基于单片机在自动装弹系统中的应用.docx
《基于单片机在自动装弹系统中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机在自动装弹系统中的应用.docx（47页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于单片机在自动装弹系统中的应用
基于单片机在自动装弹系统中的应用
摘要：
新型自动装弹机的出现是现代军事技术的最新突破，已被广泛运用于装甲车辆。
本文将详细介绍该系统研制技术。
该系统以计算机控制系统的理论为基础，为达到硬件、软件两方面满足系统设计所需的快速、精确和稳定要求。
采用以MCS-51系列的8051单片机为核心，并外加输入和输出电路做为总体设计。
主回路功率开关器件采用IGBT，再由IGBT管去驱动相应的电气元件，实现了通过快速有效采集信号、正确判断信号、再做出正确的输出。
由于应用了最新技术，它较之原来用开关、按钮和继电器所构成的系统，具有速度更快，且运行稳定的优点。
目前该系统已迈向以DSP控制核心与现场总线技术方向发展。
关键字：
自动装填；MCS-8051单片机；电力电子技术；DSP；现场总线技术。
TheapplicationofSingleChipMicrocomputerinAuto-loadingSystem
Abstract:
TheemergenceofNewAuto-loadingSystemstandforthelatestbreakthroughinmodernmilitary,whichhavebeenextensivelyusedinallkindsofarmorvehicle.Thearticlewillsbedetailedtointroducetheresearchtechnologyofthenewsystem.Thesystembasedoncomputercontrolsthetheories,inordertosatisfytherequestofhardwareandsoftware,suchashigh-speed,precisionandstability.ThereforeweadoptMCS-8051singlechipascontrolcore,andselectinputandoutputelectriccircuittodesigntheentiresystem.TheprimarycircuitpowerswitchmachinemakeupbyIGBT,whichwillbedemandtodrivethenextrelevantelectricelement,throughitwecanfastcollectsignal,distinguishitrightornot,finallytoputtherightsingleout.Aswehaveadoptthelatesttechnology,thenewsystempossesssomanystrongpointthattheolderonecannotcomparablewithit.Atpresenttime,thesystemheadintocontrolwiththeDSPasthecoreandFieldbustechnologytothenewtechniquedirection.
Keywords:
Auto-loading,MCS-8051singlechipcomputer,electricpowerelectronictechnology,DSP,Fieldbustechnology.
第1章前言
伴随着科学技术的不断发展，尤其是计算机技术快速发展和电力电子技术的不断进步，它们在社会各个领域所起的作用越来越重要，无论在宇宙飞船、导弹制导的尖端技术领域中，还是在机器制造业，工业过程以及在民用工业中，它所取得的成就都是惊人的。
计算机技术和电力电子技术的不断发展，为人们提供了设计优良系统的方法，大大提高了生产率，也促进了技术的进步。
同时，在技术高度发达的今天，控制工程师已更多更广泛地将控制理论与计算机技术结合起来，在各个专业工程领域中，将人们的许多希望和梦想变成现实。
其中在军事领域中，我们十分有必要对原有武器装备进行自动化改进，这也是我们现在提高军队现代化建设所必须要做的，从目前技术发展程度与未来自动装弹机发展方向来看，我们必须紧随国际发展水平以为国防建设做出积极贡献。
。
在本次自动装填控制系统的设计中，我们主要运用了计算机控制技术，来对原来陈旧的系统进行技术改进。
采用单片机与电力电子技术改进原来系统。
单片机作为微机技术的运用，它具有集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等特点，在各个领域得到了广泛的应用和发展。
而电力电子技术是以各类功率半导体器件为基础,用于电能更换和控制的现代电子工业的技术。
电力半导体器件的飞速发展大大拓宽了电力电子技术的应用范围。
目前电力半导体器件正向大容量、高频率和智能化等方向发展。
在此次设计中，电力电子技术主要运用达林顿管、光耦以及IGBT作为隔离、保护和驱动电路。
本章将对此次设计内容做简要概述。
1.1课题研制起源
自动装填机系统原属七十年代的产品，主要配备于坦克上，它是由一些开关、按纽和继电器作为控制、保护电路，来驱动装填系统的各种电机。
新型自动装填机系统完成一次发射的步骤如下：
自动装填控制系统完成了自动装置代替人工装填炮弹，以及炮弹发射等一系列的进程。
它是一套完整的机电一体化的系统，通过旋转输弹机把各种炮弹装入装弹夹内；提升机构把炮弹推向发射装置，在推炮弹时，同时推开框架，在提升装置回落时，框架下行，在炮弹发射时起到保护的作用。
炮弹在发射前并没有完成全部的组装，而是在最后的发射时完成。
因此它在发射前是由两部分组成，即药筒和弹头，提升机构分两步把它们推入发射装置。
每完成一部分工作都要进行一次收链，完成对该部分的夹紧、固定等一系列的工作。
在发射装置上有一窗口，在炮弹发射完成后，开窗，其弹壳在减震后从窗口抛出，紧接着关窗，提升机构回落，火炮解除锁定目标。
当需要对新的目标进行攻击，需要重新锁定目标，完成上面的步骤，进行攻击。
但在现代军事理论中，如何进一步提高军队作战能力，是军事专家们考虑最多的，其中提高军队反应速度，特别是武器的灵活作战那里和快速反应以及系统的稳定，又是重中之重。
而提高发射速度的最佳途径是实现弹药装填自动化[1]。
在以电子技术和信息技术为主要推动力、数字化技术为核心的新军事革命的背景下，军用自动测试设备（AutomaticTestingEquipment，简称ATE）成为军用电子设备、武器设备、现代化指挥系统安全运行和准确操作所必需的重要支撑技术，是使武器装备系统处于良好战备状态的重要保证。
因此，开发出一种应用于坦克的弹药自动装填系统，对于目前军队武器现代化建设有非常重要的作用。
而原系统主要由一些开关、按纽和继电器作为控制、保护电路，来驱动各种电机。
它的不稳定性和不可靠性，在现代军事和作战条件下，已不再实用了。
因此，为了提高自动装弹系统的稳定性和可靠性，使其具备有该系统的武器能够快速和稳定的打击目标，我们有必要对该系统进行技术改造。
作为控制手段，来实现坦克弹药自动装填。
新型装弹控制系统是以单片机为核心的控制系统取代原系统中的所有继电器，由单片机的输出信号控制IGBT管，再由IGBT管去驱动相应的相应的控制对象，如旋转电机等。
全面将微机控制的理论、方法和技术应用于装弹机，使其取代了许多笨重而烦琐的硬件结构，并且内部结构和人机界面大为改观，节省许多开关和调节旋钮。
为了实现这种特性或功能，自动装弹机中一般都使用嵌入微处理器的系统芯片（SOC）、或数字信号处理器（DSP）及专用电路（ASIC），自动装弹机内部带有处理能力很强的智能软件，这已不再是简单的硬件实体，而是硬件、软件相结合，软件在智能仪器高低方面起重要作用的新型系统。
所以该系统，我们可以说是一个高度化信息处理系统，微处理器通过键盘或遥控接口接受命令和信号，并用来控制仪器的运行，执行常规测量，对数据进行智能分析和处理，数字显示或传送，而传统的模拟方法是很难做到的。
随着电子计算机及配套的大规模集成电路日新月异的发展，自动装填系统的信息处理主要由各种微机构成。
其中单片机的应用尤为广泛。
该系统中的控制核心就是由80C51单片机构成。
1.2课题涉及的主要技术
新型自动装弹控制系统主要应用了微机和电力电子技术。
在微型计算机中，核心技术是单片机技术，它被作为主要控制手段。
而电力电子技术方面，我们主要将高频开光技术以及保护电路作为驱动电路。
单片机是将计算机的CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机。
由于单片机的这种特殊的结构形式，在某些应用领域中，它承担了大中型计算机和通用的微型计算机无法完成的工作。
因此在各个领域中都得到了迅猛的发展。
未来单片机仍是以8位单片机为主流机型。
因为8位廉价型单片机将逐渐侵入4位机领域：
而8位增强性单片机在速度及功能上向16位单片机挑战。
未来机型可能是8位机和32位机共同发展的时代。
从单片机结构功能来看，单片机发展趋势将向大容量高性能、小容量低价格和外围电路内装化的几个方面发展。
在自动装填控制系统中，信息处理系统中的单片机，并不能直接驱动我们要求的对象，而是通过接口技术和一些电力电子开关来驱动，因此我们还运用了电力电子技术的一些相关的知识。
电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。
具体来说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
通常把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。
变流技术也称为电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置的电力电子系统的技术。
“变流”不只指交直流之间的变换，也包括上述的直流变直流和交流变交流。
电力电子器件则是电力电子电路的基础，如果没有电力晶体管、晶闸管等电力电子器件，也就没有电力电子技术，可见电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。
为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小、常常把若干个电力电子器件必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。
后来，有把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。
1.3课题研究的意义与前景
当今的时代是一个充满竞争与挑战的时代，世界各国为了在各种复杂形势下能够争得一席之位，必须不断提高和发展本国的综合国力。
因此，不管是在民用、工业还是在军事方面都强调技术，管理和理念的不断革新。
因此，为捍卫一个国家的主权与领土完整，一个国家的军队的现代化建设显得优为重要。
现代战争中，我们不再比较的是人多还是人少的问题，而是较量军队自动化程度和信息化程度，尤其是在以电子技术和信息技术为主要推动力、数字化技术为核心的新军事革命的背景下，军用自动测试设备成为军用电子设备、武器设备、现代化指挥系统安全运行和准确操作所必需的重要支撑技术，是使武器装备系统处于良好战备状态的重要保证。
在现代军事理论中，如何提高军队作战能力，是军事专家们考虑最多的，其中提高军队反应速度，特别是武器的灵活作战和快速反应以及其稳定和可靠性，又是重中之重。
对于目前陆地上最重要的重型武器—坦克，对其实施自动化操作，特别对其弹药自动装填是非常重要，因为，他能提高发射速度，并且准确发射火炮给敌人实施突然猛烈的袭击，以获得大的火力杀伤效果。
同时，它还能提高军队的反应速度和作战能力。
因此，开发出一种应用于坦克的弹药自动装填系统，对于目前军队武器现代化建设有非常重要的作用[2]。
目前，在以电子技术和信息技术为主要推动力、数字化技术为核心的新军事革命的背景下，从两个方面来看，一方面，自动装弹机是一种现代化的机器人设备，他已改变了过去许多烦琐而复杂的硬件，并且内部结构和线路布局大为改观，节省许多开关和调节旋钮，特别是采用了单片机，从而取代了繁杂继电器。
另一方面随着现代控制理论计算机技术的不断发展，自动装弹机的控制系统也有待进一步的改进和提高。
比如，在自动装弹机的控制系统中加入人工智能技术，使装弹机能自动的根据火炮的外界条件变化而适应不同的工作环境，使得更加稳定和快速。
虽然，自动装填系统已经改写了人工装填半自动化的历史，为武器自动化迈出了很好的一步。
但就自动化程度来说，要满足以后坦克发展的需要，还有很多不完善的地方，还需进一步改善和发展。
因而在自动化装填系统这个领域里，我们还面临着巨大的挑战。
自动装填系统使坦克作战能力和反应能力加强的优越性，使得自动装填系统有着广阔的发展前景。
另一方面，是我们更关注的一个问题，即作为计算机控制的一个简单实例：
弹药自动装填控制系统，它要求我们应用单片机系统对该系统进行设计。
由于微型计算机技术的发展和普及，单片机的应用给系统设计带来了极大方便。
单片机经过三代发展，单片机的控制功能得到全速发展，8位单片机的高性能和16位单片机得到进一步发展，目前32位机已经进入了使用阶段。
从单片机的结构功能来看，单片机性价比高，控制能力强，低电压、低功耗，集成度及可靠性高，功能和抗干挠强，它的发展趋势将向着大容量高性能、小容量低价格和外围电路内装化的几个方面发展。
现在已经广泛采用现场总线技术开发新一代自动装填系统。
现场总线是工业控制系统的新型通讯标准，是基于现场总线的低成本自动化系统技术。
现场总线技术的采用将带来工业控制系统技术的革命。
采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。
现场总线将对传统的控制系统结构带来根本性变革，目前国际上研制自动装弹机在技术上又取得新的重大突破，以开始用总线技术优化其内部结构。
采用总线技术不仅能进一步提高自动装弹机的反应速度与简化体积，而且从整体上其性能将极大提高。
第2章单片机技术及其应用系统
2.1 单片机概述
单片机，也称单片微型计算机，是微型计算机家族中的一员，它以独特的结构和超群的优点，深得各个领域的青睐，应用十分之泛，近年来发展极其迅速。
世界上的各个半导体厂商都抓住这个机会，推出自己的产品，一时间单片机如雨后春笋般蓬勃发展和流行起来。
在近30年的时间里，电子计算机的发展经历了从电子管、晶体管、中小大体集成电路到大规模集成电路四个阶段，尤其是随着大规模集成电路技术的飞跃发展，20世纪70年代初诞生的单片机微型计算机，使得计算机应用日益广泛。
而单片机的问世，更进一步推动了计算机应用技术的发展，使计算机应用渗透到各行各业，达到了前所未有的普及程度[3]。
2.2 单片机的特点与应用
1、单片机的特点：
（1）重量轻、耗电少、价格低、电源单一。
（2）抗干扰能力强、可靠性高。
芯片本身是按工业测控环境设计的，其抗工业噪声干扰优于一般的通用CPU；程序指令及常数、表格固化在ROM中，不易被破坏；许多信号通道均在一块芯片内。
（3）集成度限制，片内存储器容量较小。
一般ROM小于8KB，RAM小于256个字节，但可在外部扩展，通常ROM、RAM可分别扩展至64KB。
（4）面向控制，控制功能强，运行速度快。
其结构组成与指令系统都着重满足工控要求。
指令系统中均有极其丰富的条件转移指令，I/O口的逻辑操作及位处理功能。
一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的其它微处理器。
（5）开发应用方便，研制周期短。
片内具有计算机正常运行所必须的部件，芯片外部有许多供扩展用的三总线以及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各规模的计算机应用系统。
2、单片机的应用
单片机具有体积小、使用灵活、成本低、易于产品化、抗干扰能力强、可在各种恶劣的条件下工作等特点。
特别是它强大的面向控制的能力、使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到广泛应用。
（1）单片机在智能仪表中的应用
在各类仪器仪表中，引入单片机使得仪器仪表数字化、智能化、微型化功能大大提高，例如精密数字温度计、智能电度表、微机多功能PH测试等等。
（2）单片机在工业测控中的应用。
用单片机可以构成各种工业测控系统、自适应控制系统、数据采集系统等，例如MCS-51单片机控制电镀生产线、温度人工气候控制、报警系统控制、IBM-PC/XT和单片机组成的二级计算机控制系统等。
（3）单片机在计算机网络与通信技术中的应用
MCS-51系列单片机具有通信接口，为单片机在计算机网络与通信设备中的应用提供了良好的条件，例如MCS-51系列单片机控制的串行自动呼叫应答系统、列车无线通信系统、MCS-51单片机无线遥控系统等。
（4）单片机在日常生活及家电中的应用
单片机越来越广泛应用于日常生活的智能电器产品以及家电中。
例如电子秤、银行计息电脑、电脑缝纫机、心率监护控制、彩色电视机、电冰箱控制、洗衣机控制等等。
（5）单片机与Internet
随着网络技术的发展，Internet已经成为信息社会的重要组成部分，Internet技术已经深入到日常生活中和工作中。
Internet技术得以迅速发展，其主要推动力之一是标准成熟的PC工业。
无论是PC机的硬件平台，还是软件操作系统，都要求高度标准化，上网方式也大同小异。
而对于各类家用电器和智能装置，情况就不同了，它们的心脏多是单片机，但由于单片机芯片品种繁多，其结构和指令系统也各不相同，因此，它不能像PC机那样通过标准的硬件接口和接口软件直接接到Internet，如果能够将各类智能装置或家用电器与Internet连接起来，一方面可充分利用Internet资源，另一方面还可获得一些电子设备信息。
由此可见，单片机与Internet的紧密结合将为单片机应用系统的发展开创另一片天地。
机电一体化是机械工业发展的方向。
它是通过机械技术与微电子技术、信息技术紧密结合而成的一个新的学科领域。
这种结合形成新技术趋势，涌现了崭新的产品及先进的制造技术，使整个机械、仪表、控制的产品结构发生根本变化[4]。
2.3MCS-51单片机的组成
MCS-51单片机是Intle公司再1980年续MCS-48系列8为单片机之后推出的高8位单片机。
MCS-51单片机再性能和片内功能方面大大优于MCS-51系列单片机。
MCS—51单片机的核心部分是中央处理器CPU，它由运算器和控制器两大部分组成。
运算器用来完成算术运算、逻辑运算和进行位操作（布尔处理），由算术逻辑单元（ALU）、位处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMPl和TMP2等组成，与一般运算器的作用类似。
控制器是用来统一指挥和控制计算机进行工作的部件，它由定时和控制逻辑、内部振荡电路OSC、指令寄存器及其译码器、程序计数器PC及其增量器、程序地址寄存器、程序状态字寄存器PSW、RAM地址寄存器、数据指针DPTR、堆栈指针SP等部分组成。
MC5—51单片机中的CPU和通用微处理器（如Z80CPU）基本相同，只是增设了“面向控制”的处理功能。
例如：
位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理等，增强了实时性。
2.3.1MCS—51单片机的引脚功能
采用HM0S制造工艺制造的MCS—51单片机，都采
用40引脚双列直插式封装。
而采用CHMOS制造工
艺的80C51／80C31，除采用40脚双列直插式封
装外，还采用方形的封装方式。
图2—3为采用双
列直插式封装的MCS—5l系列单片机引脚图。
各引脚功能说明如下：
1.电源引脚
Vcc（40脚）：
接+5V；Vss（20脚）：
接地。
2.时钟信号引脚
XTALl（19脚），XTAL2（18脚）：
外部时钟信号的两
个引脚。
3.控制线
1）RST／VPD（9脚）：
当作为RST使用时，为复位输入端。
在时钟电路工作以后，此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。
在RST与Vcc引脚之间连接一个10μF~20μF的电容，RST与Vcc引脚之间连接一个约8.2KΩ的电阻，就可实现上电复位功能。
当作为VPD使用时，当Vcc处于掉电情况下，此引脚可接上备用电源，只为片内RAM供电，保持信息不丢失。
2）／VPP（31脚）：
为访问内部或外部程序存储器的选择信号。
如使用CPU片内的程序存储器单元，端必须接高电平，当PC值小于0FFFH时，CPU访问内部程序存储器；当PC值大于0FFFH且外部有扩充的程序存储器时，CPU将自动转向执行外部程序存储器内的程序。
若使用片内无ROM／EPROM的CPU时，必须接地。
CPU全部访问外部程序存储器。
对片内EPROM编程时，此引脚（作VPP）接人21V编程电压。
3）ALE／（30脚）：
当访问外部存储器时，ALE信号的负跳变将P0口上的低8位地址送入锁存器。
即使不访问外部存储器，ALE端仍以振荡器振荡频率的1／6固定速率输出正脉冲信号，此时可用它作为对外输出的时钟或定时脉冲。
但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，以1／12的振荡频率输出。
对片内EPROM编程时，该引脚（）用于输入编程脉冲。
ALE端能驱动（吸收或输出电流）8个LSTTL负载。
4）（29脚）：
外部程序存储器读选通控制信号，低电平有效。
以区别读取外部数据存储器。
在读取外部程序存储器指令（或常数）时，每个机器周期产生两次有效信号。
但执行片内程序存储器取指令时，不产生信号。
信号同样能驱动8个LSTTL负载。
4.输入／输出口线。
1）P0口（32—39脚）：
8位漏极开路型双向并行I／O口。
在访问外部存储器时，P0口作为低8位地址／数据总线复用口，通过分时操作，先传送低8位地址，利用ALE信号的下降沿将地址锁存，然后作为8位双向数据总线使用，用来传送8位数据。
在对片内EPROM编程时，P0口接收指令代码；而在内部程序验证时，则输出指令代码，并要求外接上拉电阻。
外部不扩展而单片应用时，则作双向I／O口用，P0口能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。
2）P1口（1—8脚）：
具有内部上拉电阻的8位准双向I／O口。
在片内EPEOM编程及校验时，它接收低8位地址。
P1口能驱动4个LSTTL负载。
对8032／8052，其中P1.0和P1.1还具有第二变异功能：
P1.0（T2）为定时器／计数器2的外部事件脉冲输入端。
P1.1（T2Ex）为定时器／计数器2的捕捉和重新装入触发脉冲输入端。
3）P2口（21—28脚）：
8位具有内部上拉电阻的准双向I／O口。
在外接存储器时，P2口作为高8位地址总线。
在对片内EPROM编程、校验时，它接收高位地址。
P2口能驱动4个LSTTL负载。
4）P3口（10一17脚）：
8位带有内部上拉电阻的准双向I／O口。
每一位又具有如下的特殊功能（或称第二功能）[5]。
2.3.2MCS-51的存储器
MCS-51单片机在物理结构上有四个存储空间：
片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器与片外数据存储器。
但在逻辑上，即从用户的角度上，8051单片机有三个存储空间：
片内外统一编址的64K的程序存储器地址空间（MOVC）；256B的片内数据存储器的地址空间（MOV）；以及64K片外数据存储器的地址空间（MOVX）。
在访问三个不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令，以产生不同的存储器空间的选通信号。
程序内存ROM：
寻址范围：
0000H~FFFFH容量64KB，EA=1，寻址内部ROM；EA=0，寻址外部ROM地址长度：
16位作用：
存放程序及程序运行时所需的常数。
内部数据存储器RAM：
物理上分为两大区：
00H~7FH即128B内RAM和SFR区。
作用：
作数据缓冲器用。
下图是图2—4为MCS—5l系列存储器的分配图。
升级会员 