單片機工業控制板的應用

隨著單片機技術、計算機技術的發展，學習單片機的門檻正變得越來越低，越來越多的電子愛好者加入學習、使用單片機的行列。目前，所有針對電子愛好者的期刊、報紙無一不把單片機作為一個重頭戲，每期都有大量文章；本網站的單片機教材，已被下載十余萬次，愛好者學習單片機的熱情也可見一斑；網絡上各種廉價開發工具也是層出不窮。然而隨著學習不斷深入，一個問題卻開始逐漸顯現：很多人反映“我學習不少知識，書看了很多，實驗也做了不少，按說實踐經驗也不少，可為什么我總不敢接項目呢，到底要學到什么時候才能真正的實戰呢？”。
　　這樣的苦衷是那些“正規軍”體會不到，或者說是體會并不深刻的，但是作為一個自學者，作者卻完全能理解，因為當初自己也是這么非常艱難地一步一步走過來的。回想走過的路，除了自己不斷努力外，一些偶然因素也起了不小的作用，如果沒有這些偶然因素的存在，可能就中途退出了。
　　怎樣才能減少一個人成長過程中偶然因素的作用，幫助盡可能多的愛好者再跨上一步，從學習者轉變為開發者呢？還是讓我們來分析一下開發者究竟需要什么樣的條件吧！除了要熟悉必要的單片機知識以外，還需要對所開發對象的了解，知道自己要做的是什么東西，由于愛好者本身就工作于生產第一線，開始時也不可能去接自己不熟悉的活來干，因此，對于專業開發者來說比較困難的問題在這里并不突出；需要對市場的熟悉，知道所需要用的器件可以在什么地方可以買到，這一點通過多跑市場，當然也并不難做到；當然還有其他的一些條件，仔細分析都是可以做到的，但作為一個開發者至少還需要一樣東西：信心，包括自己的信心和別人對你的信心，信心不能從學習得到，做項目不是考試，你能把單片機書上的題全做對也沒用，把所有的單片機書都倒背如流也沒用。唯一的方法就是：做，而且成功。不管是自己的信心還是別人對你的信心，就像是儲蓄罐里的錢，每一次成功都是向里加錢，而每一次失敗都是從里面取錢。于是愛好者就面臨著一個兩難的選擇：當儲蓄罐還是零的時候，做，不一定能成功，萬一做砸了，就透支了，不做，永遠也不能增加。
　　如何來解決這個問題？作為過來人，我們能不能為愛好者找到一條途徑，讓他們一定成功，不會失敗呢？至少第一次不要失敗！這是一個非常美好的愿望，可惜答案卻是殘酷的：我們做不到！可是，真的就一點辦法也沒有了嗎？就只能聽之任之嗎？我認為，雖然我們不能保證每一個學習者都能一定成功，但的確可以做一些事，增加成功的概率。
　　從技術的角度來看，單片機開發無非分成軟件、硬件兩部分，如果設法解決掉其中的一部分，留下的另一部分當然就容易了。從一些廣告中不難發現端倪，有一些廠商在仿真機、編程器之后力推開發板，其目的就是要讓開發者在開發過程中盡量少做硬件的工作，甚至不需要做硬件開發工作。這些板通常力求全面，功能很多，設計者意圖很明確：我把所有的功能都做上，你要用哪塊就用哪塊吧，價格貴點也沒關系，反正做個項目也不再乎多那幾個錢的。不能說這種想法不對，但是對初學者來說并不適宜，很多人并不富裕，花個大價錢卻只用到整個板的幾分之一甚至十幾分之一的功能，怎么都覺得心痛！與成熟的開發者不同，很多愛好者的第一個項目根本賺不到錢，甚至是自己貼錢在做。另外還有很重要的一點，如此強大功能的板子，目標性反而變得不明確，什么地方都可以用，從另一個角度來說也是什么地方也不能用。就像一個小孩子，你給他一萬塊錢可能還不如給他一塊錢更有價值。
　　那么，究竟什么是簡單的，可行的呢？
　　我們認為，工業控制是大有可為的領域之一。去各種各樣的工業現場看一看，幾乎沒有什么地方看不到工業自動化控制的設備。在這些設備中，往往大量應用PLC，從編程的角度來看，這些PLC所要完成的功能非常簡單，如果用單片機來實現其功能，那是輕而易舉的。如果一定要做一個明確的說明的話，可以這么說：可能只要幾十個字節的程序量就能完成那些PLC所要完成的功能。如果你了解這臺機器的工作流程或者你就是這樣一臺機器的操作者，又略懂一些單片機，那么這樣的程序完全可以寫出來。可是，那里沒有用到單片機，而是用的PLC，為什么呢？關鍵在于可靠性！工業現場的苛刻要求，不要說是初學者，就是富有經驗的開發者，往往也覺得頭痛。一臺設備數十萬或更貴，設計者當然不愿意承擔風險去用單片機控制板，而是寧愿先用貴一些的PLC。但PLC畢竟是昂貴的，如果有把握用單片機控制板來替代，肯定會有市場，關鍵在于你要有把握。可是把握從何而來？
　　單片機工業控制板就是為這樣的應用而度身定做的。作者長期以來一直在做著工業控制方式的工作，在工作中我們發現，工業現場很難發現有國產單片機設備的蹤影，尤其是介入控制部分的，幾乎都是國外的產品一統天下。我們在做東西的過程中，也是酸甜苦辣各種滋味都嘗到，摸爬滾打，滿身傷痕，經過一段時間的摸索，逐漸掌握了一些規律，在解決工業現場干擾嚴重、單片機系統工作不可靠的問題上有了一些經驗，所做的一些產品、系統都能可靠地運行于各種工業應用現場。我們認為，要能夠做好工控產品，關鍵是對控制對象的理解，指望有什么技術可以一勞永逸解決所有問題是不現實的，也是開發者不成熟的標志。舉例來說，如果你設計一臺測重儀器，那么你事先一定要知道這臺儀器的測量范圍是多少，測量精度有多高，連續測量的速度有什么要求等等，如果在做儀器之前的想法是：范圍越大越好，精度越高越好，速度越快越好。那么可以說你這臺儀器一定做不成功！除了你拿它來評獎有用之外，不會有實用價值，更不會有商業價值。這一點并不難理解，同樣，工業品的抗干擾處理也是如此，如果你說：抗干擾能力越強越好，什么樣的干擾都能抗最好。那意味著你對所要控制的對象，即將面對的干擾源認識還不足，你很難做好項目，或者要為此付出極大的代價。但是，要對所遇到的干擾源有充分的認識，談何容易！這個東西看不到摸不著，很難抓住，至于各種報刊、雜志甚至專業書籍上的說法，也都言之不詳，泛泛而談，未涉及到深入的原因，所建議采取的措施往往難以有效實施。舉例來說，很多書上要求電源一定要好，但怎么個好法呢？都不詳說，或者是要求采用所謂的凈化電源供電，根本不現實。一臺儀器總共才能賣到200~300元，卻要為它配個凈化電源，頭重腳輕了。又如，印板設計很重要，一定要設計好，可是究竟如何才算好，卻不再多談，只是羅列一些注意事項，當這些注意事項不能完全被滿足時，究竟按什么要求取舍，不得而知。當然，能否看得懂這些設計原則還和各人的基礎知識有關，和各人的經歷有關。
　　在我們的工作中，我們掌握了一些規律，希望能幫助愛好者進入這一領域，為此，我們借助“平臺”這一概念，用我們掌握的知識，為大家搭建一個小小的平臺，一個硬件平臺，一個硬件抗干擾能力過關的平臺。借助于這個平臺，愛好者可以充分發揮你的聰明才智，將它應用到你的工作中去，為你的工作服務。和其他同類品相比，該平臺主要有這樣的一些特點：
　　1. 定位準確　應用目標鎖定在工業控制，需要的人就去用，不需要的人不必為此花錢，便于愛好者選擇。
　　2. 經過實踐檢驗　不僅所采用的是經過實踐檢驗的成熟技術，而且所面向的是經實踐檢驗的有前途的行業，這一點很重要；
　　3. 開發簡單　所做的就是開關量控制，不涉及模擬量，不用到復雜的測量、顯示等技術，只提供一個顯示模塊作為選用件，為使用者限制了應用范圍。開關量控制的編程相對比較簡單，但是其應用范圍卻極廣，如果能把這一塊做好，就能找到發揮自己能力的舞臺。
　　我們認為，單片機用于工業設備控制的條件已成熟，具體有這樣的一些表現：
　　1． 單片機開發工具日益成熟
　　目前，手提電腦的價格已日漸平民化，二手手提電腦的價格更低，因此，將手提電腦帶到工業現場已不再是奢望。優秀的單片機開發軟件如Keil的出現使得 “軟件仿真＋寫片驗證”成為一種重要的開發方式。
　　2．單片機的新特性也為其工業現場應用創造了條件
　　目前，單片機的品種不斷增加，新的單片機加入了很多新特性，如內部RAM、Flash Rom的增加等，為高級語言的普遍使用創造了條件；幾乎都有ISP（在線編程）的功能，便于采用“軟件仿真＋寫片驗證”的開發方式，一條下載線即可解決問題；采用SST系列單片機更可實現在板仿真功能。
　　3． 一線工人素質不斷提高
　　很多一線工人有中職、中專、大專甚至本科學歷，計算機的操作不成問題，有一些在學校中就學過一至二門的高級語言，甚至就學過C語言，因此，在掌握單片機的初步知識后，學習C語言編程不成為障礙。
　　4．實時操作系統的普及也使得單片機開發更容易
　　近年來，實時操作系統（RTOS）逐漸普及，加之單片機硬件價格的下降，使用操作系統編程不再是夢想。由于操作系統由計算機專家編寫，并經市場驗證，因此，

其性能是完全可以得到保證的，借助于操作系統編程，可使程序更易寫，并能得到更高的可靠性。以下舉一個例子，看一看使用操作系統編程是如何的方便。
　　例如：某電路P1口接有8個LED，要求P1.0所接LED每秒亮、滅各1次，P1.1所接LED每秒亮、滅5次。
　　用Keil所帶的Rtx51Tiny操作系統編程，非常簡單，源程序如下：
#include <rtx51tny.h> //使用rtx51必須加上該頭文件
#include "reg52.h"
sbit P1_0=P1^0;
sbit P1_1=P1^1;
//以上第一部份，變量定義
job0 () _task_ 0 {
os_create_task (1); /* 創建任務 1 */
os_create_task (2); /* 創建任務2 */
os_delete_task (0);/*刪除任務0 */
}
job1 () _task_ 1 { //任務1
while (1) {
P1_0=!P1_0;
os_wait (K_TMO, 50, 0);
}
}
job2 () _task_ 2 {
while (1) { /* endless loop */
P1_1=!P1_1;
os_wait (K_TMO, 20, 0);
}}
　　會使用C語言編程或匯編語言的人不妨按要求自己編一個程序試一試，一定能體會出使用操作系統帶來的方便。
　　雖然我們提供給大家的是一個經過驗證的平臺，但是現場情況非常復雜，誰也不能保證一板打天下，有了一塊板，什么問題都可以解決。我們只能確保：這塊板經過實踐驗證，完全可以在工業現場應用。而對于每一個具體開發者而言，要能把事做好，還必須注意現場布線等問題，所以作為初學者來說，這塊板可以稱之為：練習板，你需要做的不是馬上用它去做項目，而是將其為練習，試著解決你自己或別人所遇到的一些問題，做一些測試，看一看能不能行，如果不行，要找原因，由于你已經可以排除板的因素，因此可以集中精力查找其他原因。當然，如果你是成熟的開發者，完全可以直接用這塊板做產品開發，或用于技術革新，替代原有設備中部件。
注意：這里所謂的練習，不是讓你練習編程，用這塊板來練習編程，學習單片機，太浪費，也不合用，這是要讓你用這塊板去試著解決實際工作中遇到的問題，只是不要急著和別人簽定合同去做。警告：本控制板不得用于生命保障系統，不得應用于本機非正常工作后將產生重大的人生、設備事故的場合，如果使用者將本系列控制板應用在這些場合而產生重大事故，將會由您自行承擔責任。
　　以下是一些工業現場抗干擾技術的有益提示：
　　（1） 該板的供電線路必須處理好。要求本板的供電線路與產生干擾的用電設備分開供電，通常干擾源為各類大功率的設備，如大電機、電焊機及電弧爐等，它們

的供電均取自動力線路。本板供電可取自照明線路，在現場布線時須注意。
　　（2） 布線時，本板的供電線路與輸出線路盡量遠離，分別從兩邊走線，更不要交叉或平行。尤其注意本板的供電線路不要和本板負載從同一插座取電。
　　（3） 條件允許的話，加入低通濾波器和隔離變壓器接入電網，并將隔離變壓器的屏蔽層接入性能良的大地。
　　（4） 本板上方有接地端，如果能夠在現場能得到性能良好的大地，可將此端接入，否則此端可懸空。
　　（5） 輸入時采用軟件濾波技術。
　　（6） 如果本板帶接觸器，盡量選用220V的品種，并注意選用干擾較小的新型號，并在線圈兩端并聯阻容吸收器。如帶其他感性負載，可按同樣原則進行處理。
　　我們認為，如果一個人一直在用自己的工資或其他收入學、玩單片機，卻不能從中獲利，那么這種執著的精神雖可貴，卻不是長久之計，不值得宣揚和推廣，只有形成良性循環，能夠用做單片機項目賺來的錢玩單片機，才能玩得長，當然，如果除此之外還能獲利、成名，那是最好的。而在技術上要有所成就，沒有“速成”，尤其對于廣大的自學者來說更是如此，只有慢慢積累，積小勝為大勝，才有可能走向成功。
　　多年前，我們聽說喬布斯和他的伙伴在車庫里開發成功史上第一臺個人電腦－蘋果機時，我們不知道車庫為何物，更不明白這種工作方式，但是，二十多年過去后，中國目前也出現了這樣的開發和生產模式，而目前歐洲、美國的很多工業品都是很小的公司（也許就一、兩個人）做的，每家公司只做一樣，但是在行業里做得最好。我們相信，中國在這個領域落后美國、歐洲10~20年，也就是，10~20年后中國也將是同樣的情形，但愿到那一天在那支隊伍中有你、我。