智能可编程时间控制器的设计.pdf

经 验 交 流 To c hn i c a l Comm u ni c a t ion s 自动化技 术与应用 2 0 1 0年第 2 9卷第 6期 智 能可编 程 时间控 制器 的设计 王 志 诚 北新集团建材股份有限公司， 北京 1 0 0 0 9 6 摘 要 本文设计了一种智能可编程时间控制器， 适用于每天规定的时间段内定时开 ／关、间歇工作的设备， 具有定时精度高、时间 设定方便 的特 点。给出 _r 系统硬件组成 、软件结 构设 引 一 。 关键词 单片机； 时间控制 中图分类号 T P 3 6 8 ． 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 0 0 6 0 1 1 3 0 4 Th e De s i g n o f I n t e l l i g e n t a n d Pr o g r a mma b l e T i me Co n t r o l l e r W ANG Zhi c he n g A r c h i t e c t u r a l Ma t e ri a l C o ．L t d ． B e i x i nG r o u p ， B e i j i n g 1 0 0 0 9 6 C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r d e s i g n s a n i n t e l l i g e n t a n d p r o g r a mma b l e t i me c o n t r o l l e r f o r e q u i p me n t ， i t c a n b e s wi t c h e d i n s p e c i f i e d p e r i o d i n t h e d a i l y t i mi n g， a n d i n t e r mi t t e n t wo r k i n g c o n d i t i o n ． Th e c ha r a c t e r i s t i c s o f t h e c o n t r o l l e r a r e h i g h p r e c i s i o n t i mi n g a n d c o n v e n i e n c e ． Th e p a p e r g i v e s t h e h a r d wa r e c o mp o n e n t a n d t h e s o f t wa r e a r c h i t e c t u r e o f s ys t e m． Ke y wo r d s S CM ； t i me c o n t r o l 1 引言 在现代生活中， 很多情况下都需要定时或按特定时 间将设备打开、关闭。显然， 靠人力去实现是不切实际 的。因此 ， 性能可靠 的时间控制器便有 了其用武之地。 本文介绍的可编程 时间控制器适用于设备在每天规定 的时间段内定时开 ／ 关、间歇工作的场合 ， 可设定 3 2 个工作时段 可扩展 ， 自带 日历、实时时钟 ， 具有 0 2 4 小时循环使用及 自校准功能。可提供 6个继 电器的输 出， 打开、闭合时间均可以设定。并且在本设计 中， 继 电器具有 自锁功能， 可保持当前状态， 直到下次状态改 变为止。人机交互使用 1 2 8 * 6 4分辨率的点阵式 L C D显 示 ， 具备四按键键盘输入功能。用户操作呈现菜单化 ， 方便使用。 2 硬 件组成 本控制器选用 A t me l 公司的 A T me g a 1 2 8 型单片机 ， 其 电路原理方框图如图 1所示 。 收稿 日期2 0 1 o -0 4 2 9 0 图 1 电路原理方框图 2 ． 1 控制部分 电路中的主要控制元件采用美国 At me l 公司的 8 位 单片机 AT me g a 1 2 8 。AT me g a 1 2 8 是一种高性能 、低功 耗 C MO S型的 8 位单片机 ， 采用先进的 RI S C结构， 可以 取得接近 1 MI P S ／ MHZ的性能， 从而使得系统设计者可 以在功耗和处理速度之间取得平衡I 。 A T me g a 1 2 8 单片机片内自 带有1 2 8 K B y t e 的系统内 可编程 F l a s h存储器， 用于存储程序和常量数据。片内自 带 4 KBy t e的S RAM ， 用于数据存储 ， 以及 4 KBy t e的 E E P RO M。在外设方面， A T me g a 1 2 8 具有独立片内振荡器 的可编程看 门狗定时器 ， 保 障程序跑飞后系统可以及时 复位； 两个可编程的串行 US ART等， 具有两个可工作于 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第6 期 经 验 交 流 ‘ r e c h nic al Commu nic at i o ns 主机 ／从机模式的S P I 串行接口， 方便连接外围设备和系 统扩展。目前本文设计的时间控制器可实现每天 3 2个时 间点的多路 I ／ O输出， 程序占用 6 0 K B y t e 的F l a s h空间， 考 虑到扩展能力 ， 选用该型号单片机是符合设计需要的。 2 ． 2 时钟 电路 时钟 电路是 时间控制 器实现 实时控 制的核 心部分 ， 要求及时准确， 掉 电后保证继续计时， 因此需要选用一 款时钟芯片来保证这一点 。 D S 1 3 0 2 是D a l l a s 公司推出的种商陛能、低功耗、带 R AM的实时时钟芯 ， 本设计中使用单片机的I ／ O口模拟 实现串 置 信时宇进行数据传送， 能够向单片机提供秒、分、 时、日、月和年的实时时间信息。该芯片引脚与单片机只需 要三根绱 置 信 S C L K、R S T、I ／ O， 只占用3 个单片机端口。 图2 D S 1 3 0 2电路原理图 如图 2， 在控制器正常工作情况下， DS l 3 0 2通过 VC C 2由VCC供电。控制器断电后， 则通过 VCC 1由电 池B T1 供电， 从而保证 D S 1 3 0 2的正常工作 ， 断电后再上 电时时间还正确运行， 避免重新输入时间的繁琐操作。 2 ． 3 外部存储芯片 时间控制器在实际使用过程中， 经常是处于无人看管 状态。对于操作者而言， 是十分有必要知道控制器的运行 状况。因此， 控制器必须添加存储 日志记录的功能， 以供 操作者随时查看。该 日志记录需要满足控制器掉电记录 不丢失 ，且保 证一 定数 目的记 录存 储 功能 。控制 芯片 AT me g a 1 2 8 虽然自身带有4 K B y t e 的E E P RO M， 但本控 制器的时间记录每一条须占用 7个字节， 即小时 2 B y t e 、 时间 2 B yte 、分钟 2 B y t e 、继电器状态 1 B yte 。考虑到系 统扩展能力， 仅仅 4 K 字节的容量仅仅能保证最多十余天 的日志存储， 不能满足使用者的使用要求。 所以， 本设计采用了片外 EEPROM 存储单元 一 AT 2 4 C 5 1 2 型 1 C串行 E P RO M。 A T 2 4 C 5 1 2 是 5 1 2 K b i t 1 C串行 E 2 P RO M， 采用低功 耗 C MO S技术， 1 ． 8 V到 6 ． 0 V工作电压范围， 与 l MHz I 2 C总线兼容 ， 写保护功能， 自定时擦写周期， t 0 0 ， 0 0 0编 程 ／擦写周期， 可保存数据 l 0 0年等特性。 图 3 A T 2 4 C 5 1 2电路原理图 如图3 ， AT 2 4 C 5 1 2 是 8 D I P封装， 其中， VCC为电源， GND接地， wP为写保护， 本设计实现的时间控制器并不 涉及到频繁的读写该芯片， 所以不使用该功能， 接地处理。 而 A 0 、A1 为地址线， 由于本设计仅使用一片A T 2 4 C 5 1 2 ， 因此不需要地址选址， A0 、A1 均通过下拉电阻接地即可。 所以真正需要与控制芯片 M CU 连接的仅有 I I CSCL、 I I C S DA两根线， 分别为信号线和数据线。该两根线连接 至 A T me g a 1 2 8 的F C控制接口， 通过对单片机的I 2 C操作， 即可实现对 AT 2 4 C 5 l 2数据读写， 简单可靠。 2 ． 4 显示电路 较之于以前的 L E D 显示型时间控制器通过不同 L E D数码管闪烁给用户提示信息， 本控制器使用 l 2 8 * 6 4 点阵液晶显示， 不但可以显示出文字化的菜单 ， 人机界 面更加直观 ， 而且输入信息也更加便捷。 本控制器选用北京青云的L CM1 2 8 6 4 G型号液晶控 制模块， 该液显模块内置KS 0 1 0 7 型液晶驱动器控制I C， 可 与 A T me g a t 2 8 的I ／ O直接连接， 具有电源线、6 条控制线、 8位标准数据总线。可显示 8 个 4行共 3 2个汉字， 或 l 6 个 4行共 6 4个英文或数字字符。该款液晶模块呈现绿 色背光 ， 以黑色字 体字体显示 ， 用户界面显示很清晰。 触 嘲曩 l 图4 液晶电路连接图 经 验 交 流 T ec h ni C a I Co m m U 13 I c at i oR S 自动化 技术与应用 2 0 1 0年第 2 9卷第 6期 液晶模块与单片机硬件连接示意图如图 4所示 。液 晶模 块的数 据 口DB0 ～DB 7与 P A0 - P A7 依 次相 连 ， 用 来传输数据或指令 ； ／写选择引脚 R／W 与 P D 4相连， 电 平时读数据， 低电平时写数据 ； 数据 ／指令选择引脚 RS 与PD 3相连 ， 高电平时将数据 DB 0～DB 7送人显示 RAM ， 低电平时将数据 DB0 ～D B7送人指令寄存器； 写 使能引脚 E与PD2相连， 高电平有效下降沿锁定数据。 复位信号 R S T与P D5 相连， 低电平有效 ； 片选信号 C S 1 、 C S 2 分别与 P D6 、P D7相连， 用来选择 L C D的前后 6 4 列， 高电平有效。L C D 驱动电压 Vo应用时在VE E输出 与电源VDD之问加一个电位器 ， 调节电位器可 以改变 L C D显示的明暗对 比度。 2 ． 5 键盘及驱动电路 本时间控制器使用四按键键盘 ， 分别实现调整数字大 小 、进入下一级 菜单 、返 回 、确认 的功能 。键盘 上 四个 输入端分别接P E 4 一 P E 7 ， 另外一个公共端接地。原理为设 置P E 4 一 P E 7为输入且内部上拉， 这样的话在键没有按下时 单片机的I ／ O口电平为高电平， 反映为P I Nx寄存器I ／ o相 应位为 1 。反之， 当有键按下时， 相应键内部电路与公共端 即地导通 ， 从而将单片机 I ／ O 口电平拉低 ， P I Nx相应位 即 变成0， 根据这一现象编程， 即可判断出所按下键位。 由于 AT me g a 1 2 8在复位上电时各引脚瞬间电平为 高电平 ， 若采用高 电平控制继电器的闭合 ， 则上 电时继 电器会动作 ， 影响使用。所 以采用低 电平控制 ， 避免此 现象的发生， 故使用六输出反相器 7 4 L S 0 4芯片， 而且一 片 7 4 L S 0 4通过六个 I ／ O 口可提供六 路输出 ， 而且通过扩 展多片7 4 L S 0 4 ， 可以扩展输出， 方便系统扩展。 图5 驱动电路原理图 驱动电路图如图5 所示， AC S S R为交流固态继电器， 1 、2 脚输出接交流电源及负载， 3 、4脚为输入端。当P F 7 为高电平时， 2脚为低电平， 三极管 9 0 l 3基极为低电平不 导通， 从而继电器输入端不导通， 继电器不输出。反之， 当 P F 7 为低电平时， 经过7 4 L S 0 4 后 9 0 1 3的基极为高电平， 三 极管导通， 从而 3、4引脚内部导通， 相当于输人端闭合， 从而继电器输出端内部可控硅导通 ， 可以接通负载。 3 软 件设计 本系统程序使用 C语言编写， 采取模块化编程 ， 将 子 功能分别编 写成子程序 。主要有驱 动程序 ，包括 DS 1 3 0 2的读、写操作 ， KS 0 l 0 7液晶控制器的读、写操 作， 以及 AT2 4 C5 l 2的读、写操作。功能函数， 包括液晶 上显示文字、数字 ， 液晶清屏操作 ， 以及单片机 Ti me r 0 溢出中断子程序 内部调用时间更新子程序、时间匹配 子程序 等等， 方便调用及查找。 其中， DSl 3 0 2程序用于提供当前时间， 提供时间控 制的依据。Ti me r 0中断子程序负责调用时间更新子程 序， 实时读取 DS 1 3 0 2当前时间， 再实时更新液晶屏上显 示的时间。另外 ， 该子程序也负责根据用户设定的继电 器工作安排改变多路继电器的开 ／闭状态 ， 通过调用时 间匹配子程序来判断是否需要改变当前继电器状态 ， 实 现设 计初 衷 。 本设计按照传统的前后台系统组织程序 ， 前台程序 为单片机 Ti me r 0溢出中断子程序 ， 定时执行。后台程 序为键盘扫描程序和显示程序 ， 当有键按下后进行键盘 处理 ， 执行显示程序进行液晶显示内容的更新。 图6 主程序流程图 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第6 期 经 验 交 流 T bc h nica f Comm u nic a t i on s 图7 t i me r O中断子程序流程图 主程序开始后进行软硬件的初始化 ， 打开 中断 ， 然 后进入键盘扫描及显示程序 。显示程序用于在液晶上 显示当前时间， 继 电器工作状态 ， 提供用户菜单操作信 息等， 提供人机界面。时间匹配子程序的原理是遍历用 户设定的时间点信息， 若与当前时间匹配则进一步判断 继电器状态是否需要改变 ， 对继 电器的输出进行操作。 在此基础上添加控制器的功能 ， 如多路继 电器协同工 作， 执行天计划或周计划特殊事件等等。 主程序、中断子程序流程图如图 6、图 7所示。 4 结束语 本时间控制器在实验室环境下通过对蜂鸣器 以及 不接负载的交流固态继电器的控制进行 了试验 ， 系统运 行较稳定， 在设定的 3 2个时间点可以顺利切换状态， 天 计划、周计划控制方案也可以实现 ， 顺利控制蜂鸣器和 继 电器 的动 作 。 参考文献 【 l 】陈冬云， 杜敬仓， 任柯燕． AT me g a 1 2 8 单片机原理与开 发指导[ M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 ． 【 2 】赵海兰， 毛玉良， 赵祥． 实时时钟电路DS 1 3 0 2的原理及 应用[ J ] ． 电子元器件应用， 2 0 0 5 ， 1 1 3 2 3 6 ． 作者简介 王志诚 1 9 6 3 一 ， 男， 高级工程师， 研究方向 工厂 自动 化 。 上接第 1 0 9 页 监控系统主要提供 以下功能 根据工艺要求组态轧 制线设备 ； 建立、修改、存储、调用、上装及下载轧制 程序表； 设定、修改参数 ； 轧制状态显示画面； 报警信息 记录、显示及复位； 轧件跟踪等。 控制程序采用 C I MI P H C I TY Ma c h i n e E d i t i o n【 】 软件， 模块化编程， 实现结构化程序设计 ； 监控程序采用 C I MI P L I C I TY HMI 编写。 5 结束语 宁夏 电投钢 铁棒线材复 合线 自动控 制系统通过 网络联接 ， 组成并行运算、集 中管理 、分散控制、资 源共享 的分布 式控制 系统 。具有系统稳定 、响应迅 速、控制准确、维护方便的特点。整个生产线运行 良 好可靠 。 通过这次改造 ， 公 司在生产高质量 的建筑用钢材 的基础上新增 了生产优质线材的能力。改变了公司的 产品结构 ， 提高了产品附加值 ， 节省运输成本。充分发 挥宁夏 电投钢铁与宁夏恒力钢丝绳上下游产业链的组 合 优 势 。 参考文献 [ 1 】高速轧机线材生产【 M】 ． 北京 冶金工业出版社， 2 0 0 6 ， 9 ． [ 2 】I S P RI G G． S S T - P F B 3 - V ME a n d S S T P F B 3 一 VME 一 2 Ha r d wa r e R e f e r e n c e G u i d e [ E B ／ O L ．I ． h t t p ／ ／ www． my s s t ． c o m／pu b ／p r o d u c t s ／ pr o fibu s ／p b3 ／v me ／7 1 5 -0 0 8 0 S S T PFB3 一VME E a nd S S T-P FB3 -VM[ E-2 Ha r d wa r e Re f e r e n c e Gu i d e． p d f ， 2 0 0 5， l l ， 2 6． 【 3 ]L I ANNE S P RI G G． S S T P r o fi ．b u s S c a n n e r Mo d u l e D L L Re f e r e n c e G u i d e [ E B ／ OL ] ． h t t p ／ ／ www． my s s t ． c o rn／ p u b ／p r o d u c t s ／ p r o fib u s ／p b 3 ／7 1 7 -0 0 3 3 S ST Pr o fib u s S c a n- n e r Mo d u l e DLL Re f e r e n c e Guid e ． p d f ， 2 0 0 8 -0 2 -1 5 【 4 】s ． DI Ma i o ． 机架间张力控制系统Hi T e n s i o n -控制和监 视轧制过程的新技术【 J 】 ． 北京 冶金工业出版社， 2 0 0 7 ， 2 8 2 8 4 ． 【 5 】P r o f i c y L o g i c D e v e l o p e r P L C G e t t i n g s t a r t e d Ma n u a l [ E B ／ 0L 】 ． h t t p ／ ／ s u p p o r t ． g e f a n u c ． c o m／ s u p p o r t ／ GF K- 1 9 1 8 J ． p d f ， 2 0 0 8 ， 5 ， 2 3． 作者简介 张亚文 1 9 6 8 一 ， 女， 高级工程师， 工程硕士， 主要 从事炼钢 、轧钢 自动控制工作 。