基于單片機(jī)的多功能供電控制系統(tǒng)

引言

在工業(yè)控制中經(jīng)常需要對(duì)某些溫度進(jìn)行巡檢和控制，需要定時(shí)控制電機(jī)的起動(dòng)和停止，需要根據(jù)料位計(jì)開關(guān)的狀態(tài)控制多臺(tái)卸料、輸料電機(jī)按照設(shè)定順序運(yùn)轉(zhuǎn)。在對(duì)溫度巡檢和控制時(shí)，要求當(dāng)溫度低于設(shè)定的溫度下限時(shí)，加熱系統(tǒng)開始工作，當(dāng)溫度超過設(shè)定溫度上限時(shí)，加熱系統(tǒng)停止工作。某臺(tái)電機(jī)是啟動(dòng)還是停止不僅取決于定時(shí)時(shí)間、料位計(jì)開關(guān)狀態(tài), 還取決于其它電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以單片機(jī)為基礎(chǔ)，將多路溫度控制、電機(jī)定時(shí)起停和卸料、輸料控制等幾項(xiàng)功能合而為一。此外，本系統(tǒng)還具有以下功能：1、通過檢測(cè)電機(jī)的接觸器，在電機(jī)該運(yùn)轉(zhuǎn)而沒有運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警。2、在熱電阻開路時(shí)報(bào)警。3、能自動(dòng)檢測(cè)電機(jī)的通路，屏蔽掉沒有接入的通路。4、通過鍵盤設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)并保存在FLASH存貯器中，這樣即使在斷電以后參數(shù)也不會(huì)丟失。5、通過大屏幕LCD顯示溫度、設(shè)定的參數(shù)及報(bào)警狀態(tài)。6、具有RS-232和RS-485兩種串行接口，可以通過上位機(jī)操作測(cè)控單元，顯示結(jié)果，并可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)單元通信。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

考慮到本系統(tǒng)程序較大，需要的程序存貯器和內(nèi)部RAM都較多，如果選用普通C51或C52系列的單片機(jī)，則需要外擴(kuò)RAM和EEPROM，因此，本系統(tǒng)選用了Philips公司的P89c51RD+作為微處理器。P89c51RD+內(nèi)部有1024B的RAM，64kB的FLASH存貯器，足以滿足需要。但需要注意的是國(guó)內(nèi)目前很多仿真器都不能仿真RAM大于256B和EEPEOM大于16kB的單片機(jī)，去年下半年Wave公司推出的E6000系統(tǒng)仿真器能解決這一問題。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 開關(guān)量的輸入、輸出

圖3 信號(hào)調(diào)節(jié)與前置放大電路

圖4 程序流程圖

本系統(tǒng)共有79個(gè)開關(guān)信號(hào)，其中輸入信號(hào)47個(gè)，輸出信號(hào)32個(gè)，單片機(jī)可用的I/O口一般只有幾個(gè)，必須擴(kuò)展I/O口。輸入的開關(guān)信號(hào)都是24V的直流信號(hào)。由于電機(jī)接觸器的反饋輸入信號(hào)有可能引入沖擊，所以必須進(jìn)行光電隔離，否則有可能損壞CPU系統(tǒng)。輸出的電機(jī)或電鈴控制信號(hào)都是220V的交流信號(hào)，用繼電器輸出，由于CPU的I/O口不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器，所以必須進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大。另外，繼電器控制線圈的兩端必須反向并聯(lián)一個(gè)二極管，以消除繼電器觸點(diǎn)斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧。

圖2為本系統(tǒng)采用的開關(guān)量輸入、輸出電路圖，共使用了5片8255以擴(kuò)展I/O口，在電機(jī)的反饋輸入端及料位計(jì)開關(guān)輸入端進(jìn)行了光電隔離，將24V的直流開關(guān)反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成5V的TTL信號(hào)，同時(shí)將外部輸入與系統(tǒng)隔開，對(duì)系統(tǒng)起保護(hù)作用。選用的TLP521-4光電隔離芯片含四個(gè)獨(dú)立的光電隔離器。R1和R2選用電阻排，從而減小了電路空間。系統(tǒng)采用繼電器輸出，通過電機(jī)接觸器控制電機(jī)或電鈴的起停。

本系統(tǒng)采用Pt100熱電阻作為溫度傳感器，但必須注意以下兩點(diǎn)：1、溫度接入點(diǎn)往往與控制系統(tǒng)有一定的距離，必須對(duì)導(dǎo)線電阻的影響進(jìn)行補(bǔ)償，否則會(huì)引起很大的誤差，嚴(yán)重時(shí)甚至無法測(cè)試;2、電源波動(dòng)的影響。因?yàn)橄到y(tǒng)電源一般有50mV的波動(dòng)，這一波動(dòng)范圍與阻值變化引起的電壓變化幅度相比不可忽視。

本系統(tǒng)溫度傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)與前置放大器電路如圖3所示。圖中R1、R2、R3為精密電阻，阻值為100W，Rt為熱電阻Pt100，RL1、RL2、RL3表示導(dǎo)線電阻。R1、R2、R3和熱電阻Pt100構(gòu)成測(cè)量電橋，采用圖中的三線制接線法，在往復(fù)導(dǎo)線長(zhǎng)度等長(zhǎng)的條件下可以對(duì)導(dǎo)線電阻獲得較好的補(bǔ)償。熱電阻開路時(shí)，該電路的輸出為+5V，通過測(cè)試電路輸出是否為+5V，可以判斷熱電阻是否開路。

AD586為一精密穩(wěn)壓集成電路，其輸出的5V直流精度達(dá)20ppm，從而降低了電源波動(dòng)對(duì)輸入信號(hào)的影響。VR1為調(diào)零電位器，VR2用來調(diào)整放大倍數(shù)。穩(wěn)壓管ZD1則用來防止過載。這樣隨溫度而改變的鉑電阻的阻值變化就轉(zhuǎn)換成了0~5V電壓變化。12路通道采用相同的結(jié)構(gòu)，分別送入ADC0816進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

顯示部分采用了T240128 (CFG)型液晶顯示器，該顯示器內(nèi)置HD61830控制模塊，提供了與CPU的接口。可以顯示8行15列16×16點(diǎn)陣漢字。

設(shè)置參數(shù)的保存采用了24LC04存貯器，它是基于I2C總線的EEPROM器件，可通過軟件模擬的方法對(duì)其進(jìn)行讀寫操作，即使在斷電的情況下，設(shè)置的參數(shù)也不會(huì)丟失。

此外，本系統(tǒng)采用了RS-232和RS-485兩種串行通信接口，可以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)合。當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，采用RS-485接口，通過外接RS-485/232轉(zhuǎn)換接口與上位機(jī)的RS-232串口相連;傳輸距離較近時(shí)，采用RS-232接口即可。RS-232接口還便于在沒有RS-485/232轉(zhuǎn)換接口的情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分溫度巡檢控制、定時(shí)電機(jī)控制、卸料輸料電機(jī)控制、電機(jī)反饋檢測(cè)報(bào)警、鍵盤參數(shù)設(shè)置和串行通信六個(gè)功能模塊。其中鍵盤參數(shù)設(shè)置和串行通信采用中斷方式，其余的功能模塊都由定時(shí)器0來控制。

將定時(shí)器0設(shè)置成定時(shí)方式，每0.5s中斷一次，每中斷一次，變量timer1、timer2、timer3和timer4增加1。當(dāng)timer1、timer2、timer3和timer4達(dá)到各自的規(guī)定值時(shí)，分別調(diào)用溫度巡檢控制、定時(shí)電機(jī)控制、順序運(yùn)行電機(jī)控制和電機(jī)反饋檢測(cè)報(bào)警子程序。程序流程圖如圖4所示。

結(jié)語

本系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于電除塵低壓供電控制系統(tǒng)中。其中溫度巡檢控制、定時(shí)控制和卸料、輸料控制各部分功能獨(dú)立，且各部分控制電機(jī)的路數(shù)可自動(dòng)檢測(cè)，可多可少，在很多場(chǎng)合可以取代工業(yè)PLC。