基于GMS87C1404的干洗機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 概述

　　GMS87C1404是韓國(guó)HYNIX半導(dǎo)體公司（前身是韓國(guó)現(xiàn)代半導(dǎo)體公司）采用CMOS技術(shù)生產(chǎn)的8位單片機(jī)，它具有功耗低、速度高等特點(diǎn)，并具有豐富的片內(nèi)資源。GMS87C1404采用28腳封裝，有23個(gè)I／O口。由于該單片機(jī)的性?xún)r(jià)比高，因此，近兩年來(lái)在國(guó)內(nèi)家電行業(yè)中獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用。

筆者依據(jù)GMS87C1404的特點(diǎn)和干洗機(jī)中自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)了一個(gè)基于GMS87C1404的干洗機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在使用了一段時(shí)間后獲得了滿意的效果。

2 GMS87C1404的特點(diǎn)

　　圖1是GMS87C1404的引腳圖。它的主要特點(diǎn)如下：
●內(nèi)帶4kROM和192字節(jié)在片RAM（包括堆棧）；
●8MHz時(shí)的指令周期為0．25μs；
●工作電壓范圍為2．5～5．5V；
●具有8位雙向多功能I／O口，可直接驅(qū)動(dòng)LED顯示；
●內(nèi)含8位A／D轉(zhuǎn)換器；
●內(nèi)含1個(gè)8位時(shí)間間隔定時(shí)器；
●內(nèi)含4個(gè)8位定時(shí)／計(jì)數(shù)器；
●內(nèi)含2個(gè)10位高速PWM模式；
●內(nèi)含WATCHDOG定時(shí)器；
●帶有1個(gè)8位SPI串行接口；
●具有12個(gè)中斷源；
●具有1個(gè)可編程蜂鳴器驅(qū)動(dòng)口；
●可支持省電模式STOP；
●可選用RC振蕩。

　　GMS87C1404中的四個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器不僅可以作為四個(gè)8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器使用，同時(shí)通過(guò)對(duì)定時(shí)方式寄存器TM0、TM1和TM2、TM3中有關(guān)位的設(shè)置還可以使它們工作在如下7種定時(shí)方式：
（1）8位計(jì)數(shù)器和8位捕捉方式；
（2）8位捕捉方式和8位比較輸出方式；
（ 3）8位定時(shí)／計(jì)數(shù)10位PWM方式；
（ 4）16位定時(shí)器方式；
（ 5）16位計(jì)數(shù)器發(fā)生；
（6）16位捕捉方式；
（7）16位比較輸出方式。

另外，除了T0、T1、T2、T3四個(gè)定時(shí)器以外，GMS87C1404還有一個(gè)時(shí)間間隔定時(shí)器BITR，該時(shí)間間隔定時(shí)器只要一上電就一直運(yùn)行而不能停止。它的時(shí)鐘源可以是RC振蕩器也可以是主振經(jīng)分頻后的信號(hào)。只要對(duì)CKCTLR寄存器中的BTCL位進(jìn)行置1操作，就可以使BITR清零并重新向上計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)計(jì)到FF并溢出后，芯片中的計(jì)數(shù)器／定時(shí)器便產(chǎn)生 BIT中斷。因此，它可以作為在STOP方式下的片內(nèi)喚醒定時(shí)器使用，同時(shí)也可以作為WATCHDOG定時(shí)器使用或其它定時(shí)器使用。

　　GMS87C1404中共有12個(gè)中斷，分別為4個(gè)外部中斷、4個(gè)定時(shí)中斷、ADC中斷、WDT中斷、BIT中斷和SPI中斷。這些中斷中的每一個(gè)都具有各自的優(yōu)先級(jí)，并且中斷可以嵌套。

　　GMS87C1404的蜂鳴器輸出功能使得用戶(hù)可以方便地選用無(wú)源蜂鳴器，該器件通過(guò)RBFUN和BUR寄存器的設(shè)置可以使RB1腳輸出交替變化的方波以用于驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。其方波的頻率為：

f（Hz）＝fxin／［2分頻系數(shù)（BUR＋1）］

　　其中的分頻系數(shù)和BUR的值均可以由BUR寄存器來(lái)確定。
除了片內(nèi)所具有的WATCHDOG電路外，電源跌落檢測(cè)（PFD）電路是GMS87C1404的又一個(gè)獨(dú)特之處。對(duì)PFDR寄存器進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置可以使其在Vdd上的電壓下降到2．5～3．5V的范圍內(nèi)，或使用2．0～3．0V電壓范圍內(nèi)的保持時(shí)間超過(guò)50ns。通過(guò)該電源跌落檢測(cè)電路還可以使MCU復(fù)位。跌落的電壓是在OTP編程時(shí)由CONFIG寄存器的PFD位決定的。正是這一特點(diǎn)提高了GMS87C1404的抗干擾和抗死機(jī)的能力。

　　GMS87C1404的指令系統(tǒng)共有202條指令，其功能極為豐富。它不但包括了乘法和除法指令，同時(shí)還具有7條16位運(yùn)算操作比較指令，這七條比較指令分別為ADDWdp、CMPWdp、DECWdp、INCWdp、LDYAdp、STYAdp和SUBWdp。通過(guò)這些指令可大大簡(jiǎn)化復(fù)雜和多字節(jié)的運(yùn)算編程操作，提高編程的效率。

3 干洗機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　干洗機(jī)是通過(guò)液泵將洗滌劑加入到內(nèi)桶中的衣物里并通過(guò)內(nèi)桶或外桶之間低速交替的正反轉(zhuǎn)動(dòng)使洗滌劑與衣物上的油漬污漬充分作用、分解后再經(jīng)過(guò)高速旋轉(zhuǎn)甩掉被分解和多余的洗滌劑，然后通過(guò)蒸餾烘干來(lái)完成衣物的干洗過(guò)程。其中低速轉(zhuǎn)換的時(shí)間、高速甩干的時(shí)間和烘干的時(shí)間及烘干的溫度對(duì)被洗衣物的干洗效果至關(guān)重要，因此，這些環(huán)節(jié)不但要給予控制，而且要能預(yù)置、調(diào)節(jié)和存儲(chǔ)記憶。圖2是干洗機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的電原理框圖。

　　該干洗機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)以GMS87C1404為核心元件，通過(guò)鍵盤(pán)和VFD（熒光數(shù)碼顯示）屏來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。其外部輸入信號(hào)包括溫度、門(mén)控和過(guò)載信號(hào)。其中溫度信號(hào)直接經(jīng)GMS87C1404中的A／D轉(zhuǎn)換處理后可在VFD屏上顯示出來(lái)；而門(mén)控和過(guò)載信號(hào)實(shí)際上是開(kāi)關(guān)量信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)兩路光耦隔離后進(jìn)入GMS87C1404。GMS87C1404根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的參數(shù)和外部輸入的信號(hào)再經(jīng)程序處理后由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)9只繼電器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)干洗機(jī)低速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)、液泵電機(jī)、高速電機(jī)（高速1、高速2）、加熱烘干電熱器、風(fēng)機(jī)電機(jī)、蒸餾閥門(mén)以及冷卻水閥門(mén)的控制，并對(duì)各執(zhí)行部件之間復(fù)雜的邏輯關(guān)系和相互制約關(guān)系進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。同時(shí)，在運(yùn)行過(guò)程中，還需要對(duì)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間、高速甩干時(shí)間和烘干時(shí)間采用倒計(jì)時(shí)方式進(jìn)行顯示，當(dāng)烘干的溫度超過(guò)35度時(shí)自動(dòng)打開(kāi)冷卻水，以減緩烘干溫度的上升速度，當(dāng)烘干溫度超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)則關(guān)閉電加熱器。電路中的 EEPROM選用24C01并通過(guò)二線I²C協(xié)議和GMS87C1404進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)置參數(shù)的存儲(chǔ)記憶。本干洗機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)有全自動(dòng)和半自動(dòng)兩種工作方式。

由于GMS87C1404的I／O口數(shù)量有限，因此要實(shí)現(xiàn)5個(gè)端口對(duì)11個(gè)鍵信號(hào)的采集，就需采用鍵盤(pán)來(lái)完成設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用雙向鍵盤(pán)方案。圖3所示是該方案的鍵盤(pán)電路原理圖。在該電路的5個(gè)口中，先將RC4、RC3作為輸出，RC5、RC6、RD2作為輸入，通過(guò)RC3、RC4進(jìn)行掃描來(lái)讀入RC5、 RC6、RD2口的值，從而獲得K1、K2、K3、K5、K7、K9、K11的鍵值；然后再反過(guò)來(lái)將RC3、RC4作為輸入，RC5、RC6、RD2口設(shè)為輸出，并對(duì)RC5、RC6、RD2進(jìn)行掃描以讀入RC3、RC4口的值，從而得到K2、K4、K6、K8、K10的健值。這樣就可有效地利用較少的 I／O口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)較多的鍵信號(hào)的采集。

　　因?yàn)閂FD屏具有高亮度，可設(shè)置簡(jiǎn)單圖形和動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)，因而很適合用在干洗機(jī)中。本系統(tǒng)采用靜態(tài)VFD屏，該屏具有6位數(shù)碼和19個(gè)圖形文字符號(hào)共61個(gè)筆段。驅(qū)動(dòng)電路采用四片CS6210串聯(lián)來(lái)完成，每片CS6210可驅(qū)動(dòng)16個(gè)筆段。 GMS87C1404可通過(guò)3線串行接口將要顯示的數(shù)據(jù)送往CS6210。然后由CS6210根據(jù)所輸入的數(shù)據(jù)在相應(yīng)的引腳輸出對(duì)應(yīng)的VFD屏所需的－ 24V電壓以點(diǎn)亮相應(yīng)的筆劃。

干洗機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主程序圖如圖4所示，其中的安全備份程序用于提高該系統(tǒng)的可靠性。雖然GMS87C1404已經(jīng)提供了性能良好的WATCHDOG電路和PFD功能，但二者僅能在干擾信號(hào)達(dá)到一定程度時(shí)給出復(fù)位信號(hào)以保證不死機(jī)。而斷點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)以及機(jī)器的不間斷運(yùn)行還需要通過(guò)軟件來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)軟件將數(shù)據(jù)備份程序運(yùn)行過(guò)程中那些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)拷貝在RAM區(qū)域中一些未使用的區(qū)域。下面是數(shù)據(jù)備份程序BACKUP和數(shù)據(jù)恢復(fù)程序 RESTORE的程序清單。
BACKUP： LDX＃01H；備份數(shù)據(jù)的起始地址

　　在初始化程序中，系統(tǒng)首先通過(guò)CHECK（自定義）寄存器與某一個(gè)定值（如 01010101B）進(jìn)行比較來(lái)判斷本次復(fù)位是上電復(fù)位還是因干擾后的WATCH－DOG或PFD復(fù)位，如果是上電復(fù)位，系統(tǒng)則正常初始化，并置 CHECK為設(shè)定值，否則系統(tǒng)將通過(guò)RE－STORE程序?qū)⒃鹊腂ACKUP數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，然后再部分初始化并進(jìn)入主程序直接運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)程序斷點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)和整機(jī)無(wú)異常感覺(jué)的連續(xù)運(yùn)行，另外，也可以在程序中的一些關(guān)鍵處設(shè)置軟件陷阱，這樣，一旦程序因干擾而沒(méi)有按正常的運(yùn)行途徑運(yùn)行而進(jìn)入陷阱時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)跳到RESTORE進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)并使運(yùn)行程序恢復(fù)到正常的運(yùn)行次序，從而確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

1．GMS87C1404 User＇s Manual．HYUNDAI MicroElectronics