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单片机媒介下配电器的智能化设计分析

时间:2019-04-11 11:07作者:曼切
本文导读:这是一篇关于单片机媒介下配电器的智能化设计分析的文章,相较于传统配电控制器, 本设计已经大大降低了配电器的占用空间, 提高了设备反应速度, 以智能元器件代替人工操作, 降低了设备对人的依赖性, 提高了控制准确性和快速性, 并对其他仪器起到很好地保护作用。

  摘    要: 在某型系统中需要按照一定加电顺序及延迟时间对6台设备进行配电。针对现有配电器结构复杂、体积庞大、机械故障率高、严重影响相关设备可操作性和维护性等问题, 提出, 以单片机为媒介, 实现对配电器智能化设计, 对该型配电控制器的硬件构成及软件程序进行了详细分析、设计与实现。根据单片机软硬件设计方法, 分析了该型配电控制器智能化设计的总体方案, 设计了相关硬件电路结构, 并结合配电控制过程设计了软件实现流程。通过上述单片机的软硬件设计与实现, 提高了配电控制器的智能化、自动化程度, 有助于提高某型系统的操作及维护效率。

  关键词: 配电控制器; 单片机; 智能化;

  Abstract: In a certain system, it is necessary to distribute 6 equipments according to certain power-on sequence and delay time. Aiming at the problems of complex structure, huge volume and prone to mechanical failure of distribution controller, which seriously affect the operability and maintainability of related equipment, the intelligent design of distribution devices by using single-chip computer as the medium are put forward. The hardware structure and software program of the distribution controller are analyzed, designed and implemented in detail. According to the design method of software and hardware of single chip microprocessor, the overall scheme of intelligent design of this type of distribution controller is analyzed, the related hardware circuit structure is designed, and the software implementation process is designed combined with the distribution control process. Through the design and implementation of the hardware and software of the SCM, the intelligence and automation of the distribution controller are improved, and the operation and maintenance efficiency of a certain type of system is enhanced.

  Keyword: Distribution controller; Single chip microcomputer; Intelligent;

  配电器是进行某型系统综合控制的配电控制部件, 它控制着部分仪器设备的供电。而配电控制器是配电系统的中枢, 从总体上对电源进行时间和空间上的分配。某型系统需要按一定加电顺序及延迟时间给6台设备依次供电。以往, 配电器为机电控制, 结构复杂, 体积庞大, 故障率高, 不利于维修, 给整个系统空间造成拥挤, 同时给操作人员工作带来很多不便, 因此急需设计一种智能化的配电控制器, 实现对该型系统主要设备仪器的自动化配电控制, 进而提高工作及保障效率。因此, 在对配电控制器进行智能化设计时, 提出了以单片机为媒介实现对配电器进行智能化设计的思路和方案, 在对硬件电路进行分析设计的基础上, 进行软件设计。

单片机媒介下配电器的智能化设计分析

  1 总体设计方案

  基于单片机的配电控制器设计属于单片机控制应用的软硬件设计范畴。需要达到的目标是:操作人员控制主计算机发出控制指令, 配电控制器中的单片机通过RS232总线接受指令, 并验证正确性, 当确认命令后, 控制继电器动作, 完成对配电电路的配电控制。为实现配电控制器的智能化、总线化, 采用嵌入式单片机进行设计, 其主要目的是使配电器达到小型化、模块化的要求, 同时完成对部分设备配电等控制功能, 总体结构如图1所示。

  图1 配电控制器总体设计方案
图1 配电控制器总体设计方案

  Fig.1 Overall design scheme of distribution controller

  单片机所需要的+5 V电压, 可通过DC/DC模块由一次电源+27 V转换而成, 外部通过74LS373扩展三片6264数据存储器。RS232通信模块是保证单片机接收主计算机指令, 时钟电路保证单片机晶振频率正常, 复位电路为单片机提供初始化手段, 继电器驱动电路将单片机发出的信号转化为继电器能够执行的电压, 驱动继电器动作。该配电控制器的软件程序则控制单片机接收指令信号, 运行程序, 发出指令, 驱动相应的电路按规定配电顺序及延迟时间完成动作。

  2 硬件设计

  图1所示的时钟电路、复位电路及6264扩展电路较为常见, 设计方案属于通用方案, 不再详细分析, 只对RS232串行口通信模块、继电器驱动电路模块、电源电路模块做详细设计。

  2.1 RS232串行口通信设计

  RS232是异步串行通信中应用最广泛的标准总线, 它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定, 适用于数据终端设备 (DTE) 和数据通信设备 (DCE) 之间的接口。本设计采用的是芯片MAX232CPE, 其引脚配置如图2所示, 其作用是保证RS232串行口正常通信。由于TTL电平和RS232电平互不兼容, 所以两者接口时, 必须进行电平转换。

  图2 RS232接口电路设计
图2 RS232接口电路设计

  Fig.2 RS232 interface circuit design

  2.2 继电器驱动电路设计

  继电器驱动电路是整个设计的执行元件, 通过电磁感应驱动继电器动作, 有效减少了人为操作产生的失误。图3中, 二极管D1起保护作用。本设计使用的是转换型继电器 (Z型) 。这种触点组共有三个触点, 即中间是动触点, 上下各一个静触点。而继电器工作需要的电压将采用光电隔离电路, 把单片机输出的高/低电平转化成而成。

  图3 电磁继电器驱动电路
图3 电磁继电器驱动电路

  Fig.3 Electromagnetic relay driving circuit

  光电隔离电路如图4所示。本设计采用74LS06元件, 当单片机的PA0口保持低电平 (即0) 时, 经过74LS06反相器。发光二极管端口2为高电平, 所以发光二极管没有电流, 不发光, 光敏元件不导通, PPA也为低电平。当PA0口输出为高电平 (即1) 时, 经过74LS06反相器, 在发光二极管端口2保持低电平, 发光二极管即可以导通, 发光, 光敏元件导通电路, 使得Vpp连接到PPA。PPA为高电平后, 三极管T1便可以导通, 继电器JQXA动作。

  图4 光电隔离电路
图4 光电隔离电路

  Fig.4 Photoelectric isolation circuit

  2.3 电源电路设计

  MCS-51单片机需要正常工作的电压为+5 V, 而现在只有+27 V的电压, 所以需要进行电源转换。本设计中应用DC/DC模块进行直流转直流设计, 这样就可以达到MCS-51单片机工作的额定电压, 如图5所示。

  图5 电源转换电路设计
图5 电源转换电路设计

  Fig.5 Power conversion circuit design

  3 软件设计

  3.1 软件设计要点

  对程序流程进行总体设计。在主程序下内含3个子程序, 主程序采用查询方式, 子程序采用嵌入IF语句和顺序IF语句, 然后在条件中加入防止误操作的语句。如果配电器未完成上一状态就不会进行后面的动作, 保证配电顺序和断电顺序的单一性, 保护其他仪器设备不受误操作损害。基于单片机的软件程序设计必须与其硬件设计结合进行, 在软件设计过程中应考虑以下几点:第一, 采用自顶向下逐层分解的方式, 把复杂的系统进行合理的逐层分解, 直到每个子程序能被简单, 清楚地表达和理解。第二, 软件设计和硬件资源的合理分配 (主要包括EEPROM、RAM、定时器/计数器、I/O口等) , 把模块结构转化为计算机能接受的程序设计语言形式。

  在配电控制器软件程序设计中, 需要实现如下的控制过程:

  完成对RS232串行口的初始化;

  完成对单片机的初始化;

  将配电器的各个继电器开关与单片机的输出口连接, 可以通过主计算机进行控制;

  有效防止误操作的发生。

  3.2 主程序流设计

  主程序为PDKZ。定义了单片机各功能口的位置以及对P3口进行了设置。各功能口定义位置在IN-TEL公司已经有了定义, 然后关中断。由于本设计采用的是查询方式, 所以在程序开始时要对其关中断, 再定义时钟电路T1的工作方式为方式2, 设置波特率为9600, 晶振为11.059 2 MHz。程序为:TMOD=20H;TL1=0FAH;TH1=0FAH。已经介绍了TH1和TL1的初始值应为0FAH, 这样可以保证单片机正常运行。设置SMOD位为1, SMOD位与波特率的制定有关。定时器T1开始工作, 串行口工作方式设置为方式1。开始查询RI的状态。当RI=1时, 表示SBUF内已经存有一组数据, 读取SBUF内的数据, 放在指定的数组RCMD中, 当收到的数据为‘$’时, 则表示命令的起始位, 令I=0, 把数据存放在数组的首位RCMD (0) 中, I加1, 继续查询;不为‘$’, 则把数据依次存放到RCMD (1) 、RCMD (2) 、RCMD (3) 中。其中, I每次加1。当收到数据为‘*’时, 表明一条命令接收完毕, 转入PLD子程序。所设计的主程序流程如图6所示。

  图6 主程序流程图
图6 主程序流程图

  Fig.6 Main program flow chart

  3.3 子程序流设计

  开始执行PLD子程序后, 把数组RCMD中的字符依次比对, 确认命令的正确性, 首个字符必须为‘$’, 后四位依次为‘P’、‘D’、‘K’、‘Z’, 然后确认最后一位是否为‘*’。如果不是, 那么命令错误。令RI=0, 返回LOOP, 继续查询命令。如果是, 则确认RCMD (6) 和RCMD (7) 位, 把这两位所代表的开关代码转化为二进制数存放在X中, 具体命令为:X= (RCMD (6) -30H) *10+ (RCMD (7) -30H) 。再确认数组中的RCMD (5) 为‘K’或者‘G’。‘K’则执行KGKZK子程序, ‘G’则执行KGKZG子程序, 都不是, 那么命令错误。令RI=0, 返回LOOP, 继续查询命令。PLD子程序流程如图7所示。

  图7 PLD子程序流程图
图7 PLD子程序流程图

  Fig.7 PLD subroutine flow chart

  图8 KGKZK子程序流程图
图8 KGKZK子程序流程图

  Fig.8 Flow chart of KGKZK subroutine

  定义单片机输出口为 8 位数组 PKQ, 查询 X 中的数据并与, 在决定这路加电的同时, 确定上一路是否已经完, 确保加电顺序的正确。

  图8是KGKZK子程序流程图。从流程图中可知:如果RCOM (5) =‘K’, 则执行此程序。开始后, 比对X中的数据, 如果为01H, 则表示系统加电, 令P32口输出高电平。如果为02H, 则同时确认现在的状态是否为系统加电, 是则执行命令, 不是则说明误操作, 不执行。返回LOOP, 继续查询命令。下面的命令同上。在执行命令前, 查看目前输出端口的状态, 符合条件则执行命令, 不符合条件, 则判为误操作, 不执行命令, 返回主程序查询状态。满足相关条件后, 会执行KGKZG子程序, 其流程如图9所示。

  图9 KGKZG子程序流程图
图9 KGKZG子程序流程图

  Fig.9 Flow chart of KGKZG subroutine

  当执行断电程序时, 查询 X 中的数据与指定数据比较, 确定, 确定上一路是否已经断电, 确保断电顺序为加。

  如果RCMD (5) =‘G’, 则执行此程序。本程序为断电子程序, 顺序与KGKZK子程序相反, 原理相同。采用逆序查询办法, 确保断电顺序与加电顺序相反, 有效防止了误操作的发生。

  4 结语

  从应用需求出发, 设计并实现了配电控制软件。采用PL/M-51语言编写程序, 语言错误率低。所设计的程序加入了防止误操作处理能力, 实现了由基于单片机的控制程序来判断是否可执行指令。相较于传统配电控制器, 本设计已经大大降低了配电器的占用空间, 提高了设备反应速度, 以智能元器件代替人工操作, 降低了设备对人的依赖性, 提高了控制准确性和快速性, 并对其他仪器起到很好地保护作用。

  参考文献:

  [1]张毅刚. MCS-51单片机原理及应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2004.
  [2]何立民. MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1990.
  [3]胡汉才.单片机原理及接口技术[M].北京:清华大学出版社, 1996.
  [4] 沈德金, 陈粤初. MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1990.

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