工业控制单片机应用实例

第 11章 工 业 控 制 单 片 机 应 用 实 例11.1 步 进 电 机 控 制 接 口 技 术11.2 PC机 和 8051实 现 渗 碳 过 程 集 散 控 制 系 统 11.1 步 进 电 机 控 制 接 口 技 术 三 相 反 应 式 小 步 矩 角 步 进 电 机 ， 电 机 的 定 子 上 有 六 个 等 分 的 磁 极 ， 相 邻 两 个 磁 极 间 的 夹 角为 600。 磁 极 上 面 装 有 控 制 绕 组 并 联 成 A、 B、 C三 相 。 转 子 上 均 匀 分 布 40个 齿 ， 每 个 齿 的 齿 距为 90。 定 子 每 段 极 弧 上 也 有 5个 齿 ， 定 、 转 子 的 齿 宽 和 齿 距 都 相 同 。 而 每 个 定 子 磁 极 的 极 距 为600， 所 以 每 一 个 极 距 所 占 的 齿 距 数 不 是 整 数 。 当 A极 下 的 定 、 转 子 齿 对 齐 时 ， B极 和 C极 下 的 齿 就 分 别 和 转 子 齿 相 错 三 分 之 一 的 转 子 齿 距 ，即 为 30。 这 时 若 给 B相 通 电 ， 电 机 中 产 生 沿 B极 轴 线 方 向 的 磁 场 ， 因 磁 通 要 按 磁 组 最 小 的 路 径 闭合 ， 就 使 转 子 受 到 反 应 转 矩 （ 磁 组 转 矩 ） 的 作 用 而 转 动 ， 直 到 转 子 齿 和 B极 上 的 齿 对 齐 为 止 。此 时 ， A极 和 C极 上 的 齿 又 分 别 与 转 子 齿 相 错 三 分 之 一 的 转 子 齿 距 。 由 此 可 见 ， 错 齿 是 促 使 步 进电 机 旋 转 的 根 本 原 因 。 若 断 开 B相 控 制 绕 组 ， 而 接 通 C相 控 制 绕 组 ， 这 时 电 机 中 产 生 沿 C极 轴 线 方 向 的 磁 场 ， 同 理 ， 在 反 应 转 矩 (磁 组 转 矩 )的 作 用 下 ， 转 子 按 顺 时 针 方 向 转 过 30， 使 定 于 C极 下 的 齿 与 转 子 齿 对 齐 。依 次 类 推 ， 当 控 制 绕 组 按 A-B-C-A的 顺 序 循 环 通 电 时 ， 转 子 就 沿 顺 时 针 方 向 以 每 个 脉 冲 转 动 30的 规 律 转 动 起 来 。 若 改 变 通 电 顺 序 ， 即 按 A-C-B-A顺 序 循 环 通 电 时 ， 转 子 便 按 逆 时 针 方 向 同 样以 每 个 脉 冲 转 动 30的 规 律 转 动 ， 这 就 是 单 三 拍 通 电 方 式 。 按 AB-BC-CA-AB顺 序 循 环 通 电 时 ， 转子 同 样 以 每 个 脉 冲 转 动 30的 规 律 转 动 ， 这 则 是 为 双 三 拍 通 电 方 式 。 若 采 用 三 相 单 、 双 六 拍 通 电 方 式 运 行 ， 即 按 A-AB-B-BC-C-CA顺 序 循 环 通 电 ， 步 矩 角 将减 少 一 半 ， 即 每 个 脉 冲 转 过 1.50。步 进 电 机 的 工 作 原 理 步 进 电 机 控 制 系 统 图 11-1 步 进 电 机 控 制 框 图 图 11-2 微 机 控 制微 机 的 主 要 作 用 是 提 供 控 制 步 进 电 机 的 时 序 脉 冲 。 微 机 每 输 出 一 个 脉 冲 ，经 驱 动 步 进 电 机 便 沿 时 序 脉 冲 所 确 定 的 方 向 步 进 一 步 。 图 11-3 单 片 机 控 制 三 相 步 进 电 机 原 理 图 1 脉 冲 的 生 成单 片 机 可 以 采 用 程 序 延 时 和 定 时 器 延 时 。 图 11-4 程 序 延 时 方 式 图 11-5 定 时 器 延 时 方 式 脉 冲 串 生 成 程 序 流 程 图 脉 冲 串 生 成 程 序 流 程 图 根 据 图 11-4编 写 程 序 如 下 ：MOV R3,#N ； 计 数 器 赋 值LOOP0: PUSH ACC ； 保 存 AMOV P1,#0FH ； 送 高 电 平ACALL DELAY1 ； 延 时MOV P1,#00H ； 送 低 电 平ACALL DELAY1 ； 延 时DJNZ R3,LOOP0 ； R3为 零 转 移POP ACC ； 恢 复 ARETDELAY1:MOV A,#dataLOOP: DEC AJNZ LOOPRET 图 11-5是 利 用 定 时 器 延 时 ， 程 序 清 单 如 下 ： MOV R3,#N ； 计 数 器 赋 初 值 MOV TMOD,#01 ； 定 时 器 T0方 式 1 MOV TL0,#XL ； 赋 初 值 MOV TH0,#XH SETB TR0 ； 启 动 T0 SETB P1.0 ； 送 高 电 平LOOP1： JBC TFO， REP ； 查 T0溢 出 AJMP LOOP1 REP： MOV TLO， #XL ； 重 赋 初 值 MOV TH0， #XH CPL P1.0 ； 求 反 输 出 DJNZ R3， LOOP1 ； 不 为 零 转 移 RET 2 时 序 脉 冲 的 形 成步 进 电 机 的 旋 转 方 向 决 定 于 内 部 绕 组 的 通 电 顺 序 和 通 电 方 式 。 以 常 用 的 三 相步 进 电 机 为 例 ， 通 常 有 三 种 通 电 方 式 ：1) 三 相 单 三 拍 A-B-C-A2) 三 相 双 三 拍 AB-BC-CA-AB3) 三 相 六 拍 A-AB-B-BC-C-CA-A按 以 上 顺 序 通 电 ， 步 进 电 机 正 转 ， 按 相 反 方 向 通 电 ， 步 进 电 机 反 转 。 产 生 时 序 脉 冲 的 方 法 是 ：1) 用 单 片 机 的 P1.0、 P1.1和 P1.2分 别 控 制 三 相 步 进 电 机 的 A、 B、 C相 绕组 。2) 根 据 控 制 方 式 找 出 控 制 模 型 。3) 按 控 制 模 型 的 顺 序 向 步 进 电 机 输 入 控 制 脉 冲 。 由 三 相 三 拍 通 电 方 式 的 二 进 制 可 以 看 出 ， 步 进 电 机 每 步 进 一 步 ， 高 电 平就 左 移 或 右 移 一 位 。 因 此 可 以 考 虑 在 A累 加 器 中 放 一 个 时 序 字 节 ， 在 每个 采 样 时 刻 累 加 器 左 移 或 右 移 一 位 ， 经 输 出 口 输 出 。 单 片 机 为 8位 字 长 ，8不 能 被 3整 除 。 若 把 进 位 标 志 位 CY考 虑 在 内 ， 可 以 看 成 是 第 “ 9”位 ， 就能 实 现 三 相 单 单 拍 和 三 相 双 三 拍 通 电 方 式 。三 相 单 单 拍 通 电 方 式 ， 在 A累 加 器 中 放 时 序 字 节 49H， 示 意 图 如 图 11-6。三 相 双 三 拍 通 电 方 式 ， 在 A累 加 器 中 放 时 序 字 节 BBH（ 图 11-7） cC 指 令 ： RRC ACY0 11011 110 ABD7 D0(a) 正 转 (b) 反 转图 11-6 三 相 单 三 拍 示 意 图CY0 11011 110 ABC指 令 ： RLC ACY0 10010 100 ABC指 令 ： RLC A C指 令 ： RRC ACY0 10010 100 ABD0(a) 正 转 (b) 反 转图 11-7 三 相 双 三 拍 示 意 图 D7D7 D0D7 D0 N 设 步 数 计 数 器0 (C)时 序 字 节 (C)(A) P1保 护 时 序 字 节保 存 A延 时恢 复 时 序 字 节KLCA(或 RRCA) 保 护 时 序 字 节(A) P1延 时恢 复 时 序 字 节恢 复 A返 回步 数 为 0？（ a） 程 序 延 时 方 式 时 序 字 节 (C) 设 步 数 计 数 器0 (C) 返 回启 动 T0 赋 初 值赋 初 值时 序 脉 冲 输 出时 序 脉 冲 输 出RLCA(或 RRCA)T0为 方 式 1定 时T0有 溢 出 ？步 数 为 0？NN (b) 定 时 器 延 时 方 式图 11-8 三 相 三 拍 时 序 脉 冲 输 出 程 序 流 程 图 图 11-8（ a） 程 序 清 单 ：MOV R3, #N3 ； 步 数 计 数 器CLR CPUSH ACC ； 保 存 AMOV A,#49H ； 时 序 字 节 送 AMOV P1,A ； 输 出 时 序 字 节PUSH ACC ； 保 存 时 序 字 节ACALL DELAY ； 延 时POP ACC ； 恢 复 时 序 字 节LOOP: RLC A ； 循 环 移 位MOV P1,A ； 输 出 时 序 脉 冲PUSH ACC ； 保 存 时 序 字 节ACALL DELAY ； 延 时POP ACC ； 恢 复 时 序 字 节DJNZ R3,LOOP POP ACC ； 恢 复 ARET ； 返 回DELAY: MOV R2,#MDELAY1: MOV A,#M1LOOP1: DEC AJNZ LOOP1DJNZ R2,DELAY1 步 进 电 机 控 制 程 序 的 设 计 步 进 电 机 控 制 程 序 的 主 要 任 务 就 是 ： 判 断 旋 转 方 向 ， 按 顺 序 送 出 控 制脉 冲 ， 判 断 所 要 送 的 脉 冲 是 否 送 完 。 下 面 以 三 相 六 拍 运 转 方 式 为 例 ， 说 明 这种 程 序 的 设 计 。 设 步 进 电 机 所 要 走 的 步 数 放 在 R4中 ， 转 向 标 志 存 放 在 程 序 状 态 寄 存 器用 户 标 志 位 F1(D5H)中 ， 当 F1为 零 时 ， 步 进 电 机 正 转 ， 当 F1为 “ 1”时 步 进 电机 反 转 。 正 转 模 型 01H、 03H、 02H、 06H、 04H、 05H存 放 在 8051片 内 数据 存 储 器 20H 25H中 ， 26H中 存 放 结 束 标 志 00H。 在 27H开 始 的 存 储 区 内 存放 反 转 控 制 模 型 01H、 05H、 04H、 06H、 02H、 03H， 在 2DH单 元 内 存 放 结束 标 志 00H。 图 11-9 程 序 延 时 控 制 流 程 图N Y 反 转 模 型 地 址保 护 现 场正 转 模 型 地 址设 步 长 计 数 器输 出 控 制 模 型延 时 ， 增 址返 回恢 复 现 场转 向 标 志 1？是 否 数 据 结 束 ？步 数 为 0？ 恢 复 模 型 首 址 程 序 清 单 如 下 ：PUSH ACC ； 保 护 现 场MOV R4,#N ； 设 步 长 计 数 器 CLR CORL C,05H ； 转 向 标 志 为 1转 移 JC ROTEMOV R0,#20H ； 正 转 模 型 首 址AJMP LOOPROTE: MOVR0,#27H ； 反 转 模 型 首 址LOOP: MOV A,R0MOV P1,A ； 输 出 控 制 脉 冲ACALL DELAY ； 延 时INC R0 ； 地 址 增 1 MOV A,#00H JZ TPL LOOP1: DJNZ R4,LOOP ； 步 数 不 为 零 转 移POP ACC ； 恢 复 现 场RET ； 返 回TPL: MOV A,R0CLR CSUBB A,#06HMOV R0,AAJMP LOOP1DELAY: MOV R2,#MDELAY1:MOV A,#M1LOOP: DEC AJNZ LOOPDJNZ R2,DELAY1RET 下 面 利 用 定 时 器 延 时 ， 中 断 方 式 输 出 控 制 脉 冲 。 YY置 反 向 地 址 指 针 转 向 标 志 为 1？设 步 长 计 数 器主 程 序置 正 向 地 址 指 针T0方 式 1定 时T0赋 初 值 启 动 T0允 许 T0中 断CPU开 中 断步 长 为 0?结 束N 恢 复 模 型 首 址 恢 复 现 场返 回T0赋 初 值保 护 现 场步 长 计 数 器 减 1输 出 控 制 模 型模 型 地 址 增 1中 断 服 务 程 序模 型 结 束 ？图 11-10 定 时 器 延 时 控 制 程 序 流 程 程 序 清 单 ：； 主 程 序 MOV R4,#N ； 设 步 长 计 数 器CLR C ； 转 向 标 志 为 1转ORL C,D5H JC ROTE MOV R0,#20H ； 正 转 模 型 地 址AJMP PH ROTE: MOV R0,#27H ； 反 转 模 型 地 址PH: MOV TMOD,#01H ； T0定 时 方 式 1 MOV TL0,#XL ； T0赋 初 值MOV TH0,#XH SETB TR0 ； 启 动 T0SETB ET0 ； 允 许 T0中 断SETB EA ； CPU开 中 断LOOP: MOV A,R4 ； 等 待 中 断 JNZ LOOP CLR EA ； CPU关 中 断SJMP HERE ； 结 束 ； 中 断 服 务 程 序 （ 由 000BH转 来 ） PUSH ACC ； 保 护 现 场 MOVA,R0 MOVP1,A ； 输 出 控 制 模 型 DEC R4 ； 步 长 减 1 INC R0 ； 地 址 增 1 MOV A,#00H ORL A,R0 JZ TPLTOR: MOV TL0,#XL ； 赋 初 值 MOV TH0,#XH POP ACC ； 恢 复 现 场 RETI ； 从 中 断 返 回TPL: MOV A,R0 CLR C SUBBA,#06H MOV R0,A AJMPTOR 步 进 电 机 的 变 速 控 制 当 步 进 电 机 走 过 的 距 离 比 较 长 时 ， 需 要 低 速 启 动 ， 高 速 运 转 ， 停 止 前 先降 低 速 度 。 这 样 就 解 决 了 “ 快 速 而 不 失 步 ” 的 矛 盾 。 实 现 变 速 控 制 的 基 本 思想 就 是 改 变 控 制 频 率 。 L1 L3L2 步 长图 11-11 变 速 控 制 过 程ffc 升 （ 降 ） 频 过 程 可 以 预 先 确 定 升 （ 降 ） 频 的 方 式 （ 例 如 直 线 方 式或 指 数 方 式 ） 和 升 （ 降 ） 频 的 阶 梯 。 设 置 反 转 模型 地 址YN 设 T0初 值 地 址 指 针设 频 率 阶 梯 计 数 器设 阶 梯 步 长 计 数 器设 置 定 时 器设 置 正 转 模 型 地 址CPU开 中 断CPU关 中 断主 程 序结 束转 向 标 志 为 0？频 率 阶 梯 为 0？ N YYN 赋 降 步 T0初 值阶 梯 步 长 赋 值T0初 值 地 址 更 新频 率 阶 梯 为 0？保 护 现 场模 型 地 址 增 1输 出 控 制 模 型中 断 服 务 程 序模 型 结 束 ？阶 梯 步 长 为 0？ 恢 复 模 型 首 址 返 回恢 复 现 场赋 升 频 T0初 值是 升 频 ？图 11-12 变 频 控 制 程 序 流 程 图 以 下 以 三 相 六 拍 运 转 方 式 、 定 时 器 延 时 、 直 线 升 （ 降 ） 频 为 例 编 写 程 序 。利 用 定 时 器 延 时 ， 在 升 频 段 定 时 器 的 初 值 由 小 变 大 ， 在 降 频 段 定 时 器 的 初 值 由 大变 小 ， 恒 速 段 初 值 不 变 。 作 以 下 约 定 ：1） 定 时 器 T0的 初 值 写 在 EPROM存 储 区 的 同 一 页 中 ， 上 半 页 为 升 频 时 TO的 初 值 ， 下 半页 是 降 频 时 T0的 初 值 。2） 对 8051单 片 机 内 部 数 据 存 储 区 的 一 些 单 元 进 行 定 义 ， 如 表 11-4 表 11-7所 示 。内 存 字 节 地 址 20H 21H 22H 23H 24H 25H 26H控 制 模 型 数 据 01H 03H 02H 06H 04H 05H 00H表 11-4 正 转 模 型 分 配 表表 11-5 反 转 模 型 分 配 表 内 存 字 节 地 址 27H 28H 29H 2AH 2BH 2CH 2DH控 制 模 型 数 据 01H 03H 04H 06H 02H 03H 00H ； 主 程 序 MOV DPTR,addr16 ； T0初 值 地 址 指 针 MOV R3,1BH ； 频 率 阶 梯 计 数 器 赋 值 MOV R2,1AH ； 阶 梯 步 长 计 数 器 赋 值 CLR C ORL C,73H JC ROTE MOV R0,#20H ； 正 转 模 型 首 址 AJMP PHPOTE: MOV R0,#27H ； 反 转 模 型 首 址PH: MOV TMOD,#01H ； T0方 式 1定 时MOV TL0, #00H ； T0附 初 值MOV TH0,#00HSETB TR0 ； 启 动 T0SETB ET0 ； 允 许 T0中 断SETB EA ； CPU开 中 断 LOOP: MOV A,R3JNZ LOOPCLR EA ； CPU关 中 断SJMP HERE ； 结 束 ； 中 断 服 务 程 序 （ 由 000BH转 来 ）PUSH ACC ； 保 护 现 场MOV A,R0MOV P1,A ； 输 出 控 制 模 型INC R0 ； 模 型 地 址 增 1MOV A,#00HORL A,R0JZ TPLRR: DEC R2 ； 步 长 计 数 器 减 1MOV A,#00HORL A,R2JZ THLPRL: CLR CORL C,71HJNC ROTELMOV A,#00H MOVC A,A+DPTRMOVTLO,AAJMP QQ ROTEL: MOV A,#80HMOVC A,A+DPTRMOV TL0,AMOV A,#81HMOVC A,A+DPTRMOV TH0,AQQ: POP ACC ； 恢 复 现 场RETI ； 返 回THL: DJNZ R3,AT ； 频 率 阶 梯 减 1不 为 0转AJMP QQAT:MOV R2,1AH ； 阶 梯 步 长 赋 值INC DPTRINC DPTR ； 初 值 指 针 更 新AJMP PRLTPL: CLR CMOV A,R0 SUBB A,#06HMOV R0,AAJMP RR 等 待 中 断 N Y图 11-13 总 控 程 序 流 程 图 等 待 中 断 主 程 序设 置 标 志 位设 T0初 值 指 针阶 梯 步 长 赋 值阶 梯 计 数 器 赋 值置 正 转 模 型 地 址 设 置 T0定 时 器R3=0?变 速 转 向 为 0? 置 反 转 模 型 地 址 1恒 速 转 向 为 0？置 正 转 模 型 地 址 置 反 转 模 型 地 址步 长 计 数 器 赋 值步 长 为 0？CPU关 中 断设 降 速 标 志 装 入 转 向 标 志装 入 结 束 标 志N NN YYCPU开 中 断是 结 束 标 志 1CPU关 中 断 、 结 束 N 中 断 服 务 程 序保 护 现 场输 出 控 制 模 型模 型 地 址 增 1恢 复 模 型 首 址 模 型 结 束 ？ 阶 梯 -1为 0？阶 梯 步 长 赋 值 更 新 T0初 值 指 针赋 降 速 T0初 值恒 速 步 长 减 1T0赋 初 值 是 变 速 ？阶 梯 步 长 为 0?是 升 速 ？赋 升 速 T0初 值恢 复 现 场图 11-14 中 断 服 务 程 序 流 程 图返 回 程 序 清 单 如 下 ：； 主 程 序 SETB 70H ； 变 频 标 志SETB 71H ； 升 频 标 志SETB 75H ； 执 行 程 序WR: MOV DPTR,addr16 ； 初 值 指 针MOV R3,1BH ； 阶 梯 计 数 器 赋 值MOV R2,1AH ； 阶 梯 步 长 计 数 器 赋 值CLR CORL C,73H ； 判 升 /降 速 转 向JC ROTER ； 为 1转TQ: MOV R0,#20H ； 正 转 模 型 首 址AJMP PHROTER:MOV R0,#27H PH: MOV TMOD,#01H ； T0方 式 1定 时MOV TL0,#00H ； 赋 初 值 MOV TH0,#00HSETB TR0 ； 启 动 T0SETB ET0 ； 允 许 TO中 断SETB EA ； CPU开 中 断 LOOP: MOV A,R3JNZ LOOP ； 等 待 中 断CLR CORL C,75H ； 判 程 序 结 束 标 志JNC GHCLR 70H ； 恒 速 运 行CLR CORL C,72H ； 恒 速 转 向 为 1转JC ROTE MOV R0,#20H ； 正 转 模 型 首 址AJMP TTROTE: MOV RO,#27H ； 反 转 模 型 首 址TT: MOV R2,1CHMOV R3,1DHMOV TLO,1EH ； T0赋 初 值 MOV TH0,1FHLOOP1: MOV A,R2ORL A,R3JNZ LOOP1 ； 等 待 中 断CLR EA ； CPU关 中 断SETB 70H ； 变 速 CLR 71H ； 降 速MOV C,74H ； 将 降 速 转 向 标 志 装 入 73HMOV 73H,CCLR 75H ； 置 程 序 结 束 标 志AJMP WR GH: CLR EA ； CPU关 中 断SJMP HERE ； 结 束； 中 断 服 务 程 序 （ 由 000BH单 元 转 来 ）PUSH ACC ； 保 护 现 场MOV A,R0 MOV P1,A ； 输 出 控 制 模 型PP: INC RO ； 模 型 地 址 增1 MOV A,#00HORL A,R0 ； 是 模 型 结 束 标 志 转JZ PPLRR: CLR CORL C,70H ； 是 恒 速 转INC ROTEL1DEC R2 ； 步 长 计 数 器 减 1MOV A,#00H ORL A,R2 ； 步 长 为 零 转 JZ THL BB: CLR C ORL C,71H ； 是 降 速 转JNC ROTEL2TOR: MOV A,#00H ； 升 频 时 T0赋 初 值MOVC A,A+DPTRMOV TLO,AMOV A,#01HMOVC A,A+DPTRMOV TH0,AAJMP QQROTEL2: MOV A,#80H ； 降 频 时 T0赋 初 值MOVC A,A+DPTRMOV TL0,AMOV A,#81HMOV A,A+DPTRMOV TH0,A QQ: POP ACC ； 恢 复 现 场RETI ； 返 回THL: DJNZ R3,AT ； 阶 梯 不 为 零 转AJMP QQ ； AT:MOV R2,1AH ； 阶 梯 步 长 计 数 器 赋 值INC DPTR ； 修 改 T0初 值 指 针INC DPTRAJMP BBROTEL1:CLR C ； 恒 速 步 长 计 数 器 减 1MOV A,R2SUBB A,#01HMOV R2,AMOV A,R3SUBB A,#00HMOV R3,AMOV TLO,1EH ； 恒 速 T0赋 初 值MOV TH0,1FHAJMP QQPPL: CLR C MOV A,R0 SUBB A,#06HMOV R0,A ； 恢 复 控 制 模 型 首 址AJMP RR 两 级 微 机 控 制 的 多 路 步 进 电 机 变 速 控 制 系 统 图 11-15 多 路 步 进 电 机 变 速 控 制 系 统 原 理 图 控 制 模 型 在 进 行 多 目 标 实 时 速 度 控 制 时 ， 目 标 控 制 信 号 可 采 用 “ 等 时 间 间 隔 ”或 者 “ 不 等 时 间 间 隔 ” 输 出 的 方 式 。 假 定 第 I个 步 进 电 机 在 第 j个 时 间间 隔 Tij时 间 内 ， 所 要 求 的 控 制 频 率 为 Wij， 设 8253的 时 钟 频 率 为 f0，于 是 ， 在 可 以 得 到 相 应 于 第 I个 步 进 电 机 的 8253在 时 间 间 隔 Tij应 装 入的 时 间 常 数 值 Nij的 计 算 公 式 ：其 中 Wij=0; i 0， 1， 2， ， 7； j 0， 1， 2， ， K； K为 整 个 控 制 过 程 中 的 最 后 时 间 间 隔 号 。ijjiijij jiijij NFWWW WWfMinN / )65535),/(int( 0)1( )1(0 3 程 序 设 计控 制 程 序 可 以 由 一 个 主 模 块 和 几 个 子 模 块 组 成 ， 每 个 子 模 块 完 成 一 个 功 能 ，这 样 调 试 容 易 ， 调 用 方 便 。 在 设 计 控 制 信 号 输 出 程 序 时 ， 要 注 意 两 个 问 题 ：(1) 在 输 出 转 向 信 号 时 ， 因 为 P1口 控 制 多 个 步 进 电 机 转 向 ， 所 以 改 变 一 个 步进电 机 的 转 向 时 ， 注 意 不 要 影 响 其 它 步 进 电 机 的 转 向 。 一 种 方 法 是 采 用 位 寻 址 ， 每次 只 输 出 一 个 步 进 电 机 的 转 向 信 号 ， 即 用 MOV C,bit和 MOV Bit， C两 条 指 令 ； 另一 种 方 法 是 控 制 系 统 采 用 “ 等 时 间 间 隔 ” 输 出 ， 由 第 一 级 微 机 将 系 统 控 制 的 步 进电机 转 向 信 号 处 理 好 ， 由 第 二 级 微 机 8051采 用 字 节 输 出 ， 一 次 输 出 多 个 步 进 电 机 的转 向 信 号 ， 即 用 MOVC A,A+DPTR和 MOV P1,A指 令 。(2) 在 输 出 变 频 脉 冲 前 ， 即 在 给 8253装 入 时 间 常 数 前 ， 首 先 要 判 断 Nij是 否 为零 ， 若 为 零 只 对 8253初 始 化 ， 而 不 要 装 入 时 间 常 数 “ 0”， 因 为 装 入 0， 就 相 当 于装入 65536， 8253仍 将 输 出 脉 冲 信 号 。 返 回 NN 主 程 序 结 束 计 数 器 赋 值8253C 2#输 出250Hz信 号数 据 指 针 存R3R2中T0为 方 式 2计 数 器每 秒 中 断 一 次 CPU关 中 断CPU开 中 断计 数 器 为 0? YN 保 护 现 场8253初 始 化装 入 指 针 ， 输 出 转 向N0装 入 8253A0中 断 服 务 程 序N0=0？ Y N7装 入 8253C1装 入 指 针 R2R3计 数 器 减 1恢 复 现 场N7=0？图 11-16 多 路 步 进 电 机 控 制 程 序 流 程 图 程 序 清 单 如 下 ： MOV R4,#data ； 计 数 器 附 初 值ACALL SORCE ； 8253C 2 输 出 250HzMOV R2,#DPL ； 保 护 数 据 指 针MOV R3,#DPHACALL TIMER ； T0每 秒 一 次 中 断SETB EA ； CPU关 中 断LOOP: MOV A,R4JNZ LOOP ； 等 待 中 断CLR EA ； CPU关 中 断 SJMP HERE ； 停 止 ； 中 断 服 务 程 序 （ 000BH转 来 ）PUSH ACC ； 保 护 现 场ACALL RS8 ； 8253初 始 化XCH A,R3MOV DPL,AXCH A,R3MOV DPH,AMOVX A,DPTR MOV P1,A ； 输 出 转 向 信 号INC DPTR ； 数 据 指 针 增 1 MOVX A,DPTR ； 取 NH0 MOV R0,A ； 保 存 NH0 INC DPTR MOVX A,DPTR ORL A,R0JZ JMP0 ； N为 0转PUSH DPL ； 保 护 数 据 指 针PUSH DPH MOVX A,DPTR ； 取 NL MOV DPTR,#2000H MOVX DPTR,A ； 装 入 NH0 POP DPH ； 恢 复 数 据 指 针 POP DPL JMP0: INC DPTR ； 数 据 指 针 增 1MOVX A,DPTR ； 取 NH1MOV R0,A ； 保 存 NH1INC DPTRMOVX A,DPTR ； 取 NL1 JMP6: INC DPTRMOVX A,DPTR ； 取 NH7MOV R0,A ； 保 存 NH7INC DPTRMOVX A,DPTR ； 取 NL7ORL A,R0JZ JMP7 ； N7为 0转PUSH DPL ； 保 护 数 据 指 针PUSH DPHMOVX A,DPTR ； 取 NL7MOV DPTR,#6001HMOVX DPTR,A ； 装 入 NL7MOV A,R0 MOVX DPTR,A ； 装 入 NH7POP DPH ； 恢 复 数 据 指 针POP DPL JMP7: INC DPTR MOV A,DPL ； 保 护 数 据 指 针 低 字 节 MOV R2,A MOV A,DPH ； 保 护 数 据 指 针 高 字 节 MOV R3,A DEC R4 ； 计 数 器 减 1 POP ACC ； 恢 复 现 场 RETI ； 返 回 ； SORCE(250Hz信 号 源 模 块 )SORCE:MOV DPTR,#6003H MOV A,#B6H MOV DPTR,A ； 写 入 控 制 字 MOVX DPTR,#6002H MOV A,#70H MOVX DPTR,A ； 写 入 时 间 常 数 低 8位 MOV A,#17H MOVX DPTR,A ； 写 入 时 间 常 数 高 8位 RET ； TIMER(时 钟 模 块 )TIMER: MOV TMOD,#06H ； T0方 式 2计 数 MOV TL0,#06H ； 附 初 值MOV TH0,#06HSETB TR0 ； 启 动 T0SETB ET0 ； 允 许 T0中 断RET ； RS8(8253初 始 化 模 块 )RS8:MOV DPTR,#2003H ； 8253A初 始 化MOV A,#36HMOVX DPTR,AMOV A,#76HMOVX DPTR,AMOV A,#B6HMOVX DPTR,A MOV DPTR,#4003H ； 8253B初 始 化 MOV A,#36H MOVX DPTR,A MOV A,#76HMOVX DPTR,AMOV A,#B6HMOVX DPTR,AMOV DPTR,#6003H ； 8253C初 始 化 MOV A,#36HMOVX DPTR,AMOV A,#76HMOVX DPTR,ARET 11.2 PC机 和 805l实 现 渗 碳 过 程 集 散 控 制 系 统 渗 碳 就 是 把 工 件 (待 加 工 的 零 件 )放 在 电 加 热 高 温 炉 内 ， 高 温 炉 内 的 气 体 中的 碳 有 一 定 的 浓 度 (所 谓 碳 势 )， 工 件 在 具 有 这 样 气 氛 的 高 温 炉 内 经 过 一 定 时 间 ，会 使 碳 原 于 通 过 工 件 表 面 渗 到 表 面 内 部 一 定 的 深 度 (渗 层 深 度 )， 从 而 提 高 工 件 的性 能 和 使 用 寿 命 。 图 11-17 井 式 渗 碳 炉 工 作 过 程 示 意 图 采 用 微 机 实 时 、 精 确 地 控 制 加 热 设 备 和 温 度 、 碳 势 、 渗 碳 时 间 等 主要 参 数 ， 便 可 达 到 对 工 艺 过 程 的 良 好 控 制 。 渗 碳 工 艺 过 程 分 为 若 干 阶 段 ， 以 井 式 渗 碳 炉 为 例 ， 其 工 艺 过 程 主 要 分 为 预 热期 、 强 渗 期 和 扩 散 期 。 气 体 渗 碳 一 般 采 用 有 机 液 体 如 甲 醇 作 载 气 体 ， 采 用 煤 油 或丙 酮 作 富 化 剂 组 成 滴 注 式 气 氛 系 统 。 予 热 期 为 升 温 和 建 立 碳 势 阶 段 ， 工 件 入 炉后 ， 炉 温 升 到 800 时 开 始 滴 甲 醇 ， 900 时 开 始 滴 煤 油 ； 强 渗 期 即 渗 碳 期 ， 系 统进 入 控 制 调 节 阶 段 ， 炉 温 控 制 在 930 左 右 ， 气 氛 碳 势 Cg控 制 在 l.15 c l.25 c之间 ； 扩 散 阶 段 开 始 少 滴 或 停 滴 煤 油 ， 气 氛 碳 势 Cg下 降 到 0.9 c,渗 层 达 到 一 定 深 度时 自 动 转 入 降 温 阶 段 。 实 际 渗 碳 气 氛 中 所 包 括 的 组 分 有 ： CO， CO2， CH4， H2， H2O， O2，N2等 。 在 吸 热 式 气 氛 中 ， 当 温 度 高 于 800 时 ， 系 统 各 组 分 含 量 随 温 度 的 变 化 不明 显 ， H2和 CO的 组 分 基 本 上 保 持 恒 定 。 炉 温 较 高 时 (573 )， 各 组 分 之 间 的 可逆 反 应 很 复 杂 ， 难 以 一 一 研 究 和 控 制 。 对 碳 势 影 响 最 重 要 的 是 2COC02+C反 应平 衡 条 件 ， 并 与 氧 的 分 压 有 关 。 只 要 CO的 组 分 恒 定 ， 即 可 利 用 O2分 压 来 控 制 气氛 碳 势 ； 而 O2分 压 可 用 氧 化 锫 探 头 来 测 定 。气 氛 碳 势 的 表 示 ， 根 据 大 量 的 实 验 与 数 据 分 析 ， 得 到 下 述 经 验 公 式 ： n=(E/0.144T)-5 Cg l.3403 10n (11.2.1)式 中 Cg 为 气 氛 中 的 碳 势 ； E为 氧 化 锫 探 头 输 出 毫 伏 数 ； T为 绝 对 温 度 。 过 程 模 型 与 控 制 参 数 整 个 碳 势 控 制 过 程 是 多 个 间 接 控 制 的 组 合 。 首 先 是 传 感 器 输 出 与 气 氛 碳 势 Cg的 关 系 ，其 次 是 气 氛 碳 势 Cg与 工 件 表 面 碳 势 CS的 传 递 关 系 ， 最 后 是 表 面 碳 势 CS随 时 间 的 变 化 与 层 深之 间 的 扩 散 关 系 。 所 谓 过 程 模 型 就 是 这 三 种 关 系 的 组 合 。传 感 器 的 输 出 E与 气 氛 碳 势 的 关 系 如 式 (11.2.1)所 示 。 n=(E/0.144T)-5 Cg l.3403 10n (11.2.1)气 氛 碳 势 与 工 件 表 面 碳 势 CS之 间 的 关 系 可 用 下 式 表 示 。 J (Cg CS) (11.2.2) 式 中 ： J为 碳 流 量 ， kg m 2s ； 为 传 递 函 数 ， kg (m2s碳 势 )； Cg为 气 氛 碳 势 ； CS为工 件 表 面 碳 势 (渗 碳 浓 度 )。 渗 碳 过 程 中 的 控 制 参 数 有 以 下 四 个 ：(1) 炉 温 采 用 增 量 式 PID模 型 来 控 制 炉 温 ， 计 算 公 式 为 uk = Kp(ek-ek-1)+ KIek + KD(ek-2ek-1+ek-2) (11.2.3)(2) 气 氛 碳 势 根 据 式 (11.2.1)通 过 控 制 富 化 剂 的 滴 量 来 控 制 Cg(3) 渗 层 深 度 Harmjs方 程 给 出 了 计 算 渗 层 深 度 的 数 学 模 型 为 X 802.6/10(3720/T)(mm) (11.2.4) 式 中 ： t为 渗 碳 时 间 ， 单 位 为 小 时 ； T为 绝 对 温 度 ， 单 位 为 K。(4) 渗 碳 时 间 控 制 根 据 不 同 的 工 件 选 用 不 同 的 强 渗 与 扩 散 时 间 之 比 。 综 上 所 述 可 知 ， 测 得 E和 Y， 便 可 由 式 (11.2.1)求 得 Cg； 已 知 J和 Cg， 便 可 由 式 (11.2.2)求 得 Cs，已 知 t和 T， 便 可 由 式 (11.2.4)求 得 X。 计 算 机 控 制 系 统 硬 件 根 据 气 体 渗 碳 工 艺 要 求 ， 应 该 对 炉 温 、 碳 势 、 渗 碳 时 间 、 机 械 动 作 等 进 行 实时 控 制 。 本 系 统 是 集 散 式 计 算 机 控 制 系 统 ， 由 一 台 上 位 机 和 四 台 下 位 机 组 成 。 下位 机 完 成 数 据 采 集 、 处 理 ， 输 出 控 制 信 号 ， 参 数 设 定 与 修 改 ， 显 示 ， 声 光 报 警 及与 上 位 机 通 信 联 络 等 功 能 ； 上 位 机 则 需 将 下 位 机 所 有 信 息 进 行 综 合 处 理 ， 完 成 屏幕 显 示 ， 设 定 与 修 改 下 位 机 工 艺 参 数 ， 计 算 层 深 ， 存 储 数 据 ， 打 印 报 表 及 报 警 功能 。 图 11-18 集 散 计 算 机 控 制 系 统 图 11-19 上 、 下 位 机 间 的 多 机 通 信 串 行 接 口 电 路 每 台 下 位 机 都 有 四 个 模 拟 输 入 量 ， 经 放 大 与 调 理 电 路 后 变 换 成 0V 5V的 A/D标 准 输 入 信 号 ， A/D转 换 后 的 信 号 经 下 位 机 运 算 、 判 断 、 处 理 后 送 出 开 关 量 信 号来 实 现 闭 环 控 制 。 图 11-20下 位 机 硬 件 结 构 框 图 系 统 软 件 设 计整 个 系 统 软 件 由 上 位 机 程 序 模 块 、 下 位 机 程 序 模 块 和 通 信 程 序 模 块 组 成 。 上 位 机 子 程 序 模 块 有 ： (1) 显 示 模 块 ： 包 括 渗 碳 工 艺 过 程 示 意 图 、 主 要 参 数 实 时 显 示 棒 条 图 等 。 显 示模 块 是 上 位 机 的 主 要 功 能 模 块 ， 在 它 给 出 的 实 时 数 据 显 示 、 工 艺 过 程 曲 线 、 实 时碳 势 和 层 深 的 棒 条 图 显 示 以 及 报 警 画 面 等 以 实 时 数 据 显 示 为 显 示 主 画 面 。 (2) 工 艺 参 数 设 定 修 改 模 块 ： 包 括 炉 温 曲 线 、 碳 势 曲 线 、 层 深 、 渗 碳 时 间 等 ，也 包 括 日 期 、 时 同 、 标 度 比 例 尺 等 的 设 定 与 修 改 。 (3) 数 据 存 取 模 块 ： 包 括 数 据 采 集 、 处 理 、 建 立 数 据 文 件 等 。 (4) 打 印 模 块 以 及 通 信 模 块 等 。 2.下 位 机 程 序 下 位 机 应 实 现 对 炉 温 、 氧 电 势 的 检 测 和 显 示 ， 并 根 据 工 艺 要 求 对 炉 温 和 碳势 进 行 控 制 ， 根 据 各 类 中 断 请 求 执 行 上 位 机 通 信 要 求 的 操 作 ， 或 进 行 超 限 报 警以 及 传 感 器 故 障 、 通 信 失 败 等 报 警 。 故 下 位 机 软 件 包 括 主 程 序 和 中 断 管 理 子 程序 。 图 11-22 下 位 机 主 程 序 流 程 图 3. 通 信 程 序 模 块 通 信 程 序 在 系 统 中 起 着 至 关 重 要的 作 用 。 是 联 系 上 、 下 位 机 的 纽带 。 图 11-23 通 信 协 议 框 图 图 11-24 上 位 机 通 信 程 序 流 程 图 程 序 清 单 如 下 ：STACK SEGMENT PARA STACK STACK DB 32 DUP(0)STACK ENDSCODE SEGMENT PARA PUBLIC CODE START PROC FAR ASSUME CS:CODE,DS:CODE,ES:CODE PUSH AX ； 保 护 现 场 SUB AX， AX PUSH AX MOV AX,CS MOV DS,AX CALL SUB0 ； 串 行 口 初 始 化 MOV AX,3 INT 1OH MOV CX,0006H V1： MOV AH， 01H ； 读 入 字 符 INT 21H MOV AH,AL CMP AL， 72H ； 判 标 志 ， 转 接 收 下 位 机 数 据 JZ VR MOV AL,AH CMP AL， 74H ； 判 标 志 ， 转 向 下 位 机 发 数 据 JZ VT RETFVR： MOV AL， 51H ； 发 通 信 命 令 (接 收 数 据 ) CALL PSCT ； 发 送 命 令 CALL SUBl ； 检 查 状 态 CALL SUB2 ； 接 受 字 符 AND AL,05H ； 判 应 答 信 号 JZ VR ； 是 ， 则 收 V3： CALL SUBI CALL SUB2 AND AL， 7FH CALL SUB5 ； 转 存 LOOP V3 MOV CX,0006H JMP Vl VT： MOV AL， 11H ； 发 通 信 命 令 （ 发 数 据 ） CALL PSCT ； 发 送 命 令 CALL SUBl CALL SUB2 AND AL,01H JZ VT LT2: LEA SI， BUF1 V6： MOV AL， SI CALL SUB3 CALL PSDT ； 发 送 数 据 AND AL,7FH CALL SUB5 ； 转 存 INC SI LOOP V6 MOV CX， OOO6H JMP Vl BUFl: DB 16 DUP(8) DB $BUF2: DB 32 DUP(O)SUBO: PROC NEAR ； 8250初 始 化 PUSH DX PUSH CX PUSH AX MOV DX,O MOV AL,7BH MOV AH,O INT 14H MOV CX,0BB8H L1： LOOP Ll POP AX POP CX POP DX SUBO: ENDPSUBl: PROC NEAR ； 检 查 状 态 PUSH DX V2： MOV DX,0 MOV AH,03H INT 14H AND AH,0lH JZ V2 POP DXSUBl： ENDPSUB2： PROC NEAR ； 接 受 字 符 PUSH DX PUSH EX MOV DX,0 MOV AH,2 INT 14H MOV CX,0AH L2： LOOP L2 POP CX POP DX RETSUB2: ENDPSUB3: PROC NEAR ； 检 查 状 态 PUSH DX L7： MOV DX,0 MOV AH,03H INT 14H AND AH,20H JZ V7 POP DX RETSUB3: ENDPSUB4： PROC NEAR ； 电传 输 出 PUSH BX MOV BX,0 MOV AH,OEH INT 1OH POP BX RET SUB4: ENDP SUB5： ROC NEAR ； 记 录 数 据 PUSH DX PUSH CX PUSH BX PUSH AX LEA BX,BUF MOV AH,AL ； 取 高 4位 AND Al, 0F0H MOV EL,4 SHR AL,CL XLAT BX PUSH AX CALL SUB4 ； 输 出 POP AX MOV AL,AH ； 取 低 4位 AND AL,0FH XLAT BX CALL SUB4 ； 输 出 POP AX POP BX POP CX POP DX RET SUB5: ENDPBUF： DB 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E FPSCT PROC NEAR ； 发 送 命 令 子 程 序 PUSH DX PUSH EX AND AL,7FH JPO EV1 ； 奇 状 态 转 移 ADD AL,80H SUB CX,CXEV1: MOV DX,0 ； 发 送 MOV AH,1 INT 14H SAL AH,1 JNC Y1 INC CX CMP CX,3 JNZ EV1Y1: POP DX RETPSCT ENDP PSDT PROC NEAR ； 发 送 数 据 子 程 序 PUSH DX PUSH CX AND AL,7FH JPE EVE ； 偶 状 态 转 移 ADD AL,80H SUB CX,CXEVE: MOV DX,0 ； 发 送MOV AH,1INT 14HSAL AH,1JNC Y2INC CXCMP CX,3 JNZ EVEY2: POP CXPOP DXRETPSDT ENDPSTART ENDPCODE ENDSEND START (2） 下 位 机 通 信 程 序 805l单 片 机 的 多 机 通 信 是通 过 对 串 行 口 控 制 寄 存 器SCON中 的 SM， TB， RB的编 程 来 实 现 的 ， 特 征 位 SM=1。PC先 发 一 字 节 地 址 ， 伴 随 的特 征 为 第 9位 数 据 TB=l， 随 后发 数 据 时 的 特 征 为 TB=0。 各单 片 机 在 RB=l(即 发 送 来 的TB)且 SM=1时 ， 引 起 串 行 中断 。 在 中 断 服 务 程 序 中 判 断地 址 配 对 否 ， 不 配 对 者 仍 为SM=1， 仅 配 对 者 才 SM=0。随 后 而 来 的 数 据 特 征 TB=0，仅 SM=0才 引 起 配 对 者 的 进 一 步 串 行 中 断 ， 以 便 接 收 随 后到 来 的 数 据 。 图 11-25 下 位 机 通 信 程 序 流 程 图 下 位 机 串 行 通 信 程 序 清 单 (流 程 图 见 11-25)：SRT: PUSH PSW ； 保 护 现 场PUSH ACCCLR ESJBC TI,MTCLR RIMOV A,SBUF ； 接 受 数 据 JBC RB8,MC ； 判 断 是 地 址 还 是 数 据 ， 若 是 地 址 转 MC E1: SETB ES POP ACC POP PSW RETI MT: JNB 01H,E2 ； 检 查 地 址 CLR TB8 SETB RSl CLR RS0 MOV A,R1 JNB PSW.0,W1 ； 奇 偶 校 验 ADD A,#80HW1: MOV SBUF,A ； 接 收 数 据 INC R1 CJNE Rl,#38H,MTl CLR 01H MT1: CLR RSl CLR RS0 SJMP E1MC: MOV B,A ANL A,#0FH CJNE A,#0lH,E1 ； 检 查 地 址 CLR SM2 MOV A,B SWAP A ANL A,#07H CJNE A,#O5H,E2 CLR TB8 MOV SBUF,#05H ； 送 回 地 址 应 答 信 号 SETB RSI CLR RS0 MOV Rl,#32H CLR RS0 CLR RS1 SETB 01H JMP ElE2: SETB SM2 SJMP E1 系 统 抗 干 扰 措 施 由 于 系 统 工 作 环 境 恶 劣 ， 干 扰 源 多 且 分 散 性 大 ， 为 使 系 统 可 靠 地 工 作 ，采 取 下 述 抗 干 扰 措 施 ： 采 用 全 浮 空 输 入 方 式 将 数 字 地 和 模 拟 地 分 开 ； 严 格 的接 地 措 施 ， 采 用 光 耦 合 和 高 性 能 滤 波 电 路 对 输 入 信 号 进 行 处 理 ； 传 感 器 输 出信 号 的 软 件 滤 波 与 补 偿