并聯。輸出接口電路分別連接各狀態(tài)的驅動電器。

圖6為具有8個狀態(tài)的串聯型步進控制器的原理圖。由于STC89C52單片機共有32個I/O口，除去狀態(tài)數量選擇開關K占用的I/O口和數碼顯示的7個I/O口，最多可處理12個輸入信號和12個輸出信號，即最多可構成一個12位的串聯型步進控制器[4]。

在實際應用中，由于生產裝備或工藝不同，構成的狀態(tài)數量也不相同，考慮到控制器的通用問題，在控制器中專門設置狀態(tài)數量選擇開關K。例如，當某裝備的工作流程是由6個狀態(tài)構成的串聯型狀態(tài)轉移圖時，則只需要通過按動按鈕的次數來實現狀態(tài)的數量，同時，每按一次按鈕可在數碼管上顯示當前的狀態(tài)數量。

3　應用實踐

圖7　深孔鉆床工作示意圖

組合深孔鉆床是一種高效率的機械加工裝備，它由液壓動力滑臺和旋轉式動力頭組成。液壓動力滑臺用于產生進給和后退運動。動力滑臺的運動方向由電磁閥CT1、CT2控制。安裝在滑臺上的旋轉式動力頭則完成鉆頭的切銷加工。圖7為組合深孔鉆床加工示意圖。

該裝置工作時，為了將鐵銷帶出孔洞以保證鉆銷過程順利進行，要求鉆頭做工作進給→工作后退→工作進給→工作后退……等多次往復循環(huán)。

由于不同工件孔深度不同，鉆頭工作循環(huán)的次數也不相同。若采用傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)或PLC控制系統(tǒng)，則必須根據不同的循環(huán)次數更換不同的控制電路或控制程序，這樣顯然是不合適的。用該控制器可以方便地解決上述控制方式的不足。當鉆頭循環(huán)次數不同時，只需將狀態(tài)數量選擇開關K按動相應的次數即可。

下面對該深孔鉆床的液壓動力滑臺作兩次工作循環(huán)時的電路連接說明。

表1中，SB1為啟動按鈕，SQ0為原位動合行程開關，SQ1為開始鉆銷位置動合行程開關，SQ2為第一鉆銷行程終點動合開關，SQ3為第二鉆銷行程終點動合開關。

鉆銷工作時，僅需按下SB1啟動裝備即可。整個加工過程直至結束停機都將由控制器自動完成。

表1　滑臺工作狀態(tài)、轉移條件、執(zhí)行電器之間關系

可見，該裝備的工作順序可繪制成由S0～S4構成的串聯結構狀態(tài)轉移圖。按鈕SB1和行程開關SQ1、SQ2、SQ3、SQ0分別為由初始狀態(tài)到結束工作時的轉移條件。

控制器外部電路連接極其簡單，僅需將控制信號SB1、SQ1、SQ2、SQ3、SQ0依次連接到圖6所示的X1～X5即可，其它不用的輸入端可懸空。由于執(zhí)行電器CT1由S1和S3分別驅動，因此需將控制器輸出端Q1和Q3短接后再與CT1相連；CT2的連接與CT1同。

停止按鈕SB2、鉆床過載信號等停止信號并聯后與圖6中的復位按鈕并聯[5-6]。

在完成外部連接后，需將狀態(tài)數量選擇為5。當循環(huán)次數發(fā)生變化時，僅需更改選擇開關K的按動次數。

4　結束語

控制器采用軟件實現控制功能，避免了文獻[1]18所述控制器結構復雜、通用性不足的缺陷。

實際應用表明，這種控制器具有穩(wěn)定性好、故障率低、能耗少等優(yōu)點。這種控制器在單機自動化設備的控制和技術改造中有廣泛的前景。

參考文獻：

[1] 徐鋒,金珍珍,林海波.一種CMOS-CC4015的串聯型步進控制器的設計[J].應用科技,2016，43(6):18-23

[2] 徐鋒,金珍珍,林海波.基于CMOS-CC4015的并聯型步進控制器的設計[J].機床與液壓,2017，45(4):188-191

[3] 吳宏岐,李超,呂曉峰.基于單片機實現的油井油位測控系統(tǒng)設計[J]. 電氣自動化，2013，35(4)：82-83

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