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1、长春工程学院毕业设计（论文）1 引言1.1 程序控制顺序系统意义 单片机控制技术应用十分广泛，其核心技术是单片机控制系统的设计。其中单片机在控制系统中的应用是越来越普遍了。单片机控制系统是以单片机（CPU）为核心部件，扩展一些外部接口和设备，组成单片机工业控制机，主要用于工业过程控制。要进行单片机系统设计首先必须具有一定的硬件基础知识；其次，需要具有一定的软件设计能力，能够根据系统的要求，灵活地设计出所需要的程序；第三，具有综合运用知识的能力。最后，还必须掌握生产过程的工艺性能及被测参数的测量方法，以及被控对象的动、静态特性，有时甚至要求给出被控对象的数学模型。 顺序控制是工业生产中一个比较典
2、型的控制方式。因为一个产品的生产过程，实际就是按照一定的顺序和一定工艺要求进行的加工过程，不论其生产流程多么复杂，总可以把流程分成若干个工作步骤，每个工作步骤又可以分为几个加工的顺序段，并使每一个顺序执行一个特定的操作。这样经过若干个加工顺序段之后就可以得到最后的产品。采用顺序控制系统的意义，就是根据生产工艺的要求，按照预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，使生产过程的各个执行机构自动的按照顺序动作，顺序控制已被广泛的应用在加工，装配，包装等自动化生产设备中，是工业自动化的分支。顺序控制的设计，一般采用PLC，工控机和单片机来实现，而单片机作为一种低成本实现方式，在小型控制装置中得到了广泛的
3、应用。目前单片机顺序控制软件的设计，一般针对具体工业过程进行的，生产工艺改变则控制软件必须重新设计。如果控制软件设计成通用化的形式，则将可以接节省设计人员的大大量重复劳动，缩短顺序控制系统的开发周期。1.2 顺序控制的历史以及发展状况20世纪50年代大多采用继电器的固定式顺序控制系统，50年代后期采用二极管的矩阵式顺序控制系统，到60年代末出现了可编程顺序控制系统。70年代以来，顺序控制技术迅速发展，并逐步采用微型计算机，向小型化和大型多功能方向发展。图1-1示出了顺序系统控制结构。检测元件测出被控对象（如加热反应炉）的状态（如加料完毕），测量信号送到顺序控制器处理并发出控制信号，通过执行器使
4、被控对象改变到一个新的状态（如接通加热器）。顺序控制器常采用各种开关（如限位开关、接近开关）、光电转换元件、穿孔纸带等来设定工作条件；常用的执行器有电磁阀、电机、电磁铁、电热器等（图1-2）。它们接通或断开时便改变被控对象原来的状态。顺序控制器分为固定式顺序控制器、矩阵式顺序控制器和可编程操作信号处理逻辑处理故障状态显示和报警比较输出执行器检测元件被控对象键盘输入信号控制信号阀值给定状态量图1-1 顺序系统控制结构输入信号顺序控制器执行器手动开关限位开关接近开关光电转换其他传感器电磁阀电机电磁铁电热器其他顺序控制器图1-2 顺序控制器常用的控制元件和执行器序控制器三类。由于微型机和配套芯片的发
5、展，可编程顺序控制器应用日益广泛。顺序控制器一般用于生产过程的开关量控制。动力设备的起动和停止、加热或冷冻设备的接通和断开、信号灯的亮与灭等都是开关量信号。生产线、自动机床和各种设备都有许多开关量信号需要顺序控制。因此，顺序控制器广泛应用于机械、冶金、电力、石油、化工、煤炭、建材、纺织、。随着电子信息产业的高速发展，应用微处理器的顺序控制系统将会得到更大的发展。2 顺序控制的设计任务及方案论证2.1 可程控的顺序系统系统可以程序控制；第一步至第二步各为XXX秒；第三步至第四步各为XXXX秒；显示顺序过程XXX步XXX秒X循环；设计过程显示电路；设计中断扫描方式的键盘输入；设计直流电源。2.2
6、方案论证方案1：采用PLC作为核心控制部件。使用PLC步进控制，结构如图2-1所示，步1的M1得电条件是受控机械原位开关X1处于压合状态（若受控机械有多个执行机构，则要求每个执行机构的原位开关均处于压合状态），满足原位条件后按起动按钮X0才能得电。M1得电后自锁，并为步2提供步进条件信号（M1的常开触点）。步1的执行动作完成时触发的行程开关信号X2作为步2的转步条件信号。步2的M2的输入满足其步进条件和转步条件后得电自锁，并为步3提供步进条件信号。按此规律即可实现后续每一工作步辅助继电器的得电和自锁。停止步M5的步进条件信号和转步条件信号分别为：最后一个工作步M4发出的步进条件信号（M4的常开
7、触点）和该步动作完成时所触发的转步信号X1。由于M5的得电信号令控制系统失电，所以M5的回路不自锁，而且要将其常闭触点串联在步1回路的最左端。从步2起后续各个步的回路构成分支回路。一旦M5得电便使整个系统失电。如不用分支回路的结构，可以把M5常闭触点分别串联在每步辅助继电器的回路上。应该注意的是：无论工作步还是停止步，如果某步的转步指令信号有多个，则应将多个转步指令信号互相串联。显示部分采用LED显示管。图2-1 plc步进控制梯形图方案2：采用AT89C51单片机，P0口接74LS373地址锁存器，由地址锁存器接8255I/O口扩展芯片，P2.4，P2.5，P2.6接一个3-8译码，输出端Y
8、O接8255的片选信号端，8255的PB口做矩阵式键盘接口，PA口接发光二极管，采用共阳级的方式，运用中断方式查询是否有按健按下。秒信号的产生是利用对单片机内部定时器T1产生的中断信号进行多次累加后形成的。该信号还经过60次计数后产生分频信号，最后，再以分钟为时间间隔从设置好的定时时间数据内逐一递减并随时显示剩余的定时时间参数，形成倒计数的显示方式，共99S。显示采用动态扫描电路，共阳级方式接入。由P1.0P1.3提供LED显示信息。P1.4P1.5LED显示的片选口，按键设置分为16个，09号键为数字键，设定时间和步数。10号键为工作步骤顺序设定键，设置0-9步的工作步骤顺序，11号键时间设
9、定键，用来设置时间，12号键为循环次数键用来设置循环次数，13号键为确认键，用来确定具体设置完成，14号键为开始键，决定程序的开始运行，15号键为停止键。所有时间都可程控。方案比较：方案1，控制系统比较复杂，且没有达到最精确的时间。硬件过于复杂。方案2，按键简单，采用矩阵的键盘接口，按键控制简单。按键数目和方案相似，但按键的功能明确，时间、循环次数设定简单，LED显示采用动态扫描方式。且所有时间，循环次数都可程控，综上所述，我们可以完全有理由的选择方案2。3 硬件电路的设计尽管单片机集成度高，内部含有I/O控制线，ROM，RAM和定时/计数器。但在组成单片机系统时，扩展若干接口仍是设计者必不可
10、少的任务。扩展接口有2种方案，一种是购置现成的接口板，另一种是根据系统实际需要，选用适合的芯片进行设计控制系统。就后一种而言，主要包括以下几个方面的内容。 基本系统的构成：一个独立的单片机核心系统，一般由时钟电路、地址锁存器电路、地址译码器、存储器扩展、模拟量输入通道的扩展、模拟量输出通道的扩展、开关量的I/O接口设计、键盘输入和显示电路等组成。 (1)存储器扩展 由于单片机有4种不同的存储器，且程序存储器和数据存储器是分别编址的，所以单片机的存储器容量与同样位数的微型机相比扩大了一倍多。扩展时，首先要注意单片机的种类；另一方面要把程序存储器和数据存储器分开。 (2)模拟量输入通道的扩展 主要
11、有以下2个问题：一个是数据采集通道的结构形式，一般单片机控制系统都是多通道系统。因此选用何种结构形式采集数据，是进行模拟量输入通道设计首先要考虑的问题。多数系统都采用共享A/D和S/H形式。但是当被测参数为几个相关量时，则需选用多路S/H，共享A/D形式。对于那些参数比较多的分布式控制系统，可把模拟量先就地进行A/D转换，然后再送到主机中处理。对于那些被测参数相同（或相似）的多路数据采集系统，为减少投资，可采用模拟量多路转换，共享仪用放大器、S/H和A/D的所谓地电平多路切换形式。另外一个问题是A/D转发器的选择，设计时一定要根据被控对象的实际要求选择A/D转换器，在满足系统要求的前提下，尽量
12、选用位数比较低的A/D转换器。 (3)模拟量输出通道的扩展 模拟量输出通道是单片机控制系统与执行机构（或控制设备）连接的纽带和桥梁。设计时要根据被控对象的通道数及执行机构的类型进行选择。对于那些可直接接受数字量的执行机构，可由单片机直接输出数字量，如步进电机或开关、继电器系统等。对于那些需要接收模拟量的执行机构，则需要用D/A转化，即把数字量变成模拟量后，再带动执行机构。 (4)开关量的I/O接口设计 由于开关量只有2种状态“1”或“0”，所以，每个开关量只需一位二进制数表示即可。因为MCS51系列单片机设有一个专用的布尔处理机，因而对于开关量的处理尤为方便。为了提高系统的抗干扰能力，通常采用
13、光电隔离器把单片机与外部设备隔开。 (5)操作面板 操作面板是人机对话的纽带，它根据具体情况，可大可小。为了便于现场操作人员操作，单片机控制系统设计一个操作面板的要求：操作方便、安全可靠、并具有自保功能，即使是误操作也不会给生产带来恶果。 (6)系统速度匹配 在不影响系统总功率的前提下，时钟频率选得低一些较好，这样可降低系统对其他元器件工作速度的要求，从而降低成本和提高系统的可靠性。但系统频率选的比较高时，要设法使其他元器件与主机匹配。总体结构框图如下图3-1所示输入部分（由键盘电路组成）完成设置时间功能，循环次数输出部分（完成相应的顺序过程）显示部分（LED显示器）完成显示时间的循环次数的功
14、能中央处理部分（由单片机AT89C51担当）完成处理数据功能图3-1 总体结构框图利用键盘扫描电路来完成按键设置时间，发光二极管点亮次序，利用LED接口显示电路来显示当前的工作步骤时间，发光二极管依次点亮作输为出部分。3.1 主控部件设计此次设计我们采用AT89C51单片机，提供以下标准功能：8k字节Flash闪烁存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器和时钟电路。同时，AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU工作，但允许RAM,定时/计数器，串行通信口
15、及中断系统继续工作，掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。引脚图如图3-2所示： 图3-2 AT89C51引脚图3.1.1 89C51单片机的特点 与MCS-51产品指令和引脚完全兼容； 8K字节可重擦写FLASH闪存；1000次擦写周期； 全静态操作：0Hz-24MHz； 三级加密程序存储器； 256X8字节内部RAM；32个可编程I/O口线； 3个16位定时/计数器； 8个中断源； 可编程串行UART通道； 低功耗空闲和掉电模式。3.1.2 89C51单片机引脚说明P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TT
