【正文】 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 引言 程序控制順序系統(tǒng)意義 單片機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，其核心技術(shù)是單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用是越來(lái)越普遍了。單片機(jī)控制系統(tǒng)是以單片機(jī)（CPU）為核心部件，擴(kuò)展一些外部接口和設(shè)備，組成單片機(jī)工業(yè)控制機(jī)，主要用于工業(yè)過(guò)程控制。要進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先必須具有一定的硬件基礎(chǔ)知識(shí)；其次，需要具有一定的軟件設(shè)計(jì)能力，能夠根據(jù)系統(tǒng)的要求，靈活地設(shè)計(jì)出所需要的程序；第三，具有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。最后，還必須掌握生產(chǎn)過(guò)程的工藝性能及被測(cè)參數(shù)的測(cè)量方法，以及被控對(duì)象的動(dòng)、靜態(tài)特性，有時(shí)甚至要求給出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 順序控制是工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)比較典型的控制方式。因?yàn)橐粋€(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)際就是按照一定的順序和一定工藝要求進(jìn)行的加工過(guò)程，不論其生產(chǎn)流程多么復(fù)雜，總可以把流程分成若干個(gè)工作步驟，每個(gè)工作步驟又可以分為幾個(gè)加工的順序段，并使每一個(gè)順序執(zhí)行一個(gè)特定的操作。這樣經(jīng)過(guò)若干個(gè)加工順序段之后就可以得到最后的產(chǎn)品。采用順序控制系統(tǒng)的意義，就是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，按照預(yù)先規(guī)定的順序，在各個(gè)輸入信號(hào)的作用下，使生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)的按照順序動(dòng)作，順序控制已被廣泛的應(yīng)用在加工，裝配，包裝等自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備中，是工業(yè)自動(dòng)化的分支。順序控制的設(shè)計(jì)，一般采用PLC，工控機(jī)和單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而單片機(jī)作為一種低成本實(shí)現(xiàn)方式，在小型控制裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。目前單片機(jī)順序控制軟件的設(shè)計(jì)，一般針對(duì)具體工業(yè)過(guò)程進(jìn)行的，生產(chǎn)工藝改變則控制軟件必須重新設(shè)計(jì)。如果控制軟件設(shè)計(jì)成通用化的形式，則將可以接節(jié)省設(shè)計(jì)人員的大大量重復(fù)勞動(dòng)，縮短順序控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。 順序控制的歷史以及發(fā)展?fàn)顩r20世紀(jì)50年代大多采用繼電器的固定式順序控制系統(tǒng)，50年代后期采用二極管的矩陣式順序控制系統(tǒng)，到60年代末出現(xiàn)了可編程順序控制系統(tǒng)。70年代以來(lái)，順序控制技術(shù)迅速發(fā)展，并逐步采用微型計(jì)算機(jī)，向小型化和大型多功能方向發(fā)展。圖11示出了順序系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)。檢測(cè)元件測(cè)出被控對(duì)象（如加熱反應(yīng)爐）的狀態(tài)（如加料完畢），測(cè)量信號(hào)送到順序控制器處理并發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)執(zhí)行器使被控對(duì)象改變到一個(gè)新的狀態(tài)（如接通加熱器）。順序控制器常采用各種開(kāi)關(guān)（如限位開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)）、光電轉(zhuǎn)換元件、穿孔紙帶等來(lái)設(shè)定工作條件；常用的執(zhí)行器有電磁閥、電機(jī)、電磁鐵、電熱器等（圖12）。它們接通或斷開(kāi)時(shí)便改變被控對(duì)象原來(lái)的狀態(tài)。順序控制器分為固定式順序控制器、矩陣式順序控制器和可編程操作信號(hào)處理邏輯處理故障狀態(tài)顯示和報(bào)警比較輸出執(zhí)行器檢測(cè)元件被控對(duì)象鍵盤(pán)輸入信號(hào)控制信號(hào)閥值給定狀態(tài)量圖11 順序系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)輸入信號(hào)順序控制器執(zhí)行器手動(dòng)開(kāi)關(guān)限位開(kāi)關(guān)接近開(kāi)關(guān)光電轉(zhuǎn)換其他傳感器電磁閥電機(jī)電磁鐵電熱器其他順序控制器圖12 順序控制器常用的控制元件和執(zhí)行器序控制器三類(lèi)。由于微型機(jī)和配套芯片的發(fā)展，可編程順序控制器應(yīng)用日益廣泛。順序控制器一般用于生產(chǎn)過(guò)程的開(kāi)關(guān)量控制。動(dòng)力設(shè)備的起動(dòng)和停止、加熱或冷凍設(shè)備的接通和斷開(kāi)、信號(hào)燈的亮與滅等都是開(kāi)關(guān)量信號(hào)。生產(chǎn)線、自動(dòng)機(jī)床和各種設(shè)備都有許多開(kāi)關(guān)量信號(hào)需要順序控制。因此，順序控制器廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、電力、石油、化工、煤炭、建材、紡織、。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，應(yīng)用微處理器的順序控制系統(tǒng)將會(huì)得到更大的發(fā)展。2 順序控制的設(shè)計(jì)任務(wù)及方案論證 可程控的順序系統(tǒng)●系統(tǒng)可以程序控制；●第一步至第二步各為XXX秒；●第三步至第四步各為XXXX秒；●顯示順序過(guò)程XXX步XXX秒X循環(huán)；●設(shè)計(jì)過(guò)程顯示電路；●設(shè)計(jì)中斷掃描方式的鍵盤(pán)輸入；●設(shè)計(jì)直流電源。 方案論證方案1：采用PLC作為核心控制部件。使用PLC步進(jìn)控制，結(jié)構(gòu)如圖21所示，步1的M1得電條件是受控機(jī)械原位開(kāi)關(guān)X1處于壓合狀態(tài)（若受控機(jī)械有多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，則要求每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原位開(kāi)關(guān)均處于壓合狀態(tài)），滿足原位條件后按起動(dòng)按鈕X0才能得電。M1得電后自鎖，并為步2提供步進(jìn)條件信號(hào)（M1的常開(kāi)觸點(diǎn)）。步1的執(zhí)行動(dòng)作完成時(shí)觸發(fā)的行程開(kāi)關(guān)信號(hào)X2作為步2的轉(zhuǎn)步條件信號(hào)。步2的M2的輸入滿足其步進(jìn)條件和轉(zhuǎn)步條件后得電自鎖，并為步3提供步進(jìn)條件信號(hào)。按此規(guī)律即可實(shí)現(xiàn)后續(xù)每一工作步輔助繼電器的得電和自鎖。停止步M5的步進(jìn)條件信號(hào)和轉(zhuǎn)步條件信號(hào)分別為：最后一個(gè)工作步M4發(fā)出的步進(jìn)條件信號(hào)（M4的常開(kāi)觸點(diǎn)）和該步動(dòng)作完成時(shí)所觸發(fā)的轉(zhuǎn)步信號(hào)X1。由于M5的得電信號(hào)令控制系統(tǒng)失電，所以M5的回路不自鎖，而且要將其常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在步1回路的最左端。從步2起后續(xù)各個(gè)步的回路構(gòu)成分支回路。一旦M5得電便使整個(gè)系統(tǒng)失電。如不用分支回路的結(jié)構(gòu)，可以把M5常閉觸點(diǎn)分別串聯(lián)在每步輔助繼電器的回路上。應(yīng)該注意的是：無(wú)論工作步還是停止步，如果某步的轉(zhuǎn)步指令信號(hào)有多個(gè)，則應(yīng)將多個(gè)轉(zhuǎn)步指令信號(hào)互相串聯(lián)。顯示部分采用LED顯示管。圖21 plc步進(jìn)控制梯形圖方案2：采用AT89C51單片機(jī)，P0口接74LS373地址鎖存器，由地址鎖存器接8255I/O口擴(kuò)展芯片，，輸出端YO\接8255的片選信號(hào)端，8255的PB口做矩陣式鍵盤(pán)接口，PA口接發(fā)光二極管，采用共陽(yáng)級(jí)的方式，運(yùn)用中斷方式查詢是否有按健按下。秒信號(hào)的產(chǎn)生是利用對(duì)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T1產(chǎn)生的中斷信號(hào)進(jìn)行多次累加后形成的。該信號(hào)還經(jīng)過(guò)60次計(jì)數(shù)后產(chǎn)生分頻信號(hào)，最后，再以分鐘為時(shí)間間隔．從設(shè)置好的定時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)內(nèi)逐一遞減并隨時(shí)顯示剩余的定時(shí)時(shí)間參數(shù)，形成倒計(jì)數(shù)的顯示方式，共99S。顯示采用動(dòng)態(tài)掃描電路，共陽(yáng)級(jí)方式接入?！??！?，按鍵設(shè)置分為16個(gè)，0—9號(hào)鍵為數(shù)字鍵，設(shè)定時(shí)間和步數(shù)。10號(hào)鍵為工作步驟順序設(shè)定鍵，設(shè)置09步的工作步驟順序，11號(hào)鍵時(shí)間設(shè)定鍵，用來(lái)設(shè)置時(shí)間，12號(hào)鍵為循環(huán)次數(shù)鍵用來(lái)設(shè)置循環(huán)次數(shù)，13號(hào)鍵為確認(rèn)鍵，用來(lái)確定具體設(shè)置完成，14號(hào)鍵為開(kāi)始鍵，決定程序的開(kāi)始運(yùn)行，15號(hào)鍵為停止鍵。所有時(shí)間都可程控。方案比較：方案1，控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，且沒(méi)有達(dá)到最精確的時(shí)間。硬件過(guò)于復(fù)雜。方案2，按鍵簡(jiǎn)單，采用矩陣的鍵盤(pán)接口，按鍵控制簡(jiǎn)單。按鍵數(shù)目和方案相似，但按鍵的功能明確，時(shí)間、循環(huán)次數(shù)設(shè)定簡(jiǎn)單，LED顯示采用動(dòng)態(tài)掃描方式。且所有時(shí)間，循環(huán)次數(shù)都可程控，綜上所述，我們可以完全有理由的選擇方案2。3 硬件電路的設(shè)計(jì)盡管單片機(jī)集成度高，內(nèi)部含有I/O控制線，ROM，RAM和定時(shí)/計(jì)數(shù)器。但在組成單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，擴(kuò)展若干接口仍是設(shè)計(jì)者必不可少的任務(wù)。擴(kuò)展接口有2種方案，一種是購(gòu)置現(xiàn)成的接口板，另一種是根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要，選用適合的芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。就后一種而言，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。 基本系統(tǒng)的構(gòu)成：一個(gè)獨(dú)立的單片機(jī)核心系統(tǒng)，一般由時(shí)鐘電路、地址鎖存器電路、地址譯碼器、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、模擬量輸入通道的擴(kuò)展、模擬量輸出通道的擴(kuò)展、開(kāi)關(guān)量的I/O接口設(shè)計(jì)、鍵盤(pán)輸入和顯示電路等組成。 (1)存儲(chǔ)器擴(kuò)展 由于單片機(jī)有4種不同的存儲(chǔ)器，且程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是分別編址的，所以單片機(jī)的存儲(chǔ)器容量與同樣位數(shù)的微型機(jī)相比擴(kuò)大了一倍多。擴(kuò)展時(shí)，首先要注意單片機(jī)的種類(lèi)；另一方面要把程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)。 (2)模擬量輸入通道的擴(kuò)展 主要有以下2個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是數(shù)據(jù)采集通道的結(jié)構(gòu)形式，一般單片機(jī)控制系統(tǒng)都是多通道系統(tǒng)。因此選用何種結(jié)構(gòu)形式采集數(shù)據(jù)，是進(jìn)行模擬量輸入通道設(shè)計(jì)首先要考慮的問(wèn)題。多數(shù)系統(tǒng)都采用共享A/D和S/H形式。但是當(dāng)被測(cè)參數(shù)為幾個(gè)相關(guān)量時(shí)，則需選用多路S/H，共享A/D形式。對(duì)于那些參數(shù)比較多的分布式控制系統(tǒng)，可把模擬量先就地進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后再送到主機(jī)中處理。對(duì)于那些被測(cè)參數(shù)相同（或相似）的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為減少投資，可采用模擬量多路轉(zhuǎn)換，共享儀用放大器、S/H和A/D的所謂地電平多路切換形式。另外一個(gè)問(wèn)題是A/D轉(zhuǎn)發(fā)器的選擇，設(shè)計(jì)時(shí)一定要根據(jù)被控對(duì)象的實(shí)際要求選擇A/D轉(zhuǎn)換器，在滿足系統(tǒng)要求的前提下，盡量選用位數(shù)比較低的A/D轉(zhuǎn)換器。 (3)模擬量輸出通道的擴(kuò)展 模擬量輸出通道是單片機(jī)控制系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（或控制設(shè)備）連接的紐帶和橋梁。設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)被控對(duì)象的通道數(shù)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類(lèi)型進(jìn)行選擇。對(duì)于那些可直接接受數(shù)字量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可由單片機(jī)直接輸出數(shù)字量，如步進(jìn)電機(jī)或開(kāi)關(guān)、繼電器系統(tǒng)等。對(duì)于那些需要接收模擬量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，則需要用D/A轉(zhuǎn)化，即把數(shù)字量變成模擬量后，再帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 (4)開(kāi)關(guān)量的I/O接口設(shè)計(jì) 由于開(kāi)關(guān)量只有2種狀態(tài)“1”或“0”，所以，每個(gè)開(kāi)關(guān)量只需一位二進(jìn)制數(shù)表示即可。因?yàn)镸CS—51系列單片機(jī)設(shè)有一個(gè)專(zhuān)用的布爾處理機(jī)，因而對(duì)于開(kāi)關(guān)量的處理尤為方便。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，通常采用光電隔離器把單片機(jī)與外部設(shè)備隔開(kāi)。 (5)操作面板 操作面板是人機(jī)對(duì)話的紐帶，它根據(jù)具體情況，可大可小。為了便于現(xiàn)場(chǎng)操作人員操作，單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)操作面板的要求：操作方便、安全可靠、并具有自保功能，即使是誤操作也不會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)惡果。 (6)系統(tǒng)速度匹配 在不影響系統(tǒng)總功率的前提下，時(shí)鐘頻率選得低一些較好，這樣可降低系統(tǒng)對(duì)其他元器件工作速度的要求，從而降低成本和提高系統(tǒng)的可靠性。但系統(tǒng)頻率選的比較高時(shí)，要設(shè)法使其他元器件與主機(jī)匹配。總體結(jié)構(gòu)框圖如下圖31所示輸入部分（由鍵盤(pán)電路組成）完成設(shè)置時(shí)間功能，循環(huán)次數(shù)輸出部分（完成相應(yīng)的順序過(guò)程）顯示部分（LED顯示器）完成顯示時(shí)間的循環(huán)次數(shù)的功能中央處理部分（由單片機(jī)AT89C51擔(dān)當(dāng)）完成處理數(shù)據(jù)功能圖31 總體結(jié)構(gòu)框圖利用鍵盤(pán)掃描電路來(lái)完成按鍵設(shè)置時(shí)間，發(fā)光二極管點(diǎn)亮次序，利用LED接口顯示電路來(lái)顯示當(dāng)前的工作步驟時(shí)間，發(fā)光二極管依次點(diǎn)亮作輸為出部分。 主控部件設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)我們采用AT89C51單片機(jī)，提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash閃爍存儲(chǔ)器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU工作，但允許RAM,定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。引腳圖如圖32所示： 圖32 AT89C51引腳圖 89C51單片機(jī)的特點(diǎn) ●與MCS51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容； ●8K字節(jié)可重擦寫(xiě)FLASH閃存；●100