基于單片機的通用工業(yè)順序控制實驗系統(tǒng)設(shè)計

廉佐政，王海珍

(1.齊齊哈爾大學(xué) 計算中心，黑龍江 齊齊哈爾 161006; 2.齊齊哈爾大學(xué) 計算機與控制工程學(xué)院,黑龍江 齊齊哈爾 161006)

工業(yè)生產(chǎn)過程往往是一些斷續(xù)、按某種程序有規(guī)律地完成預(yù)定的動作的過程，對這類生產(chǎn)過程的控制稱為順序控制[1]。順序控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中一種常用的控制方式，它是按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的順序，在各個輸入信號的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時間順序，控制生產(chǎn)過程中各個執(zhí)行機構(gòu)自動有序地進行動作[2]。

文獻[3-9]提出應(yīng)用PLC編程實現(xiàn)順序控制；文獻[10]提出應(yīng)用PLC梯形圖指令編程控制化纖打包機；文獻[1]提出利用8031單片機控制注塑機的7道工序；文獻[11]提出用C語言描述有限狀態(tài)機算法設(shè)計單片機順序控制程序；文獻[12]提出間歇式化工形式化建模與順序控制器設(shè)計，實現(xiàn)了復(fù)雜化工過程的閉環(huán)控制系統(tǒng)的形式化建模、分析和優(yōu)化。

本文基于Dais-52PH+單片機實驗系統(tǒng)，重點研究采用8032單片機設(shè)計通用工業(yè)順序控制實驗系統(tǒng)，目標(biāo)是為了增強學(xué)生對單片機課程學(xué)習(xí)的重要知識的理解，熟悉工業(yè)順序控制的方法。設(shè)計的系統(tǒng)改進了原有的工業(yè)順序控制實驗，可以設(shè)置工序的道數(shù)及時間，可以為每道工序精確定時，可完成不同的工業(yè)順序控制的實驗。系統(tǒng)的主要特點如下：硬件成本低，時間控制采用單片機自帶的定時器實現(xiàn)，定時精確；能自由設(shè)置工序的道數(shù)、每道工序持續(xù)的時間，靈活性好；采用中斷方式模擬生產(chǎn)故障，實時性好；系統(tǒng)程序采用51匯編編程，實現(xiàn)簡單、運行效率高。

1 系統(tǒng)的功能分析

該系統(tǒng)最多支持12道工序，每道工序最多持續(xù)100 min，實際的工序道數(shù)及持續(xù)時間從鍵盤輸入，并通過LED顯示器顯示出來；用不同的發(fā)光二極管點亮代表每道工序正常運行，運行時間以倒計時的形式顯示在LED顯示器上；模擬故障處理，通過外部中斷通知系統(tǒng)，系統(tǒng)響應(yīng)中斷并暫停工序運行，發(fā)出報警聲并延時10 min，故障排除后從中斷的工序繼續(xù)運行。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件基于Dais-52PH+單片機實驗系統(tǒng)設(shè)計，用發(fā)光二極管點亮來表示某個工序正在運行。主要包括電源模塊、復(fù)位和時鐘模塊、譯碼模塊、發(fā)光二極管控制模塊、LED顯示模塊、鍵盤掃描識別和處理模塊、故障及報警等模塊。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電源模塊、復(fù)位和時鐘模塊是設(shè)計單片機系統(tǒng)必備的模塊。譯碼模塊為其他模塊提供端口地址。發(fā)光二極管控制模塊控制發(fā)光二極管的亮滅。定時和LED顯示模塊進行定時，并以倒計時的形式顯示各道工序的運行時間。按鍵掃描識別和處理模塊模擬掃描識別鍵盤上按下的鍵并進行相應(yīng)處理。故障及報警模塊模擬生產(chǎn)過程中出現(xiàn)故障，并發(fā)出報警聲。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

將Dais-52PH+單片機實驗系統(tǒng)的8255的I/O擴展電路、發(fā)光二極管、單脈沖電路、4×8鍵盤、6位LED顯示器、揚聲器驅(qū)動及譯碼電路等與8032的P1口、P3口相應(yīng)引腳連接，組合成系統(tǒng)的硬件部分，以此為基礎(chǔ)編寫匯編程序。

3.1 主程序模塊

主程序模塊完成初始化工作。初始化工作主要包括工作區(qū)和全局變量的設(shè)置，定時/計數(shù)器0、1和外部中斷0的相關(guān)寄存器設(shè)置。工作區(qū)設(shè)置見表1，全局變量的設(shè)置見表2。

定時/計數(shù)器0、1的初始化包括工作方式控制寄存器TMOD、中斷允許寄存器IE、初值的設(shè)置。TMOD的值為11H，即工作在方式1、定時器模式；IE的值為87H，即允許定時器/計數(shù)器T0、T1的溢出中斷、允許外部中斷0中斷；定時時間為0.1 s，晶振為6 MHz，初值為TH0、TH1的值為3CH，TL0、TL1的初值為0B0H。主程序模塊的流程如圖2所示。

表1 工作區(qū)設(shè)置

表2 全局變量設(shè)置

圖2 主程序模塊的流程圖

3.2 按鍵掃描識別和處理模塊

通過該系統(tǒng)4×8矩陣鍵盤上的按鍵來完成該模塊的設(shè)計，系統(tǒng)使用一片74LS273和一片74LS245分別驅(qū)動鍵盤的列線和行線，行線作為輸入，列線作為輸出，設(shè)計按鍵的掃描識別和處理程序。

采用行掃描法進行按鍵識別，即向所有列線輸出0，讀行線的內(nèi)容。如果行線全為1，則沒鍵按下，繼續(xù)掃描；否則有鍵按下，執(zhí)行LED顯示程序延時去抖動，然后繼續(xù)向所有列線輸出0，讀行線的內(nèi)容。如果行線全為1，則沒鍵按下，繼續(xù)掃描，否則有鍵按下識別按下鍵的編碼。按鍵的編碼值初始化為0，即讓第0列為0，其他列為1。讀行線內(nèi)容時，如果行線內(nèi)容全為1，則說明第0列沒鍵按下，按鍵的編碼值加1，指向第1列，讓第1列為0，其他列為1，讀行線內(nèi)容。如果行線全為1，則說明第1列沒鍵按下，按鍵的編碼值加1，指向第2列，繼續(xù)掃描第2列；否則逐位判斷行線，如果第0行為1，則按鍵的編碼值加8指向第1行，繼續(xù)判斷，直到找出為0的行，即可得到按鍵的編碼值，通過按鍵的編碼值查表便得到按下鍵的鍵值。按鍵編碼與鍵值的對應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 按鍵編碼與鍵值的對應(yīng)關(guān)系

按鍵處理程序判斷按下的鍵值，如果按下的是數(shù)字鍵，直接存儲到相應(yīng)的變量中；如果按下的是字母鍵，則重新輸入。這里約定：第1次按下的是工序的道數(shù)，存儲到5EH單元，接下來按下的數(shù)字鍵表示每道工序持續(xù)的分鐘時間，分別存儲到51H—5CH單元，輸入完畢后如果按下的是EXEC鍵(鍵值為16H)，調(diào)用發(fā)光二極管控制子程序，開始模擬工業(yè)順序控制。

3.3 發(fā)光二極管控制模塊

8032單片機的P0口兼作系統(tǒng)數(shù)據(jù)線和低8位地址線，P2口兼作高8位地址線，P3口用作第2功能，P1口僅有8位，所以8032擴展8255，通過8255實現(xiàn)對發(fā)光二極管的控制。8255的A口和B口的低4位連接12個發(fā)光二極管，編寫控制子程序，控制燈的亮滅。該子程序包括8255的初始化和12個發(fā)光二極管的點亮?xí)r間控制。由于A口和B口都工作在輸出方式，所以初始化命令字為80H；控制PA0—PA7和PB0—PB3連的發(fā)光二極管依次點亮一個，由于要顯示點亮?xí)r間，所以LED顯示程序作為延時程序。該模塊子程序的流程如圖3所示。

圖3 發(fā)光二極管控制子程序流程圖

3.4 定時和LED顯示模塊

3.4.1 定時模塊

使用8032內(nèi)部定時器/計數(shù)器進行精確定時。T0用作各道工序正常運行的定時，T1用作故障處理的定時。系統(tǒng)晶振為6 MHz，設(shè)定時時間為0.1 s，定時時間到產(chǎn)生中斷，通過執(zhí)行定時器/計數(shù)器的中斷服務(wù)程序更新倒計時的時間。定時器/計數(shù)器工作在方式1，定時時間0.1 s，即0.1 s產(chǎn)生一次中斷，中斷10次即實現(xiàn)1 s定時。定時器/計數(shù)器0的中斷服務(wù)程序中，4EH、4FH單元存放了當(dāng)前工序運行的分鐘時間、秒時間。定時器/計數(shù)器0的中斷服務(wù)程序流程圖見圖4。

圖4 定時器/計數(shù)器0的中斷服務(wù)流程圖

定時器/計數(shù)器1的中斷服務(wù)程序與定時器/計數(shù)器0的類似，只是5FH單元存放了故障處理時間，當(dāng)5FH單元減到0時，故障處理完畢，啟動T0計數(shù)，停止T1計數(shù)。

3.4.2 LED顯示模塊

實驗系統(tǒng)用2片74LS273驅(qū)動6個LED數(shù)碼管，基于動態(tài)顯示原理編寫顯示子程序。該部分程序在從鍵盤輸入時顯示鍵盤輸入的值，在輸入完畢后顯示工序道數(shù)及當(dāng)前第幾道工序，并以倒計時的形式為工序的持續(xù)時間計時。包括拆分子程序和顯示子程序。

拆分子程序?qū)?EH單元、4EH—4FH單元的數(shù)據(jù)拆分成高低4位，分別存放在 7AH—7FH單元；將5FH單元的高4位、低4位分別存放在76H—77H單元，78H—79H單元置0。

顯示子程序判斷00H的值是否為1，如果為1則將78H—79H單元的數(shù)據(jù)以閃爍的形式顯示出來；否則，將7AH—7DH單元的數(shù)據(jù)依次取出來，通過動態(tài)顯示方法在6個LED顯示出來。

3.5 故障及報警模塊

本系統(tǒng)可以模擬故障處理。功能有：顯示器閃爍，計數(shù)器停止計數(shù)并保持在原來的數(shù)據(jù)；所有燈都不亮；揚聲器發(fā)出報警聲，模擬故障處理；故障處理完畢后，從中斷的工序繼續(xù)運行。

采用實驗系統(tǒng)的單次脈沖電路與8032的外部中斷0連接，實現(xiàn)特殊狀態(tài)切換。當(dāng)AN鍵按下時，單脈沖電路的RS觸發(fā)器輸出低電平，由于復(fù)位后P3.2引腳為高電平，因此，P3.2引腳產(chǎn)生一個負跳變，向8032單片機提出中斷，單片機通過執(zhí)行中斷服務(wù)程序響應(yīng)中斷，暫停當(dāng)前的計數(shù)，驅(qū)動路口的紅燈全亮，延時10 min；P1.7引腳輸出的連續(xù)方波，經(jīng)過放大器放大驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。驅(qū)動揚聲器發(fā)出報警聲。中斷服務(wù)程序的流程圖見圖5。

圖5 中斷服務(wù)程序流程圖

按照上面各模塊的設(shè)計思路，在MCS-51集成開發(fā)環(huán)境下編寫匯編程序，經(jīng)過編輯、編譯、調(diào)試，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。

4 結(jié)束語

單片機開發(fā)簡單、抗干擾能力強、設(shè)計的系統(tǒng)穩(wěn)定、適合工業(yè)控制。本文基于Dais-52PH+實驗系統(tǒng)，對原有工業(yè)順序控制實驗進行改進，定時精確、可設(shè)置工序的道數(shù)和每道工序持續(xù)的時間、模擬生產(chǎn)故障，具有通用性。學(xué)生通過做實驗，進一步加深了對單片機理論知識的理解、鍛煉了動手實踐能力，從而提高了他們運用單片機理論知識解決問題的能力。

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