设备自动化改造中单片机的应用

文/刘文源

单片机的存在为设备自动化程度的实现提供了便利条件和技术支撑，一定程度上弥补了原有机械设备的不足。在机械设备实现自动化的过程中，单片机的应用越来越广泛，极大的冲击了原有的生产方式，使得原来机械设备存在的操作难度较大、危险系数较大等问题得到有效的解决，不仅有利于作业周期的缩短、作业效果的增强，还有利于实际生产过程中人力、物力、财力的投入比例。换句话说，目前阶段我国的主流设备逐渐被自动化设备替代。因此，在改造机械设备的过程中，我国相关工作人员对于单片机的应用要引起高度重视，不断与其他设备进行有机结合，使得设备自动化程度更高。

1 单片机的简介

1.1 单片机简介

单片微型计算机简称“单片机”，作为一种集成芯片，一般情况下由存储器、控制器、输入设备、输出设备等构成，以超大规模的集成电路技术作为技术支撑。单片机作为工业领域典型的微型控制器，其电子系统较为成熟。自从单片机进入大众视线，其发展非常迅猛，引起了全球半导体厂家的广泛重视，进而逐渐出现类型多种多样的单片机，其中，经典的单片机系列是80C51单片机，其单片机结构体系也具有典型特征，基本构造如图1所示。

其主要由三部分组成：CPU系统、CPU外围单元、基本功能单元，通过内部单一总线连接各个组成部分。80C51单片机的核心部件是CPU系统，主要包含CPU、时钟系统、总线控制逻辑三部分组成。CPU运行时与单元电路存在直接联系的是CPU外围单元，构成CPU系统中最小的系统，由程序存储器ROM、数据存储器RAM、特殊功能寄存器SPR等组成。基本功能单元是计算机的基本外围电路，主要以满足单片机测控功能为主要目标，在一定程度上完善、拓宽计算机的功能，主要包括三个部分：定时/计数器、串行接口、中断系统等。

1.2 单片机简单应用

目前阶段，在智能仪表、实时监控、电力工业等工业生产领域中，单片机得到非常广泛的应用。单片机具有逻辑监控能力、智能操控能力等基本能力，具有比较紧密的结构、轻盈的质量、轻便的质量、较低的能量损耗，与此同时，单片机的扩展性非常优良，按照原定的设置程序，基本的生产操作即可实现。如果按照功能差异性作为分类标准，单片机可以分为多种类型，较为基本的类型主要包括通用型、控制型、专用型等。

冲压机械进行工作时，操作简单，重复性高，循环时间短，如果作业时间过长，由于人工的疲劳操作而发生事故，所以，冲压机械进行作业时危险系数较高。对冲压机械进行自动化改造，不仅减轻工人的工作强度，确保安全生产，还可降低事故发生的频率。

峰峰集团马头洗选厂集体企业公司机电维修厂，选煤配件的生产是其主要的业务，长期从事斗式提升机常用配件脱水斗子的生产。一直以来，使用普通冲床冲制作为斗身板的冲制，方向不可转换，斗孔间距不可自由调整，自动化程度低。不仅加大了工人的劳动力度，降低工作效率，还极易引发安全事故的出现。为更好解决这个问题，该厂对冲床进行自动化改造，将Intel公司生产的80C51单片机和步进电机驱动系统有机结合，采用结合的控制系统对冲床动作进行控制，实现一次性完成斗身板冲刺的目标。

2 设备自动化改造的基本内容

2.1 软件开发

设备自动化改造的过程中，系统的中心即时软件，自动化系统的运行也是以软件作为平台。软件开发设计的过程中，第一考虑因素就是设备系统的实际需求，对输入变量进行逻辑运算，然后在输出口输出。通常情况下，设计方法主要以模块化为主，明确每一模块的程序任务，修改、调试、完善程序局部细致的变化，同时保证其他模块程序的运行不受干扰。选取模块化作为设计方法，不仅有效的扩充、升级相应的软件，还有利于分工协作的实现。

2.2 光隔、扩展、防护、驱动电路的设计

目前阶段我国单片机输入、输出信号的种类不一样，一般情况下包括开关、数字信号、模拟信号等。通常情况下，单片机利用继电器、效应晶体管等管控开关设备对自动化控制过程进行完成。通常意义上说，单片机和继电器接口、单片机和大功率场效应晶体管接口、单片机和固态继电器接口、光电耦合设备接口等都属于单片机接口的范畴，基本工作原理是有机结合控制设备和单片机，将单片机电压的幅度变化值、负荷水平的局限值充分考虑在内，为有效实现缓冲隔离和扩展驱动的目的，将扩展驱动线路相对应的添加在单片机输出一端。通常情况下，开关进行信号的输出时，驱动执行的器件主要包括继电器、可控硅等，其中最主要的管控器件是动力电，输出信号经过单片机进行扩大，按照单片机输出的信号指令，执行器件相应的做出反应和操作，因此，光隔、扩展、防护、驱动电路的基本效应得到有效的实现。

3 设备自动化改造中单片机的应用

对机械设备进行自动化改造，不仅能更好的使设备实现自动化运行，还可以使设备在没有任何人力的帮助下，可智能化、自动化完成日常生产生活中所需要的各项步骤，有效的替代人工的力量，在很大程度上提高了生产力，削减了生产劳动的强度，对国民经济的快速发展、工业产业的优化升级起到良好的推动作用。因此，在对设备自动化进行改造的过程中，一定不能忽视单片机所起的作用，利用单片机更好的完成设备自动化的改造。

3.1 控制总电路设计过程中单片机的运用

对于自动化系统而言，其灵敏度和控制能力是非常重要的，而控制电路的设计不仅对其有着直接的影响，还会影响着各个子系统之间相互协作的能力。倘若在控制系统中，电路设计出现问题，很容易出现不良的现象，例如：控制系统失控、操作失误等。目前阶段，我国使用的单片机具有良好的性能，例如：紧凑的结构、功效强大的指令系统、较小的体积、系统资源储存量占据较小。所以在研发设控制总电路的过程中，安全性、稳定性、及时性是要充分考虑的因素，如果出现其他特殊性能的要求，就应该将特殊功能扩展、中继系统功能考虑在内。另一方面，在设计输入电路、输出电路的过程中，要科学规划合理的寻址形式，最大限度的防止出现数据与选址相矛盾的现象，从而出现一系列更为严重的事情，不利于自动化系统灵敏度的设计，所以，在设计寻址功能时，选取线法和译码法可以作为重点考虑的方法。同时，在显示输出信号时，解剖是应按照单片机的时序进行，及时有效的操作地址数据，保障输入信号变化时可以相对应，对输入状态进行封存，确保输出的准确性、高效性。

图1：单片机基本构造体系

3.2 软件研发过程中单片机的应用

软件平台是设备自动化系统运行的基础前提，只有充分的利用软件系统，单片机的各项功能才能更有效、更充分的发挥，所以，在设备自动化改造过程中，软件系统的设计扮演着至关重要的地位。目前阶段，在对软件进行开发和设计时，设备对于系统的现实需要是个不容忽视的问题，同时，各个子系统间的协作及功能发挥都不容忽视。具体来说，基本设计思路应该为对输入变量进行逻辑运算和其他操作，然后输出端输出，并对各项指令进行输送，最终的操作即可实现。在实际设计过程中，设计手段应选取模块化的，使得各个功能模块协调运行，在此基础上，不断修改和调整相应的程序，将设计难度、整体任务量进一步降低。另一方面，要不断扩展、升级模块设计角度，使得设备自动化的优化升级进步空间更大。

3.3 驱动电路设计中单片机的应用

单片机软件系统、硬件系统及二者间的相互协调，驱动功能扮演着不可替代的角色。如果驱动电路的设计出现问题，那么软件系统、硬件系统就不能很好的协调运行，进而使得系统的其他功能不能正常的发挥。通常情况下，设计驱动电路时，要对可能出现故障的问题仔细研究，例如：输入输出信号的操作问题、端口连接方法、自动化控制环节是否协调有序、端口连接状态是否合理等问题，确保单片机和控制元件可连接紧密。

3.4 系统的干扰和抗干扰方面单片机的应用

3.4.1 系统干扰

在单片机运用过程中，如果运行条件繁琐复杂，设备自动化系统的正常运行就会受到影响，并对其他相关工作的稳定性、安全性形成干扰，就会导致不正确的操作，使得经济有严重的损失。以影响的要素为分类依据，直接耦合方式、电容耦合方式、辐射耦合方式、公共阻抗耦合方式是日常生产过程中最常见的干扰耦合方式。

3.4.2 系统抗干扰

从抗干扰方面出发，主要包括两种方式，即软件抗干扰和硬件抗干扰。通常状况下，软件是在执行各个程序时产生抗干扰，CPU刚开始运行时，由于外界干扰因素的存在，时常出现程序紊乱的状况，因此，在执行程序操作的过程中，非常有必要对软件系统实施抗干扰。一般情况下，做出抗干扰是选择的方式是“软件陷阱”，具体是指对一条引导指令进行选择，将获取的程序强制性的印象其他特别指定的且不影响正常作业的区域，并且在这一特定区域内，要具有一定的程序，专门用来处理错误。硬件抗干扰主要是从干扰源上角度出发，进而达到抗干扰的目标，一般情况下是在干扰源两端进行电容的并联，比较常见的做法是：

（1）在继电器线圈添加续流二极管，在线圈断开的过程中，避免反电动势干扰的发生；

（2）在电路上添加滤波电路。电路板上每一个IC应该都有一个高频电容与之相应的进行并联，这样可以在很大程度上降低IC对电源的影响。

（3）在进行布置线路的过程中，垂直折现的现象一定要避免发生，可以减弱高频噪音的出现。

4 结束语

综上所述，单片机的出现和不断完善发展，是电子计算机在控制领域中一次质的飞跃，对于各个领域、各个行业内智能化、自动化、数字化进程的发展起到了良好的促进作用。在机械设备自动化改造的过程中，广发运用单片机不仅使得控制系统整体的有效性、稳定性得到稳步提高，与未来工业高效率、低误差的机械自动化的发展前景像契合。

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