用LED灯和按键来模拟工业自动化设备的运动控制。

张衍波

用LED灯和按键来模拟工业自动化设备的运动控制。

开场白：
前面三节讲了独立按键控制跑马灯的各种状态，这一节我们要做一个机械手控制程序，这个机械手可以左右移动，最左边有一个开关感应器，最右边也有一个开关感应器。它也可以上下移动，最下面有一个开关感应器。左右移动是通过一个气缸控制，上下移动也是通过一个气缸控制。而单片机控制气缸，本质上是通过三极管把信号放大，然后控制气缸上的电磁阀。这个系统机械手驱动部分的输出和输入信号如下：
    2个输出IO口，分别控制2个气缸。对于左右移动的气缸，当IO口为0时往左边跑，当IO口为1时往右边跑。对于上下移动的气缸，当IO口为0时往上边跑，当IO口为1时往下边跑。
      3个输入IO口，分别检测3个开关感应器。感应器没有被触发时，IO口检测为高电平1。被触发时，IO口检测为低电平0。
这一节继续要教会大家两个知识点：
第一点：如何用软件进行开关感应器的抗干扰处理。
第二点：如何用Switch语句搭建工业自动控制的程序框架。还是那句话，我们只要以Switch语句为支点，再复杂再繁琐的程序都可以轻松地编写出来。

具体内容，请看源代码讲解。

（1）硬件平台：基于朱兆祺51单片机学习板。用矩阵键盘中的S1键作为启动独立按键，用S5按键模拟左边的开关感应器，用S9按键模拟右边的开关感应器，用S13按键模拟下边的开关感应器。记得把输出线P0.4一直输出低电平，模拟独立按键的触发地GND。

（2）实现功能：
      开机默认机械手在左上方的原点位置。按下启动按键后，机械手从左边开始往右边移动，当机械手移动到最右边时，机械手马上开始往下移动，最后机械手移动到最右下角的位置时，延时1秒，然后原路返回，一直返回到左上角的原点位置。注意：启动按键必须等机械手处于左上角原点位置时，启动按键的触发才有效。

（3）源代码讲解如下：
#include "REG52.H"

#define const_voice_short  40   //蜂鸣器短叫的持续时间

#define const_key_time1  20    //按键去抖动延时的时间


#define const_sensor  20   //开关感应器去抖动延时的时间

#define const_1s  500  //1秒钟大概的定时中断次数

void initial_myself();   
void initial_peripheral();
void delay_short(unsigned int uiDelayShort);
void delay_long(unsigned int uiDelaylong);

void left_to_right();  //从左边移动到右边
void right_to_left(); //从右边返回到左边
void up_to_dowm();   //从上边移动到下边
void down_to_up();    //从下边返回到上边


void run(); //设备自动控制程序
void hc595_drive(unsigned char ucLedStatusTemp16_09,unsigned char ucLedStatusTemp08_01);
void led_update();  //LED更新函数
void T0_time();  //定时中断函数

void key_service(); //按键服务的应用程序
void key_scan(); //按键扫描函数 放在定时中断里
void sensor_scan(); //开关感应器软件抗干扰处理函数，放在定时中断里。

sbit hc595_sh_dr=P2^3;   
sbit hc595_st_dr=P2^4;  
sbit hc595_ds_dr=P2^5;  

sbit beep_dr=P2^7; //蜂鸣器的驱动IO口

sbit key_sr1=P0^0; //对应朱兆祺学习板的S1键

sbit left_sr=P0^1; //左边的开关感应器    对应朱兆祺学习板的S5键   
sbit right_sr=P0^2; //右边的开关感应器   有对应朱兆祺学习板的S9键
sbit down_sr=P0^3; //下边的开关感应器    对应朱兆祺学习板的S13键

sbit key_gnd_dr=P0^4; //模拟独立按键的地GND，因此必须一直输出低电平

unsigned char ucKeySec=0;   //被触发的按键编号

unsigned int  uiKeyTimeCnt1=0; //按键去抖动延时计数器
unsigned char ucKeyLock1=0; //按键触发后自锁的变量标志


unsigned char ucLeftSr=0;  //左边感应器经过软件抗干扰处理后的状态标志
unsigned char ucRightSr=0;  //右边感应器经过软件抗干扰处理后的状态标志
unsigned char ucDownSr=0;  //下边感应器经过软件抗干扰处理后的状态标志

unsigned int  uiLeftCnt1=0;  //左边感应器软件抗干扰所需的计数器变量
unsigned int  uiLeftCnt2=0;

unsigned int  uiRightCnt1=0;  //右边感应器软件抗干扰所需的计数器变量
unsigned int  uiRightCnt2=0;

unsigned int  uiDownCnt1=0;   //下边软件抗干扰所需的计数器变量
unsigned int  uiDownCnt2=0;

unsigned int  uiVoiceCnt=0;  //蜂鸣器鸣叫的持续时间计数器

unsigned char ucLed_dr1=0;   //代表16个灯的亮灭状态，0代表灭，1代表亮
unsigned char ucLed_dr2=0;
unsigned char ucLed_dr3=0;
unsigned char ucLed_dr4=0;
unsigned char ucLed_dr5=0;
unsigned char ucLed_dr6=0;
unsigned char ucLed_dr7=0;
unsigned char ucLed_dr8=0;
unsigned char ucLed_dr9=0;
unsigned char ucLed_dr10=0;
unsigned char ucLed_dr11=0;
unsigned char ucLed_dr12=0;
unsigned char ucLed_dr13=0;
unsigned char ucLed_dr14=0;
unsigned char ucLed_dr15=0;
unsigned char ucLed_dr16=0;

unsigned char ucLed_update=1;  //刷新变量。每次更改LED灯的状态都要更新一次。



unsigned char ucLedStatus16_09=0;   //代表底层74HC595输出状态的中间变量
unsigned char ucLedStatus08_01=0;   //代表底层74HC595输出状态的中间变量



unsigned int  uiRunTimeCnt=0;  //运动中的时间延时计数器变量
unsigned char ucRunStep=0;  //运动控制的步骤变量

void main()
  {
   initial_myself();  
   delay_long(100);   
   initial_peripheral();
   while(1)   
   {
      run(); //设备自动控制程序
      led_update();  //LED更新函数
      key_service(); //按键服务的应用程序
   }

}


/* 注释一：
* 开关感应器的抗干扰处理，本质上类似按键的去抖动处理。唯一的区别是：
* 按键去抖动关注的是IO口的一种状态，而开关感应器关注的是IO口的两种状态。
* 当开关感应器从原来的1状态切换到0状态之前，要进行软件滤波处理过程，一旦成功地
* 切换到0状态了，再想从0状态切换到1状态的时候，又要经过软件滤波处理过程，符合
* 条件后才能切换到1的状态。通俗的话来说，按键的去抖动从1变成0难，从0变成1容易。
* 开关感应器从1变成0难，从0变成1也难。这里所说的"难"是指要经过去抖处理。
*/

void sensor_scan() //开关感应器软件抗干扰处理函数，放在定时中断里。
{
   if(left_sr==1)  //左边感应器是高电平，说明有可能没有被接触    对应朱兆祺学习板的S5键  
   {
       uiLeftCnt1=0; //在软件滤波中，非常关键的语句！！！类似按键去抖动程序的及时清零
       uiLeftCnt2++; //类似独立按键去抖动的软件抗干扰处理
           if(uiLeftCnt2>const_sensor)
           {
              uiLeftCnt2=0;
                  ucLeftSr=1;   //说明感应器确实没有被接触
           }
   }
   else    //左边感应器是低电平，说明有可能被接触到了
   {
       uiLeftCnt2=0; //在软件滤波中，非常关键的语句！！！类似按键去抖动程序的及时清零
       uiLeftCnt1++;
           if(uiLeftCnt1>const_sensor)
           {
              uiLeftCnt1=0;
                  ucLeftSr=0;   //说明感应器确实被接触到了
           }
   }

   if(right_sr==1)  //右边感应器是高电平，说明有可能没有被接触    对应朱兆祺学习板的S9键  
   {
       uiRightCnt1=0; //在软件滤波中，非常关键的语句！！！类似按键去抖动程序的及时清零
       uiRightCnt2++; //类似独立按键去抖动的软件抗干扰处理
           if(uiRightCnt2>const_sensor)
           {
              uiRightCnt2=0;
                  ucRightSr=1;   //说明感应器确实没有被接触
           }
   }
   else    //右边感应器是低电平，说明有可能被接触到了   
   {
       uiRightCnt2=0; //在软件滤波中，非常关键的语句！！！类似按键去抖动程序的及时清零
       uiRightCnt1++;
           if(uiRightCnt1>const_sensor)
           {
              uiRightCnt1=0;
                  ucRightSr=0;   //说明感应器确实被接触到了
           }
   }

   if(down_sr==1)  //下边感应器是高电平，说明有可能没有被接触    对应朱兆祺学习板的S13键  
   {
       uiDownCnt1=0; //在软件滤波中，非常关键的语句！！！类似按键去抖动程序的及时清零
       uiDownCnt2++; //类似独立按键去抖动的软件抗干扰处理
           if(uiDownCnt2>const_sensor)
           {
              uiDownCnt2=0;
                  ucDownSr=1;   //说明感应器确实没有被接触
           }
   }
   else    //下边感应器是低电平，说明有可能被接触到了
   {
       uiDownCnt2=0; //在软件滤波中，非常关键的语句！！！类似按键去抖动程序的及时清零
       uiDownCnt1++;
           if(uiDownCnt1>const_sensor)
           {
              uiDownCnt1=0;
                  ucDownSr=0;   //说明感应器确实被接触到了
           }
   }
}


void key_scan()//按键扫描函数 放在定时中断里
{  

  if(key_sr1==1)//IO是高电平，说明按键没有被按下，这时要及时清零一些标志位
  {
     ucKeyLock1=0; //按键自锁标志清零
     uiKeyTimeCnt1=0;//按键去抖动延时计数器清零，此行非常巧妙，是我实战中摸索出来的。      
  }
  else if(ucKeyLock1==0)//有按键按下，且是第一次被按下
  {
     uiKeyTimeCnt1++; //累加定时中断次数
     if(uiKeyTimeCnt1>const_key_time1)
     {
        uiKeyTimeCnt1=0;
        ucKeyLock1=1;  //自锁按键置位,避免一直触发
        ucKeySec=1;    //触发1号键
     }
  }



}


void key_service() //按键服务的应用程序
{
  switch(ucKeySec) //按键服务状态切换
  {
    case 1:// 启动按键   对应朱兆祺学习板的S1键
         if(ucLeftSr==0)  //处于左上角原点位置
         {
             ucRunStep=1; //启动
             uiVoiceCnt=const_voice_short; //按键声音触发，滴一声就停。  
         }           

         ucKeySec=0;  //响应按键服务处理程序后，按键编号清零，避免一致触发
         break;   

  }               
}



void led_update()  //LED更新函数
{

   if(ucLed_update==1)
   {
       ucLed_update=0;   //及时清零，让它产生只更新一次的效果，避免一直更新。

       if(ucLed_dr1==1)
           {
              ucLedStatus08_01=ucLedStatus08_01|0x01;
           }
           else
           {
              ucLedStatus08_01=ucLedStatus08_01&0xfe;
           }

       if(ucLed_dr2==1)
           {
              ucLedStatus08_01=ucLedStatus08_01|0x02;
           }
           else
           {
              ucLedStatus08_01=ucLedStatus08_01&0xfd;
           }

       if(ucLed_dr3==1)
           {
              ucLedStatus08_01=ucLedStatus08_01|0x04;
           }
           else
           {
              ucLedStatus08_01=ucLedStatus08_01&0xfb;
           }

       if(ucLed_dr4==1)
           {
              ucLedStatus08_01=ucLedStatus08_01|0x08;
           }
           else
           {
              ucLedStatus08_01=ucLedStatus08_01&0xf7;
           }


       if(ucLed_dr5==1)
           {
              ucLedStatus08_01=ucLedStatus08_01|0x10;
           }
           else
           {
              ucLedStatus08_01=ucLedStatus08_01&0xef;
           }


       if(ucLed_dr6==1)
           {
              ucLedStatus08_01=ucLedStatus08_01|0x20;
           }
           else
           {
              ucLedStatus08_01=ucLedStatus08_01&0xdf;
           }


       if(ucLed_dr7==1)
           {
              ucLedStatus08_01=ucLedStatus08_01|0x40;
           }
           else
           {
              ucLedStatus08_01=ucLedStatus08_01&0xbf;
           }


       if(ucLed_dr8==1)
           {
              ucLedStatus08_01=ucLedStatus08_01|0x80;
           }
           else
           {
              ucLedStatus08_01=ucLedStatus08_01&0x7f;
           }

       if(ucLed_dr9==1)
           {
              ucLedStatus16_09=ucLedStatus16_09|0x01;
           }
           else
           {
              ucLedStatus16_09=ucLedStatus16_09&0xfe;
           }

       if(ucLed_dr10==1)
           {
              ucLedStatus16_09=ucLedStatus16_09|0x02;
           }
           else
           {
              ucLedStatus16_09=ucLedStatus16_09&0xfd;
           }

       if(ucLed_dr11==1)
           {
              ucLedStatus16_09=ucLedStatus16_09|0x04;
           }
           else
           {
              ucLedStatus16_09=ucLedStatus16_09&0xfb;
           }

       if(ucLed_dr12==1)
           {
              ucLedStatus16_09=ucLedStatus16_09|0x08;
           }
           else
           {
              ucLedStatus16_09=ucLedStatus16_09&0xf7;
           }


       if(ucLed_dr13==1)
           {
              ucLedStatus16_09=ucLedStatus16_09|0x10;
           }
           else
           {
              ucLedStatus16_09=ucLedStatus16_09&0xef;
           }


       if(ucLed_dr14==1)
           {
              ucLedStatus16_09=ucLedStatus16_09|0x20;
           }
           else
           {
              ucLedStatus16_09=ucLedStatus16_09&0xdf;
           }


       if(ucLed_dr15==1)
           {
              ucLedStatus16_09=ucLedStatus16_09|0x40;
           }
           else
           {
              ucLedStatus16_09=ucLedStatus16_09&0xbf;
           }


       if(ucLed_dr16==1)
           {
              ucLedStatus16_09=ucLedStatus16_09|0x80;
           }
           else
           {
              ucLedStatus16_09=ucLedStatus16_09&0x7f;
           }

       hc595_drive(ucLedStatus16_09,ucLedStatus08_01);  //74HC595底层驱动函数

   }
}

void hc595_drive(unsigned char ucLedStatusTemp16_09,unsigned char ucLedStatusTemp08_01)
{
   unsigned char i;
   unsigned char ucTempData;
   hc595_sh_dr=0;
   hc595_st_dr=0;

   ucTempData=ucLedStatusTemp16_09;  //先送高8位
   for(i=0;i<8;i++)
   {
         if(ucTempData>=0x80)hc595_ds_dr=1;
         else hc595_ds_dr=0;

         hc595_sh_dr=0;     //SH引脚的上升沿把数据送入寄存器
         delay_short(15);
         hc595_sh_dr=1;
         delay_short(15);

         ucTempData=ucTempData<<1;
   }

   ucTempData=ucLedStatusTemp08_01;  //再先送低8位
   for(i=0;i<8;i++)
   {
         if(ucTempData>=0x80)hc595_ds_dr=1;
         else hc595_ds_dr=0;

         hc595_sh_dr=0;     //SH引脚的上升沿把数据送入寄存器
         delay_short(15);
         hc595_sh_dr=1;
         delay_short(15);

         ucTempData=ucTempData<<1;
   }

   hc595_st_dr=0;  //ST引脚把两个寄存器的数据更新输出到74HC595的输出引脚上并且锁存起来
   delay_short(15);
   hc595_st_dr=1;
   delay_short(15);

   hc595_sh_dr=0;    //拉低，抗干扰就增强
   hc595_st_dr=0;
   hc595_ds_dr=0;

}


void left_to_right()  //从左边移动到右边
{
   ucLed_dr1=1;   // 1代表左右气缸从左边移动到右边

   ucLed_update=1;  //刷新变量。每次更改LED灯的状态都要更新一次。
}
void right_to_left() //从右边返回到左边
{
   ucLed_dr1=0;   // 0代表左右气缸从右边返回到左边

   ucLed_update=1;  //刷新变量。每次更改LED灯的状态都要更新一次。
}
void up_to_down()   //从上边移动到下边
{
   ucLed_dr2=1;   // 1代表上下气缸从上边移动到下边

   ucLed_update=1;  //刷新变量。每次更改LED灯的状态都要更新一次。
}
void down_to_up()    //从下边返回到上边
{
   ucLed_dr2=0;   // 0代表上下气缸从下边返回到上边

   ucLed_update=1;  //刷新变量。每次更改LED灯的状态都要更新一次。
}


void run() //设备自动控制程序
{

switch(ucRunStep)
{
       case 0:    //机械手处于左上角原点的位置，待命状态。此时触发启动按键ucRunStep=1，就触发后续一些列的连续动作。

            break;

       case 1:    //机械手从左边往右边移动
            left_to_right();
            ucRunStep=2;  //这就是鸿哥传说中的怎样灵活控制步骤变量
            break;

       case 2:    //等待机械手移动到最右边，直到触发了最右边的开关感应器。
            if(ucRightSr==0)  //右边感应器被触发
            {
               ucRunStep=3;  //这就是鸿哥传说中的怎样灵活控制步骤变量
            }
            break;

       case 3:    //机械手从右上边往右下边移动，从上往下。
            up_to_down();
            ucRunStep=4;  //这就是鸿哥传说中的怎样灵活控制步骤变量
            break;

       case 4:    //等待机械手从右上边移动到右下边，直到触发了右下边的开关感应器。
            if(ucDownSr==0)  //右下边感应器被触发
            {
               uiRunTimeCnt=0;  //时间计数器清零，为接下来延时1秒钟做准备
               ucRunStep=5;  //这就是鸿哥传说中的怎样灵活控制步骤变量
            }
            break;

       case 5:    //机械手在右下边延时1秒
            if(uiRunTimeCnt>const_1s)  //延时1秒
            {
               ucRunStep=6;  //这就是鸿哥传说中的怎样灵活控制步骤变量
            }
            break;
       case 6:    //原路返回，机械手从右下边往右上边移动。
            down_to_up();
            ucRunStep=7;  //这就是鸿哥传说中的怎样灵活控制步骤变量
            break;

       case 7:    //原路返回，等待机械手移动到最右边的感应开关
            if(ucRightSr==0)
            {
               ucRunStep=8;  //这就是鸿哥传说中的怎样灵活控制步骤变量
            }
            break;

       case 8:    //原路返回，等待机械手从右边往左边移动
            right_to_left();
            ucRunStep=9;  //这就是鸿哥传说中的怎样灵活控制步骤变量

            break;

       case 9:    //原路返回，等待机械手移动到最左边的感应开关，表示返回到了原点
            if(ucLeftSr==0) //返回到左上角的原点位置
            {
               ucRunStep=0;  //这就是鸿哥传说中的怎样灵活控制步骤变量
            }
            break;
   }
}


void T0_time() interrupt 1
{
  TF0=0;  //清除中断标志
  TR0=0; //关中断


  sensor_scan(); //开关感应器软件抗干扰处理函数
  key_scan(); //按键扫描函数

  if(uiRunTimeCnt<0xffff) //不要超过最大int类型范围
  {
     uiRunTimeCnt++; //延时计数器
  }
  if(uiVoiceCnt!=0)
  {
     uiVoiceCnt--; //每次进入定时中断都自减1，直到等于零为止。才停止鸣叫
     beep_dr=0;  //蜂鸣器是PNP三极管控制，低电平就开始鸣叫。
  }
  else
  {
     ; //此处多加一个空指令，想维持跟if括号语句的数量对称，都是两条指令。不加也可以。
     beep_dr=1;  //蜂鸣器是PNP三极管控制，高电平就停止鸣叫。
  }

  TH0=0xf8;   //重装初始值(65535-2000)=63535=0xf82f
  TL0=0x2f;
  TR0=1;  //开中断
}

void delay_short(unsigned int uiDelayShort)
{
   unsigned int i;  
   for(i=0;i<uiDelayShort;i++)
   {
     ;   //一个分号相当于执行一条空语句
   }
}

void delay_long(unsigned int uiDelayLong)
{
   unsigned int i;
   unsigned int j;
   for(i=0;i<uiDelayLong;i++)
   {
      for(j=0;j<500;j++)  //内嵌循环的空指令数量
          {
             ; //一个分号相当于执行一条空语句
          }
   }
}


void initial_myself()  //第一区 初始化单片机
{
/* 注释二：
* 矩阵键盘也可以做独立按键，前提是把某一根公共输出线输出低电平，
* 模拟独立按键的触发地，本程序中，把key_gnd_dr输出低电平。
* 朱兆祺51学习板的S1就是本程序中用到的一个独立按键。
*/
  key_gnd_dr=0; //模拟独立按键的地GND，因此必须一直输出低电平

  beep_dr=1; //用PNP三极管控制蜂鸣器，输出高电平时不叫。

  TMOD=0x01;  //设置定时器0为工作方式1


  TH0=0xf8;   //重装初始值(65535-2000)=63535=0xf82f
  TL0=0x2f;


}

void initial_peripheral() //第二区 初始化外围
{
  EA=1;     //开总中断
  ET0=1;    //允许定时中断
  TR0=1;    //启动定时中断

}

总结陈词：
前面花了很多节内容在讲按键和跑马灯的关系，但是一直没涉及到人机界面，在大多数的实际项目中，人机界面是必不可少的。人机界面的程序框架该怎么样写？欲知详情，请听下回分解-----在主函数while循环中驱动数码管的动态扫描程序。转载