基于51系列单片机的通用控制器的设计及其应用

第1 0 卷第4 期 2 0 0 8 年l O 月 漳州职业技术学院学报 J o u r n a l o f Z h a n g z h o u T e c h n i c a lI n s t i t u t e V o I 1 0 N o 4 0 c t 2 0 0 8 基于5 1 系列单片机的通用控制器的设计及其应用 林开生 漳州职业技术学院机械工程系 福建漳州3 6 3 0 0 0 摘要 介绍了以P 8 9 C 5 1 R A 单片机为核心的数控装置的设计与实现 控制器硬件结构与特点 8 2 5 9 在单片机数控装簧复 位开关接口设计中的应用及编程要求 单片机的汇编语言开发环境下的 存储管理 的编程思想及其优势 对控制器在教学 中的应用进行讨论 关键词 数控装置 单片机 复位开关接口 存储管理 中图分类号 T P 3 9 3文献标识码 A 文章编号 1 6 7 3 1 4 1 7 2 0 0 8 0 4 0 0 3 4 0 4 l 前言 本文所指控制器是指以支持在系统编程技术的飞利浦P 8 9 C 5 1 R A 单片机为核心的计算机控制主板 它是笔者科研项目 机电一体化模型机的研制 中的一个设计模块 该科研项目主要针对机电一体化及单片机课程的理论教学和实践环节的实 训 由于试制成功后J 菠用于教学实践已经取得明显的教学效果 故整理成此文 控制器以P 8 9 C 5 1 R A 与8 0 5 1 及其兼容的系列产品相兼容 单片机为核心 并融入微机或单J 机接u 设计的常规j 占 片及其接口电路 如8 2 7 9 8 2 5 5 8 2 5 9 也包括A D D A 转换电路 继电器或可控硅控制L 乜路等 电路结构按T 业控制 标准设计和制造 使控制器工作的可靠性和抗干扰能力有了充分保证 能够成为名符其实的工业现场控制器 在印制电路 板设计上 除了抗千扰设计外 还采取了多种措施 如在电路不同部位使用跨接器和针孔插座 使控制器具有极大的柔性 控制器用途广泛 既可以作为机电一体化模型机 单片机实验箱控制器 也可以作为工业柔性控制板使用 从而达到理论 验证性实验和工控成用的 零距离 在系统编程技术的使用 为程序调试或单片机应用系统开发提供了极大的便利 2 控制系统方案简介 控制器框圈如图1 所示 实际上是一个简易的单片机数控装置 它以P 8 9 C 5 1 R A 系列单片机为核心 并分别以8 2 7 9 8 2 5 5 U 2 和8 2 5 9 作为键盘显示接口 伺服控制信号输 1 1 及复位 或限位 开关输入通道 外扩的6 2 6 4 用于解决单片机内 部数据存储器资源不足的问题 7 4 L S l 3 8 U 8 用于上述各外围芯片的寻址 各芯片作用简要分析如下 8 2 7 9 及其所属的7 4 L S l 3 8 I j r 5 7 4 L S 2 4 4 A 1 7 4 L S 2 4 4 和8 2 5 5 1 3 3 作为数控装置键盘和L E D 显示接口 其中 键盘支持最多6 4 个按键 L E D 显示系统有两个通道 每个通道5 位 最高位被设计成静态显示 主要用于显示移动部件 工 作台 坐标 8 2 7 9 外部时钟由I M H z 时钟发生器经7 4 L S 3 9 3 分频器提供 此外 8 2 5 5 U 3 3 未使用的输 f J 位可以用于继 电器和可控硅调压控制 为提高系统工作的可靠性和安全性 增加了光电隔离措施 数控装置的输出控制通道由8 2 5 5 u 2 及其所属的T L P 5 2 1 M C 3 4 8 7 等芯片构成 其输出町以作为数控机床的开环 或闭环 伺服控制信号 三个通道最大控制轴数为6 轴 由8 2 5 5 三个输出通道提供T T L 单极性的伺服控制信号 其中 有3 轴控制信号增加了T L P 5 2 1 光隔电路 并经M C 3 4 8 7 变换为具有双端输j I l 的R S 4 2 2 标准I U 平 从1 f l 使伺服控制信蟹具 有远程驱动能力 其有效驱动距离不小于1 0 0 m 同时还提高了系统的抗千扰能力 可以满足 T 业现场控制需要 8 2 5 9 及其所属的7 4 L S 2 4 0 T L P 5 2 1 用于8 路开关量输入 用于数控机床复位 行程超限控制 也可以作为数控加工 启动 暂停按钮使用 由于电路采取了光电隔离措施 因此 只要在开关识别电路中适当调整电路元器件参数 并精心设 计处理程序 完全能够满足数控系统对机床复位 或限位 的高可靠性和高精度定位控制需求 此处 由于单片机无法提 收稿f I 期 2 8 一嘶一2 0 作者简介 林开生 1 9 6 l 一 男 高级工程师 从事机电一体化 单片机 C A D C A M 等的教学 研究及应用 万方数据 第4 期林开生 基于5 l 系列单片机的通用控制器的设计及其应用 3 5 供象8 0 8 6 系列微处理的中断响应应答信号 I N T A 框图中的7 4 L S 0 0 U 1 1 就是为了解决这个问题而加入的 8 路开 关的识别由软件解决 负载 臀引I l I 锝1 2 嚣1接口 楼 rU 2 9 广一 蔷i 羽l 负载 A L E T x D R x D 最惑 C S K 1 1 2 4 3 j c 8 键盘矩降 燃 翟 竖 旦 I 塑垒垫二 II 7 4 L S 2 4 4 悉藩 d 萎 U 1 0 降 一8 2 7 9 z e s e t 8 2 5 5 r e s e t 丽F 甲 ii U 7 6 2 6 4 时钟l 时钟发生器 1 及单脉冲电路 九U U 8 i 龋 行程 复位开关捧 仁二二乏 P 一c s x M c 1 0 3 4 8 7 U 2 4 U 2 竖晋u 二 廿2 0p 1 2 V 孽一 巧硎 下I 誉H 墙柔毳驯I 伺服控翻L J 图l 控制器框图 上述三个环节主要围绕数控装置的基本要求而设计的 主要用于机电一体化课程的教学与实验 也可以满足单片机课 程的大部分教学和实验所需的硬件配置 但是 为了能够满足单片机理论教学和实验所需的其它常规实验项目 增设了A D 和D A 转换接口 限于篇幅不再述及 复位电路采用了电源管理芯片M A X 7 0 8 为满足在系统编程需要 设计了以M A X 2 3 2 为核心的串行接口电路 使得控 制器既可以离线编程 也可以在线编程 从而极大地提i 商了控制器使用的灵活性 此外 为了在少增加甚至不增加成本的条件下 最大限度地增加单片机实验项目 在设计印制电路板时采取了多种措 施 如控制器键盘识别通过8 2 7 9 自动扫描实现 对于 软件扫描法 识别按键的电路 如果单独设计 势必增加电路的复杂 性和硬件成本 为此 设计时采用了 硬件共享 机制 具体做法是 在各主要接口芯片或元器件不同部位设置跨接器及针 孔 如在键盘的行线与列线 8 2 5 5 输出通道及单片机的珊 P 1 口等位置分别设置了跨接器及针孔 又如 针对单片机逻 辑控制实验 如发光二极管显示 增设了相应的发光二极管显示电路 框图未画出 只要利用单片机或8 2 5 5 等芯片的 引脚资源 通过针孔之间的连线就能实现有关逻辑控制的实验 这在单片机理论教学中引了很好的作用 其它 如单片机 计数实验 不同实验的中断源共享等 都采用了跨接器加针孔的方法予以实现 综 i 所述 采用 硬件共享 设计 使控制器的柔性化程度大大增强了 能够完成单片机所有常规实验 对同一控制目 标 可以采取不同的硬件方案 举一反三 加深了学生对单片机硬件原理的理解 也增加对控制系统深层次问题探究的兴 趣 3 电路结构特点 如一h 所述 无论是控制信号输出 还是开关状态检测 均采用了光电隔离措施 并在印制电路板制作上增加了抗干扰 设计 使得控制器能满足 适应工业现场实际需要 茵似 固 嘲孕蜘 瓢一觚一一 髅疆 5 一牡一趴 锄巧 蓦睨焉 乏畦H 6 cl 万方数据 回 曛阚 标志位定义 I 数据缓冲区初始化I 絮 I 匹 标志位初始化 l 弋一 全竺 少I 诋然勰黯 I预置中断源允许 厂丽趸 x x 中断源对应之 N 关中断与现场保护 厕 i J 4 I 操作处理 如 j 数据区访问与处理 l 标志单元 位 处理 场恢复与开中断 匦 a 主程序 b 中断处理程序 图2 控制程序流程图 对于机电一体化或单片机课程设计 或以单片机控制为主要内容的毕业设计之类的 大题目 设计问题 如数控系统软 件的开发设计 从系统监控 目标对象控制所需的一系列计算 键盘处理及实时显示等问题 是一个以中断处理为核心的 大系统 对于这类系统 除了必须满足如高级语言的结构化设计外 开发控制软件如果应用 存储管理 的编程思想 不仅 程序结构简单 逻辑清晰 两且在增加控制功能时 不会对程序的复杂性造成影响 本文所称的存储管理是指对R A M 系 统进行规划 定义 字节定义和位定义 初始化和使用的一系列过程 使得开发者对中断系统的复杂处理转化为对存储 区的操作 这样 只要硬件系统同定 增加控制功能只要 添加定义 及其相应的处理即可 程序结构复杂性并没有发生变 化 很显然 这种编程思想 对于教师指导学生做毕业设计是很有好处的 如教师只需先指导学生编写一个程序 框架 并实现简单功能 此后只要按照存储管理编程规范 添加 功能即可 图2 a 是按照存储管理的编程思想所设计的数控系统 程序的主程序流程图框架结构 它属于存储管理的规划 定义与初始化问题 U 4 中的 预暨中断允许 必须由备中断源实际 万方数据 第4 期林开生 基于5 l 系列单片机的通用控制器的设计及其应用3 7 情况确定 本控制系统中断源使用及预置情况如表1 所示 U 6 中的标志判断完全取决于系统监控需要 如对于数控系统 可以对 启动 暂停 之类的标志进行判断 图2 b 是中断处理流程图 属于存储区的使用问题 U 3 中的 操作识别 依中 断源而定 如键盘 开关中断 则需对按键 开关进行识别 并根据识别结果由U 4 单元进行处理 如果中断源是定时时钟 则不需要U 3 环节 直接进入U 4 环节对存储区进 于 操作 即可 表1 中断源优先级设置用途预置 I N T O S e t bp x O键盘处理 允许 I N T lS e t bp x l 复位 限位 开关处理禁止 T 0C I r t O 插补 复位 时钟禁止 T lC l r t l 计数器或其它用途禁止 4 2 数控系统的复位开关处理问题 在如数控机床这类机电一体化系统中 计算机对复位开关处理的可靠性 合理性将直接影响到机械移动部件定位的精 度和可靠性 由于控制器复位开关接u 采用8 2 5 9 芯片 因此要实现 系统正确的复位动作 必须在程序设计上采取一定的措施 下面以 幽3 所示的数控机床复位过程 说明复位开关动作对程序设计的影 响 方案一 当压块从l 一2 压块下压 一产生中断信号一置位 复 位到 标志位一继续左移 压杆弹开一中断信号撤除一3 一关闭定时 时钟一停止 方案 l 一2 第一次压块下压 一产生中断信号一置位 压下 弹开 标志位一继续左移 压杆弹开一中断信号撤除一3 一反向右移 2 第二次抓块下压 一产生中断信号一复位 压下 弹开 标志位一 继续右移 压杆弹开一中断信号撤除一l 一关闭定时时钟一停止 正向 复位 一一7 X 一一 7 3 2 图3 数控机床复位示意图 负向 上述不I 司方案 实际上体现开关处理程序的算法设计的不同 而硬件并没有区别 在实用的数控系统中 为了解决定 位效率和定位精度的矛盾 还需要作进一步改进 如微动开关一旦被压下 立即做减速处理 有些系统还使用了双压杆微 动开关 其目的就是为了在高速定位的同时 解决定位j i f 度问题 可谓是精益求精 5 用于教学实践的几点体会及其前景 数控机床是最典型的机电一体化产品 由于控制器按数控装置的基本控制需求设计 因此 上述控制器对弥补考L 乜一 体化教学的薄弱环节具有重要的意义 此外 控制器各种功能单元基本上涵盏了单片机教学和实验的伞部内容 且电路原 理图完全 透明 所以控制器本身就是一个很好的教学用具 通过现场演示 包括现场硬件连接 硬件测试 编程 调试 验证等 使得学生对计算机原理不再感到恐惧 学习兴趣也被调动起来了 实验内容与课堂教学完全一致 验证性实验得 到了充分保证 为创新性设计打下扎实的理论基础 总之 控制器在教学中的应用已经对计算机硬件教学模式的改革产生 积极的影响 此外 由于控制器具有很好的柔性 适用范丽广 且生产成本低 在工业控制上也具有一定的实用价值 如 作为专 用数控机床控制器 需要进行行程精确定位控制的场合 中小功率双向可控硅交流调压应用场合 中小功率继电器控制应 用场合等 参考文献 1 李大友 微机接口技术瞰 北京 机械T 业出版社 1 9 9 6 2 林开生 基十微机的数控装胃的设计 M 北京 现代制造丁程杂志社 2 0 0 7 3 胡汉才 单J 机原理及其接口技术 M 北京 清华大学出版社 2 0 0 3 4 微机常用集成l 乜路手册编委会 微机常用集成电路手册 M 电子工业H 版社 1 9 9 1 5 林 乓骏 机床数控系统 M 北京 中国科学技术出版社 1 9 9 1 责任编辑 季平 万方数据 基于51系列单片机的通用控制器的设计及其应用基于51系列单片机的通用控制器的设计及其应用 作者 林开生 作者单位 漳州职业技术学院 机械工程系 福建 漳州 363000 刊名 漳州职业技术学院学报 英文刊名 JOURNAL OF ZHANGZHOU TECHNICAL INSTITUTE 年 卷 期 2008 10 4 引用次数 0次 参考文献 5条 参考文献 5条 1 李大友 微机接口技术 1996 2 林开生 基于微机的数控装置的设计 2007 3 胡汉才 单片机原理及其接口技术 2003 4 微机常用集成电路手册编委会 微机常用集成电路手册 1991 5 林其骏 机床数控系统 1991 相似文献 10条 相似文献 10条 1 期刊论文 黄黎明 朱坚民 郭冰菁 库祥臣 新型单片机数控装置的研制与开发 机床与液压2003 1 本文介绍了一种新型单片机数控装置 它以两片16位单片机为硬件平台 采用闭环控制方式和智能控制算法 有效地保证了数控系统较高的加工精度 该装置实现了面向G指令的加工方式 液晶显示屏和触摸式按键的应用 使人机交互更加方便 文中阐述了该数控装置的软硬件设计及相关关键技术 并给 出了其在CQ9107车床数控化改造中的应用实例 2 学位论文 黄黎明 新型单片机数控装置的研制与开发 2003 该文通过对数控加工的机理进行分析 按数控装置实现的功能 将其划分为实时性和非实时性两部分 在硬件设计上提出了采用双CPU分布式控制结构 主CPU和从CPU并行工作 由主CPU完成监控 显示及自诊断等非实时性任务和插补运算 从CPU实现实时智能控制算法等对实时性要求高的任务 编制了系 统监控程序 诊断子程序 显示子程序 插补予处理程序 插补程序 单神经无自适应智能控制程序等 单神经元自适应智能控制算法 具有自学习和自 适应能力 能在加工时根据当前加工状况实时地调整切削参数 补偿误差 有较强的鲁棒性 系统软件采用 自顶向下 的结构化程序设计方法 用汇编语言编 写 用C语言编制了数控加工程序的编译软件 实现了中高档数控系统的面向G指令的加工方式 3 期刊论文 鄂宏 王秋荣 孟凡东 许红 E Hong WANG Qiu rong MENG Fan dong XU Hong KJF 800 300 可控硅 串级调速数控装置的研制及可靠性分析 辽宁工学院学报 自然科学版 2001 21 2 利用MCS51系列单片机实现对KJF 800 300 可控硅串线调速系统的自动控制 采用电机转速 转子电流双闭环控制及报警信号自动检测 提高控 制精度 达到安全生产 节约能源的目的 4 期刊论文 万文龙 Wan Wenlong 钣金用剪板机经济型数控装置的设计 铁道机车车辆工人2005 5 介绍了一种用于普通剪板机的经济型数控装置 分析了系统的工作原理 功能与结构 5 期刊论文 李勇 李伟光 小型牙刷植毛机数控系统的模块化设计 机床与液压2004 7 论文着重论述了植毛机电气控制系统的主要硬件模块 单片机控制模块 键盘输入模块 LCD显示模块 PLC控制模块 伺服控制模块及其软件模块 植毛机采用闭环控制方式及逐点比较法的插补控制算法 能快速 准确的完成植毛动作 实际应用表明 该系统具有良好的稳定性 6 会议论文 林开生 通用控制器的设计及其应用 2007 介绍了以P89C51RA 单片机为核心的数控装置的设计与实现 控制器硬件结构与特点 8259在单片机数控装置复位开关接口设计中的应用及编程要求 单片机的汇编语言开发环境下的 存储管理 的编程思想及其优势 也介绍了控制器在教学应用实践中的几点体会 7 期刊论文 姚南 Ya Nan C630车床小拖板机动进给数控装置 机械制造2001 39 3 我厂在C630车床上加工如图1所示电动机转轴1 10圆锥轴时 原先采用的是将小拖板转动2 51 45 角度手动进给的工作方式 工作效率低 劳动 强度高 为此 我们在1997年末对C630车床小拖板进行了改装 采用了江苏某电气设备有限公司制造的CNC 11T D机床数控系统 设计制造了C630车床 小拖板机动进给数控装置 其结构见图2 为了对原有机床结构尽可能减少变动 在满足工艺需要的前提下 经过计算 我们选用了J1 05A步进 电机 经一级齿轮减速后 其静转矩达20 4Nm 步进电机经联接盘安装在小拖板的拖板体端面 为降低成本 我们采用了普通的丝杠螺母结构 在小拖 板支承孔的两端面安装了8103平面止推轴承 丝杠与步进电机转轴的联接采用了套筒联轴器 为调整丝杠安装中心 在小拖板支承孔内安装有偏心铜套 CNC 11 D数