汽车仪表压针机控制系统

Internal use 汽车仪表压针机控制系统汽车仪表压针机控制系统 内容提要内容提要 现有压针机控制系统全部采用 PLC 控制 其主要优点就是抗干扰能力强 可以直接挂接触摸屏使用 但 其造价高 给生产造成的投资成本太高 从而使一些中小企业望而却步 且其模式基本固定 开发不够灵活方 便 而当今的电路设计理念是 在能满足要求的前提下尽量降低设计成本 基于此 我设计了这个以单片机完 成控制功能的控制系统 关键词关键词 STC12C5410AD 单片机 液晶显示屏 压力传感器 1 1 简介简介 本控制系统采用单片机作为主控芯片 其优点 造价低 功能强大 可以使用高级语言编程 方便灵活 编程 容易 且芯片型号多种多样 选择范围广 缺点 一直以来 单片机都难登工控领域的大堂 主要原因是其抗 干扰能力无法和 PLC 相比 随着制造工艺 技术含量的不断提高 单片机的抗干扰能力也不断增强 在某种 程度上可以替代 PLC 控制系统 对于本系统采用的芯片 其抗干扰能力强 经实验测得 在 4000V 脉冲下读 写均能正常工作 能够满足稳定要求 设计中采用的内部集成资源丰富的 STC12C5410AD 单片机 由于此单 片机具有 A D 转换和 EEPROM 的功能 所以无须外加 A D 转换芯片 EEPROM 芯片电路 一片主控芯片就 可以完成控制系统的全部任务 显示部分采用 600 480 点 256 色大屏幕液晶显示屏 色彩鲜明 亮度高 可 以清晰明了的为操作人员指示各种状态信息 同时 采用直方图方式显示当前压力处在何状态 并有颜色提示 一旦超出限定压力范围 显示红色直方图 否则 显示绿色 对应直方图下还有真实压力值 并在出错状态下 有报警声提示 同时显示错误信息 具有良好的人机交互界面 可以说真正做到了人性化设计 近年来 传感 器有向小型化 集成化 智能化 系列化 标准化方向发展的趋势 本控制系统采用的压力传感器为国外 进口高精度压力传感器 通过标准仪表用放大电路 将其输入压力信号转换为可直接进行 A D 转换的电压信 号 其中传感器采用温度补偿电路 灵敏度高 完全满足设计要求 系统在软件编程上 对各个功能都采用模 块化处理 使程序更有条理 运行效率更高 本设计系统的控制流程 首先对系统各参数进行初始化 再对工位初始化 本设计系统的控制流程 首先对系统各参数进行初始化 再对工位初始化 判断仪表是否安放完毕 然后 通过键盘控制启动工作台工作 对仪表供电 装针 判断仪表是否安放完毕 然后 通过键盘控制启动工作台工作 对仪表供电 装针 自动状态下 前进 判断限位开关 压针 判断限位开关 判断压力值 上升 返自动状态下 前进 判断限位开关 压针 判断限位开关 判断压力值 上升 返 回 完毕 同时 在各个状态切换过程都判断是否超时等各种出错信息 并及时复回 完毕 同时 在各个状态切换过程都判断是否超时等各种出错信息 并及时复 位 还设有急停键 当发生意外时 及时切断电源以免发生事故 位 还设有急停键 当发生意外时 及时切断电源以免发生事故 系统结构与主控芯片功能分析系统结构与主控芯片功能分析 本控制系统主要由主控芯片 压力传感器 采样转换和放大电路 限位开关和液晶显示屏组成 由压 力传感器采样压力信号 通过信号处理 A D 转换从而转变为真正压力值 通过软件判断是否符合限定压力范 围 工位运动主要由限位开关通知 CPU 当前位置 以确定下一工作状态 显示器主要用于接收主控芯片传过 来的数据 显示当前状态及压力值等 可见其中最重要的就是主控芯片 它控制各部分器件协调动作 首先对 系统各参数进行初始化 再对工位初始化 判断仪表是否安放完毕 然后 通过键盘控制启动工作台工作 对 仪表供电 装针 自动状态下 前进 判断限位开关 压针 判断限位开关 判断压力值 上升 返回 完毕 同时 在各个状态切换过程都判断是否超时等各种出错信息 并及时复位 Internal use 本控制系统采用单片机作为主控芯片 其优点 造价低 功能强大 可以使用高级语言编程 方便灵活 编程容易 且芯片型号多种多样 选择范围广 为了能够尽可能的简化电路结构 节省系统成本 设计中采用 了价格低廉 编程方便 内部集成资源丰富的 STC12C5410AD 单片机 由于此 STC 单片机具有内置 A D 转 换器 EEPROM 高速计数器等优点 所以无须外加 A D 转换芯片 EEPROM 芯片电路 一片解决控制芯片 A D 转换芯片 EEPROM 等 即一片主控芯片就可以完成控制系统的全部任务 同时该芯片较普通单片机抗 干扰能力更强 经实验测得 在 4000V 电压下读 写均能正常工作 所以能够满足控制系统的稳定要求 相 对于现在市场上普遍使用的 PLC 控制系统 在同样具有稳定可靠的优点同时又极大的节省了控制系统成本 同时相对 PLC 单一的控制 它还具有在线修改系统的优点 可见其性价比很高 2 1 主控芯片主控芯片 STC12C5410AD 简介简介 STC12C5410AD 系列单片机是单时钟 机器周期的兼容 8051 内核单片机 是高速 低功耗的新一代 8051 单片机 指令代码完全兼容传统 8051 但速度快 8 到 12 倍 内部集成 MAX810 专用复位电路 4 路 PWM 8 路高速 10 位 A D 转换 Internal use 2 2 A D 转换功能转换功能 STC12C5410AD 系列带 A D 转换的单片机在 Pl 口 有 8 路 10 位高速 A D 转换器 速度可达 100KHz Pl 7 P1 0 共 8 路电压输入型 A D 可做温度检测 电池电压检测 按键扫描 频谱检测等 上电复位后 Pl 口 为弱上拉型 I O 口 用户可以通过软件设置将 8 路中的任何一路设置为 A D 转换 不需作为 A D 使用的口可 继续作为 I O 口使用 需作为 A D 用的口需先将其设置为高阻输入或开漏模式 在 P1M0 P1M1 中对相应的 位进行设置 如表 2 所示 Internal use Internal use 2 3 EEPROM 设置功能设置功能 Internal use 利用 IAP 技术可实现 EEPROM 内部 Data Flash 擦写次数为 100 000 次以上 其功能如表 7 所示 ISPEN ISP IAP 功能允许位 0 禁止 ISP IAP 编程改变 Flash 1 允许编程改变 Flash SWBS 软件选择从用户主程序区启动 0 还是从 ISP 程序区启动 1 SWRST 0 不操作 1 产生软件系统复位 硬件自动清零 CMD FAIL 如果送了 ISP IAP 命令 并对 ISP TRIG 送 46H B9H 触发失败 则为 1 需由软件清零 在用户应用程序区 AP 区 软件复位并从用户应用程序区 AP 区 开始执行程序 Internal use MOV ISP CONTR 00l00000B SWBS 0 选择 AP 区 SWRST l 软复位 在用户应用程序区 AP 区 软件复位并从系统 ISP 监控程序区开始执行程序 MOV ISP CONTR 0ll00000B SWBS l 选择 ISP 区 SWRST l 软复位 在系统 ISP 监控程序区软件复位并从用户应用程序区 AP 区 开始执行程序 MOV ISP CONTR 00l00000B SWBS 0 选择 AP 区 SWRST l 软复位 在系统 ISP 监控程序区软件复位并从系统 ISP 监控程序区开始执行程序 MOV ISP CONTR Oll00000B SWBS l 选择 ISP 区 SWRST l 软复位 STC12C5410AD 系列单片机内部可用 Data Flash EEPROM 的地址 与程序空间是分开的 如果对应用程 序区进行 IAP 写数据 则该语句会被单片机忽略 继续执行下句 程序在用户应用程序区 AP 区 时 仅可 以对 Data Flash EEPROM 进行 IAP ISP 操作 STC 单片机的 Data Flash 当 EEPROM 功能使用 有 3 个基本 命令 字节读 字节编程 扇区擦除 字节编程 只能将 1 改为 0 用字节编程是无用的 如果该字节是 1111 1111B 则可将其中的 1 编程为 0 如果该字节中有位为 0 要将其改为 1 则须先将整个扇区擦除 因为只有 扇区擦除 才可以将 0 改 为 1 扇区擦除 只有 扇区擦除 才可能将 0 擦除为 1 1 同一次修改的数据放在同一扇区中 不是同一次修改的数据放在另外的扇区 就不须读出保护 2 如果一个扇区只用一个字节 那就是真正的 EEPROM STC 单片机的 Data Flash 比外部的 EEPROM 要快很多 读一个字节 编程一个字节大概是 3 如果一个扇区中存放了大量的数据 某次只需要修改其中的一个字节或一部分字节时 则另外的不需 要修改的数据须先读出放在 STC 单片机的 RAM 中 然后擦除整个扇区 再将需要保留的数据和需要修改的 数据一并写回该扇区中 这时每个扇区使用的字节字数是使用的越少越方便 不需要读出一大堆保留数据 2 4 定时器使用和波特率设置功能定时器使用和波特率设置功能 定时和计数功能由特殊功能寄存器 TMOD 的控制位 进行选择 TMOD 寄存器的各位信息如表 9 所 列 可以看出 2 个定时 计数器有 4 种操作模式 通过 TMOD 的 M1 和 M0 选择 2 个定时 计数器的模式 0 1 和 2 都相同 模式 3 不同 Internal use Internal use Internal use Internal use Internal use Internal use Internal use Internal use Internal use 系统的设计与实验系统的设计与实验 4 1 控制系统工作流程介绍控制系统工作流程介绍 Internal use 整个控制系统要实现的功能为控制工作台的工作流程 其工作台工作流程为 整个控制系统要实现的功能为控制工作台的工作流程 其工作台工作流程为 上电复位上电复位 装表装表 仪表供电仪表供电 装针装针 前进行程前进行程 压针压针 检测指针压力检测指针压力 停止压针停止压针 返回行程返回行程 结束 其中上电复位状态为复位整个系统 包括软件结束 其中上电复位状态为复位整个系统 包括软件 硬件 装表为将硬件 装表为将 保护盖打开 将表装入槽中 压紧保护盖 仪表供电为按启动按钮 给仪表插座供保护盖打开 将表装入槽中 压紧保护盖 仪表供电为按启动按钮 给仪表插座供 电 以保证仪表指针处于复位归零状态 整个自动压针行程为再按启动按钮 仪表电 以保证仪表指针处于复位归零状态 整个自动压针行程为再按启动按钮 仪表 运行到压针位置 延时后压力计压针 并实时检测当前压力 若超出限定压力范围运行到压针位置 延时后压力计压针 并实时检测当前压力 若超出限定压力范围 显示报警信息 同时有声音报警提示 最后结束整个压针过程 显示报警信息 同时有声音报警提示 最后结束整个压针过程 4 2 硬件原理及框图硬件原理及框图 本系统主要由单片机控制 由压力传感器采样压力信号 通过信号处理 A D 转换从而转变为真正压 力值 通过软件判断是否符合限定压力范围 工位运动主要由限位开关通知 CPU 当前位置 以确定下一工作 状态 显示器主要用于显示当前状态及压力值等各个信息 显示直观明了 硬件框图如图 8 所示 A D 采样部分 应用传感器零点温度补偿机理及数字化补偿方法 压力传感器是将压力这个物理量转换成电信号的一 种电阻应变式传感器 传统的电阻应变式压力传感器是一种由敏感栅和弹性敏感元件组合起来的传感器 传感 器选用电阻应变计 它是一种重要的敏感元件 广泛应用于工程测量和科学实验中 它具有测量应变的灵敏度 和精确度高 测量范围大 具有良好的动态响应 能适应各种环境 可以在高温 超低压 高压 水下 强磁 场以及辐射等恶劣环境 价格低廉等优点 敏感元件直接感受被测物理量传感元件将感受到的非电量直接转 换成电量 经过变换和光电隔离后送入 CPU 同时传感器采用双 5V 稳压电源 要制成高精度 高质量的电阻 应变式传感器 必须采用各种各样的的电路补偿和调整技术 零点温度补偿是其中的重点技术和关键工艺 称 重传感器在无外载荷作用时的输出称为零点输出 零点输出受环境温度的影响 随环境温度的变化而变化 这 称之为零点温度漂移 引起传感器零点温度漂移的各种因素 归根到底都可以看作组成传感器的惠斯汀电桥四 个桥臂电阻的温度系数不一致而造成的 其解决的办法就是找出电桥电路中电阻温度系数小的桥臂 并在其中 串入一个温度系数较大的零点温度补偿电阻 Rt 以提高该桥臂总的电阻温度系数 只要选择合适的补偿电阻 Internal use Rt 的阻值 见图 9 就可以起到对零点温度漂移的抵消作用 顺便还可以减少非线性 由于传感器输出的模拟信号比较微弱 必须通过一个模拟放大器对其进行放大 才能满足 A D 转换器对 输入信号电平的要求 大多电子秤都选用由三运放构成的放大器 其具有高输入阻抗 高共模抑制比 增益调 节方便等优点 但应用这个电路应注意 1 应使两个同相的运放特性一致 才能得到较强的共模抑制比 2 运放的闭环增益越低 对电阻匹配的精度要求越高 3 应该尽可能的抑制输入端的共模信号 因为当共模抑制比不够大时 经过放大后 通过空间电容 很容易产生高频震荡 Internal use Internal use 限位开关部分 限位开关又称行程开关 用于控制机械设备的行程及限位保护 在实际生产中 将行程开 关安装在预先安排的位置 当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时 行程开关的触点动作 实现电 路的切换 因此 行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器 它的作用原理与按钮类似 行 程开关广泛用于各类机械运行控制中 用以控制其行程 进行终端限位保护 在实际工作中 我们要考虑控制 仪表的走位 所以应用限位开关 考虑到车间干扰等原因会使限位开关信号干扰很大 若电路的抗干扰能力差 将导致控制准确性的降低 产生误动作 从而带来破坏性的后果 因此 在硬件设计上采用一些设计技术 破 坏干扰信号进入测控系统的途径 来提高系统的抗干扰能力 我这里采用的就是光电隔离技术 用光电耦合器 件实现电 光 电的隔离 它能有效地破坏干扰源的进入 可靠地实现信号的隔离 从而除去了限位开关信 号中的干扰 键盘输入部分 键盘输入分为两种功能模式 设有一个切换键用于切换两种键盘模式 当切换键按下时进 入参数设置状态 此时 键盘功能为设置参数模式 当切换键处于抬起状态时系统进入工作状态 键盘只有自 动键和复位键有效 作为操作键使用 其余键用于调试时使用 同时 还添加了一个自锁保护键 防止误操做 产生事故 按下此键便切断总电源使系统及时停止工作 达到保护效果 驱动输出部分 系统工位由气缸控制 而供气用电磁阀控制 再由三极管控制电磁阀通断从而达到通过电 信号控制工位的目的 市场上的电磁阀供电电压大都为 24v 需要将单片机 5v 电位转换到 24v 因此前级用 9015 做一下电平转移 再推动大功率三极管 2073 控制电磁阀通断 液晶显示部分 液晶显示器采用 600 480 点 256 色大屏幕显示器 可以方便直观地显示系统当前状态及测 量数据 在设置参数状态 显示当前设置的数据值 及对应的状态 清晰大方便于设置 在工作状态 显示当 前工位 字体超大视觉效果好 同时对当前指针压力进行了实时显示 对应每路 A D 转换数值都有直方图显 示 柱体在上限和下限区间为绿色 表示当前压力正常 并在直方图下方显示其对应路和压力值 一旦超过上 限或低又下限 柱体颜色就为红色 非常醒目的提示用户当前压力超标不合格 同时带有报警提示音 实现了 良好的人机界面 Internal use 4 3 软件设计思想及流程软件设计思想及流程 本软件设计分两套系统 启动时先判断状态开关 满足哪个状态就进入哪个状态 其各自功能如下 1 设置状态系统 主要对系统工作参数的设置 主要分为 8 个参数设置状态和一个密码状态 状态 1 为设置上限压力值 依次为设置下限压力值 设置行 程时延 设置压针时延 如果想对重要参数 影响测量值 进行修改 须输入密码 密码正确方可到下一页进 行修改 主要有 A D 转换最大值设置 对应的最大压力值 和 A D 转换最小值设置及对应的最小压力值 若 须修改密码 须在输入密码正确的前提下 长按 TAB 键进行密码修改 详细说明见由设置状态下的屏幕提示 2 工作模式系统 主要对正常工作时的各个状态进行控制 首先对系统个参数进行初始化 再对工位初始化 判断仪表是否安放完毕 然后 通过键盘控制启动 工作台工作 对仪表供电 装针 自动状态下 前进 判断限位开关 压针 判断限位开关 判断压力值 上 升 返回 完毕 同时 在各个状态切换过程都判断是否超时等各种出错信息 并及时复位 还设有急停键 当发生意外时 及时切断电源以免发生事故 本系统设计突出特点是在显示部分 采用大屏幕彩色液晶屏 可以清晰明了的为操作人员指示各种状态信 息 同时 采用直方图方式显示当前压力处在何状态 并有颜色提示 一旦超出限定压力范围 显示红色直方 图 否则 显示绿色 并在出错状态 有报警声提示 同时显示错误信息 可以说是真正实现了人性化设计 主程序及工作状态和设置状态流程如图 13 15 所示 Internal use Internal use 软件创新设计部分 对于数据存储 本设计采用了编码方式存储 在读取时再按照一定方式进行解码处理 从而用于显示 计 算等 程序在 EEPROM 中为每个数据开辟一个整型空间 即为五位十进制数 且不能超过 65536 用于存 储编码后的数据 具体编码方式是 对要存储的浮点数进行等精度截取 再判断小数点的位置 若无小数点 则用于存储小 数点位置的寄存器赋值为零 数据直接存储 若有小数点则在小数点后有几位为有效数字 存储小数点位置寄 存器就对应赋值多少 然后将小数点去掉 将数据直接变为整数 万位存放小数点的位置 由于系统对数据的 要求精度不是很高 四位有效数字即可满足 故小数点的位置不会超过 5 最后要存储的编码数据也不会超过 65536 此方案有两大优点 一是节省 EEPROM 存储空间 若不用整型变量存储 就必须用浮点型变量存储 需要占用长整型的空间 这样在存储上可以节省一半的空间 另外在计算量上 对整型变量的计算量要远远小 于对浮点型变量的计算量 而且对浮点型变量的计算很容易出错 所以尽量避免使用浮点型变量计算 例如 1 234 小数点位置为 3 故编码后 1 234 变为 31234 1234 对应的编码仍为 1234 0 012 对应的编码为 30012 其流程图如图 17 所示 Internal use 程序得到的 AD 转换值为 0 255 区间 要使其显示正常的压力值必须将其转换成真实的数值 则要求得 到 0 对应的最小压力值和 255 对应的最大压力值 这样就要求计算斜率及函数关系 来实现程序的算法 设 0 对应的最小压力值为 Y1 255 对应的最大压力值为 Y2 AD 转换值设为 X 可得函数的斜率计算公式为 K Y2 Y1 255 转换函数为 Y X K Y1 程序在对测量数据进行显示时有一个独特的创新 采用直方图方式 可以直接给操作者显示当前的压力处 在哪一区间 是否处在预置的压力范围内 方便用户操作 不必去看显示的压力值 同时也设有数值显示 如 Internal use 果要求需要或压力不正常时 可以看一下当前的确切压力值 这在原有的设备中是没有的 显示过程中 先清 空显示区 再判断要显示的值处于哪一区域 如果处在正常区域 则正常显示 显示实心柱颜色为绿色以示正 常 处在过压或欠压区域 显示红色柱示警 同时置相应的报警标志位 以备报警函数使用 同时还有文字信 息显示处于何种报警状态 程序流程如图 19 20 所示 总看整个系统的设计 硬件 AD 转换部分经过精心推敲 选择了适合本系统的放大电路 性能稳定 可靠 在软件编程上 对各个功能都采用模块化处理 使程序更有条理 运行效率更高 其中 在 EEPROM 存储数 据上更具特色 针对浮点数据进行压缩编码的存储方法 不但节省一半的空间 而且在程序算法上更方便 执 行速度更快 对于显示部分 一改以前单存显示数字的缺点 在显示数字的基础上 增加了立方图附加颜色示 警显示 使显示信息更直观明了 使操作更便捷 结结 论论 本控制系统的设计分为硬件和软件两部分 硬件部分主要包含 A D 采样部分 放大电路部分 限位开关 部分 键盘输入部分 驱动输出部分和液晶显示部分等 软件部分主要分为设置状态系统控制和工作模式系 统控制两部分 整个设计充分利用了 STC 单片机的内置 AD 转换器 EEPROM 高速计数器等优点 有效的 完成了对指针压入设备控制系统设计 极大的节省了系统成本 其性能不低于 PLC 控制系统 相信在不久的 将来可以实现完全替换可编程控制器的控制系统 本控制系统现已在四平慧宇汽车仪表厂调试后投入使用 控制效果良好 在此设计基础上 不仅可以圆满完成对压针设备的控制 而且 在各个方面都有突出优点 如 一片解 决主控芯片 AD 转换芯片 EEPROM 等 稳定可靠的系统 良好的人机交互界面 在线修改系统等 由于时间的关系 有一些工作还没有展开或继续开展下去 有待进一步的深入研究 主要有以下几方面 1 通过增加外围器件和修改电路参数来进一步提高控制系统的抗干扰能力 以适应工厂复杂的生产环境 2 可扩展外围存储芯片以提高系统的存储能力 同时将控制进一步分工细化 Internal use 3 修改系统的键盘输入方式 使安装 调试和使用更简单 方便 4 在实践中继续寻找不足之处 以逐步完善 附录附录 1 对对 A D 转换的数据处理分析转换的数据处理分析 在一些工业测控系统中 需