MCS51單片機在送料小車改造中的應(yīng)用

1、MCS51單片機在送料小車改造中的應(yīng)用摘要:依據(jù)現(xiàn)在生產(chǎn)實例，一種基于PLC控制的送料小車進(jìn)行技術(shù)改造。主要論述原小車的PLC原理和運用MCS51單片機原理及接口技術(shù)做出的軟硬件設(shè)計、可靠性分析。并給出流程圖、硬件原理圖和匯編語言。關(guān)鍵詞:PLC MCS51單片機 匯編語言 固態(tài)繼電器SSR 引言 生產(chǎn)實例中送料小車的PLC控制方式耗費成本較大，浪費資源，因此提出技術(shù)改造，使改造后的系統(tǒng)成本下降，節(jié)約生產(chǎn)成本。系統(tǒng)改造由MCS51系列AT89S51單片機控制, 輸入信號使用獨立鍵盤模式。外部驅(qū)動使用固態(tài)繼電器作為接口器件, 減少中間環(huán)節(jié)，確?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定工作。根據(jù)單片機原理及接口技術(shù),最終達(dá)到

2、控制目的。1 原送料小車PLC控制系統(tǒng)1.1 被控對象對控制的要求：本文已知小車左右行駛為一臺三相交流異步電動機（3KW/6.4A）拖動。裝、卸料為裝、卸電磁閥控制，其主電路電氣原理不做具體分析研究。如圖1所示送料小車在限位開關(guān)X4處裝料，20S后裝料結(jié)束,開始右行,碰到X3后停下卸料，25S后左行,碰到X4后又停下開始裝料，這樣往復(fù)循環(huán)工作,直到按下停止按鈕 X2。按鈕X1和X0分別用來啟動小車左行和右行。圖1 小車控制示意圖1.2 小車的PLC控制系統(tǒng)：1.2.1 I/O分配表：表1 I/O分配表 輸入 輸出元件代號名稱輸入點元件代號名稱輸出點SB1右行按鈕X0KM1交流接觸器（左）Y1S

3、B2左行按鈕X1KM2交流接觸器（右）Y0SB3停止按鈕X21YA電磁閥（裝）Y2SQ1右行程開關(guān)（卸）X32YA電磁閥（卸）Y3SQ2左行程開關(guān)（裝）X4表1中KM1,KM2為電機左右行（正反轉(zhuǎn)）控制。電磁閥1YA,2YA驅(qū)動氣壓或液壓執(zhí)行元件。1.2.2 外部接線圖：圖2所示，PLC輸出接交流220V電源(此值取決于KM和YA的線圈額定電壓值)。KM1與KM2線圈通過其常閉輔助觸頭互鎖。 圖2 外部接線圖 1.2.3 梯形圖：圖3所示，為使小車自動停止,將X3和X4的常閉觸點分別接與Y0和Y1線圈串聯(lián)。為使小車自動啟動，將控制裝、卸料延時的定時器T0和T1的常開觸點，分別與手動啟動右行和左

4、行的X0和X1的常開觸點并聯(lián)，并用兩個限位開關(guān)對應(yīng)的X4和X3的常開觸點分別接通裝料，卸料電磁閥和相應(yīng)定時器。 圖3 梯形圖 1.3 程序分析： 設(shè)小車在啟動時候是空車,按下左行啟動按鈕X1,Y1得電，小車開始左行，碰到左限位開關(guān)時，X4的常閉觸點斷開，使小車停止左行。X4的常開觸點閉合，使得Y2，TO 的線圈得電，開始裝料延時。20S后T0的常開觸點閉合，使Y0得電，小車右行。小車離開左限位開關(guān)后，X4變?yōu)椤?”狀態(tài)，Y2和T0的線圈失電，停止裝料，T0被復(fù)位。對右行的卸料過程分析與上基本相同。如果小車正在運行時，按停止按鈕X2,小車將停止運動，系統(tǒng)停止工作。2 小車單片機控制系統(tǒng)設(shè)計2.

5、1 系統(tǒng)硬件設(shè)計：2.1.1 AT89S51介紹：AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元。芯片支持ISP在線編程。功能強大的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。鑒于以上優(yōu)點，并結(jié)合設(shè)計目標(biāo)，故選用此款單片機。AT89S51引腳如圖4所示。 圖4 AT89S512.1.2 鍵盤接口技術(shù)：通常按鍵所用的開關(guān)為機

6、械彈性開關(guān)，因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，如圖5所示。抖動的時間一般為510ms。鍵抖動會引起一次按鍵被誤讀多次。為確保CPU對按鍵的一次閉合僅做一次處理，必須去除鍵抖動。 圖5 鍵按下釋放時的電壓波形 按鍵的抖動，可用硬件或軟件兩種方法消除。這里使用的是軟件。軟件方法去抖動，即檢測出鍵閉合后執(zhí)行一個延時程序，產(chǎn)生510ms的延時，讓前沿抖動消失后，再一次檢測按鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平則確定真正有鍵按下。同理當(dāng)檢測到按鍵釋放后，也要經(jīng)過510ms的延時，待后沿抖動消失后，才能轉(zhuǎn)入該鍵的處理程序。去抖程序詳見附錄II的匯編語言。2.1.3 AT89S51和三相異步電機的接口

7、器件：對于小功率三相異步電機的啟停，若采用繼電器、接觸器等控制電器來實現(xiàn)自動控制，由于繼電接觸器控制系統(tǒng)是通過觸點的機械運動來通斷主、控回路，在高沖擊、振蕩的工作環(huán)境下，觸點容易發(fā)生誤動作。當(dāng)主回路有感性負(fù)載，則易于產(chǎn)生觸點燃弧及回跳，對外界的電磁干擾較大，并且控制系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)多，必須確保每部分工作準(zhǔn)確，系統(tǒng)才能正確工作，所以它必須改進(jìn)。當(dāng)前國內(nèi)外使用的電機控制系統(tǒng)電路如圖6所示，這種控制系統(tǒng)稱為繼電接觸器控制系統(tǒng)，它是一種有觸點的斷續(xù)控制，因為其中控制電器是斷續(xù)動作的。 圖6 三相異步電動機控制電路圖 2.1.4固態(tài)繼電器SSR： SSR(Solid state Relay)固態(tài)繼電器是用分

8、離的電子元器件、集成電路(或芯片)及混合微電路技術(shù)結(jié)合發(fā)展起來的一種具有繼電特性的無觸點式電子開關(guān)。具有壽命長、可靠性高、開關(guān)速度快、電磁干擾小、無噪聲、無火花等特點。固態(tài)繼電器按輸出負(fù)載電源分，有交流固態(tài)繼電器和直流固態(tài)繼電器。交流固態(tài)繼電器按開關(guān)方式分有電壓過零導(dǎo)通型和隨機導(dǎo)通型。過零導(dǎo)通型SSR是當(dāng)負(fù)載電源電壓過零區(qū)時才能導(dǎo)通，負(fù)載電流過零時才關(guān)斷，這是為了避免使負(fù)載受到峰值電壓的沖擊和干擾；隨機導(dǎo)通型SSR是只要輸入端加入信號，便可導(dǎo)通。本系統(tǒng)電機接口器件使用過零導(dǎo)通型SSR。 圖7過零導(dǎo)通型應(yīng)用簡圖過零導(dǎo)通型SSR應(yīng)用簡圖和原理圖如圖7，圖8所示。圖7中1、2為控制端，加上一定大小的

9、直流電壓，輸出端3、4便導(dǎo)通；當(dāng)控制端電壓低于一定大小時，輸出端3、4立刻斷開。其信號控制端和主回路在電氣上是隔離絕緣的，所需控制功率小，開關(guān)速度很快。 圖8 過零導(dǎo)通型原理圖以上介紹的交流固態(tài)繼電器稱為單相交流固態(tài)繼電器，三相交流固態(tài)繼電器是集三只單相交流固態(tài)繼電器為一體，并以單一輸入端對三相負(fù)載進(jìn)行直接開關(guān)切換的固態(tài)繼電器。如圖9所示，三相固態(tài)繼電器組成原理。 圖9 三相固態(tài)繼電器2.2 硬件原理圖： 圖10 系統(tǒng)硬件原理圖2.2.1 原理圖分析：系統(tǒng)中按鈕和行程開關(guān)P1.0-P1.4口的輸入為獨立鍵盤模式。P2.4-P2.7口分別接四個光耦器件，驅(qū)動晶體管9013工作。因受控的三相異步電

10、機功率為3KW，額定電流為6.4A，故選擇型號為3SSR30的三相固態(tài)繼電器。該產(chǎn)品過零觸發(fā)，無火花，介質(zhì)耐壓2500V AC，每相輸出最大交流電流有效值為30A(電機直接啟動瞬間電流為額定電流幾倍)，每相最大相電壓有效值為450V，工作頻率為50HZ，控制端信號必須滿足電壓4-24V DC，電流達(dá)到50mA輸出端才導(dǎo)通。兩個單相固態(tài)繼電器SSR接電磁閥，無特殊要求故在此不做選型，具體根據(jù)實際情況而定。系統(tǒng)開關(guān)電源電路中的四個線性光耦器件選型為TLP521-1，性能指標(biāo)CTR為50%-600%。其工作在飽和和截止?fàn)顟B(tài)。晶體管9013工作在放大區(qū)，為兩個3SSR30固態(tài)繼電器和兩個單相SSR的導(dǎo)

11、通提供足夠大的輸入電流。固態(tài)繼電器導(dǎo)通，主電路工作。2.3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計：2.3.1 軟件延時程序：延時方法可以有兩種，一種是利用MCS-51內(nèi)部定時器產(chǎn)生溢出中斷來確定時間，另一種是采用軟件延時的方法。這里選擇軟件延時。選用的AT89S51單片機的工作頻率為12MHZ。所以一個機器周期的時間為12×（1/12M）=1us。這樣就可以通過指令的執(zhí)行條數(shù)來確定時間。具體一秒延時程序分析：DELAY: MOV R4, #10 ；一個機器周期DL0: MOV R2, #200 ；一個機器周期DL1: MOV R3, #248 ；一個機器周期NOP ；一個機器周期DL2: DJNZ R3

12、, DL2 ；兩個機器周期 DJNZ R2, DL1 ；兩個機器周期 DJNZ R4, DL0 ；兩個機器周期RET DL2 為一個自循環(huán)，循環(huán)次數(shù)為248次,所以延時時間=248×2=496us。DL1嵌套中R2設(shè)置的初值為200，所以延時時間=(496+1+1+2)×200=100000us，DELAY主延時程序R4設(shè)置的初值為10，所以(100000+1+2)us×10=1000030us=1.00003s。如果用公式表達(dá)可以寫為(248×2+1+1+2)×200+3×10×1us=1000030us=1.00003s

13、。2.3.2 流程圖：圖11 系統(tǒng)流程圖3 單片機系統(tǒng)可靠性設(shè)計3.1 硬件可靠性的設(shè)計：由于單片機系統(tǒng)在實際工作過程中，可能會受到各種內(nèi)部和外部的干擾而發(fā)生異常狀態(tài)，因此抗干擾設(shè)計是系統(tǒng)研制中不可忽視的一個重要內(nèi)容。3.2 本系統(tǒng)中的抗干擾的預(yù)防措施：（1）降額使用：在設(shè)計時，有意識的降低施加在元器件上的工作應(yīng)力，提高元器件的可靠性，從而延長其使用壽命。在本系統(tǒng)中，選擇的半導(dǎo)體器件都已考慮到這一點。（2）光耦器件使用：在實際的工程項目設(shè)計中，由于繼電器控制的負(fù)載多為感性或容性負(fù)載（比如本設(shè)計中的電機就是感性負(fù)載），如果電磁隔離不好，這些負(fù)載所產(chǎn)生的高次諧波信號便會串進(jìn)單片機控制電路產(chǎn)生各種干

14、擾。本設(shè)計中雖然已使用了固態(tài)繼電器但保險起見又采用光耦對電路再一次進(jìn)行光電隔離。（3）接地：正確的接地既能抑制干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)生干擾，是提高電子設(shè)備電磁兼容的重要手段之一。（4）看門狗：AT89S51內(nèi)部集成看門狗，但由于篇幅限制，故在本設(shè)計不再介紹與用應(yīng)。結(jié)語：綜上所述運用單片機技術(shù)改造的原小車PLC系統(tǒng)是可行的，具有一定的改造價值，降低生產(chǎn)成本，固態(tài)繼電器的使用提高了原系統(tǒng)外部主電路的可靠性。因作者水平有限，系統(tǒng)未能添加其他智能化功能，且文中有的地方還可以改進(jìn)簡化，如小車匯編程序，希望隨著以后更加深入的學(xué)習(xí)去完善。同時，對給予我論文幫助的網(wǎng)友、同學(xué)及王書滿導(dǎo)師和其他老師至上我

15、真摯的謝意。參考文獻(xiàn)1 楊欣.王玉鳳. 51單片機應(yīng)用從零開始. 北京：清華大學(xué)出版社 20082 AT89系列單片機技術(shù)手冊S.北京威立電子技術(shù)有限公司.14-233 王鴻麟. 實用電力電子技術(shù). 北京：人民郵電出版社，19864 張毅剛.新編MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)出版社5 楊光友.朱宏輝. 單片微型計算機原理及接口技術(shù). 北京：中國水利水電出版社2005附件I硬件清單：名 稱型 號封裝形式數(shù)量單片機 AT89S51 DIP401片光耦TLP521-1 DIP44片三極管9013 4個電阻12K4個電阻2704個電阻1004個電阻4.7K5個電阻10K1個按鍵4個行程

16、開關(guān) 2個瓷片電容 30pF2片電解電容 10F1片晶振 12M MAXIAL0.41個三相固態(tài)繼電器3SSR302個單相固態(tài)繼電器SSR2個附錄II 匯編語言： 主程序：ORG 0000HAJMP 0030HORG 0030HSTART: MOV A, #0FFH ； 置輸入方式 MOV P1, A MOV A, P1 ； 鍵狀態(tài)輸入JNB ACC.0, SB1 ； SB1按下轉(zhuǎn)JNB ACC.1, SB2 ； SB2按下轉(zhuǎn)JNB ACC.2, SB3 ； SB3按下轉(zhuǎn)JNB ACC.3, SQ1 ； SQ1按下轉(zhuǎn) JNB ACC.4, SQ2 ； SQ2按下轉(zhuǎn)SJMP START ； 無鍵

17、按下返回SB1: ACALL TIME ； 延時去抖JNB ACC.0, left ； 確認(rèn)按下轉(zhuǎn)LJMP START ； 返回SB2: ACALL TIME ； 延時去抖JNB ACC.1, right ； 確認(rèn)按下轉(zhuǎn)LJMP START ； 返回SB3: ACALL TIME ； 延時去抖JNB ACC.2, stop ； 確認(rèn)按下轉(zhuǎn)LJMP START ； 返回SQ1: ACALL TIME ； 延時去抖JNB ACC.3, in ； 確認(rèn)按下轉(zhuǎn)LJMP START ； 返回SQ2: ACALL TIME ； 延時去抖 JNB ACC.4, out ； 確認(rèn)按下轉(zhuǎn)LJMP START ；

18、 返回開始left: SETB P2.6 ； 關(guān)掉右行MOV R4, #5ACALL DL0 ； 延時0.5秒(防止主電路短路) CLR P2.7 ； 執(zhí)行左行LJMP START ； 返回開始right: SETB P2.7 ； 關(guān)掉左行 MOV R4, #5ACALL DL0 ； 延時0.5秒(防止主電路短路)CLR P2.6 ； 執(zhí)行右行LJMP START ； 返回開始in: JB P2.7, START ； 小車若未左行則跳轉(zhuǎn)返回SETB P2.7 ； 停車CLR P2.5 ； 裝料LCALL time1 ； 呼叫裝料延時SETB P2.5 ； 停裝料LJMP right ； 右行out: JB P2.6, START ； 小車若未右行則跳轉(zhuǎn)返回 SETB P2.6 ； 停車CLR P2.4 ； 卸料LCALL time2 ； 呼叫卸料延時SETB P2.4 ； 停卸料LJMP left ； 左行stop: MOV P2, #0FFH ； 停止 ACALL TIME ； 延時LJMP START ； 返回開始按鍵去抖10ms子程序：TIME: MOV