【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 一個(gè)脈沖。 信號(hào)經(jīng)由放大、整形后傳給單片機(jī)，使單片機(jī)進(jìn)行一次計(jì)數(shù)操作。 PC機(jī)通過(guò)通訊接口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，控制方式為集散式。 PC 機(jī)用于集中管理 ，主要 負(fù)責(zé) 定時(shí)向下位機(jī)發(fā)送呼叫指令 ，并對(duì) 接收到 的 應(yīng)答信號(hào) 做 近 一步的處理 ；三臺(tái) 單片機(jī) 則用于分散控制，它們 分別對(duì)三條生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)計(jì)數(shù)控制 ，并將計(jì)數(shù)的結(jié)果 發(fā)送給上位機(jī) 。 系統(tǒng) 原理框圖如圖 1－ 8所示。 圖 1－ 8 系統(tǒng)原理框圖 主要功能 此計(jì)數(shù)系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)車(chē)間內(nèi)三條生產(chǎn)線(xiàn)上產(chǎn)品的日產(chǎn)量，并且對(duì)于不同類(lèi)型的產(chǎn)品采用不同的器件采集數(shù)據(jù)。反應(yīng)快、不易受干擾。 采用集散 控制 系 8 統(tǒng) ，各單片機(jī) 完成分散 控制， PC 機(jī) 進(jìn)行 集中管理 ， 可靠性好， 結(jié)構(gòu)靈活，布局合理，成本較低。 本章小結(jié) 本章主要對(duì)本課題的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論證，在眾多方案中從性能、結(jié)構(gòu)、可行性方面進(jìn)行比較，最終選出最合理的方案。然后就選定的設(shè)計(jì)方案做出總體構(gòu)想，并且闡明了系統(tǒng)的工 作原理及主要功能。 9 2 硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)硬件設(shè)計(jì) 首先一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)要選擇合 適的單片機(jī)，其次就是單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)。它包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和抗干擾電路 的設(shè)計(jì)。 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)的弱點(diǎn)是運(yùn)算速度較慢 。 在要求響應(yīng)速度快 、 實(shí)時(shí)性強(qiáng) 、 控制量多的應(yīng)用場(chǎng)合 , 單個(gè)單片機(jī)難以勝任 , 此時(shí)雖然也可以選用高速微處理器如 DSP等 , 但綜合考慮性能價(jià)格比和開(kāi)發(fā)的難易程度 ,在運(yùn)行速度更快 、 功能更強(qiáng)大 、 實(shí)時(shí)性更高 、受控執(zhí)行機(jī)構(gòu)更多 、 任務(wù)更復(fù)雜 、 人機(jī)界面更完善 、 地域跨度更廣等應(yīng)用場(chǎng)合 , 多單片機(jī)系統(tǒng)顯示出優(yōu) 越性 。 MCS— 51 系列單片機(jī)是 8 位機(jī)的代表 , 在我國(guó)有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng) ?；谝陨峡紤]， 本課題選用 8051 芯片， 8051 單片機(jī)是 Intel 公司 MCS— 51系列的一種，是目前工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一種。 8051 單片機(jī)邏輯符號(hào)如圖 2— 1所示。 圖 2— 1 8051 單片機(jī)邏輯符號(hào) 10 ⑴ 主電源引腳 Vcc 和 Vss ⑵ 時(shí)鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2 ⑶ 控制信號(hào)引腳 ⑷ 輸入 /輸出（ I/O）引腳 單片機(jī)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須在外部附加電 路。通常有兩種方式：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 此處選用內(nèi)部時(shí)鐘方式， 8051 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。在 XTAL1 和 XTAL2兩端跨接一個(gè)片外石英晶體就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器。外接石英晶體時(shí)，接入電容 C1和 C2有利于振蕩器起振，對(duì)頻率有微調(diào)作用，電容 C1 和 C2的值常選擇為 30PF。振蕩頻率由石英晶體的諧振頻率確定，此處振蕩頻率是 12MHz。 電路如圖 2— 2 所示。 圖 2— 2 8051 的內(nèi)部時(shí)鐘電路 在具體連接安 裝時(shí)，石英晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安裝，以減少寄生電容，更好地保護(hù)振蕩器穩(wěn)定可靠地工作。 單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 51系列單片機(jī)之所以能得到廣泛的應(yīng)用，其中一個(gè)重要的因素是其穩(wěn)定性能好。因此系統(tǒng)穩(wěn)定性對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。但是，任何控制系統(tǒng)也無(wú)法保證絕對(duì)穩(wěn)定安全，所以當(dāng)單片機(jī)出現(xiàn)系統(tǒng)故障如程序跑飛時(shí)，能夠及時(shí)檢測(cè)到錯(cuò)誤并且及時(shí)復(fù)位，使控制系統(tǒng)恢復(fù)正?？刂茽顟B(tài)是必要的。 11 因此在安全性能要求很高的測(cè)控系統(tǒng)中就要避免程序跑飛導(dǎo)致系統(tǒng)失控的情況，這樣就要用到復(fù)位電路。 51單片機(jī)復(fù)位引腳 RST通過(guò)一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連。斯密特觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲，其輸出在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2由復(fù)位電路采樣一次。只要在 RST引腳保持至少 2個(gè)機(jī)器周期的高電平，就可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位。在RST端出現(xiàn)高電平后的第 2個(gè)周期，執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位，以后每個(gè)周期重復(fù)一次，直至 RST端變低。 在本課題中 采用 X5045芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)位控制 ，它把上電復(fù)位、看門(mén)狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和 E2PROM四種常用功能組合在單個(gè)芯片里，以降低系統(tǒng)成本、節(jié)約電路板空間。其看門(mén)狗定時(shí)器和電源電壓監(jiān)控功能可對(duì)系統(tǒng)起到保護(hù)作用； 512 8位的 E2PROM可 用來(lái)存儲(chǔ)單片機(jī)系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)。 X5045共 8個(gè)引腳，其中 WP是寫(xiě)保護(hù)輸入引腳，只有 WP為高電平時(shí)才可以向 E2PROM 寫(xiě)數(shù)據(jù)； RST為復(fù)位輸出引腳，復(fù)位時(shí)輸出高電平； SI為串行輸入引腳， SO為串行輸出引腳， SCK為串行時(shí)鐘引腳， CS/WDI為片選 輸入 /看門(mén)狗復(fù)位輸入 引腳。 SI、 SO、SCK和 CS 均可以和單片機(jī)任何一個(gè) I/O引腳相連。 X5045 與單片機(jī)的連接圖如圖 2— 3所示。 圖 2— 3 X5045與單片機(jī)的連接 看門(mén)狗定時(shí)器的作用是通過(guò)監(jiān)視 WDI輸入來(lái)監(jiān)視單片機(jī)的工作狀態(tài)來(lái)決定是否激活。由于單片 機(jī)必須周期性的觸發(fā) CS/WDI引腳以避免 RESET信號(hào)激活而使電路復(fù)位，所以 CS/WDI引腳必須在看門(mén)狗超時(shí) 時(shí)間終止之前受到由高至低信號(hào)的觸發(fā)。而當(dāng)單片機(jī)程序出現(xiàn)跑飛等 不正常的工作狀態(tài)時(shí)， X5045就會(huì)及時(shí)檢測(cè)到這一情況并且通過(guò) RESET輸出復(fù)位信號(hào)，控制單片機(jī)復(fù)位。 12 單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾電路的設(shè)計(jì) 工業(yè)生產(chǎn)中的干擾一般都以脈沖形式進(jìn)入 單片 機(jī)，干擾竄入系統(tǒng)的渠道主要有三條，即供電系統(tǒng)；過(guò)程通道；空間磁場(chǎng)。 通常防護(hù)措施如下： ⑴ 供電系統(tǒng) 在 單片機(jī) 系統(tǒng)中，最嚴(yán)重的干擾來(lái)源為電源的 污染 ，且 現(xiàn)在的單片機(jī)系統(tǒng)，大都使用市電（ 220V， 50Hz），在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，由于生產(chǎn)負(fù)荷的變化，如大的電機(jī)的啟、停，強(qiáng)電繼電器的通、斷等，往往造成電源電壓的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)直接影響單片機(jī)的正常工作 。 因此 為了防止從電源系統(tǒng)引入干擾 和確保單片機(jī)的正常工作 ， 必須采取相應(yīng)的措施。 一是要將 單片機(jī) 的供電與大功率的用電設(shè)備的電源分開(kāi)，最好單獨(dú)供電；二是 添加一個(gè) 低通濾波器 。 在交流 220V 進(jìn)線(xiàn)處，設(shè)置一個(gè) 低通濾波器 ，它對(duì) 50Hz 的市電影響很小，而對(duì)頻率很高的干擾波具有很強(qiáng)的抑制力。濾波器要加屏蔽外殼，并使其接地良好；進(jìn)線(xiàn)端與出 線(xiàn)端要嚴(yán)格分開(kāi)，以防止感應(yīng)和輻射耦合。電源變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組需分別加屏蔽層，初、次級(jí)間再加屏蔽層，且初級(jí)的屏蔽層接交流電網(wǎng)的零線(xiàn)，次級(jí)屏蔽層和初、次級(jí)間的屏蔽層接至直流地端。 電路如圖 2— 4 所示。 圖 2— 4 對(duì)交流電源的濾波和屏蔽 ⑵ 輸入輸出通道 13 輸入輸出通道是單片機(jī)與傳感器、單片機(jī)與上位機(jī)以及單片機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的信息傳送的路徑。在系統(tǒng)中，傳輸線(xiàn)上的信息多為脈沖波和較弱的測(cè)量信號(hào)電壓，在長(zhǎng)線(xiàn)傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰減、延時(shí)、畸變。信號(hào)隔離是抵抗外界干擾的必要而有效的措施， 常采用光電隔離 器使 系統(tǒng)與各種傳感器、開(kāi)關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)從電氣上隔離開(kāi)來(lái)，阻擋 外界的共模電壓和外界串入的電磁干擾，從而保證單片機(jī)的工作環(huán)境，使整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。 本課題采用 6N137 光電隔離 器 ，其結(jié)構(gòu)原理圖 如圖 2— 5 所示。 圖 2— 5 6N137 結(jié)構(gòu)原理圖 其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置發(fā)光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的，這樣使夾雜在輸入端的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側(cè)。 ⑶ 屏蔽和接地 在工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)難免有 電磁干擾 會(huì)竄入單片機(jī)，影響系統(tǒng)工作。為了防止 電磁干擾從空間侵入 ，需 用鋼板做機(jī)殼將單片機(jī)系統(tǒng)屏蔽起來(lái)，再將外殼接地。 數(shù)據(jù)采集部分硬件設(shè)計(jì) 針對(duì)一個(gè)車(chē)間內(nèi)三條生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)出的不同類(lèi)型的產(chǎn)品，采用不同的器件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：用電感式接近開(kāi)關(guān)對(duì)金屬產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)數(shù)，用電容式接近開(kāi)關(guān)對(duì)非金屬產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)數(shù)，用光電傳感器對(duì)各種類(lèi)型產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)數(shù)。 用電感式接近開(kāi)關(guān)采集金屬產(chǎn)品 電感式接近開(kāi)關(guān) 和單片機(jī)組成的金屬產(chǎn)品計(jì)數(shù)部分硬件原理圖如圖 2— 6所示 。 14 圖 2— 6 電感式接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)金屬物品原理圖 工作流程如下： 當(dāng) 金屬物體在接近 電感式接近開(kāi)關(guān) 能產(chǎn)生電磁場(chǎng) 的振蕩感應(yīng)頭時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用于接近開(kāi)關(guān)，使接近開(kāi)關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化， 輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)整形檢波、信號(hào)處理后加到單片機(jī)的輸入端，從而進(jìn)行一次計(jì)數(shù)。 電感式接近開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是 無(wú)接觸，無(wú)壓力、無(wú)火花、迅速發(fā)出 電氣 指令，準(zhǔn)確反應(yīng)出運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置和行程，即使用于一般的控制，其定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調(diào)整的方便性和對(duì)惡劣環(huán)境的適用能力 都是其他普通開(kāi)關(guān)無(wú)法比擬的。 用電容式接近開(kāi)關(guān)采集非金屬產(chǎn)品 電 容 式接近開(kāi)關(guān) 和單片機(jī)組成的非金屬產(chǎn)品計(jì)數(shù)部分硬件原理如圖 2— 7所 示。 圖 2— 7 電容式接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)非金屬物品原理圖 工作流程如下： 當(dāng)非金屬物體 移向 電容式 接近開(kāi)關(guān)時(shí)，物體和接近開(kāi)關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化 ，輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后加到單片機(jī)的輸入端，從而進(jìn)行一次計(jì)數(shù)。 15 用光電傳感器采集產(chǎn)品 由于 光電傳感器 的分類(lèi)品種繁多，選擇一個(gè)合適的傳感器是首要的任務(wù)，其次是對(duì) 信號(hào)放大、波形變換和波形整形 。 ⑴ 光電傳感器的選擇 可選用由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光敏晶體管組成 的直射式光電傳感器。 其內(nèi)部 電路如圖 2— 8所示。 圖 2— 8 內(nèi)部電路示意圖 采用 這種 紅外光電傳感器，進(jìn)行非接觸式檢測(cè)。當(dāng)有物體擋在紅外光電發(fā)光二極管和高靈敏度的光電晶體管之間時(shí)，傳感器將會(huì)輸出一個(gè)低電平，而當(dāng)沒(méi)有物體擋在中間時(shí)則輸出為高電平，從而形成一個(gè)脈沖。 ⑵ 信號(hào)放大、波形變換和波形整形 電路設(shè)計(jì) 對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大的目的是降低對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求；波形變換和波形整形電路則用來(lái)將放大的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可與單片機(jī)相連的信號(hào) 。 原理如圖 2— 9 所示。 圖 2— 9 電路設(shè)計(jì)原理圖 16 ① 信號(hào)預(yù)處理電路 信號(hào)預(yù)處理電路如圖 2— 10 所示。 圖 2— 10 信號(hào)預(yù)處理電路 系統(tǒng)的信號(hào)預(yù)處理電路 由 二級(jí)電路構(gòu)成，第一級(jí)是由開(kāi)關(guān)三極管組成的零偏置放大器，采用開(kāi)關(guān)三極管可以保證放大器具有良好的高頻響應(yīng)。當(dāng)輸入信號(hào)為零或負(fù)電壓時(shí)，三極管截止，電路輸出高電平；而當(dāng)輸入信號(hào)為正電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓隨著輸入電壓的上升而下降 。 由于放大器的放大功能降低了對(duì)待測(cè)信號(hào)的