基于AT89C2051单片机的通用电磁阀多路检测计数器设计

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    A Design for Multiplex Detecting Counter of Universal Electromagnetic Valve
摘要：电磁阀常用于监控多路信号的通断。本文设计了一种以AT89C2051单片机为核心的计数器，实现了产品的准确计数。应用结果表明，系统简单、使用方便、工作可靠、性能稳定。本文所设计的系统可用于自动切割、传送包装等各种领域的多路检测计数。
关键词：电磁阀；计数器；单片机；
Abstract：Electromagnetic valve is often used to detect and control the status of multiplex signal.  This paper has designed a counter which is based on AT89C2051. This counter can take count of the product exactly. The result of application shows that the system is simple, convenient, reliable and stable.  The system can be used as a multiplex counter for automatic incision and transmission packaging and other fields.  
Key words: electromagnetic valve； counter；single-chip microcomputer；
1．引言
电磁阀由电磁线圈和磁芯组成，是包含一个或几个孔的阀体。电磁线圈直接安装在阀体上，阀体被封闭在密封管中，构成一个简洁、紧凑的组合。电磁阀是靠线圈充放电引起阀门的关闭和开启。当线圈通电或断电时，磁芯的运转将导致流体通过阀体或被切断，以达到改变流体方向的目的。由于电磁阀是开关信号控制，所以极易与工控计算机连接[1]。在本设计中，利用电磁阀来监控交流电信号，从而实现更准确的检测到输入信号。而AT89C2051单片机作为单片机家族发展中的佼佼者，以体积小而著称，因其低廉的价格以及卓越的性能，广泛应用于各类控制系统中。据此，本文介绍一种采用此单片机作为主控器的计数器的设计方法，给出有关的硬件电路框图和软件流程图。
2．硬件系统设计
此计数器硬件结构的关键是控制板的设计。其结构框图如图1所示。
2.1 交直流信号转换电路
交流电信号直接从电磁阀接入，在此，需检测电磁阀通断电时的波形。经检测，通断电时的通过滤波、整形后得到的波形比较理想。此处使用4V210-08型电磁阀，这种电磁阀采用整体槽隙滑阀结构，换向性好，密封件磨损能自动补偿，性能可靠。通过电磁阀来监控交流电信号的通断，如果电磁阀闭合则说明有信号进入，经过交直流转换电路继而送入单片机
处理。本设计中采用两个电磁阀实现两路计数，可以根据应用场合的要求使用多个电磁阀以实现多路计数。


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图1  硬件结构框图
光电耦合器是一种以光为耦合媒介，通过光信号的传递来实现输人与输出间电隔离的器件。可在电路或系统之间传输电信号，同时确保这些电路或系统彼此间的电绝缘。具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强等特点，特别易于实现计算机的编程控制，因而在各种电子设备上得到广泛的应用。此设计中选用交流光电耦合器H11AA1，其示意图如图2所示。输入信号使发光二极管发光，其光线又使光敏三极管产生电信号输出。光信号单向传输，可有效阻断电路或系统之间的电联系，但并不切断它们之间的信号传递。这样通过电—光—电的转换，把输入端的电信号传送到输出端。光电耦合器的输入端与输出端之间没有电气联系，也没有共地，且输出端对输入端也无反馈，因此回路一边的各种干扰噪声很难通过光电耦合器馈送到另一边去，同时也隔断了地线之间的联系。因而具有隔离和抗干扰两方面的独特性能[2]。
光电耦合器的响应速度很快，可以有效的破坏干扰源的进入，可靠的实现信号的隔离，抑制尖脉冲和各种噪声的干扰。既完成了信号的传递又实现了电气上的隔离。在本设计中使用光电耦合器是为了实现以下两个方面的主要功能：
（1）割断信号电路和接受电路之间的电联系，使之相互独立，从而也就割断了噪声从一个电路进入另一个电路的通路，不会形成干扰。
（2）经过光电耦合器之后，将电磁阀送来的交流电信号转变为AT89C2051直接可以接受的信号。
   

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图2   光电耦合器H11AA1
此设计中选用施密特触发器74LS14，利用它所具有的电位触发特性，组成整形电路，将采集到的信号波形进行整理，把边沿不够规则的脉冲整形为边沿陡峭的规则脉冲，送入单片机进行处理。实验中测得经整形后的波形为周期性方波，故用等时间间隔检测电平法，当连续检测到至少2个高电平时，方可认为其为高电平；当连续检测到至少2个低电平时，认为其为低电平。
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2.2 单片机控制系统
单片机系统是计数器控制板的核心，采用了AT89C2051作为主控器。P1.0"P1.6作为5位LED显示器的段选通控制口，P3.0"P3.4作为5位LED显示器的位选通控制口。P3.7和P1.7作为交直流信号转换电路输出信号的检测端口。
2.3 用户面板
用户面板由按键和5位LED显示器构成。按键用于计数器的复位。LED、三极管、电阻等组成数码显示电路。
LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式：
◆LED静态显示方式
LED显示器工作于静态显示方式时，每位的段选线分别与一个并行口相连。显示器中的各位独立显示。由于各位分别由一个8位输出口控制段选码，所以在同一时间里，每一位显示的字符可以各不相同。
◆LED动态显示方式
在多位LED显示时，为了简化电路降低成本，常将所有位的段选线并联起来，由一个8位I/O口控制。故在同一时刻，各位显示相同的字符。为此，采用扫描显示方式，在同一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，段选线输出相应字符段选码。如此循环，使LED的各位分别显示极短时间，这样利用人眼的视觉暂留效应，尽管实际上各位并非同时点亮，但给人的印象是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感[3]。
在本设计中采用动态扫描显示方式，由P1.0—P1.6口输出段码；P3.0—P3.4口输出位选码。输出时采用查表法，将数字对应的段码值送到P1.0—P1.6口；位选信号输出，采用直接位寻址方式。在进行LED显示时，如果高位为零，则不显示。
3．软件系统设计
本系统应用软件采用汇编语言编写，下面将程序的设计思想做一简单介绍[4] [5]。
主程序负责对整个系统程序进行有效的组织管理。流程框图如图3所示。
主程序的主要功能如下：
（1）设置计数初值为零。
（2）当检测到有计数信号输入时，计数值加1，并显示计数值。在没有通过按键复位的情况下，一直计数，直到5位LED显示值全为9。之后系统自动清零。
在本设计中，要实现计数器的准确计数，关键是要正确地检测到输入信号。检测经过74LS14整形后得到的信号，如果连续两次检测到P3.7口为高电平时，可认为确实有计数信号输入，方可进行计数。检测输入信号子程序流程框图如图3所示。检测P1.7口的情况类似于检测P3.7口。
     

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图3  软件流程框图
4．结束语
本计数器投入厂家近一年来，经测试，单片机运行正常，没有出现程序跑飞情况，按键、LED正常工作，LED显示器显示正确、清晰。内部元器件、电路板和接插件完好。计数器能按设计要求正常运行，达到了预期的要求。
该仪器结构简便，通过硬件设计和软件的辅助设计，实现了对产品的计数并准确显示计数结果，适合于多种工业产品的计量。根据现场试验，能很好的满足客户需求。本系统的功能主要是根据一般需求来设计的，如果需要有不同或特殊功能，可通过对系统进行一定的修改来实现。例如，可以增加自动的语音提示功能，在硬件上要增加语音芯片,在软件上也要作一定的修改。
参考文献：
[1] 温邦彦,孙丽丽. 中国电磁阀技术的新发展[J]. 通用机械,2004,10：72-75.
[2] 何希才,毛德柱. 新型半导体器件及其应用实例[M]. 北京：电子工业出版社,2002.
[3] 夏立斌,谭青. 一种基于单片机的多位LED显示系统的设计[J]. 电脑开发与应用,2005,18（7）：40-41.
[4] 马鸿文. 基于单片机的电子计价秤的设计与实现[J] 微计算机信息, 2005,25：96-98.
[5] 吴汉清. 基于AT89C2051单片机的倒计数定时器[J]. 电子世界,2005,11：24-25.
本文作者创新点：
根据用户的实际需求进行设计，将电磁阀引入本计数器，利用电磁阀的吸合来监控多路
信号的通断。使用光电耦合器来实现电路间的隔离，同时对通过电磁阀的波形进行整形。经实验证明，该仪器能可靠地对产品实现准确计数与精确显示计数结果。
作者简介：张春娟（1981—），女（汉族），广东工业大学自动化学院在读硕士研究生，研究方向为计算机测控与网络技术。
导师简介：谢云（1965—），女（汉族），教授。现任广东工业大学自动化学院副院长。研究方向：IC设计、信息与通信技术等。
通信地址：广州市番禺区广州大学城外环西路100号广东工业大学工学二号馆331
邮编：510006
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