浅析单片机的自动控制

陶 军

（大唐甘肃祁连水电有限公司，甘肃 嘉峪关735100）

0 引言

单片机技术是微型计算机的一个主要分支，由于它具有体积小、功能强、价格低廉且使用灵活方便等优点，因而受到国内外科技工作者的高度重视，发展迅速。目前，单片机已广泛应用于自动控制、智能仪器仪表、通信、家用电器和智能玩具等各个方面，同时也渗透到其他各个科技领域，发挥出其越来越大的作用。

1 设计思路

单片机技术的迅猛发展，已使其成为计算机和机电专业大学生必备的知识结构和能力结构中的重要组成部分。鉴于目前本公司在单片机技术领域的应用还比较落后，单片机研究方面的科技人才比较少，加之本公司亟需熟练掌握单片机技术的人才，特别是精通单片机在工业控制领域的人才。鉴于单片机的突出优点，同时结合本公司实际科研任务，我们选用8031单片机实现剪板机的自动控制。我们选取的课题为《利用8031单片机实现剪板机的自动控制》，通过完成这个课题的设计，我们可以熟练掌握利用单片机开发工业自动控制系统的全过程。在此控制中，输入信号和输出信号都是开关量。

在本次课题的设计中，笔者主要参与了硬件电路的设计，通过查阅相关资料、学习单片机技术基础理论、学习Protel98，和同事密切合作，共同探讨技术难题，互相学习，互相帮助，绘制出了硬件电路原理图，并对各元器件的选取参数都有了明确的规定，列出了元器件参数表。此次设计中我们利用自己所学知识，力求使该设计合理可行。

2 设计目标及现状分析

近年来微型计算计的发展十分迅速，特别是近几年来，其发展方向有两个方面，一方面是不断推出高性能的通用计算机系统，另一方面是面向控制应用领域的单片微型计算机的发展。单片机在微型计算机领域中占据着十分重要的地位。MCS－51系列单片机是Intel公司继MCS－48系列之后推出的8位高档微型计算机系列，其性能、指令功能、运行速度远远超过一般通用微处理器。国内外计算机应用部门竞相使用这种单片机构成各种智能仪表、智能控制器、智能接口、通用测控单元等，标志着单片机正式登上了计算机世界舞台；单片机作为最典型的嵌入式系统，其成功应用推动了嵌入式系统的发展。近年来，除了各种类型的工控机，各种以通用微处理器构成的计算机主板模块，以通用微处理器为核心、片外扩展一些外围功能电路单元构成的嵌入式微处理器，甚至单片形态的PC机等，都实现了嵌入式应用，成为嵌入式系统的庞大家族。作为典型嵌入式系统的单片机，在我国大规模应用已有10余年。

单片机在我国应用较多的是美国Intel公司生产的MCS－51系列，该系列单片机有3个产品：8051、8751和8031。由于上述类型的单片机应用得早，影响很大，已成为事实上的工业标准。后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容，在使用上基本可以直接互换。由于 MCS－51系列单片机以其典型的结构，完善的总线，SFR（特殊功能寄存器）的集中管理模式、布尔操作系统和面向控制功能的指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础。近年来80C51系列有了许多发展，推出了许多新产品，主要是改善单片机的控制功能，以及低电压、微功耗、电磁兼容、串行扩展总线、控制网络总线等。

剪板机是工厂常用的物料加工设备，在实际工作中需要进行大量重复、单调的工作程序。劳动强度大，并且现场环境恶劣，不适宜人工直接操作。

通过完成设计课题《利用8031单片机实现剪板机的自动控制》，使该设计系统在实践中切实可行，能实现利用8031单片机控制机械生产设备、按规定的时间顺序实现某些动作，或在现场输入信号作用下，按规定的程序步骤动作。实现自动控制剪板机切料并将所切料运送到指定地点，完成剪板的生产任务，从而保护人身安全，减轻工人的劳动强度，提高生产工作效率和加工精确。

3 关键问题

3.1 研究设计中要解决的问题

（1）在本次设计中，我们尽量选择具有新技术含量的硬件设备，同时也以够用为原则，做到对硬件设备的利用恰到好处。如对交流电机的控制，我们选择了固态继电器（SSR）。

（2）电路设计时，采用Protel98设计的电路原理图清晰、方便、简单、容易掌握。

（3）开关量输入电路、交流电动机控制电路、锁存器、EPROM和单片机系统要统一考虑，软硬件要统一考虑；各功能模块、单片机系统硬件电路要尽可能选择标准化器件、模块化结构的典型电路。

（4）硬件电路的抗干扰问题。由于剪板机控制系统用于生产现场，与被控制的对象相距较远，易受各种干扰侵袭，要求要有非常高的可靠性。因此，抗干扰设计是该设计系统的重要组成部分，应主要考虑以下几个方面：1）电源设计采用低通滤波；2）利用光电耦合切断来自开关量输入电路的干扰；3）软件设计要合理、可靠且具有抗干扰能力，程序需要模块化；4）单片机扩展时，不应超过其驱动能力；5）接地端应根据有关规定，分开连接不同性质的地；6）COMS电路不使用的输入端不允许浮空。

（5）单片机芯片选取的原则：对于核心芯片，我们尽量选择满足应用要求的即可，不盲目追求高性能；所选择的8031芯片在国内有成熟的开发系统和稳定的供货来源，该芯片比较流行，资料丰富，便于交流。

3.2 具体实施中采用的关键技术及复杂性分析

（1）采用光电耦合隔离技术设计开关量输入接口电路：光电耦合器电源独立，不共地。

（2）对交流电机的控制采用固态继电器：固态继电器所需控制驱动电压低、电流小，非常容易与计算机控制输出接口。

（3）对双向直流电机的控制采用光控晶闸管耦合器。

4 系统实现技术

4.1 硬件工作原理

8031芯片通过对I／O扩展口74LS373（IC3）的控制，按一定的时序循环检测74LS373端口的信号，根据检测到74LS373端口的信号，通过P1口来分别控制交流电动机M1、M2、M3的运转，通过SA6和T0计数器的中断信号，来控制直流电动机M。从而使整个系统有效运行。

4.2 开关量输入电路工作原理

74LS373输入端口的初始状态为11111111，当有一个开关闭合后，如SA1闭合，光电耦合器OPTOISO1就导通，输出低电平，其电平≤0.3V。此时，该低电平加到74LS373的输入端（1D端）即74LS373输入端口的状态为11111110，其他开关量输入电路的工作原理与以上所述相同。

交流电动机的运转主要靠固态继电器控制，P1端口的初始状态为11100000，如以M1电动机的运转为例：M1的控制端口为P12，当P12＝1时，U3的输出为0，此时固态继电器AC1导通，电动机M1运转；当P12＝0时，U3的输出为1，此时固态继电器截止，电动机M1停止运转。

4.3 对IC3（74LS373）的控制

本次设计中，我们用外部中断0作为开机复位信号；定时器0作为计数器使用，统计小车一次所载板的数量。

5 结语

经过一个多月的技术理论准备后，首先详细分析了被控制对象剪板机系统的工作要求，依据剪板机系统要求，深入分析了控制系统所要达到的要求，进行了系统的硬件设计；其次完成了软件设计工作；最后顺利完成了剪板机的自动控制，大大提高了工作效率和安全系数，也为公司今后进一步改造提供了第一手数据资料。