淺析單片機的自動控制

陶 軍

（大唐甘肅祁連水電有限公司，甘肅 嘉峪關735100）

0 引言

單片機技術是微型計算機的一個主要分支，由于它具有體積小、功能強、價格低廉且使用靈活方便等優點，因而受到國內外科技工作者的高度重視，發展迅速。目前，單片機已廣泛應用于自動控制、智能儀器儀表、通信、家用電器和智能玩具等各個方面，同時也滲透到其他各個科技領域，發揮出其越來越大的作用。

1 設計思路

單片機技術的迅猛發展，已使其成為計算機和機電專業大學生必備的知識結構和能力結構中的重要組成部分。鑒于目前本公司在單片機技術領域的應用還比較落后，單片機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技術的人才，特別是精通單片機在工業控制領域的人才。鑒于單片機的突出優點，同時結合本公司實際科研任務，我們選用8031單片機實現剪板機的自動控制。我們選取的課題為《利用8031單片機實現剪板機的自動控制》，通過完成這個課題的設計，我們可以熟練掌握利用單片機開發工業自動控制系統的全過程。在此控制中，輸入信號和輸出信號都是開關量。

在本次課題的設計中，筆者主要參與了硬件電路的設計，通過查閱相關資料、學習單片機技術基礎理論、學習Protel98，和同事密切合作，共同探討技術難題，互相學習，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都有了明確的規定，列出了元器件參數表。此次設計中我們利用自己所學知識，力求使該設計合理可行。

2 設計目標及現狀分析

近年來微型計算計的發展十分迅速，特別是近幾年來，其發展方向有兩個方面，一方面是不斷推出高性能的通用計算機系統，另一方面是面向控制應用領域的單片微型計算機的發展。單片機在微型計算機領域中占據著十分重要的地位。MCS－51系列單片機是Intel公司繼MCS－48系列之后推出的8位高檔微型計算機系列，其性能、指令功能、運行速度遠遠超過一般通用微處理器。國內外計算機應用部門競相使用這種單片機構成各種智能儀表、智能控制器、智能接口、通用測控單元等，標志著單片機正式登上了計算機世界舞臺；單片機作為最典型的嵌入式系統，其成功應用推動了嵌入式系統的發展。近年來，除了各種類型的工控機，各種以通用微處理器構成的計算機主板模塊，以通用微處理器為核心、片外擴展一些外圍功能電路單元構成的嵌入式微處理器，甚至單片形態的PC機等，都實現了嵌入式應用，成為嵌入式系統的龐大家族。作為典型嵌入式系統的單片機，在我國大規模應用已有10余年。

單片機在我國應用較多的是美國Intel公司生產的MCS－51系列，該系列單片機有3個產品：8051、8751和8031。由于上述類型的單片機應用得早，影響很大，已成為事實上的工業標準。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，如同一種單片機的多個版本一樣，雖都在不斷改變制造工藝，但內核卻一樣，也就是說這類單片機指令系統完全兼容，絕大多數管腳也兼容，在使用上基本可以直接互換。由于 MCS－51系列單片機以其典型的結構，完善的總線，SFR（特殊功能寄存器）的集中管理模式、布爾操作系統和面向控制功能的指令系統，為單片機的發展奠定了良好的基礎。近年來80C51系列有了許多發展，推出了許多新產品，主要是改善單片機的控制功能，以及低電壓、微功耗、電磁兼容、串行擴展總線、控制網絡總線等。

剪板機是工廠常用的物料加工設備，在實際工作中需要進行大量重復、單調的工作程序。勞動強度大，并且現場環境惡劣，不適宜人工直接操作。

通過完成設計課題《利用8031單片機實現剪板機的自動控制》，使該設計系統在實踐中切實可行，能實現利用8031單片機控制機械生產設備、按規定的時間順序實現某些動作，或在現場輸入信號作用下，按規定的程序步驟動作。實現自動控制剪板機切料并將所切料運送到指定地點，完成剪板的生產任務，從而保護人身安全，減輕工人的勞動強度，提高生產工作效率和加工精確。

3 關鍵問題

3.1 研究設計中要解決的問題

（1）在本次設計中，我們盡量選擇具有新技術含量的硬件設備，同時也以夠用為原則，做到對硬件設備的利用恰到好處。如對交流電機的控制，我們選擇了固態繼電器（SSR）。

（2）電路設計時，采用Protel98設計的電路原理圖清晰、方便、簡單、容易掌握。

（3）開關量輸入電路、交流電動機控制電路、鎖存器、EPROM和單片機系統要統一考慮，軟硬件要統一考慮；各功能模塊、單片機系統硬件電路要盡可能選擇標準化器件、模塊化結構的典型電路。

（4）硬件電路的抗干擾問題。由于剪板機控制系統用于生產現場，與被控制的對象相距較遠，易受各種干擾侵襲，要求要有非常高的可靠性。因此，抗干擾設計是該設計系統的重要組成部分，應主要考慮以下幾個方面：1）電源設計采用低通濾波；2）利用光電耦合切斷來自開關量輸入電路的干擾；3）軟件設計要合理、可靠且具有抗干擾能力，程序需要模塊化；4）單片機擴展時，不應超過其驅動能力；5）接地端應根據有關規定，分開連接不同性質的地；6）COMS電路不使用的輸入端不允許浮空。

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

3.2 具體實施中采用的關鍵技術及復雜性分析

（1）采用光電耦合隔離技術設計開關量輸入接口電路：光電耦合器電源獨立，不共地。

（2）對交流電機的控制采用固態繼電器：固態繼電器所需控制驅動電壓低、電流小，非常容易與計算機控制輸出接口。

（3）對雙向直流電機的控制采用光控晶閘管耦合器。

4 系統實現技術

4.1 硬件工作原理

8031芯片通過對I／O擴展口74LS373（IC3）的控制，按一定的時序循環檢測74LS373端口的信號，根據檢測到74LS373端口的信號，通過P1口來分別控制交流電動機M1、M2、M3的運轉，通過SA6和T0計數器的中斷信號，來控制直流電動機M。從而使整個系統有效運行。

4.2 開關量輸入電路工作原理

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

交流電動機的運轉主要靠固態繼電器控制，P1端口的初始狀態為11100000，如以M1電動機的運轉為例：M1的控制端口為P12，當P12＝1時，U3的輸出為0，此時固態繼電器AC1導通，電動機M1運轉；當P12＝0時，U3的輸出為1，此時固態繼電器截止，電動機M1停止運轉。

4.3 對IC3（74LS373）的控制

本次設計中，我們用外部中斷0作為開機復位信號；定時器0作為計數器使用，統計小車一次所載板的數量。

5 結語

經過一個多月的技術理論準備后，首先詳細分析了被控制對象剪板機系統的工作要求，依據剪板機系統要求，深入分析了控制系統所要達到的要求，進行了系統的硬件設計；其次完成了軟件設計工作；最后順利完成了剪板機的自動控制，大大提高了工作效率和安全系數，也為公司今后進一步改造提供了第一手數據資料。