DZ223基于PLC滚塑机系统设计
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目 录第一章 绪论 .3第二章 方案论证 .42.1 滚塑机简要工作过程 .42.2 方案选择 .42.2.1变频器+PLC .42.2.2变频器+单片机 .5第三章 系统设计 .63.1系统组成 .63.1.1单片机 .63.1.2转台 .63.1.3 变频器 .73.1.4位移传感器 .103.2单片机的组成 .163.2.1 MCS51单片机的硬件结构 .163.2.2 MCS51的引脚 .173.2.3 时钟电路 .193.2.4 外部中断源 .203.2.5 定时器/计数器的设计 .213.2.6 复位电路 .223.3 存储器的扩展 .233.3.1 程序存储器 EPROM.233.3.2 数据存储器 .243.3.3 EPROM和 RAM的综合扩展 .253.4模拟量与数字量的转换 .253.4.1 MCS-51单片机与八位 DAC0832的接口 .253.4.2 MCS-51单片机与八位 ADC0809的接口 .283.5 键盘和显示器 8279可编程键盘/显示器接口 .313.5.1 8279的结构 .313.5.2 8279的引脚与功能 .323.5.3 8279接口和编程方法 .343.5.4 显示器接口 .353.5.5 键盘接口 .363.5.6 8031和 8279的接口方法 .382第四章 软件设计 .404.1程序流程图 .404.1.2键输入中断程序流程图 .404.1.2主程流程图 .404.1.3显示子程序流程图 .424.1.4中断程序流程图 .434.2 主要程序清单 .44参 考 文 献 .483第一章 绪论在国外,滚塑已经是一个广泛采用的塑料成型工艺之一。在本世纪40年代,开始用聚氯乙烯糊通过滚塑成型方法生产塑料球之类的玩具等产品。50年代,开发了以低密度聚乙烯粉状树脂为原料的聚乙烯滚塑成型工艺,生产聚乙烯贮槽、大型管材等工业产品,从而大大促进了滚塑工艺的发展。此后,尼龙、聚碳酸酯、ABS等多种塑料也相继采用滚塑工艺成型,到70年代初,滚塑已成为一个颇具规模的塑料成型工艺。20余家公司从事滚塑成型加工,其中有德国、法国、瑞士、挪威、奥地利、丹麦等国的公司。70年代初、英国已能提供可生产容量达18000L的容器的滚塑机;1970年美国已有500余家单位从事滚塑制品的生产拥有500余台滚塑机. 为了适应制备大型滚塑制品的需要,60年代末期开发了许多能滚塑成型大型制件,能有效地利用占地面积和热能的机器。1970年,市售滚塑机中一半以上的滚塑机,其回转直径范围超过1.75m。此外,机器的控制水平也得到了不同程度的提高,例如三臂式滚塑机McNeilAuronismodd 3000-200可以分别控制各臂的加热、冷却周期,以便同时滚塑成型不同尺寸和不同物料的制品,其回转直径达5m,每个臂可承受的模具和树脂的总重量约13500N;传热效果好,占地面积小的夹套式滚塑机也在这段时间设计、制造出来。我国滚塑的开发研究亦可追溯到60年代,到60年代后期,上海玩具行业已开始利用滚塑成型方法年产软聚氯乙烯小球;上塑三厂已成功地试制出容积200L和1500L的滚塑聚乙烯容器;70年代中期,北京玻璃钢研制所开发成功滚塑尼龙容器并在森林灭火瓶等产品中得到应用。但真正大规模工业化生产,还是在80年代中、后期,从国外引入先进滚塑设备与技术之后。目前,已能制备容器量20000L,以上的化工贮槽以及高塑全塑游艇等大型塑料制品,但决大多数厂家设备还是以进口为主.基于这种情况,对于滚塑机的设计和研制极有社会意义和研究价值.(滚塑=旋转成型)4第二章 方案论证2.1 滚塑机简要工作过程滚塑机的工作过程其实是一个过程控制。它有 3种操作方式,即手动、半自动和全自动.设备分为 5个工作区域,分别为:装料区、加热室预冷区、冷却室和卸料区.机械臂上装有轮盘,以固定模具,机械臂由电机驱动的转台带动沿圆形轨道行驶到各区域。循环起始点为装料区,在此工作区内需实现盘的角度调整,使模具能在水平面上安全装料;第二步转台带动机械臂及模具转至加热室,在加热室中,机械臂前端由齿轮带动盘 360 旋转,塑料材料在模具中滚塑成型.在此工作区需实现加热室温0度控制和盘臂自动旋转及其转速调整.第三步进入预冷区,在这个区域模具静止不动,使塑料部件凝固成型。第四步进入冷却区,用风冷却模具,利用风机来实现这一操作.转台在每个区域停留的时间由工艺的需求来设定。我们只研究设计转台带动机械臂沿轨道旋转行驶部分。2.2 方案选择对于电动机控制小车在轨道上行驶有很多种办法,本设计希望采用变频调速器作为电机的调速控制设备, 电机规格为:230VAC/3PH/60HZ/1700RPM。所以我们设计了两种方案:变频器+PLC 控制与变频器+单片机控制。2.2.1变频器+PLC此种方案以 PLC代替传统的继电器逻辑系统,利用逻辑运算实现设备的程序逻辑控制。PLC 向设备传递信息,主要是控制设备的执行元件与电磁阀、接触器、继电器,以及确保设备运动部件状态的信号和故障信号。设备给 PLC信息主要是设备主控板上各开关、按钮等信息。将所有的转台位置机械极限更换成磁感应极限,既减少了日常的维护又增加了定位的可靠性,并将转台位置极限及上下阀极限引入 PLC输入作为故障显示、报警及相关转台位置、开关的控制,将变频器由 PLC控制,同时将变频器的状态引入 PLC输入,所有的开关输出均由 PLC控制,通过编写 S7-400PLC程序,及设定变频器实现转台系统的自动定位、自动开启等。转台电气系统硬件构成:采用西门子 S7-400系列 PLC,CPU 采用 412-2 DP并通过 CPU412-2 DP直接与上位机 WINCC组态软件进行通讯,输入模块采用 32点 24V直5流输入模块共计 128点,输出模块采用 32点 24V直流输出模块共计 64点,变频器采用富士 G11通用型变频器。2.2.2变频器+单片机在本设计系统中,以单片机(8031)作为转台检测和控制核心。采用变频调速器作为电机的调速控制设备,接受单片的 D/A输出量作为变频器的给定值,按照给定值工作。本设计采用三相异步电动机,用变频调速器作为电机的调速控制设备。位置检测采用电涡流式位置传感器。单片机控制电路主要由一片 8031及程序存储器与数据存储器的扩展、模拟量与数字量的转换等组成。主要用于实现转台位置检测控制、变频器对电动机的驱动以及键盘显示等功能。运用标准编程语言。经济型控制,价格低廉,编程简单,操作方便。综合考虑两种方案,方案一虽安全稳定,但造价成本较高。方案二在达到与方案一同等效果的基础上,大大降低了成本,符合经济型控制的目的。综上,采用方案二作为设计方案。6第三章 系统设计3.1系统组成本系统由单片机、转台、变频器、传感器等几部分组成。系统框图如图 3-1所示。下文将对每一部分系统组成进行具体介绍。8 0 3 1键盘显示接口 8 2 7 9传感器L E D 显示器A / D 转换键盘R A M 扩展变频器R O M 扩展D / A 转换器M图 3-1 系统框图3.1.1单片机单片机控制电路主要由一片 8031 及程序存储器与数据存储器的扩展、模拟量与数字量的转换等组成。主要用于实现转台位置检测控制、变频器对电动机的驱动以及键盘显示等功能。考虑到电机的起动电流制动时比较小,不会造成电源电压不稳定,对单片机和传感器的工作产生干扰,所以,电机驱动电路和单片机以及传感器电路无须用光耦隔离。3.1.2转台转台上装有机械臂,由电动机来带动转台沿圆形轨道行驶。本设计采用的电动机是三相异步电动机,型号为 230VAC/3PH/60HZ/1700RPM。利用变频器和坚固耐用、价格低廉的异步电动机可以方便地构成性能价格比较高的调速系统。所以,在本文7设计系统中,采用变频调速器作为电机的调速控制设备。对于电动机我们已经很了解,在此不再多加介绍,对于变频器的结构及工作原理,我们在下节中详细介绍。3.1.3 变频器由于交流变频调速系统具有调速精度高、调速范围宽,能实现软启动和软自动等优点,而且各种型号变频器在市场上容易购买,利用变频器和坚固耐用、价格低廉的异步电动机可以方便地构成性能价格比较高的调速系统,所以,在本文设计系统中,采用变频调速器作为电机的调速控制设备,接受单片的 D/A输出量作为变频器的给定值,按照给定值工作。由变频器控制电动机具有以下明显优点:(1).电机启动电流小,转矩大,避免了大电流冲击,节电显著。(2).节约备件,无需更换接触器等低压电器。(3).无需人工维护,可靠性极高。下面我们对变频器做以详细介绍。一、变频器原理一般的变频调速系统主要采用交-直-交型变频装置。基本思路是先把三项交流电变为直流电,再经过逆变器变为频率可调的三项交流电。根据不同的控制方式,可以有以下三种不同的变频调速方法,即恒磁通变频调速、恒流变频调速和恒功率变频调速。恒磁通变频调速是运用最多的一种变频调速方式,它必须在变频的同时进行调压,并在低频时加以补偿,以获得恒磁通恒转距调速特性。图 3-2所示为交-直-交变频器的电路模型。图 3-2 变频单元原理图选用一组可控整流器把电网交流电源变换为可调的直流电,接着再用一组桥接开关 TH1、TH2、TH3 和 TH4对负载 R1提供交流电压,其幅度由前组可控整流电路的控制角 a决定,而频率 f则由后组桥接开关器件的导通规律决定。二、变频器的基本结构8图 3-3所示为交-直-交型变频调速电路的两种典型结构框图,就功能而言,同类变频器的基本结构大同小异,一般由整流电路、滤波电路、逆变电路及控制电路几部分组成。图 3-3交-直-交型变频调速典型框图(1)整流器 其作用是变交流为直流电。在变频技术中,可以采用硅整流管结构成不可控整流器,也可采用晶闸管构成可控整流器。交流输入电源是单相还是三相,视负载的额定电压和功率要求而定。(2)滤波器 用来缓冲直流环节与负载之间的无功功率。电压行变频器采用大电容滤波,电流型变频器采用大电感滤波。(3)逆变器 功率逆变器的作用是将直流电逆变为频率、幅度可调的交流电。随着可关断晶闸管(GTO)、功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(功率MODFET)、绝缘栅双级晶体管(IGBT)以及 MOS控制晶闸管(MCT)等新型功率器件的不断问世,功率逆变器的性能越来越完善。(4)控制电路 其作用是,根据变频调速的不同控制方式,产生相应的控制信号,控制空率逆变器中各功率器件的工作状态,使逆变器及整流器(采用可控整流方式时)协调工作,输出预定频率和幅度的交流电源。对恒转矩调速而言,控制电路应保证输出电压压频比基本不变。图 3.3( a)所示交-直-交变频电路,是通过在逆变器输出电源频率 f变化的同时,改变可控整流电路的触发角 a,从而使逆变器输出方波的幅度也随之变化,从而保证 u/f(压频比)为一常数,实现恒转矩调速。图 3.3(b)所示电路为采用脉宽调速技术(PWM)的交-直-交变频控制电路。由电网电压整流后提供给逆变器固定的直流电压,逆变器的功率器件则采用全控(即可控制其导通,也可控制其关断)元件,在输出电压频率为 f的每一个半周,逆变器给负载送入多个宽度不等的脉冲序列,其等效电压与正弦波极其相似,故称为正弦波脉宽调制 SPWM。该电路输出电压 u。的每一个脉冲幅度相同。调速时改变输出脉冲由窄变宽又由宽变窄的频率(即改变输出等效电压 uof的频率 f),并且相应改变脉冲中每一个脉冲的宽度,使 uof发生变化,这样就保证了输出电压的 u/f值不变,满足变频器工作特性的基本要求。 5三 、LG 变频器功能及引脚介绍9本设计所采用的变频器为 LG变频器以下是其功能与引脚的介绍。(1)功率/电压等级:每个变频单元由两组整流桥、两组滤波电容和一组逆变桥组成。逆变桥采用非对称的三电平单相逆变电路构成,通过适当控制各个开关管的工作状态,可以在逆变部分输出 0v,Ud,2Ud(Ud 为一组直流电压的幅值)共 5个电压电平,多个变频单元在逆变单元在逆变侧串联起来,按正现规律控制进而实现串联倍压输出(2)LG 变频器一般特性:1、3055kW,200-230VAC,3 相;2、变频器类型:采用 IGBT的 PWM控制;3、控制方式:V/F 空间矢量 PWM技术;4、恒转矩,变转矩双功率等级;5、防护等级:IP00; 6、210Hz 载波频率; 7、0.5400Hz 输出频率; 8、可移动的控制面板(读/写参数);9、6 个多功能输入端子;10、5 个多功能输出端子(3 个集电极开机方式,2 个继电器方式);11、4-20mA 模拟量输出;(3)LG 变频器管脚图如图 3-4(4)管脚功能:R、S、T交流电源输入(3 相,200230VAC 或 380460VAC)。GND接地。N制动单元(N-N)连接端子。U、V、W到电机输出端子(3 相,200230VAC 或 380460VAC)。S1正转指令得电前进,失电停止。S2反转指令得电后退,失电停止。S3紧急停止 BX信号为 ON,变频器输出被关闭。当电机使用机械包闸制动。用于关闭输出信号,当 BX信号为 OFF时,FX 得电,电机运行。S4故障复位用于故障复位。S5、S6多功能输入 16 用于多功能输入端子。CM顺序公共端子输入端的公共端子。VS频率给定(电压)用于 0-10V的输入频率,内置电阻 20K。IS频率给定(电流),用于 4-20mA的输入频率,内置电阻 20K。10MA频率输出。(用于外部监视)根据变频器输出频率输出 PWM信号,最大输出电压和输出频率为 0-12V和 1mA。MB电流/电压输出。(用于外部监视)输出电流或输出电压,缺省设置为输出电压。最大输出电压和输出频率为 0-12V和 1mA,输出频率设置为 1.8kHz.图 3-4 LG 变频器管脚图MC频率公共端子频率设置公共端子。IO模拟输出(412mA)。根据变频器输出频率输出数字信号。M1、M2多功能集电极开路输出定义多功能输出端子后使用,AC250V,1A 或更小;DC30V,1A 或更小. 7113.1.4位移传感器位移传感器又称为线性传感器,它分为电感式位移传感器,电容式位移传感器,光电式位移传感器,超声波式位移传感器,霍尔式位移传感器,我所选用的是电涡流式传感器。该位移传感器是一种建立在电涡流效应原理上的传感器,接通电源后,在开关的感应面将产生一个交变磁场,当金属物体接近此感应面时,金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量,使振荡器输出幅度线性衰减,然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。它具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线形范围大、抗干扰能力强以及体积小等一系列优点。电涡流式传感器最大的特点,是可以对物体表面为金属导体到多种物理量实现非接触测量。该位移传感器具有无滑动触点,工作时不受灰尘等非金属因素的影响,并且低功耗,长寿命,可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。一、电涡流式传感器的基本结构形式电涡流式传感器的基本结构包括探头和变换器两个部分。变换器由测量电路组成,线圈用多股包漆包线或银线绕制而成,一般放在端部(线圈可绕制在框架的槽内,也可用粘合剂粘结在端部)。二、电涡流式传感器的基本工作原理1、电涡流效应至于变磁场中的金属导体,当变磁场穿过该导体时,将在导体内产生感生电流,这种感生电流的流线在导体内自行闭合,象流水中的旋涡一样,故称为电涡流。如图 3-5所示:图 3-5 电涡流效应图一个通有交变电流 I 1的线圈,由于电流的变化,在线圈周围就产生一个交变的磁场 H1。当金属导体置于该磁场范围时,导体即产生电涡流 I2。此电涡流也将产生一个磁场 H2,由于 H2与 H1方向相反,因而减弱原磁场,从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生改变,这种现象称为电涡流效应。一般地说,传感器线圈的阻抗、12电感和品质因数的变化与导体的几何形状、导电率以及导磁率有关,也与线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到导体间的距离有关,可以用一个函数表达式来表示: Z=F(,r,I,)(3-1)式中 Z线圈的阻抗;导体材料的导磁率;导体材料的导电率;r 线圈和导体的尺寸因子;线圈激励电源的角频率;I线圈中的电流强度;x线圈中与导体间的距离.由金属导体和通电线圈组成的电涡流系统又称为线圈导体系统.系统中,线圈的阻抗是一个多元函数.若线圈和导体材料确定后,可使 ,r,I 以及 等参数不便,则此时线圈阻抗就成为距离的单值函数。2、等效电路线圈导体系统的电涡流效应可以用等效电路的形式进行分析。县全是一个回路,R1为线圈电阻,L1 为线圈电感,I1 为激励电流,U1 为激励电压;导体中的电涡流构成另一回路,相当于一个短路环,R2 为环路的电阻,L2 为环路的电感,I2 就是感生的电涡流。图 3-6(a)中的 M为 L1和 L2相互的互感量,M 可以看成为只受到线圈和导体间距离的影响。图 3-6 互感电路与等效电路由图 3-6(a)所示的等效电路,根据基尔霍夫定律,可列出电路方程组为:(3-1)02211ILjIRKj UMI解方程可得传感器由于受电涡流效应影响的复阻抗为(3-2)SSjIZ1/式(3-2)可用图 3-6(b)的等效电路表示,即21SLR(3-3)13式中 考虑了电涡流效应后,传感器线圈的等效电阻;SR考虑了电涡流效应后,传感器线圈的等效电感;L电涡流环路反射到线圈内的等效电阻;2电涡流环路反射到线圈内的等效电感。由等效电路可作如下分析:线圈等效电阻 。无论金属导体为何种材料,只要有电涡流产生就21RS有 。同时随着导体与线圈间的距离减少, 会越大,因此, ;2R 2R1RS线圈等效电感 。由于线圈自身电感 要受磁性材料的影响,若金21LS1L属导体为磁性材料时, 略有增加,若为非磁性材料, 不变。但 却是由金属导2L体的电涡流强弱来决定的。线圈和导体间距离越小, 则越大,故从总的结果来2看 ;1LS线圈原有的品质因数 ,当产生电涡流影响后,线圈品质因数10RLQ,显然 。SSRsQ0S三、特性分析由式(3-1)可知,电涡流传感器线圈的阻抗受到多种参数的影响。因此用固定句个参数不变,而控制一个参数的改变来决定其阻抗,就可用来测量位移、温度和硬度等。电涡流传感器的基本测量参数是位移,且设计中只涉及到位移,因此只分析位移型传感器的特性。(1)输出特性电涡流传感器的输出特性是指传感器的输出与被测导体同线圈(探头)之间距离的关系。若传感器输出信号为电压,则输出特性为 f(x) .即输出电压是间SCU距的函数。经实验测得的位移型电涡流传感器的输出特性如图 3-7所示。这是一条非线形的曲线,当间距x很小时,由于电涡流效应显著,使线圈阻抗减小,输出电压值小;当间距很大时,由于电涡流效应减弱,传感器输出电压升高;而当间距超过一定数值后,电涡流效应很弱,故输出电压趋向一稳定值。因此,只有当间距在一定范围内(如图 3-7中 x1x2之间) ,传感器的输出才近似为线性化。电涡流传感器输出的线性范围大约为线圈的外径,其线性度也较底 图 3-7 电涡流传感器输出特性。 (2)灵敏度电涡流传感器的灵敏度根据被测参量不同有不同的定义。对于位移型电涡流传感14器,其灵敏度是指单位位移时,传感器输出电压的大小。电涡流传感器的灵敏度受下列因素的影响:受探头线圈尺寸的影响。可从实验中得知,当线圈外径与内径之比增大时,传感器的灵敏度会升高,而且输出特性的线性度好。另外线圈的厚度减小也能使灵敏度提高,故探头线圈做成扁平的为好。受被测物体(导体)的形状和大小的影响。一般被测物体的半径应大于线圈外径的.倍时,才不影响传感器的灵敏度。若被测物体半径只有线圈外径的一半时,传感器的灵敏度将要降低一倍,被测物体的厚度对传感器的灵敏度也有影响,一般磁性材料的厚度要在.mm 以上,非磁性材料厚度要在.mm 以上,才能不影响到传感器的灵敏度。受被测物体材料特性的影响。一般说来被测物体的电导率 越高则传感器越灵敏,而被测物体的磁导率大,反而使传感器的灵敏度有所降低。受工作频率的影响。当工作频率升高时,传感器的灵敏度将提高,但输出电压的幅值不一定增大。四、测量电路根据电涡流传感器的原理,被测参量可以由传感器转换为传感器线圈的值、等效阻抗 和等效电感 等三个电参数。究竟利用哪个参数并将其最后变换为电压或电流信号输出,这要由测量电路来决定。电涡流传感器做测量时,线圈与并接电容(一般在传感器内)组成并联谐振回路。线圈等效电感的变化使并联回路的谐振频率发生变化,将其被测量变换为电压或电流信号输出。并联谐振回路的谐振频率为(3-4)LCf21目前电涡流传感器所配用的谐振电路有调幅式、调频式和电桥式等三种类型。1.调幅式测量电路所谓调幅简单地说就是将输入量的变化通过谐振电路变成一个高频率震荡波的幅值的变化,然后再经过检波得出输入量变化相对应的电压波形而输出。图 3-8所示为调幅谐振电路的原理框图。此电路的工作原理是这样的:晶体震荡器产生一等幅的高频震荡波被送入电涡流传感器中由线圈与组成的并联谐振回路内。当传感器做测量时,线圈与被测物体的距离变化使回路失谐、阻抗减小、线圈两端输出电压的幅值改变,即使原高频震荡波形的幅值发生改变(称为调幅) 。电路中的源极输出器为一个阻抗发生器,它控制后边的电路不影响回路的工作,由高频放大器将调幅波进行放大,再用检波器将调幅波解调后,得到其波形与输入量变化相同的电电信号。但由于有高次谐波及干扰信号的存在,还需要经过滤波器15滤去高次谐波和干扰信号后,输出波形才是与输入被测参量变化相同的电压信号。图 3-8 调幅谐振电路原理框图2.调频式测量路所谓调频就是指用被测量的变化去改变(调制)激励信号的工作频率,使激励信号的工作频率随被测量的变化而变化。调频谐振电路的特点,即电涡流传感器的电感线圈就是激励震荡器的一个震荡元件。所以线圈电感量的变化可以直接使震荡器的震荡频率发生变化,从而实现频率调制。图 3-9所示为调制式谐振电路的原理框图。此电路的工作原理是这样的:由电涡流传感器线圈组成震荡器的震荡元件。测量时线圈电感与被测物体之间的距离发生改变而使线圈的电感也发生改变,故而使震荡器的震荡频率随之改变。这样,震荡器就输出一个幅值不变而频率变化的高频震荡波信号;此信号经高频放大器进行放大后,再经过限幅器限定幅值以适合鉴频器的输入要求;鉴频器将频率变化的调频波用幅值变化的形式反映出频率的变化,即解调;低频和功率放大器将信号放大使其能驱动显示装置,显示器可以是一般的模拟电表,也可以是数字仪表,还可以用记录仪 器等。 图 3-9 调频式谐振电路原理框图图 3-10所示为一简单的调频电路。它由两部分组成:晶体管与电容,同传感器线圈及电容构成一个电容三点式震荡器,其震荡频率 f碎传感器电感(x)的变化而变化;晶体管与射极电阻等元件构成一个射极输出器,起阻抗匹配作用。16图 3-10 调频式测量电路3.电桥测量电路如图 3-11所示,图中、为差动式传感器的两个线圈,或者一是传感器线圈,另一是固定平衡线圈。桥路输出的电压幅值随传感器线圈阻抗变化而变化。2图 3-11 涡流式传感器电桥3.2单片机的组成3.2.1 MCS51单片机的硬件结构MCS5l单片机的片内结构如图 3-12所示:如果按功能划分,它由 8个部件组成,即微处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM/EPROM)、I/O 口 P0口、P1口、P2 口、P3 口)、串行口、定时器计数器、中断系统及特殊功能寄存器(SFR)。它们都是通过片内单一总线连接而成,其基本结构依然是采用 CPU加上外围芯片的传统结构模式.但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器(SFR)的集中控制方式。图 2I中的程序存储器部件如为 ROM,则为 8051单片机;如为 EPROM,则为8751单片机;如无程序存储器,则为 8031单片机:17图 3-12 MCS-51单片机片内部结构下面对各功能部件作进一步的说明:(1) 数据存储器(RAM):片内为 128个字节(单元),片外最多可外扩至 64K字节。(2)程序存储器(ROM/EPROM):8031 无此部件;8051 为 4KROM;8751 则为4KEPROM。片外最多可外扩至 64K字节。(3)中断系统:具有 5个中断源,2 级中断优先权。(4)定时器/计数器:2 个 16位的定时器/计数器,具有四种工作方式.(5)串行口:1 个全双工的串行口,具有四种工作方式。(6)Pl口、P2 口、P3 口、P0 口:为 4个并行 8位 I/O口。(7)特殊功能寄存器(SFR):共有 21个,用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器,是一个特殊功能的 RAM区。(8)微处理器(CPU):为 8位的 CPU,且内含一个 1位 CPU(位处理器),不仅可处理字节数据还可以进行位变量的处理。由上可见,MCS-51 单片机的硬件结构具有功能部件种类全,功能强等特点。特别值得提的是 MCS-51CPU中的位处理器,它实际上是一个完整的 1位微计算机,这个 1位微计算机有自己的 CPU、位寄存器、I/O 口和指令集。1 位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效;而 8位机在数据采集,运算处理方面有明显的长处。MCS-5l 单片机中 8位机和 1位机的硬件资源复合在一起,二者相辅相承,它是单片机技术上的一个突破,这也是 MCS-51在设计上的精美之处。183.2.2 MCS51的引脚掌握 MCS51单片机,应首先了解MCS-51的引脚,熟悉并牢记各引脚的功能。制造工艺为 HMOS的 MCS-51的单片机都采用 40只引脚的双列直插封装(DIP)方式,目前大多数为此类封装方式。制造工艺为CHMOS的 80C5180C31 除采用 DIP封装方式外,还采用方形封装列直插封装(DIP)式的引脚。图 3-13为 MCS-51的引脚图。40只引脚按其功能来分可分为三个部分:图 3-13 MCS-51单片机引脚图(1) 电源及时钟引脚:Vcc,Vss; XTAL1, XTAL2。 (2) 控制引脚: , ALE, , RESET(即 RST). PSENA(3) I/O口引脚:P0、P1、P2、P3,为 4个 8位 I/O口的外部引脚。这些引脚构成了典型的三总线形式,即地址总线(AB)、数据总线(DB) 、控制总线(CB) 。图中锁存器为外扩部件(常用 74LS373、74LS573 或 INTEL8212)。下面根据图 3-13叙述各引脚的功能:1、 电源及时钟引脚(1)电源引脚。电源引脚接人单片机的工作电源。Vcc (40脚):接+5V 电源;Vss (20脚):接地。(2)时钟引脚 XTAL1、XTAL2 时钟引脚外接晶体与片内的反相放大器构成了一个振荡器,它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。XTAL1(19脚):接外部晶体的一个引脚。在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端。这个放大器构成了片内振荡器。当采用外接晶体振荡器时,此引脚应接地。XTAL2(18脚):接外部晶体的另一端,在单片机内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部振荡器时该引脚接收振荡器的信号,即把此信号直接接到内部时钟发生器的输人端。2、控制引脚19此类引脚提供控制信号,有的还具有复用功能。(1)RST/VPD(9脚):当振荡器运行时,在此引脚外加上两个机器周期的高电平将使单片机复位(RST)。推荐此引脚与 Vss引脚之间连接一个约 82K 的下拉电阻,与引脚之间连接一个约 10F 的电容,以保证可靠的复位。在单片机正常工作时,此脚应为0.5V 低电平。掉电期间,此引脚可接上备用电源(VPD),以保持内部 RAM的数据,当 Vcc下掉到低于规定的值,而 VPD在其规定的电压范围内(50.5v)时,VPD 就向内部 RAM提供备用电源。(2)ALF (30脚):当访问单片机外部存储器时,ALE(地址锁存允许)输PROG出脉冲的负跳沿用于 16位地址的低 8位的锁存信号。即使不访问外部锁存器,ALE端仍有正脉冲信号输出,此频率约为时钟振荡器频率的 l/6。但是,每当访问外部数据存储器时(即从程序存储器取来 MOVX类指令),在两个机器周期中 ALE只出现一次,即丢失一个 A1E脉冲。因此,严格来说,用户不能用 ALE做时钟源或定时。ALE端可以驱动(吸收或输出电流)8 个 TTL负载。对于 EPROM型单片机(8751),在 EPROM编程期间,此引脚用来输入编程脉冲。(3) (29脚):此脚的输出是单片机访问外部程序存储器的读选通信号。PSEN在由外部程序存储器取指令(或常数)期间,每个机器周期 两次有效。但在此PSEN期间,每当访问外部数据存储器时(即从程序存储器取来的指令是 MOVX类指令),这两次有效的 信号将不出现。 可以驱动(吸收或输出电流)8 个 LSTTL负载。PSEN(4) /Vpp(31脚):当 端保持高电平时,单片机访问内部程序存储器,但EAA在 PC(程序计数器)位超过 0FFFH时(对于 8051、875l 来说),将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当 保持低电平时,则只访问外部程序存储器,不管是否有E内部程序存储器 c对于 8031来说,因其无内部程序存储器,所以该脚必须接地,这样只能选择外部程序存储器。对于 EPROM型单片机(8751),在 EPROM编程期间,此引脚用于施加+21 伏的编程电源(Vpp),对于 89C51则 Vpp编程电压为12V 或+5V。3、IO 口引脚(1)P0口:双向 8位三态 I/O口,此口为地址总线(低 8位)及数据总线分时复用口,可带 8个 LSTTL负载。(2)P1口:8 位准双向 I/O口,可带 4个 LSTTL负载。(3)P2口:8 位准双向 I/O口,与地址总线(高 8位)复用可带 4个 LSTTL负载。(4)P3口:8 位淮双向 I/O口、双功能复用口。P1口、P2 口、P3 口各 I/O口线片内均有固定的上拉电阻,故称为准双向 I/O口。P0 口线内无固定上位电阻,由两个 MOS管串接,即可开漏输出,又可处于高阻20的“浮空”状态,故称为双向三态 I/O口。3.2.3 时钟电路8031片内设有一个有反向放大器构成的震荡器,XTAL1 和 XTAL2分别为震荡电路的输入端和输出端。时钟可以有内部方式产生和外部方式产生。在 XTAL1和 XTAL2引脚上外接定时元件,内部震荡电路就产生字激震荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振 1回路。晶体可以在 1.2MHz到 12MHz之间选择,电容值在 530PF之间选择,电容的大小可起频率微调作用。XTAL1 接地,XTAL2 接外部震荡器。对外部震荡信号无特殊要求,只要保证脉冲宽度,一般采用频率底于 12MHz的方波信号。时钟发生器把震荡频率两分频,产生一个两相时钟信号 P1和 P2供时钟使用。P1 在每一个状态 S的前半部分有效。P2 在每一个状态的后半部分有效。;X T A L 1X T A L 2图 3-14 内部方式时钟电路外 部震荡源X T A L 1X T A L 2图 3-15 外部时钟电路3.2.4 外部中断源MCS-51单片机设有四个双向 I/O端口(P0,P1,P2,P3) ,每一条 I/O线都能独立地用作输入或输出。P0 口为三态双向口,能带 8个 LSTTL电路。P1,P2,P3 口为准双向口,负载能力为 4个 LSTTL电路。多个外部中断源系统设计21MCS-51有两个中断源,但在实际的应用系统中,外部中断请求源往往比较多。1.定时器中断作为外部中断使用 8把 MCS-51的两个定时器/计数器(T0 和 T1)选择为计数器方式,每当 T0或 T1引脚上发生负跳变时,T0 和 T1的计数器加 1。利用这个特性,可以把 T0和 T1引脚作为外部中断请求标志。而定时器的益出中断作为外部中断请求标志。应用举例如下:设 T0为方式 2外部计数方式,时间常数为 0FFH,允许中断,并 CPU开放中断。其初始化程序为:MOV TMOD, #06H;MOV TL0, #OFFH;MOV TH0, #OFFHSETB TR0,MOV IE, #82H;.当接在 T0引脚上的外部中断请求输入线发生负跳变时,TL0 加 1益出,TF0 被置“1”向 CPU发出中断请求。同时 TH0的内容自动送入 TL0,使 TL0恢复初始值0FFH。这样,每当 T0引脚上有一次负跳变时都置“1”与 TF0,向 CPU发中断请求,T0引脚就相当于边沿触发的外部中断请求源输入线。同理,也可以把 T1引脚作类似的处理。8 0 3 1设备0设备1设备2设备3设备4I N T 0I N T 1P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3图 3-16 五个外部中断源连接2.中断和查询结合的方式22这种方法是把系统中多个外部中断源按它们的重要程度进行排队,把其中最高级别的中断源接到 MCS-51的一个外部中断源输入端,其余的中断源用线或的方法连接到另一个外部中断输入端,并同时还接到一个 I/O口。中断请求有硬件电路产生,而中断源的识别由程序查询来处理,查询顺序由中断源的优先级决定。图 3.3为五个外部中断源的连接电路,其中设备 14经 OC门与 INT1连接,并连接到P1.0P1.3均采用电平触发方式。设备 0为最高级中断源,单独作为外部中断 0的输入信号。3.2.5 定时器/计数器的设计MCS-51单片机内部有两个 16位可编程的定时器/计数器,即定时器 T0和定时器T1。它们既可作定时器方式,又可作计数器方式。定时器/计数器的基本结构。基本部件是两个 8位的计数器(其中 TH1,TL1 是 T1的计数器,TH0,TL0 是 T0的计数器。在作定时器使用时,输入的时钟脉冲是由晶体震荡器的输出经 12分频后得到的,所以定时器也可看作是对计算机机器周期的计数器(因为每个机器周期包含 12个震荡周期,故每一个机器周期定时器加 1,可以把输入的时钟脉冲看成机器周期信号) 。故其频率为晶振频率的 1/12。如果晶振频率为 12MHz,则定时器每接收一个输入脉冲的时间为 1us11。当它用作对外部事件计数时,接相应的外部输入引脚 T0或 T1。在这种情况下,当检测到输入引脚上的电平由高跳变到低时,计数器就加 1。加 1操作发生在检测到这种跳变后的一个机器周期中的 S3P1,因此需要两个机器周期来识别一个从“1”到“0”的跳变,故最高计数频率为晶体频率 1/24。这就要求输入信号的电平要在跳变后至少应在一个机器周期内保持不变,以保证在给定的电平再次变化前至少被采样一次。定时器/计数器有四种工作方式,其工作方式的选择及控制都由两个特殊功能寄存器(TMOD 和 TCON)的内容来决定,用指令来改变 TMOD或 TCON的内容后,则在下一条指令的第一个机器周期的 S1P1时起作用。定时器的方式寄存器 TMOD特殊功能寄存器 TMOD为定时器的方式控制寄存器,寄存器中每位的定义如图所示。高 4位用于定时器 1,低 4位用于定时器 0。其中 M1,M0用来确定所选的工作方式.M1M0定时器/计数器四种工作方式选择。C/T定时器/计数器方式选择位。C/T=1 时,为计数器方式;C/T=0 时,为定时器方式。GATE定时器/计数器运行控制位,用来确定对应的额外中断请求引脚是否参与 T0或 T1的操作控制。当 GATE=0时,只要定时器控制寄存器 TCON中的 TR0(或 TR1)被23置 1时,T0(或 T1)被允许开始计数;当 GATE=1时,不仅要 TCON中的 TR0或 TR1置位,还需要 P3口的 INT0或 INT1引脚为高电平,才允许计数。定时器控制寄存器 TCON特殊功能寄存器 TCON用于控制定时器的操作及定时器中断的控制。其中 D0D3位与外部中断有关。TR0 T0的运行控制位。该位置 1或清 0用来实现启动计数或停止计数。TF0 T0的益出中断标志位。当 T0计数益出时由硬件自动置 1;在 CPU中断处理时由硬件清为 0。TR1 T1的运行控制位,功能同 TF0。TF1 T1的益出中断标志位,功能同 TF0。TMOD和 TCON寄存器在复位时其每一位均清零 8。3.2.6 复位电路当 MCS-5l 系列单片机的复位引脚 RST(全称 RESET)出现 2 个机器周期以上的高电平时,单片机就执行复位操作。如果 RST 持续为高电平,单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求,复位操作通常有两种基本形式:上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后,自动实现复位操作。常用的上电复位电路如图 3-17 (a)中左图所示。图中电容 C1 和电阻 R1 对电源十 5V 来说构成微分电路。上电后,保持RST 一段高电平时间,由于单片机内的等效电阻的作用,不用图中电阻 R1,也能达到上电复位的操作功能,如图 3-17(a)中右图所示。 图 3-17上电复位和上电或开关复位。上电或开关复位要求电源接通后,单片机自动复位,并且在单片机运行期间,用开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路如图 (b)所示。上电后,由于电容 C3 的充电和反相门的作用,使 RST 持续一段时间的高电平。当单片机已24在运行当中时,按下复位键 K 后松开,也能使 RST 为一段时间的高电平,从而实现上电或开关复位的操作。根据实际操作的经验,下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。图 (a)中:Cl10-30uF, R11k图 (b)中:C11uF,Rl lk,R210k 13.3 存储器的扩展MCS-51单片机程序存储器和数据存储器空间是互相独立的,物理结构也不同。程序存储器为只读存储器(ROM) 。数据存储器为随机存储器(RAM) 。单片机的存储器编址方式采用与工作寄存器,I/O 锁存器统一编址的方式 6。对于无内部 ROM的单片机或者程序较长、内部 ROM不够用时,需要外接程序存储器;若数据量大,内部 ROM不够用时,还需扩展数据存储器 RAM。由于 MCS-51系列单片机中程序和数据存储器分别为两个不同的存储区,每个都可扩展到 64KB空间,因此使用很方便。3.3.1 程序存储器 EPROM EPROM典型芯片是 27系列产品,如 2716(2KB) ,2732(4KB) ,2764(8KB)27128(16KB) ,27256(32KB)等。随着大规模集成电路技术的发展,大容量存储器芯片的产量巨增,售价不断下降。大容量存储器的性价比明显增高,所以,在扩展程序存储器设计时。应尽量采用大容量的芯片。这样,不仅可以使电路板的体积缩小,成本降低,还可以降低整机功耗和减少控制逻辑电路,从而提高系统的稳定性和可靠性。在本设计中,选用了 2764作为扩展的程序存储器。它完全可以满足设计的要求。其引脚图如图 3-18所示:引脚的功能如下:A15A0:地址线引脚。D7D0:数据引脚。CE:片选输入端。OE:输出允许控制端。PGM:编程时,加编程脉冲的输入端。Vpp:编程时,编程电压输入端。Vcc:芯片的工作电压。GND:数字地。NC:无用端。图 3-18 2764引脚图253.3.2 数据存储器 MCS-51单片机内部有 128字节 RAM。在实际应用中,仅靠片内 RAM往往不够用,必须扩展外部数据存储器。常用的数据存储器有静态存储器和动态存储器,在单片机应用系统中,外扩的数据存储器都采用静态存储器,所以这里只介绍静态存储器。在单片机系统中常用的静态数据存储器芯片的典型型号有:6116,6264,62128,62256。它们都用单一+5V 电源供电,双列直插封装。在本设计中采用了 6264,完全可以满足要求。其引脚图如图 3-19所示:图 3-19 6264 引脚图各引脚的功能:A0A14:地址输入线。 DOD7:双向三态数据线。CE:片选信号输入线当 26脚为高电平时且 CE为低电平时才选中该片。OE:读选通信号输入线,低电平有效。WE:写允许信号输入线,低电平有效。Vcc:工作电源+5V。GND:地线。所扩展的数据存储器空间地址,由 P2口提供高 8位地址,P0 口分时提供低 8位地址和用作 8位的双向数据总线。片外数据存储器 RAM的读和写由 8031的 P3.7 和 P3.6信号控制,而片外程序存储器的输出允许端由读选通信号控制。尽管与EPROM共处一地址空间,但由于控制信号不同,古不会发生总线冲突。 33.3.3 EPROM和 RAM的综合扩展 在本设计中
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