（机械电子工程专业论文）基于单片机的阀岛控制系统的研究.pdf

山东轻工业学院硕士学位论文 摘要 单片机以其高可靠性、高性能价格比，在工业控制系统、数据采集系统、智 能化仪器仪表、办公自动化，移动通信等很多领域有着广泛的应用，给我们带来 了巨大的经济效益。而将气动技术与计算机技术、信息技术等紧密结合起来，形 成智能化的气动系统已经普遍存在于自动化领域并仍在进一步大规模的研发。基 于单片机的阀岛控制系统则是这一开发和应用的典型例子。 本论文课题针对单片机对阀岛的控制展开工作，系统地分析了单片机和阀岛 工作的基本原理，对整个控制过程进行了详细分析，提出一种基于a t 8 9 c 5 1 单 片机的阀岛控制系统。该系统由单片机，8 位气动阀岛，按键输入电路，阀岛检 测电路，输出驱动电路，复位电路，r s 2 3 2 接口电路，l c d 显示器等主要部分 组成。该系统通过单片机实现对阀岛的控制，可完成所需的自动化控制任务，使 功耗和成本大大下降、信号传输快捷，自动化程度高，故障诊断迅速，系统可靠 性提高。 本论文内容即根据上述内容展开讨论： 第一章介绍本课题的项目背景、目的和意义及本课题使用的相关技术的发展 现状。 第二章详细地分析了单片机和阀岛工作的基本原理。 第三章详细介绍了单片机系统设计的总体方案，开发过程。 第四章详细论述了系统的硬件组成电路，并进行了各功能模块的设计。 第五章从软件体系结构的角度，对系统软件的总体设计和各个功能模块的设 计作了详细介绍。 关键词：单片机；阀岛；控制 a bs t r a c t s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rh a sa w i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nt h ei n d u s t r i a l c o n t r o ls y s t e m sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s ，i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t a t i o n , o f f i c e a u - t o m a t i o n m c i b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，a n dm a n yo t h e r f i e l d sb a s e do ni t sh i l g h r e l i a b i l i t y , h i g hc o s tp e r f o r m a n c e ，w h i c hh a sb r o u g h tu sh u g ee c o n o m i c b e n e f i t s m e a n w k l e ，t h ei n t e l l i g e n tp n e u m a t i cs y s t e m sh a v ef o r m e dw h i c h t h r o u g hc o m b i n i n g t h ep n e u m a t i ct e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n ds o o n i th a v eb e e nf o u l l di nt h ef i e l do fa u t o m a t i o nw i d e l ya n di s s t i l lr e s e a r c h e da n d d e v e l o p m e n t e di n f u r t h e rl a r g e s c a l e t h ec o n t r o ls y s t e mo fv a l v e b a s e d0 1 1 s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r i sat y p i c a le x a m p l eo fd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o na b o u t t h i sa s p e c t t h ep a p e rs t u d i e st h ec o n t r o l l i n gb a s e do ns i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r , i t a 1 1 a l y z e st h eb a s i cp r i n c i p l e so f t h ev a l v et e r m i n a la n dt h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r , a n dg i v e sad e t a i l e da n a l y s i so nt h ee n t i r ec o n t r o lp r o c e s s i tp r e s e n t sa c o n t r o ls y s t e m o fv a l v et e m i n a lb a s e do ns i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra t 8 9 c 5 1 t h es y s t e mc o n s i s t s o fs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r , p n e u m a t i cv a l v et e r m i n a l w i t he i g h tc h a n n e l s ， k e y s t r o k e sc i r c u i t ，v a l v et e r m i n a ld e t e c t i o nc i r c u i t ，t h e o u t p u td r i v e rc i r c u i t ，r e s e t c i r c l l i t r s 2 3 2i n t e r f a c ec i r c u i t ，l e dd i s p l a y sa n do t h e rm a j o rp a r t s t h es y s t e m c o n n 0 lv a l v et e r m i n a lt h r o u g ht h es i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r , i tc a na c h i e v e s m t o m a t i o na i l dc o n t r o lm i s s i o nw en e e d e da n di th a sm a n yb e n e f i t s ，s u c ha se a s y o p e r a t i o n ， s m a l l p o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wc o s t ， f a s t s i g n a l t r a n s m i s s i o n ，h i g h r e l i a b i l i t y , b r o a da p p l i c a t i o na n d s oo n t h ep a p e rw i l li n c l u d ef i v es e c t i o n s ： t h ec h a p t e ro n ei n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n d ，m e a n i n go ft h ei t e ma n dt h e d e v e l o p m e n ts t a t u so f r e l a t e dt e c h n o l o g y t h ec h a p t e rt w oa n a l y z e st h em e t h o d sa n dp r i n c i p l e so ft h es i n g l e 。c h i p m i c r o c o m p u t e ra n dv a l v et e r m i n a li nd e t a i l t h ec h a p t e rt h r e ed e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dp e r s e n t st h eo v e r a l l p r o g r a mo fs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rs y s t e m t h ec h a p t e rf o u rd e s c r i b e st h eh a r d w a r ec o m p o n e n tc i r c u i ti nd e t a i l ，a n dg i v e s t h ed e s i g no fe v e r yf u n c t i o n a lm o d u l eo f t h es y s t e mh a r d w a r e t h ec h a p t e rf i v ed e s c r i b e st h eo v e r a l ls o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e ma n dt h e a b s t r a c t d e s i g no fe v e r yf u n c t i o n a lm o d u l ei nd e t a i lf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fs o f t w a r e a r c h i t e c t u r e k e y w o r d ：m c u ；v a l v et e r m i n a l ：c o n t r o l 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文中 引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上己 属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 日期：上监 年月笪日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工业 学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专 利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名： 导师签名：日期：幽年月笪日 山东轻工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 随着电子计算机技术的迅速发展，特别是微型计算机技术的飞跃，单片机技 术的开发与应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。它与气动技 术，计算机技术等相关技术的紧密结合，理论与实践认识的不断深化，使如今的 智能化气动系统的发展日益成熟。 本课题中设计的系统就是利用这些技术实现了单片机对阀岛的智能化控制。 1 1 课题的提出及意义 单片机诞生于2 0 世纪7 0 年代，例如f a i r c h i d 公司研制的f 8 单片微型计算机。 所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元( c e n t e rp r o c e s s i n gu n i t ， 也即常称的c p u ) 币i 数据存储器( r a m ) 、程序存储器( r o m ) 及其他i o 通信口集成 在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元， 定时单元及a d 转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大， 应用更广泛。单片机又称嵌入式微控制器( m c u ) ，和嵌入式微处理器相比，微控 制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高 【l 】。嵌入式系统工业是专用计算机工业，其目的就是要把一切变得更简单、更方 便、更普遍、更适用；通用计算机的发展目的是功能电脑，普遍进入社会，嵌入 式计算机发展的目标是专用电脑，实现“普遍化计算 ，因此可以称嵌入式智能 芯片是构成未来世界的“数字基因 1 2 。 一般来说，对于一个简单的气动系统，常采用管件接头将气缸和各类控制阀 连接起来构成。随着气动系统复杂化程度增加，采用的气缸、控制阀等元件的数 量亦随之增多，连接管路繁多，传输的信号变快，通常采用的集成气片板安装方 式已不能满足要求了。各国厂商都在寻找一种安装简单、接管少、信号传输快捷、 安全可靠的方法，适用于分散加工模块( - r 位) 以及集中控制为模式的自动加工线， 于是就出现了阀岛技术【3 j 。 单片机与气动阀岛的结合最大限度的降低了成本，减少了功耗，同时由于单 片机很强的实时性和阀岛的集成构造，使得信号传输快捷，故障诊断迅速，系统 可靠性提高。基于单片机的阀岛控制系统大大提高了自动化程度，有着广泛的应 用前景。 第1 章绪论 1 2 相关技术介绍 1 2 1 单片机技术的发展 ( 1 ) 单片机的发展过程 单片机诞生于2 0 世纪7 0 年代末，单片机的发展历史可划分为以下几个阶段 4 1 ： 第一阶段( 1 9 7 4 年1 9 7 6 年) ：为单片机初级阶段，即s c m 单片微型计算机 ( s i n g l e c h i p m i c r o e o m p u t e r ) 阶段。主要是寻求最佳的单片形态，嵌入式系统的最佳 体系结构。因受工艺和集成度的限制，单片机采用双片形式。例如仙童公司的f 8 必须外接一块3 8 5 1 电路才能构成一个完整的微型计算机【5 1 。 第二阶段( 1 9 7 6 年1 9 7 8 年) ：为低性能单片机阶段，即单片机的探索阶段。 以i n t e l 公司的m c s - - 4 8 为代表。m c s - - 4 8 的推出是在工控领域的探索，参与这 一探索的公司还有m o t o r o l a 、z i l o g 等，都取得了满意的效果1 6 】- 【引。这就是s c m 的诞生年代，“单片机 一词即由此而来。此时的单片机由一块芯片构成，但性 能低、品种少。它具有c p u 、并行口、定时器、r a m 及r o m 。这是一个真正的 单片机，但c p u 功能不强，i o 口种类和数量很少，其r o m 和r a m 也很有限。 只能应用于比较简单的场合。例如9 0 年代中期以前的p c 机键盘几乎无一例外地 使用m c s 4 8 系列单片机作为控制部件。 第三阶段( 1 9 7 8 年1 9 8 2 年) ：单片机的完善阶段。i n t e l 公司在m c s m 4 8 基础 上推出了完善的、典型的单片机系列m c s 一5 1 。它在以下几个方面奠定了典型的 通用总线型单片机体系结构。 完善的外部总线。m c s 5 1 设置了经典的8 位单片机的总线结构，包括8 位数据总线、1 6 位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。 c p u 外围功能单元的集中管理模式。 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。 第四阶段( 1 9 8 2 年1 9 9 0 年) ：8 位单片机的巩固发展及1 6 位单片机的推出阶 段，也是单片机向微控制器发展的阶段。i n t e l 公司推出的m c s q 6 系列单片机， 将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中， 体现了单片机的微控制器特征。随着m c s 一5 1 系列的广应用，许多电气厂商竞 相使用8 0 c 5 1 为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道 a d 转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路功能，强化了智 能控制的特征。 第五阶段( 1 9 9 0 年) ：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面 深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8 位，1 6 位，3 2 位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。 2 山东轻工业学院硕士学位论文 ( 2 ) 单片机的发展趋势 9 0 年代后期至今单片机的发展可以说是进入了一个新的阶段，单片机正朝着 高性能和多品种方向发展，发展趋势将是进一步向着c m o s 化、低功耗、小体积、 大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。其发展趋势主要有 以下几个方面： c m o s 化：近年，由于c h m o s 技术的进步，大大地促进了单片机的c m o s 化。c m o s 芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作 在功耗精细管理状态。这也是今后以8 0 c 5 1 取代8 0 5 1 为标准m c u 芯片的原因憎j 。 因为单片机芯片多数是采用c m o s ( 金属栅氧化物) 半导体工艺生产。c m o s 电路 的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的t t l 电路 速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了h m o s ( 高 密度、高速度m o s ) 和c h m o s 工艺，c m o s 和h m o s 工艺的结合。目前生产的 c h m o s 电路已达到l s t t l 的速度，传输延迟时间小于2 n s ，它的综合优势已在 于t t l 电路。因而，在单片机领域c m o s 正在逐渐取代t t l 电路。 低功耗：单片机的功耗已到m a 级，甚至到l u a 以下；使用电压在3 - 6 v 之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高 可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化、低电压化。几乎所有的单片机都有 w a i t 、s t o p 等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在3 “v 范 围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达1 2 v 。低噪声与高可靠性为提 高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方 面更高标准的要求，各单片机厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。 大容量化：传统的单片机片内程序存储器一般为1 k - 8 k ，片内数据存储 器为2 5 6 字节以下。在某些复杂的应用上，片内不论是程序存储器还是数据存储 器都是容量不够，必须采用外接方式进行扩充。而如今单片机片内程序存储器可 达6 4 k ，片内数据存储器可达8 k 。今后，随着工艺技术的不断发展，单片机片内 存储器容量将进一步扩大。 单片机的高性能化：主要是指进一步提高c p u 的性能，加快指令运算速 度，并加强了位处理功能、中断、定时功能。其主频从4 m h z - 1 2 m h z 向0 m h z ( 全 静态) - - - 4 0 m h z 以上发展。同时采用流水线结构，让指令以队列形式出现在c p u 中，从而进一步提高运算速度。有的单片机基本采用了多流水线结构，这类单片 机的运算速度要比标准的单片机高出1 0 倍以上。 外围电路内装化：这也是单片机发展的一个主流方面。随着集成度的不断 提高，使将各种功能器件集成在片内成为可能。除了一般必须具有的c p u 、r o m 、 r a m 、定时器计数器等外，片内还可以根据需要集成如串行口、a d 、d a ， e e p r o m 、p w m 、看门狗( w a t c h d o g ) 、液晶显示( l c d ) 驱动器等多种功能部件。 第l 章绪论 增强i o 口功能：为了减少外部驱动芯片，进一步增加单片机并行口的驱 动能力，现在有的单片机可直接输出较大电流( 2 0 m a ) 和高电压，以便直接驱动显 示器。为进一步加快i o 的传输速度，有的单片机设置了高速i o 口，能以最快的 速度捕捉外部数据的变化，同时以最快的速度向片外输出数据。以适合数据高速 改变的场合。随着集成工艺的不断发展，单片机一方面向集成度更高、体积更小、 功能更强、功耗更低方向发展，另一方面向3 2 位以上及双c p u 方向发展。 ( 3 ) 单片机的应用 由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得 力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面： 单片机在智能仪表中的应用：单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪 表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提 高其性能价格比。 单片机在机电一体化中的应用：机电一体化是机械工业发展的方向。机电 一体化产品是指集机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征 的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充 分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能 化程度。 单片机在实时控制中的应用：单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例 如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以 用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在 最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。 单片机在分布式多机系统中的应用：在比较复杂的系统中，常采用分布式 多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务， 它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种系统中往往作为一个终端 机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。单片机的高 可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。 单片机在人类生活中的应用：自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活， 如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化 程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富 多彩【l o 】。 综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。据统计【l l 】，我 国的单片机年容量已达1 3 亿片，且每年以大约1 6 的速度增长，但相对于世界 市场我国的占有率还不到1 。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单 片机，并不断地辐射向内地。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计 算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器。为适应 4 山东轻工业学院硕上学位论文 不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处 理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机 最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。另一方面， 单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设 计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机 通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传 统控制技术的一次革命。 1 2 2 阀岛技术发展现状 在机电一体化技术飞速发展的今天，气动技术已越来越广泛地应用在自动化 领域中，如汽车制造、烟草机械、橡胶、纺织、化工医药、食品、包装、印 刷等领域- 【1 4 1 。在工业设备中，由气动执行机构( 气缸爪手等) 实现送料、夹紧、 加工等，各个执行机构的动作由电磁阀来控制。为方便安装、减少开发周期、节 省布线时间、易于诊断和维修，目前已广泛地应用了阀岛技术。 阀岛是新一代的电气一体化控制元器件，已从最初带多针接口的阀岛发展为 带现场总线的阀岛，继而出现可编程阀岛及模块式阀岛。阀岛技术和现场总线技 术相结合，不仅确保了电控阀的布线容易，而且也大大地简化复杂系统的调试、 性能的检测和诊断及维护工作。借助现场总线高水平一体化的信息系统，使两者 的优势得到充分的发挥，具有广泛的应用前景。与传统方式实现的控制系统比较 可知采用多针接口阀岛后系统不再需要接线盒。同时，所有电信号的处理，保护 功能都已在阀岛上实现。在阀岛上安装的电磁阀尺寸和功能覆盖面极广，有单电 控和双电控、二位阀和三位阀，有弹簧复位和气压复位以及内部先导和外部先导 气源。表1 1 列出了阀岛系列l l5 。 表1 1 阀岛的类型 阀岛类型 m i n i 型阀 m i d i 型阀 m a x i 型阀 i s 0 1 型阀 i s 0 2 型阀 i s 0 3 型阀 以阀岛、现场总线形式实现的气电一体化适应了目前自控技术的发展趋势， 为自控系统网络化、模块化提供了有效的技术手段。例如国内的华能玉环电厂的 补给水处理系统和废水系统，采用了二层通讯网络结构的现场总线控制系统，锅 o 0 如 侈 屹 坦 犸 钙 第l 章绪论 炉补给水的阴阳离子床气动隔膜阀的电磁控制阀，采用具有总线接口的阀岛来控 制6 1 。阀岛技术与现场总线技术相互结合，使两者的优势得到了充分发挥，大大 提高了系统的可靠性和可维护性。 6 山东轻工业学院硕士学位论文 第2 章单片机和阀岛的工作原理 2 1 单片机的组成与结构 单片机的基本组成：是由中央处理器( c p u ) 、只读存贮器( r o m ) 、读写存贮 ( r a m ) 、输入输出口( i o ) 等等组成。里面还有一个时钟电路，使单片机在进 行计算和控制时，都能有节奏地进行。另外，还有“中断系统”，当单片机控制对 象的参数到达到某项需要加以干预的状态时，就可传达给c p u ，使c p u 采取适 当的应付措施。 按结构形式分，单片机有两种基本的结构形式：普林斯顿结构和哈佛结构。 普林斯顿结构，也称冯诺伊曼结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并 在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不 同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同，如英特尔公司( i n t e l ) 的8 0 8 6 和 m c s 5 1 就采用了此结构。而哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的 存储器结构。中央处理器( c p u ) 首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解 码后得到数据地址，然后到相应的数据存储器中读取数据，进行下一步操作( 通常 是执行) 。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度。 目前较多的单片机采用改进的哈佛结构，如m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 芯片的程序 指令是1 4 位宽度，而数据是8 位宽度。另外，现在单片机采用一种三核( t r i c o r e 结构，这是种建立在一块片上的系统概念上的结构【l 7 1 。三核是：数据和程序存储 器核，控制器和d s p 核和外围用户专用电路a s i c 。这种单片机最大特点是把 d s p 和微控制器同时做在一个片上。 2 2a t 8 9 c 51 单片机介绍 a t 8 9 c 5 1 是一种低功耗、高性能的含有4 k 字节快闪可编程擦除只读存储 器( f p e r o m f l a s hp r o g r a m m a b l ea n de r a s a b l e r e a do n l ym e m o r y ) 的8 位 c m o s 微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与a t 8 9 c 5 2 指令系 统和引脚完全兼容。芯片上的f p e r o m 允许在线或采用通用的非易失存储编程 器对程序存储器重复编程。 ( 1 ) a t 8 9 c 5 1 的主要性能包括： 与m c s 一5 1 微控制器产品系列兼容； 片内有4 k 字节的可在线重复编程快闪擦写存储器( f l a s hm e m o r y ) ； 编程所需的所有时序和电压，均不需外部电路供给； 7 第2 章单片机和阀岛的工作原理 宽工作电压范围：v c c 可由2 7 v 到6 v ； 全静态工作：可由0 h z 到1 6 m h z ； 程序存储器具有3 级锁存保护； 1 2 8 8 位内部r a m ； 3 2 条可编程i o 线； 三个1 6 位定时器计数器； 中断结构具有5 个中断源和2 个优先级。 ( 2 ) a t 8 9 c 5 1 内部分工 a t 8 9 c 5 1 内部有2 5 6 个字节的r a m ，地址范围是0 0 h f f h ，但实际提供给 用户使用的只有1 2 8 个字节( 0 0 h 7 f h ) ，另1 2 8 个字节( 8 0 h f f h ) 是特殊寄存器区。 本系统的内存分配详见软件设计部分。除r o m 和r a m 外，芯片内部还有三个 1 6 位的定时器计数器。 a t 8 9 c 5 1 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器，引脚x t a l l 和 x t a l 2 分别为反向放大器的输入和输出。这个放大器与作为反馈元件的片外石英 晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，外接石英晶体( 或陶瓷谐振器) 及电容c l 、 c 2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容c l 、c 2 虽然没有十分 严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定 性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用3 0 p f 士1 0 p f ， 而如使用陶瓷谐振器建议选择4 0 p f 士1 0 p f 。在本课题中，采用内部振荡电路，c l 、 c 2 值选择为3 0 p f ，对应的时钟频率为1 2 m h z 。振荡电路如下图2 1 所示： x t a i2 x r i1 g n d 图2 1 内部振荡电路 ( 3 ) a t 8 9 c 5 1 的引脚使用分配 a t 8 9 c 5 1 的引脚如下图2 2 所示，图中各引脚功能如下表2 1 所示。 8 山东轻工业学院硕士学位论文 p d i p 翻0 口1 p 1 口2 纠o a 3 p t 3 q 4 翻口s p ，5 口6 p | 暑口7 p 日8 髂1 口9 ( a x o p 3 0 qt o p j q t l 而，d 1 2 毒娟 3 d 1 3 t o ) p 3 - t q 蕾 t ) p 拿5 口l s 妇蛳p , j 岳a 碡 两黝7 d 7 射 嵫口俘 掰础1 日饽 o n o a 釉 v c c p o 府 d p d d ” p o ， 购 p o 。3 协d 3 p 0 4 l w l p o 5 是o 鑫) l 岣蓐协。国 p o7 ( a n n 舀脚 n _ e 厕 蕊 p s 犍 p 2 ， 勘 p 2 毋体哪 p 2 ，5 1 3 p 2 4 2 p 2 3 白 p g 2 l 铆 p 2 供擘 投摩曲掰 图2 2a t 8 9 c 5 1 的引脚图 表2 1a t 8 9 c 5 1 的引脚功能 9 黪卵嚣嚣钳鼢驻”籀箍移籀孙触嚣鼢孙 第2 章单片机和阀岛的工作原理 通过对系统的整体设计和对a t 8 9 c 5 1 的学习，a t 8 9 c 5 1 在本系统中引脚使用分 配如下表2 2 所示： 表2 2a t 8 9 c 5 1 在本系统中的引脚分配 2 2 阀岛介绍 2 2 1 阀岛的定义 “阀岛 一词译自德语的“v e n t i l i n s e l ”，英文译为“v a l v et e r m i n a l ”。该项技术 是由德国f e s t o 公司最先发明并引入应用的。阀岛，顾名思义，是由多个电控 阀构成，集成了信号输入输出及信号的控制，犹如一个控制岛屿【1 8 】。 2 2 2 阀岛的结构及特点 阀岛是一种集气动电磁阀、控制器( 具有多种接口及符合多种总线协议) 、电 输入输出部件( 具有传感器输入接口及电输出、模拟量输入输出接口、”a s i 控制 网络接口) 于一体的整套系统控制单元【1 9 】。把气动电磁阀、控制器、电输入输出 部件集成一体，将气动特性、电连接方式和多种安装方式灵活的组合在一起，并 通过了对气动、电气的功能调试，用户只需用气管将电磁阀的输出口连接到相对 应的气动执行机构上，通过计算机对其进行程序编辑，即可完成所需的自动化控 制任务。主要特点如下： ( 1 ) 自动化程度高。同一阀岛可有几种不同压力。采用集中供气、集中排气， 大大节省管长度，减少进排气时间，减轻气流损失。独特的真空功能，集成单向 功能以节省真空，且可调节喷射脉冲。 ( 2 ) 现场总线接口。可适用于各种流行的工业现场总线，如a s i 、p r o 丘b u s d p 等，方便生产现场设备之间以及现场设备与控制管理层之间的联系。 ( 3 ) 故障诊断迅速。电控阀都带手动装置及标示牌，方便调试。快速检测错 误( 自诊断功能) 可预测或寻找故障，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。 ( 4 ) 结构紧凑。气动、电气、控制集中于一体，性能优异，体积大大缩小。 ( 5 ) 使用维护方便。厂商提供的阀岛产品已调试完毕，用户采购后，可直接 1 0 山东轻工业学院硕士学位论文 安装：i p 6 5 的防护等级，使阀岛不必再用控制箱外壳保护；电控阀可预留空位， 功能扩展容易。接线简单、安装费用低、维护容易。此外，还有低功耗( 大部分 控制功率1 - 2 w ，最小的0 3 5 0 5 w ) ；快速响应( 响应时间1 0 2 5 m s ) ；无油化； 长寿命( 5 千万1 亿次) 等特剧z o l 。 2 2 3 带现场总线的阀岛 由上述可知，使用多针接口型阀岛使设备的接口大为简化，但用户还必须根 据设计要求自行将可编程控制器的输入输出口与来自阀岛的电缆进行连接，而且 该电缆随着控制回路的复杂化而加粗，随着阀岛与可编程控制器间的距离增大而 加长。为克服这一缺点，出现了新一代阀岛一带现场总线的阀岛。 现场总线( f i e l d b u s ) 的实质是通过引信号传输方式、并以一定的数据格式实现 控制系统中信号的双向传输。两个采用现场总线进行信息交换的对象之间只需由 一根，两股或四股的电缆连接。目前工业上应用最为普遍的硬件方式是r s 4 2 2 和 r s 4 8 5 两种【2 1 1 。其共同特点是以一对电缆之间的电位差方式传输的。由带现场总 线的阀岛组成的系统中，每个阀岛都带有一个总线输入口和总线输出口。这样当 系统中有多个带现场总线阀岛或其它带现场总线设备时可以由近至远串联连接。 与带多针接口的阀岛比较可知，带现场总线阀岛与外界的数据交换只需通过一根 两股或四股的屏蔽电缆实现。这样缩短了接线时间，且连线的减少使设备所占的 空间减小，维护更为方便。现提供的现场总线阀岛装备了目前市场上所有开放式 数据格式约定及主要可编程控制器厂家自定的数据格式约定。这样，带现场总线 阀岛就能与各种型号的可编程控制器直接相连接，或者通过总线转换器进行间接 连接。带现场总线阀岛的出现标志着气电一体化技术的发展进入一个新的阶段， 为气动自动化系统的网络化、模块化提供了有效的技术手段，因此近年来发展迅 速。 2 2 4 可编程阀岛 鉴于模块式生产成为目前日益令人关注的发展趋势，同时注意到单个模块以 及许多简单的自动装置往往只有十个以下的执行机构，于是出现了一种集电控阀、 可编程控制器以及现场总线为一体的可编程阀岛，即将可编程控制器集成在阀岛 上，如带有西门子公司的可编程控制器的s f 5 0 型可编程阀岛、带有f e s t o 公司 的可编程控制器的s f 3 型可编程阀剐2 2 1 。所谓模块式生产是将整台设备分为几 个基本的功能模块，每一基本模块与前、后模块间按一定的规律有机地结合。模 块化设备的优点是可以根据加工对象的特点，选用相应的基本模块组成整机。这 不仅缩短了设备制造周期，而且可以实现一种模块多次使用，节省了设备投资。 可编程阀岛在这类设备中广泛应用、每一个基本模块装用一套可编程阀岛。这样， 使用时可以离线同时对多台模块进行可编程控制器用户程序的设计和调试。这不 第2 章单片机和阀岛的工作原理 仅缩短了整机调试时间，而且当设备出现故障时可以通过调换出故障的模块，使 停机维修时间最短。 2 2 5 模块式阀岛 在阀岛设计中引入了模块化的设计思想，这类阀岛的基本结构是： ( 1 ) 控制模块位于阀岛的中央。控制模块有3 种基本方式：多针接口型、现 场总线型和可编程型。 ( 2 ) 各种尺寸、功能的电磁阀位于右侧，每2 个或1 个阀装在带有统一气路、 电路接口的阀座上。阀座的次序可以自由确定，其个数也可以自由增减。 ( 3 ) 各种电信号的输入输出模块位于左侧，提供了完整的电信号输入输出模 块产品。 m i d i m a x l0 3 型可编程阀岛采用了模块式结构，技术性能如下2 3 】： 带现场总线接口； 电气连接：2 4 v d c ，r s 2 3 2 串行接口： 通过现场总线接口和总线可扩展； 防护等级：口6 5 ； 阀的功能：二位五通阀、三位五通阀； 最多2 6 个电磁线圈； 最多6 4 个电信号输出( 包括电磁线圈) ； 模拟量输入输出； 可带a s l 主控单元； 阀岛组扩展：取决于被控制点数量及线路接法； 流量：5 0 0 、1 2 5 0 l m i n ； 阀宽：1 8 、2 5 m m 。 2 3 阀岛的控制原理 2 3 1 阀岛的直接控制原理 阀岛的直接控制非常方便，可采用可编程控制器或者计算机直接进行控制。 采用可编程控制器控制时，用多芯电缆线将阀岛的标准接口插头与可编程控制器 的开关输出端点相连接。通过编制程序，控制可编程控制器开关输出点的通断， 即可实现对阀岛的控制。采用计算机控制时，需要在计算机总线插槽上插入一块 开关板，并用多芯电缆线与阀岛连接起来，然后通过编程控制开关板各通道的通 断，从而实现对阀岛的控制，其结构原理如图2 2 所示。 1 2 山东轻工业学院硕士学位论文 图2 2 阀岛计算机控制结构原理图 应注意所选择的开关板通道的数量要满足相对应阀岛的要求，开关板的输出电压、 功率应与阀岛电磁铁的供电电压及功率相匹配。若开关板不能提供阀岛电磁铁要 求的电压及功率，要另外配置电源以满足阀岛的需要。 2 3 2 阀岛的总线控制结构 对于大型复杂的设备，尤其是复杂的自动线，采用的电控换向阀很多，需要 多个阀岛联合工作，采用直接控制方式不仅受到计算机扩展槽的限制，而且仍需 要大量的控制电缆线，因此采用总线结构的控制方式将更加合理。本系统即采用 这种结构，这将会大大扩大其控制范围，只需一根标准的串口线( 总线) 即可控制 几于甚至上百个阀岛，其结构如图2 3 示【渊。 计 图2 3 阀岛的总线控制结构 阀岛总线控制的特点： ( i ) 安装方便，可靠性高 阀岛的总线控制由于采用了集中接线和多芯插座，使布线占有空间小，接线、布 线和检修作业简单，大大节约了拆装时间，可靠性高。 ( 2 ) 减少了控制线，便于远程控制 第2 章单片机和阀岛的工作原理 电控换向阀的传统控制采用的是接线束方式，每个电磁铁都需要两根控制线， 即使采用了公共地线，每个电磁铁仍需要一根控制线；阀岛的总线控制，控制电 缆用于传递数据命令，只需要一根电缆就可以完成控制，大大减少了控制线的数 量，便于采用多芯电缆进行远程控制。 1 4 山东轻l ：业学院硕十学位论文 第3 章控制系统的总体方案设计 单片机应用系统是指以单片机为核心，配以一定的外围设备和软件，能实现 某种或几种功能的应用系统，由软件和硬件组成。 开发一个较小的微型计算机应用系统，一般有两种方法可供选择】：一种方 法是利用单板机整机，根据待生成系统需要完成的任务，配以适当的接口电路和 外部设备，必要时还可以扩展存储器，设计用户程序并调试通过；另一种方法是 根据待完成的任务，设计时用微处理机系统的硬件及为之设计系统软件并调试通 过。前者难度较低，可以不用专用的开发工具，工作量小，研制周期较短，适用 于不需要大量推广的项目。后者成本低廉，但难度稍大一些，还必须使用开发工 具，多用于电脑产品的研制及需要大量推广的项目。本系统的开发过程属于前一 种方法。 3 1 控制系统设计的基本要求 ( 1 ) 系统可靠性要高 这是对控制系统最基本的要求，一旦系统出现故障，将造成整个控制过程混 乱，引起严重后果。在工业生产过程中，特别是在一些连续生产过程的企业中， 是不允许故障率高的设备存在的。在重要的控制场合，为了增强系统的可靠性， 可采用双机系统作为控制系统的核心控制器。 ( 2 ) 系统通用性要好，便于扩充和修改功能 计算机控制系统可以控制多台不同的设备，处理不同的过程参数。各种被控 设备及被控参数的要求各异，被控对象的数目有增有减，设备型号还会更新变换， 要求控制系统能适应不同设备、不同控制对象，而系统本身仅作局部调整即可。 因而系统将采用标准化、模块化设计，电源功率、内存容量、输入输出通道等一 些指标都留有余量，使系统具有良好的通用性和可扩性。 ( 3 ) 系统操作简单，可维护性能好 多数系统操作人员，不可能具备控制方面的专业知识，系统设计时尽量考虑 用户的方便使用，操作必须简单易学，使操作人员易于掌握、使用，并且维护要 方便、简单。设计时考虑一旦出现故障，如何尽快排除，所以，在设计软件时将 配置查错或故障诊断程序，便于快速地查找、排除故障。硬件方面则要求硬件的 配置及安装位置便于操作人员维修。还要防止误操作。 第3 章基丁单片机的阀岛控制系统的总体办案设计 ( 4 ) 性能好而价格相对低 限于我国目前的经济水平，特别是中小型企业，资金紧张，而技术的改造任 务又繁重，因此，要求控制技术产品在满足精度、速度和其它要求的同时，尽可 能地降低系统成本，使企业乐于接受，只有性能价格比高的产品生命力才强大。 3 2 控制系统设计的步骤 单片机应用系统包括硬件和软件，硬件是基础，软件是在硬件的基础上对其 合理调配和使用，从而完成预定的任务。任务不同，相应的硬件和软件的配置也 不同，因此，单片机应用系统设计包括硬件和软件设计，为保证系统可靠工作， 在软硬件的设计中还包括系统的抗干扰设计。下面将讨论如何用单片机生成一个 专用的微机系统。从用户