設備自動化改造中單片機的應用

文/劉文源

單片機的存在為設備自動化程度的實現提供了便利條件和技術支撐，一定程度上彌補了原有機械設備的不足。在機械設備實現自動化的過程中，單片機的應用越來越廣泛，極大的沖擊了原有的生產方式，使得原來機械設備存在的操作難度較大、危險系數較大等問題得到有效的解決，不僅有利于作業周期的縮短、作業效果的增強，還有利于實際生產過程中人力、物力、財力的投入比例。換句話說，目前階段我國的主流設備逐漸被自動化設備替代。因此，在改造機械設備的過程中，我國相關工作人員對于單片機的應用要引起高度重視，不斷與其他設備進行有機結合，使得設備自動化程度更高。

1 單片機的簡介

1.1 單片機簡介

單片微型計算機簡稱“單片機”，作為一種集成芯片，一般情況下由存儲器、控制器、輸入設備、輸出設備等構成，以超大規模的集成電路技術作為技術支撐。單片機作為工業領域典型的微型控制器，其電子系統較為成熟。自從單片機進入大眾視線，其發展非常迅猛，引起了全球半導體廠家的廣泛重視，進而逐漸出現類型多種多樣的單片機，其中，經典的單片機系列是80C51單片機，其單片機結構體系也具有典型特征，基本構造如圖1所示。

其主要由三部分組成：CPU系統、CPU外圍單元、基本功能單元，通過內部單一總線連接各個組成部分。80C51單片機的核心部件是CPU系統，主要包含CPU、時鐘系統、總線控制邏輯三部分組成。CPU運行時與單元電路存在直接聯系的是CPU外圍單元，構成CPU系統中最小的系統，由程序存儲器ROM、數據存儲器RAM、特殊功能寄存器SPR等組成。基本功能單元是計算機的基本外圍電路，主要以滿足單片機測控功能為主要目標，在一定程度上完善、拓寬計算機的功能，主要包括三個部分：定時/計數器、串行接口、中斷系統等。

1.2 單片機簡單應用

目前階段，在智能儀表、實時監控、電力工業等工業生產領域中，單片機得到非常廣泛的應用。單片機具有邏輯監控能力、智能操控能力等基本能力，具有比較緊密的結構、輕盈的質量、輕便的質量、較低的能量損耗，與此同時，單片機的擴展性非常優良，按照原定的設置程序，基本的生產操作即可實現。如果按照功能差異性作為分類標準，單片機可以分為多種類型，較為基本的類型主要包括通用型、控制型、專用型等。

沖壓機械進行工作時，操作簡單，重復性高，循環時間短，如果作業時間過長，由于人工的疲勞操作而發生事故，所以，沖壓機械進行作業時危險系數較高。對沖壓機械進行自動化改造，不僅減輕工人的工作強度，確保安全生產，還可降低事故發生的頻率。

峰峰集團馬頭洗選廠集體企業公司機電維修廠，選煤配件的生產是其主要的業務，長期從事斗式提升機常用配件脫水斗子的生產。一直以來，使用普通沖床沖制作為斗身板的沖制，方向不可轉換，斗孔間距不可自由調整，自動化程度低。不僅加大了工人的勞動力度，降低工作效率，還極易引發安全事故的出現。為更好解決這個問題，該廠對沖床進行自動化改造，將Intel公司生產的80C51單片機和步進電機驅動系統有機結合，采用結合的控制系統對沖床動作進行控制，實現一次性完成斗身板沖刺的目標。

2 設備自動化改造的基本內容

2.1 軟件開發

設備自動化改造的過程中，系統的中心即時軟件，自動化系統的運行也是以軟件作為平臺。軟件開發設計的過程中，第一考慮因素就是設備系統的實際需求，對輸入變量進行邏輯運算，然后在輸出口輸出。通常情況下，設計方法主要以模塊化為主，明確每一模塊的程序任務，修改、調試、完善程序局部細致的變化，同時保證其他模塊程序的運行不受干擾。選取模塊化作為設計方法，不僅有效的擴充、升級相應的軟件，還有利于分工協作的實現。

2.2 光隔、擴展、防護、驅動電路的設計

目前階段我國單片機輸入、輸出信號的種類不一樣，一般情況下包括開關、數字信號、模擬信號等。通常情況下，單片機利用繼電器、效應晶體管等管控開關設備對自動化控制過程進行完成。通常意義上說，單片機和繼電器接口、單片機和大功率場效應晶體管接口、單片機和固態繼電器接口、光電耦合設備接口等都屬于單片機接口的范疇，基本工作原理是有機結合控制設備和單片機，將單片機電壓的幅度變化值、負荷水平的局限值充分考慮在內，為有效實現緩沖隔離和擴展驅動的目的，將擴展驅動線路相對應的添加在單片機輸出一端。通常情況下，開關進行信號的輸出時，驅動執行的器件主要包括繼電器、可控硅等，其中最主要的管控器件是動力電，輸出信號經過單片機進行擴大，按照單片機輸出的信號指令，執行器件相應的做出反應和操作，因此，光隔、擴展、防護、驅動電路的基本效應得到有效的實現。

3 設備自動化改造中單片機的應用

對機械設備進行自動化改造，不僅能更好的使設備實現自動化運行，還可以使設備在沒有任何人力的幫助下，可智能化、自動化完成日常生產生活中所需要的各項步驟，有效的替代人工的力量，在很大程度上提高了生產力，削減了生產勞動的強度，對國民經濟的快速發展、工業產業的優化升級起到良好的推動作用。因此，在對設備自動化進行改造的過程中，一定不能忽視單片機所起的作用，利用單片機更好的完成設備自動化的改造。

3.1 控制總電路設計過程中單片機的運用

對于自動化系統而言，其靈敏度和控制能力是非常重要的，而控制電路的設計不僅對其有著直接的影響，還會影響著各個子系統之間相互協作的能力。倘若在控制系統中，電路設計出現問題，很容易出現不良的現象，例如：控制系統失控、操作失誤等。目前階段，我國使用的單片機具有良好的性能，例如：緊湊的結構、功效強大的指令系統、較小的體積、系統資源儲存量占據較小。所以在研發設控制總電路的過程中，安全性、穩定性、及時性是要充分考慮的因素，如果出現其他特殊性能的要求，就應該將特殊功能擴展、中繼系統功能考慮在內。另一方面，在設計輸入電路、輸出電路的過程中，要科學規劃合理的尋址形式，最大限度的防止出現數據與選址相矛盾的現象，從而出現一系列更為嚴重的事情，不利于自動化系統靈敏度的設計，所以，在設計尋址功能時，選取線法和譯碼法可以作為重點考慮的方法。同時，在顯示輸出信號時，解剖是應按照單片機的時序進行，及時有效的操作地址數據，保障輸入信號變化時可以相對應，對輸入狀態進行封存，確保輸出的準確性、高效性。

圖1：單片機基本構造體系

3.2 軟件研發過程中單片機的應用

軟件平臺是設備自動化系統運行的基礎前提，只有充分的利用軟件系統，單片機的各項功能才能更有效、更充分的發揮，所以，在設備自動化改造過程中，軟件系統的設計扮演著至關重要的地位。目前階段，在對軟件進行開發和設計時，設備對于系統的現實需要是個不容忽視的問題，同時，各個子系統間的協作及功能發揮都不容忽視。具體來說，基本設計思路應該為對輸入變量進行邏輯運算和其他操作，然后輸出端輸出，并對各項指令進行輸送，最終的操作即可實現。在實際設計過程中，設計手段應選取模塊化的，使得各個功能模塊協調運行，在此基礎上，不斷修改和調整相應的程序，將設計難度、整體任務量進一步降低。另一方面，要不斷擴展、升級模塊設計角度，使得設備自動化的優化升級進步空間更大。

3.3 驅動電路設計中單片機的應用

單片機軟件系統、硬件系統及二者間的相互協調，驅動功能扮演著不可替代的角色。如果驅動電路的設計出現問題，那么軟件系統、硬件系統就不能很好的協調運行，進而使得系統的其他功能不能正常的發揮。通常情況下，設計驅動電路時，要對可能出現故障的問題仔細研究，例如：輸入輸出信號的操作問題、端口連接方法、自動化控制環節是否協調有序、端口連接狀態是否合理等問題，確保單片機和控制元件可連接緊密。

3.4 系統的干擾和抗干擾方面單片機的應用

3.4.1 系統干擾

在單片機運用過程中，如果運行條件繁瑣復雜，設備自動化系統的正常運行就會受到影響，并對其他相關工作的穩定性、安全性形成干擾，就會導致不正確的操作，使得經濟有嚴重的損失。以影響的要素為分類依據，直接耦合方式、電容耦合方式、輻射耦合方式、公共阻抗耦合方式是日常生產過程中最常見的干擾耦合方式。

3.4.2 系統抗干擾

從抗干擾方面出發，主要包括兩種方式，即軟件抗干擾和硬件抗干擾。通常狀況下，軟件是在執行各個程序時產生抗干擾，CPU剛開始運行時，由于外界干擾因素的存在，時常出現程序紊亂的狀況，因此，在執行程序操作的過程中，非常有必要對軟件系統實施抗干擾。一般情況下，做出抗干擾是選擇的方式是“軟件陷阱”，具體是指對一條引導指令進行選擇，將獲取的程序強制性的印象其他特別指定的且不影響正常作業的區域，并且在這一特定區域內，要具有一定的程序，專門用來處理錯誤。硬件抗干擾主要是從干擾源上角度出發，進而達到抗干擾的目標，一般情況下是在干擾源兩端進行電容的并聯，比較常見的做法是：

（1）在繼電器線圈添加續流二極管，在線圈斷開的過程中，避免反電動勢干擾的發生；

（2）在電路上添加濾波電路。電路板上每一個IC應該都有一個高頻電容與之相應的進行并聯，這樣可以在很大程度上降低IC對電源的影響。

（3）在進行布置線路的過程中，垂直折現的現象一定要避免發生，可以減弱高頻噪音的出現。

4 結束語

綜上所述，單片機的出現和不斷完善發展，是電子計算機在控制領域中一次質的飛躍，對于各個領域、各個行業內智能化、自動化、數字化進程的發展起到了良好的促進作用。在機械設備自動化改造的過程中，廣發運用單片機不僅使得控制系統整體的有效性、穩定性得到穩步提高，與未來工業高效率、低誤差的機械自動化的發展前景像契合。

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