設(shè)備自動化改造中單片機(jī)的應(yīng)用

文/劉文源

單片機(jī)的存在為設(shè)備自動化程度的實(shí)現(xiàn)提供了便利條件和技術(shù)支撐，一定程度上彌補(bǔ)了原有機(jī)械設(shè)備的不足。在機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動化的過程中，單片機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，極大的沖擊了原有的生產(chǎn)方式，使得原來機(jī)械設(shè)備存在的操作難度較大、危險(xiǎn)系數(shù)較大等問題得到有效的解決，不僅有利于作業(yè)周期的縮短、作業(yè)效果的增強(qiáng)，還有利于實(shí)際生產(chǎn)過程中人力、物力、財(cái)力的投入比例。換句話說，目前階段我國的主流設(shè)備逐漸被自動化設(shè)備替代。因此，在改造機(jī)械設(shè)備的過程中，我國相關(guān)工作人員對于單片機(jī)的應(yīng)用要引起高度重視，不斷與其他設(shè)備進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使得設(shè)備自動化程度更高。

1 單片機(jī)的簡介

1.1 單片機(jī)簡介

單片微型計(jì)算機(jī)簡稱“單片機(jī)”，作為一種集成芯片，一般情況下由存儲器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備等構(gòu)成，以超大規(guī)模的集成電路技術(shù)作為技術(shù)支撐。單片機(jī)作為工業(yè)領(lǐng)域典型的微型控制器，其電子系統(tǒng)較為成熟。自從單片機(jī)進(jìn)入大眾視線，其發(fā)展非常迅猛，引起了全球半導(dǎo)體廠家的廣泛重視，進(jìn)而逐漸出現(xiàn)類型多種多樣的單片機(jī)，其中，經(jīng)典的單片機(jī)系列是80C51單片機(jī)，其單片機(jī)結(jié)構(gòu)體系也具有典型特征，基本構(gòu)造如圖1所示。

其主要由三部分組成：CPU系統(tǒng)、CPU外圍單元、基本功能單元，通過內(nèi)部單一總線連接各個組成部分。80C51單片機(jī)的核心部件是CPU系統(tǒng)，主要包含CPU、時鐘系統(tǒng)、總線控制邏輯三部分組成。CPU運(yùn)行時與單元電路存在直接聯(lián)系的是CPU外圍單元，構(gòu)成CPU系統(tǒng)中最小的系統(tǒng)，由程序存儲器ROM、數(shù)據(jù)存儲器RAM、特殊功能寄存器SPR等組成。基本功能單元是計(jì)算機(jī)的基本外圍電路，主要以滿足單片機(jī)測控功能為主要目標(biāo)，在一定程度上完善、拓寬計(jì)算機(jī)的功能，主要包括三個部分：定時/計(jì)數(shù)器、串行接口、中斷系統(tǒng)等。

1.2 單片機(jī)簡單應(yīng)用

目前階段，在智能儀表、實(shí)時監(jiān)控、電力工業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，單片機(jī)得到非常廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)具有邏輯監(jiān)控能力、智能操控能力等基本能力，具有比較緊密的結(jié)構(gòu)、輕盈的質(zhì)量、輕便的質(zhì)量、較低的能量損耗，與此同時，單片機(jī)的擴(kuò)展性非常優(yōu)良，按照原定的設(shè)置程序，基本的生產(chǎn)操作即可實(shí)現(xiàn)。如果按照功能差異性作為分類標(biāo)準(zhǔn)，單片機(jī)可以分為多種類型，較為基本的類型主要包括通用型、控制型、專用型等。

沖壓機(jī)械進(jìn)行工作時，操作簡單，重復(fù)性高，循環(huán)時間短，如果作業(yè)時間過長，由于人工的疲勞操作而發(fā)生事故，所以，沖壓機(jī)械進(jìn)行作業(yè)時危險(xiǎn)系數(shù)較高。對沖壓機(jī)械進(jìn)行自動化改造，不僅減輕工人的工作強(qiáng)度，確保安全生產(chǎn)，還可降低事故發(fā)生的頻率。

峰峰集團(tuán)馬頭洗選廠集體企業(yè)公司機(jī)電維修廠，選煤配件的生產(chǎn)是其主要的業(yè)務(wù)，長期從事斗式提升機(jī)常用配件脫水斗子的生產(chǎn)。一直以來，使用普通沖床沖制作為斗身板的沖制，方向不可轉(zhuǎn)換，斗孔間距不可自由調(diào)整，自動化程度低。不僅加大了工人的勞動力度，降低工作效率，還極易引發(fā)安全事故的出現(xiàn)。為更好解決這個問題，該廠對沖床進(jìn)行自動化改造，將Intel公司生產(chǎn)的80C51單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，采用結(jié)合的控制系統(tǒng)對沖床動作進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)一次性完成斗身板沖刺的目標(biāo)。

2 設(shè)備自動化改造的基本內(nèi)容

2.1 軟件開發(fā)

設(shè)備自動化改造的過程中，系統(tǒng)的中心即時軟件，自動化系統(tǒng)的運(yùn)行也是以軟件作為平臺。軟件開發(fā)設(shè)計(jì)的過程中，第一考慮因素就是設(shè)備系統(tǒng)的實(shí)際需求，對輸入變量進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后在輸出口輸出。通常情況下，設(shè)計(jì)方法主要以模塊化為主，明確每一模塊的程序任務(wù)，修改、調(diào)試、完善程序局部細(xì)致的變化，同時保證其他模塊程序的運(yùn)行不受干擾。選取模塊化作為設(shè)計(jì)方法，不僅有效的擴(kuò)充、升級相應(yīng)的軟件，還有利于分工協(xié)作的實(shí)現(xiàn)。

2.2 光隔、擴(kuò)展、防護(hù)、驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

目前階段我國單片機(jī)輸入、輸出信號的種類不一樣，一般情況下包括開關(guān)、數(shù)字信號、模擬信號等。通常情況下，單片機(jī)利用繼電器、效應(yīng)晶體管等管控開關(guān)設(shè)備對自動化控制過程進(jìn)行完成。通常意義上說，單片機(jī)和繼電器接口、單片機(jī)和大功率場效應(yīng)晶體管接口、單片機(jī)和固態(tài)繼電器接口、光電耦合設(shè)備接口等都屬于單片機(jī)接口的范疇，基本工作原理是有機(jī)結(jié)合控制設(shè)備和單片機(jī)，將單片機(jī)電壓的幅度變化值、負(fù)荷水平的局限值充分考慮在內(nèi)，為有效實(shí)現(xiàn)緩沖隔離和擴(kuò)展驅(qū)動的目的，將擴(kuò)展驅(qū)動線路相對應(yīng)的添加在單片機(jī)輸出一端。通常情況下，開關(guān)進(jìn)行信號的輸出時，驅(qū)動執(zhí)行的器件主要包括繼電器、可控硅等，其中最主要的管控器件是動力電，輸出信號經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行擴(kuò)大，按照單片機(jī)輸出的信號指令，執(zhí)行器件相應(yīng)的做出反應(yīng)和操作，因此，光隔、擴(kuò)展、防護(hù)、驅(qū)動電路的基本效應(yīng)得到有效的實(shí)現(xiàn)。

3 設(shè)備自動化改造中單片機(jī)的應(yīng)用

對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行自動化改造，不僅能更好的使設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)行，還可以使設(shè)備在沒有任何人力的幫助下，可智能化、自動化完成日常生產(chǎn)生活中所需要的各項(xiàng)步驟，有效的替代人工的力量，在很大程度上提高了生產(chǎn)力，削減了生產(chǎn)勞動的強(qiáng)度，對國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、工業(yè)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化升級起到良好的推動作用。因此，在對設(shè)備自動化進(jìn)行改造的過程中，一定不能忽視單片機(jī)所起的作用，利用單片機(jī)更好的完成設(shè)備自動化的改造。

3.1 控制總電路設(shè)計(jì)過程中單片機(jī)的運(yùn)用

對于自動化系統(tǒng)而言，其靈敏度和控制能力是非常重要的，而控制電路的設(shè)計(jì)不僅對其有著直接的影響，還會影響著各個子系統(tǒng)之間相互協(xié)作的能力。倘若在控制系統(tǒng)中，電路設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題，很容易出現(xiàn)不良的現(xiàn)象，例如：控制系統(tǒng)失控、操作失誤等。目前階段，我國使用的單片機(jī)具有良好的性能，例如：緊湊的結(jié)構(gòu)、功效強(qiáng)大的指令系統(tǒng)、較小的體積、系統(tǒng)資源儲存量占據(jù)較小。所以在研發(fā)設(shè)控制總電路的過程中，安全性、穩(wěn)定性、及時性是要充分考慮的因素，如果出現(xiàn)其他特殊性能的要求，就應(yīng)該將特殊功能擴(kuò)展、中繼系統(tǒng)功能考慮在內(nèi)。另一方面，在設(shè)計(jì)輸入電路、輸出電路的過程中，要科學(xué)規(guī)劃合理的尋址形式，最大限度的防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)與選址相矛盾的現(xiàn)象，從而出現(xiàn)一系列更為嚴(yán)重的事情，不利于自動化系統(tǒng)靈敏度的設(shè)計(jì)，所以，在設(shè)計(jì)尋址功能時，選取線法和譯碼法可以作為重點(diǎn)考慮的方法。同時，在顯示輸出信號時，解剖是應(yīng)按照單片機(jī)的時序進(jìn)行，及時有效的操作地址數(shù)據(jù)，保障輸入信號變化時可以相對應(yīng)，對輸入狀態(tài)進(jìn)行封存，確保輸出的準(zhǔn)確性、高效性。

圖1：單片機(jī)基本構(gòu)造體系

3.2 軟件研發(fā)過程中單片機(jī)的應(yīng)用

軟件平臺是設(shè)備自動化系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)前提，只有充分的利用軟件系統(tǒng)，單片機(jī)的各項(xiàng)功能才能更有效、更充分的發(fā)揮，所以，在設(shè)備自動化改造過程中，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)扮演著至關(guān)重要的地位。目前階段，在對軟件進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計(jì)時，設(shè)備對于系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)需要是個不容忽視的問題，同時，各個子系統(tǒng)間的協(xié)作及功能發(fā)揮都不容忽視。具體來說，基本設(shè)計(jì)思路應(yīng)該為對輸入變量進(jìn)行邏輯運(yùn)算和其他操作，然后輸出端輸出，并對各項(xiàng)指令進(jìn)行輸送，最終的操作即可實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)手段應(yīng)選取模塊化的，使得各個功能模塊協(xié)調(diào)運(yùn)行，在此基礎(chǔ)上，不斷修改和調(diào)整相應(yīng)的程序，將設(shè)計(jì)難度、整體任務(wù)量進(jìn)一步降低。另一方面，要不斷擴(kuò)展、升級模塊設(shè)計(jì)角度，使得設(shè)備自動化的優(yōu)化升級進(jìn)步空間更大。

3.3 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)中單片機(jī)的應(yīng)用

單片機(jī)軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)及二者間的相互協(xié)調(diào)，驅(qū)動功能扮演著不可替代的角色。如果驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題，那么軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)就不能很好的協(xié)調(diào)運(yùn)行，進(jìn)而使得系統(tǒng)的其他功能不能正常的發(fā)揮。通常情況下，設(shè)計(jì)驅(qū)動電路時，要對可能出現(xiàn)故障的問題仔細(xì)研究，例如：輸入輸出信號的操作問題、端口連接方法、自動化控制環(huán)節(jié)是否協(xié)調(diào)有序、端口連接狀態(tài)是否合理等問題，確保單片機(jī)和控制元件可連接緊密。

3.4 系統(tǒng)的干擾和抗干擾方面單片機(jī)的應(yīng)用

3.4.1 系統(tǒng)干擾

在單片機(jī)運(yùn)用過程中，如果運(yùn)行條件繁瑣復(fù)雜，設(shè)備自動化系統(tǒng)的正常運(yùn)行就會受到影響，并對其他相關(guān)工作的穩(wěn)定性、安全性形成干擾，就會導(dǎo)致不正確的操作，使得經(jīng)濟(jì)有嚴(yán)重的損失。以影響的要素為分類依據(jù)，直接耦合方式、電容耦合方式、輻射耦合方式、公共阻抗耦合方式是日常生產(chǎn)過程中最常見的干擾耦合方式。

3.4.2 系統(tǒng)抗干擾

從抗干擾方面出發(fā)，主要包括兩種方式，即軟件抗干擾和硬件抗干擾。通常狀況下，軟件是在執(zhí)行各個程序時產(chǎn)生抗干擾，CPU剛開始運(yùn)行時，由于外界干擾因素的存在，時常出現(xiàn)程序紊亂的狀況，因此，在執(zhí)行程序操作的過程中，非常有必要對軟件系統(tǒng)實(shí)施抗干擾。一般情況下，做出抗干擾是選擇的方式是“軟件陷阱”，具體是指對一條引導(dǎo)指令進(jìn)行選擇，將獲取的程序強(qiáng)制性的印象其他特別指定的且不影響正常作業(yè)的區(qū)域，并且在這一特定區(qū)域內(nèi)，要具有一定的程序，專門用來處理錯誤。硬件抗干擾主要是從干擾源上角度出發(fā)，進(jìn)而達(dá)到抗干擾的目標(biāo)，一般情況下是在干擾源兩端進(jìn)行電容的并聯(lián)，比較常見的做法是：

（1）在繼電器線圈添加續(xù)流二極管，在線圈斷開的過程中，避免反電動勢干擾的發(fā)生；

（2）在電路上添加濾波電路。電路板上每一個IC應(yīng)該都有一個高頻電容與之相應(yīng)的進(jìn)行并聯(lián)，這樣可以在很大程度上降低IC對電源的影響。

（3）在進(jìn)行布置線路的過程中，垂直折現(xiàn)的現(xiàn)象一定要避免發(fā)生，可以減弱高頻噪音的出現(xiàn)。

4 結(jié)束語

綜上所述，單片機(jī)的出現(xiàn)和不斷完善發(fā)展，是電子計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域中一次質(zhì)的飛躍，對于各個領(lǐng)域、各個行業(yè)內(nèi)智能化、自動化、數(shù)字化進(jìn)程的發(fā)展起到了良好的促進(jìn)作用。在機(jī)械設(shè)備自動化改造的過程中，廣發(fā)運(yùn)用單片機(jī)不僅使得控制系統(tǒng)整體的有效性、穩(wěn)定性得到穩(wěn)步提高，與未來工業(yè)高效率、低誤差的機(jī)械自動化的發(fā)展前景像契合。

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