MCS51单片机在送料小车改造中的应用

MCS51单片机在送料小车改造中的应用摘要:依据现在生产实例，一种基于PLC控制的送料小车进行技术改造。主要论述原小车的PLC原理和运用MCS51单片机原理及接口技术做出的软硬件设计、可靠性分析。并给出流程图、硬件原理图和汇编语言。关键词:PLC MCS51单片机 汇编语言 固态继电器SSR 引言 生产实例中送料小车的PLC控制方式耗费成本较大，浪费资源，因此提出技术改造，使改造后的系统成本下降，节约生产成本。系统改造由MCS51系列AT89S51单片机控制, 输入信号使用独立键盘模式。外部驱动使用固态继电器作为接口器件, 减少中间环节，确保控制系统稳定工作。根据单片机原理及接口技术,最终达到控制目的。1 原送料小车PLC控制系统1.1 被控对象对控制的要求：本文已知小车左右行驶为一台三相交流异步电动机（3KW/6.4A）拖动。装、卸料为装、卸电磁阀控制，其主电路电气原理不做具体分析研究。如图1所示送料小车在限位开关X4处装料，20S后装料结束,开始右行,碰到X3后停下卸料，25S后左行,碰到X4后又停下开始装料，这样往复循环工作,直到按下停止按钮 X2。按钮X1和X0分别用来启动小车左行和右行。图1 小车控制示意图1.2 小车的PLC控制系统：1.2.1 I/O分配表：表1 I/O分配表 输入 输出元件代号名称输入点元件代号名称输出点SB1右行按钮X0KM1交流接触器（左）Y1SB2左行按钮X1KM2交流接触器（右）Y0SB3停止按钮X21YA电磁阀（装）Y2SQ1右行程开关（卸）X32YA电磁阀（卸）Y3SQ2左行程开关（装）X4表1中KM1,KM2为电机左右行（正反转）控制。电磁阀1YA,2YA驱动气压或液压执行元件。1.2.2 外部接线图：图2所示，PLC输出接交流220V电源(此值取决于KM和YA的线圈额定电压值)。KM1与KM2线圈通过其常闭辅助触头互锁。 图2 外部接线图 1.2.3 梯形图：图3所示，为使小车自动停止,将X3和X4的常闭触点分别接与Y0和Y1线圈串联。为使小车自动启动，将控制装、卸料延时的定时器T0和T1的常开触点，分别与手动启动右行和左行的X0和X1的常开触点并联，并用两个限位开关对应的X4和X3的常开触点分别接通装料，卸料电磁阀和相应定时器。 图3 梯形图 1.3 程序分析： 设小车在启动时候是空车,按下左行启动按钮X1,Y1得电，小车开始左行，碰到左限位开关时，X4的常闭触点断开，使小车停止左行。X4的常开触点闭合，使得Y2，TO 的线圈得电，开始装料延时。20S后T0的常开触点闭合，使Y0得电，小车右行。小车离开左限位开关后，X4变为“0”状态，Y2和T0的线圈失电，停止装料，T0被复位。对右行的卸料过程分析与上基本相同。如果小车正在运行时，按停止按钮X2,小车将停止运动，系统停止工作。2 小车单片机控制系统设计2. 1 系统硬件设计：2.1.1 AT89S51介绍：AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。芯片支持ISP在线编程。功能强大的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统和工业控制系统提供高性价比的解决方案。鉴于以上优点，并结合设计目标，故选用此款单片机。AT89S51引脚如图4所示。 图4 AT89S512.1.2 键盘接口技术：通常按键所用的开关为机械弹性开关，因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，如图5所示。抖动的时间一般为510ms。键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保CPU对按键的一次闭合仅做一次处理，必须去除键抖动。 图5 键按下释放时的电压波形 按键的抖动，可用硬件或软件两种方法消除。这里使用的是软件。软件方法去抖动，即检测出键闭合后执行一个延时程序，产生510ms的延时，让前沿抖动消失后，再一次检测按键的状态，如果仍保持闭合状态电平则确定真正有键按下。同理当检测到按键释放后，也要经过510ms的延时，待后沿抖动消失后，才能转入该键的处理程序。去抖程序详见附录II的汇编语言。2.1.3 AT89S51和三相异步电机的接口器件：对于小功率三相异步电机的启停，若采用继电器、接触器等控制电器来实现自动控制，由于继电接触器控制系统是通过触点的机械运动来通断主、控回路，在高冲击、振荡的工作环境下，触点容易发生误动作。当主回路有感性负载，则易于产生触点燃弧及回跳，对外界的电磁干扰较大，并且控制系统中间环节多，必须确保每部分工作准确，系统才能正确工作，所以它必须改进。当前国内外使用的电机控制系统电路如图6所示，这种控制系统称为继电接触器控制系统，它是一种有触点的断续控制，因为其中控制电器是断续动作的。 图6 三相异步电动机控制电路图 2.1.4固态继电器SSR： SSR(Solid state Relay)固态继电器是用分离的电子元器件、集成电路(或芯片)及混合微电路技术结合发展起来的一种具有继电特性的无触点式电子开关。具有寿命长、可靠性高、开关速度快、电磁干扰小、无噪声、无火花等特点。固态继电器按输出负载电源分，有交流固态继电器和直流固态继电器。交流固态继电器按开关方式分有电压过零导通型和随机导通型。过零导通型SSR是当负载电源电压过零区时才能导通，负载电流过零时才关断，这是为了避免使负载受到峰值电压的冲击和干扰；随机导通型SSR是只要输入端加入信号，便可导通。本系统电机接口器件使用过零导通型SSR。 图7过零导通型应用简图过零导通型SSR应用简图和原理图如图7，图8所示。图7中1、2为控制端，加上一定大小的直流电压，输出端3、4便导通；当控制端电压低于一定大小时，输出端3、4立刻断开。其信号控制端和主回路在电气上是隔离绝缘的，所需控制功率小，开关速度很快。 图8 过零导通型原理图以上介绍的交流固态继电器称为单相交流固态继电器，三相交流固态继电器是集三只单相交流固态继电器为一体，并以单一输入端对三相负载进行直接开关切换的固态继电器。如图9所示，三相固态继电器组成原理。 图9 三相固态继电器2.2 硬件原理图： 图10 系统硬件原理图2.2.1 原理图分析：系统中按钮和行程开关P1.0-P1.4口的输入为独立键盘模式。P2.4-P2.7口分别接四个光耦器件，驱动晶体管9013工作。因受控的三相异步电机功率为3KW，额定电流为6.4A，故选择型号为3SSR30的三相固态继电器。该产品过零触发，无火花，介质耐压2500V AC，每相输出最大交流电流有效值为30A(电机直接启动瞬间电流为额定电流几倍)，每相最大相电压有效值为450V，工作频率为50HZ，控制端信号必须满足电压4-24V DC，电流达到50mA输出端才导通。两个单相固态继电器SSR接电磁阀，无特殊要求故在此不做选型，具体根据实际情况而定。系统开关电源电路中的四个线性光耦器件选型为TLP521-1，性能指标CTR为50%-600%。其工作在饱和和截止状态。晶体管9013工作在放大区，为两个3SSR30固态继电器和两个单相SSR的导通提供足够大的输入电流。固态继电器导通，主电路工作。2.3 系统软件程序设计：2.3.1 软件延时程序：延时方法可以有两种，一种是利用MCS-51内部定时器产生溢出中断来确定时间，另一种是采用软件延时的方法。这里选择软件延时。选用的AT89S51单片机的工作频率为12MHZ。所以一个机器周期的时间为12（1/12M）=1us。这样就可以通过指令的执行条数来确定时间。具体一秒延时程序分析：DELAY: MOV R4, #10 ；一个机器周期DL0: MOV R2, #200 ；一个机器周期DL1: MOV R3, #248 ；一个机器周期NOP ；一个机器周期DL2: DJNZ R3, DL2 ；两个机器周期 DJNZ R2, DL1 ；两个机器周期 DJNZ R4, DL0 ；两个机器周期RET DL2 为一个自循环，循环次数为248次,所以延时时间=2482=496us。DL1嵌套中R2设置的初值为200，所以延时时间=(496+1+1+2)200=us，DELAY主延时程序R4设置的初值为10，所以(+1+2)us10=us=1.00003s。如果用公式表达可以写为(2482+1+1+2)200+3101us=us=1.00003s。2.3.2 流程图：图11 系统流程图3 单片机系统可靠性设计3.1 硬件可靠性的设计：由于单片机系统在实际工作过程中，可能会受到各种内部和外部的干扰而发生异常状态，因此抗干扰设计是系统研制中不可忽视的一个重要内容。3.2 本系统中的抗干扰的预防措施：（1）降额使用：在设计时，有意识的降低施加在元器件上的工作应力，提高元器件的可靠性，从而延长其使用寿命。在本系统中，选择的半导体器件都已考虑到这一点。（2）光耦器件使用：在实际的工程项目设计中，由于继电器控制的负载多为感性或容性负载（比如本设计中的电机就是感性负载），如果电磁隔离不好，这些负载所产生的高次谐波信号便会串进单片机控制电路产生各种干扰。本设计中虽然已使用了固态继电器但保险起见又采用光耦对电路再一次进行光电隔离。（3）接地：正确的接地既能抑制干扰的影响，又能抑制设备向外发生干扰，是提高电子设备电磁兼容的重要手段之一。（4）看门狗：AT89S51内部集成看门狗，但由于篇幅限制，故在本设计不再介绍与用应。结语：综上所述运用单片机技术改造的原小车PLC系统是可行的，具有一定的改造价值，降低生产成本，固态继电器的使用提高了原系统外部主电路的可靠性。因作者水平有限，系统未能添加其他智能化功能，且文中有的地方还可以改进简化，如小车汇编程序，希望随着以后更加深入的学习去完善。同时，对给予我论文帮助的网友、同学及王书满导师和其他老师至上我真挚的谢意。参考文献1 杨欣.王玉凤. 51单片机应用从零开始. 北京：清华大学出版社 20082 AT89系列单片机技术手册S.北京威立电子技术有限公司.14-233 王鸿麟. 实用电力电子技术. 北京：人民邮电出版社，19864 张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计.哈尔滨:哈尔滨工业出版社5 杨光友.朱宏辉. 单片微型计算机原理及接口技术. 北京：中国水利水电出版社2005附件I硬件清单：名 称型 号封装形式数量单片机 AT89S51 DIP401片光耦TLP521-1 DIP44片三极管9013 4个电阻12K4个电阻2704个电阻1004个电阻4.7K5个电阻10K1个按键4个行程开关 2个瓷片电容 30pF2片电解电容 10F1片晶振 12M MAXIAL0.41个三相固态继电器3SSR302个单相固态继电器SSR2个附录II 汇编语言： 主程序：ORG 0000HAJMP 0030HORG 0030HSTART: MOV A, #0FFH ； 置输入方式 MOV P1, A MOV A, P1 ； 键状态输入JNB ACC.0, SB1 ； SB1按下转JNB ACC.1, SB2 ； SB2按下转JNB ACC.2, SB3 ； SB3按下转JNB ACC.3, SQ1 ； SQ1按下转 JNB ACC.4, SQ2 ； SQ2按下转SJMP START ； 无键按下返回SB1: ACALL TIME ； 延时去抖JNB ACC.0, left ； 确认按下转LJMP START ； 返回SB2: ACALL TIME ； 延时去抖JNB ACC.1, right ； 确认按下转LJMP START ； 返回SB3: ACALL TIME ； 延时去抖JNB ACC.2, stop ； 确认按下转LJMP START ； 返回SQ1: ACALL TIME ； 延时去抖JNB ACC.3, in ； 确认按下转LJMP START ； 返回SQ2: ACALL TIME ； 延时去抖 JNB ACC.4, out ； 确认按下转LJMP START ； 返回开始left: SETB P2.6 ； 关掉右行MOV R4, #5ACALL DL0 ； 延时0.5秒(防止主电路短路) CLR P2.7 ； 执行左行LJMP START ； 返回开始right: SETB P2.7 ； 关掉左行 MOV R4, #5ACALL DL0 ； 延时0.5秒(防止主电路短路)CLR P2.6 ； 执行右行LJMP START ； 返回开始in: JB P2.7, START ； 小车若未左行则跳转返回SETB P2.7 ； 停车CLR P2.5 ； 装料LCALL time1 ； 呼叫装料延时SETB P2.5 ； 停装料LJMP right ； 右行out: JB P2.6, START ； 小车若未右行则跳转返回 SETB P2.6 ； 停车CLR P2.4 ； 卸料LCALL time2 ； 呼叫卸料延时SETB P2.4 ； 停卸料LJMP left ； 左行stop: MOV P2, #0FFH ； 停止 ACALL TIME ； 延时LJMP START ； 返回开始按键去抖10ms子程序：TIME: MOV R1, #1