基于8031單片機(jī)的自動(dòng)計(jì)量進(jìn)料系統(tǒng)

某糖果廠于1985年從德國(guó)SIMON電子公司引進(jìn)帶微電腦的計(jì)量進(jìn)料器116EM型生產(chǎn)線，用于糖果生產(chǎn)。由于引進(jìn)時(shí)間較長(zhǎng)、圖紙資料不全、外方維護(hù)不便等原因，時(shí)有因電腦控制部分發(fā)生故障而影響生產(chǎn)的情況發(fā)生。從提高設(shè)備國(guó)產(chǎn)化比重、節(jié)約外匯、方便維護(hù)、保證生產(chǎn)出發(fā)，本文應(yīng)廠方要求，在對(duì)進(jìn)口裝置的設(shè)備性能和電氣信號(hào)時(shí)序透徹分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了基于8031的嵌入式的微機(jī)自動(dòng)計(jì)量進(jìn)料系統(tǒng)，該系統(tǒng)從性能要求、信號(hào)時(shí)序到外觀尺寸都與進(jìn)口裝置完全匹配，成功地實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口設(shè)備控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化。

2 計(jì)量進(jìn)料器的稱量和計(jì)量進(jìn)料原理

啟動(dòng)預(yù)先設(shè)置的計(jì)量進(jìn)料程序后，計(jì)量系統(tǒng)首先稱量并存儲(chǔ)稱量鍋皮重，然后依次控制各種配料如牛奶、砂糖、水等進(jìn)入稱量鍋，其中干物料用振動(dòng)盤(pán)計(jì)量進(jìn)料，粉末料由螺旋進(jìn)料器計(jì)量進(jìn)料，液體料則由液壓閥計(jì)量進(jìn)料，糊狀物由泵進(jìn)料。每一種配料都先后使用粗料和細(xì)料兩種進(jìn)料方式，以保證稱量精度達(dá)到98%～99%。物料重量由安裝在支撐架上懸置稱量鍋的3個(gè)應(yīng)變儀轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換讀入計(jì)算機(jī)進(jìn)行重量計(jì)算，去除皮重后與設(shè)定值比較，其結(jié)果作為控制物料切換或粗、細(xì)進(jìn)料轉(zhuǎn)換的依據(jù)。完成稱量的混合物通過(guò)活門(mén)排放至可加熱的儲(chǔ)藏缸、攪拌，再用泵打入溶解器，進(jìn)入溶解制糖工序。

3 系統(tǒng)功能要求

為保證原進(jìn)口裝置性能，要求計(jì)量進(jìn)料自動(dòng)控制系統(tǒng)具有如下功能：

(1)實(shí)現(xiàn)多達(dá)5種原料的順序自動(dòng)稱量，定時(shí)攪拌、排放；

(2)在總重量不超過(guò)135 kg的范圍內(nèi)任意設(shè)定稱量值；

(3)累計(jì)5種原料的班用量；

(4)每個(gè)稱量循環(huán)完畢對(duì)稱重系統(tǒng)進(jìn)行自檢，并能隨時(shí)執(zhí)行檢查命令；

(5)能隨時(shí)暫停自動(dòng)稱量灌裝；

(6)若某種原料的灌裝系統(tǒng)故障，可跳過(guò)該原料的灌裝；

(7)故障報(bào)警功能：

無(wú)壓縮空氣報(bào)警，系統(tǒng)停止運(yùn)行；

電機(jī)聯(lián)接故障報(bào)警，系統(tǒng)停止運(yùn)行；

稱量鍋內(nèi)臟物超過(guò)10 kg，系統(tǒng)停止運(yùn)行；

儲(chǔ)藏缸液位超過(guò)設(shè)定值，系統(tǒng)停止運(yùn)行；

(8)顯示：凈重、毛重，自檢／檢查值等；

(9)指示：重量上、下限，系統(tǒng)故障等；

(10)自動(dòng)／手動(dòng)切換；

(11)打?。汗潭ǜ袷降淖詣?dòng)打印和單鍋、單一原料數(shù)據(jù)打印。

4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述系統(tǒng)功能要求，通過(guò)對(duì)原裝置傳感器、執(zhí)行部件的電氣信號(hào)分析，并考慮到安裝條件，硬件設(shè)計(jì)立足于低成本、國(guó)產(chǎn)化，采用了以MCS—51系列單片機(jī)8031為CPU，聯(lián)接A／D，鍵盤(pán)／顯示，撥碼盤(pán)，打印機(jī)等接口電路組成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

整個(gè)系統(tǒng)由如圖4—1所示的CPU板、A／D轉(zhuǎn)換板、開(kāi)關(guān)量I／O板、顯示／鍵盤(pán)、打印機(jī)接口板、撥碼盤(pán)輸入板以及電源板組成。6塊板以插件形式安裝在兩只抽屜式機(jī)箱內(nèi)，嵌入原裝置的控制器部位，實(shí)現(xiàn)與原裝置的電氣銜接。

其中8031最小系統(tǒng)由8031單片機(jī)通過(guò)總線驅(qū)動(dòng)器擴(kuò)展一片2764EPROM、一片6264RAM組成 。A／D轉(zhuǎn)換采用雙積分式12位A／D轉(zhuǎn)換芯片ICL7109及相應(yīng)輔助芯片組成。ICL7109具有高精度 、低漂移、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。采用8279作為鍵盤(pán)／顯示接口，CPU以中斷方式處理按鍵申請(qǐng)。五組四位BCD撥碼盤(pán)通過(guò)兩級(jí)譯碼，其控制端和8421數(shù)碼端經(jīng)8255與CPU相接。開(kāi)關(guān)量Ｉ／O及打印機(jī)接口也均由8255實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)在保證功能的前提下體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)實(shí)效、立足國(guó)內(nèi)的原則。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用軟件在DVCC—52與PC機(jī)聯(lián)合開(kāi)發(fā)系統(tǒng)下，采用匯編語(yǔ)言與BASIC語(yǔ)言混合編程 、模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法。整個(gè)程序由系統(tǒng)診斷模塊、自動(dòng)配料模塊、A／D及數(shù)據(jù)處理模塊、越限報(bào)警模塊、按鍵、顯示、打印模塊等組成。各模塊相對(duì)獨(dú)立又相輔相成，從而使采樣、運(yùn)算、控制、顯示、參數(shù)設(shè)置等有條不紊，急緩有序的運(yùn)行。在稱量精度、按鍵響應(yīng)速度、故障報(bào)警能力等方面都達(dá)到了自動(dòng)計(jì)量進(jìn)料的要求。主程序框圖如圖5—1所示。

其中，診斷子程序包括CPU指令系統(tǒng)診斷、RAM診斷、EPROM診斷、A／D、I／O模板診斷以及為達(dá)到系統(tǒng)故障報(bào)警功能而進(jìn)行的傳感器信號(hào)的檢測(cè)。

自動(dòng)配料子程序主要框圖如圖5—2所示。考慮到給料裝置的振動(dòng)和慣性，程序中采用了把兩次采樣時(shí)間間隔Δt內(nèi)的重量增量Δg與設(shè)定值和稱量值之差e相比較，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行粗料、細(xì)料和換料的切換，以提高稱量精度。并用一個(gè)單元進(jìn)行配料順序記數(shù)，這樣5種配料可公用相同的程序，以達(dá)到優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，節(jié)省程序存儲(chǔ)器空間的目的。

CPU以中斷方式處理按鍵請(qǐng)求。在鍵盤(pán)中斷服務(wù)子程序中，進(jìn)行按鍵識(shí)別，并對(duì)相應(yīng)的位標(biāo)志變量進(jìn)行設(shè)置。而其它各功能模塊則根據(jù)標(biāo)志變量狀態(tài)控制程序走向。

6 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)處于干擾較多的復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，因此在設(shè)計(jì)中除采用光電隔離、電源濾波、屏蔽接地及地線處理等硬措施，以及用平均值加中位值復(fù)合濾波方法，克服信號(hào)采集中的周期性干擾和尖峰型干擾外，還采用了硬件自診斷技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)，以保證系統(tǒng)的稱量控制精度和可靠性。

6.1 硬件故障自診斷技術(shù)

本系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵的硬件設(shè)備采用了由上電自診斷、定時(shí)自檢、鍵控自檢相結(jié)合的自診斷方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，保證精度，以避免系統(tǒng)帶病運(yùn)行。具體診斷項(xiàng)目有：

(1)CPU指令系統(tǒng)診斷8031指令系統(tǒng)能被正確地執(zhí)行是系統(tǒng)正常工作的前提，為此設(shè)計(jì)了一段涉及各種指令的測(cè)試程序，判斷其運(yùn)行結(jié)果是否正確，以排除CPU失靈的可能性。

(2)RAM診斷采取向關(guān)鍵RAM區(qū)依次進(jìn)行寫(xiě)入讀出操作，比較讀出與寫(xiě)入內(nèi)容是否相同來(lái)判斷內(nèi)、外RAM芯片的好壞。上電時(shí)采用破壞性測(cè)試(不保護(hù)原有內(nèi)容)，復(fù)位、按鍵診斷采用非破壞性測(cè)試(保護(hù)原有內(nèi)容)。
(3)EPROM診斷固化目標(biāo)程序的EPROM在使用時(shí)間長(zhǎng)，窗口密封不好等情況下，可能出現(xiàn)個(gè)別零星單元信息發(fā)生變化的情況，必須主動(dòng)進(jìn)行檢查。本文采用了“異或和”校驗(yàn)法。在程序固化之前，利用開(kāi)發(fā)裝置求出所有指令的異或和并把結(jié)果寫(xiě)入最后一個(gè)空單元中，診斷時(shí)再求所有指令，包括“結(jié)果”的異或和，若和數(shù)為零，可以認(rèn)為EPROM中的內(nèi)容是正確的 。
(4)采用硬件冗余聯(lián)合診斷技術(shù)進(jìn)行A／D、I／O模板、重要參數(shù)傳感器診斷。

6.2 軟件抗干擾技術(shù)

當(dāng)CPU本身受到干擾，程序計(jì)數(shù)器PC因干擾而改變內(nèi)容時(shí)，CPU將不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，從而引起混亂，產(chǎn)生所謂程序“跑飛”現(xiàn)象。為此在軟件上采取了指令冗余、軟件陷阱 、純軟件watchdog技術(shù)以控制程序流向。

(1)指令冗余當(dāng)CPU受干擾后，會(huì)把操作數(shù)當(dāng)指令碼引起混亂。分析MCS—51指令系統(tǒng),大多為單字節(jié)指令，最長(zhǎng)不超過(guò)3字節(jié)。當(dāng)程序彈飛到雙字節(jié)和3字節(jié)指令上時(shí)，繼續(xù)出錯(cuò)的機(jī)會(huì)較大，而當(dāng)彈飛到單字節(jié)指令上時(shí)，程序?qū)⒆詣?dòng)納入軌道。因此在程序中對(duì)程序流向起決定作用指令之前插入3條空操作指令(如轉(zhuǎn)移、子程序調(diào)用和對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)至關(guān)重要的指令)，并將跳轉(zhuǎn)指令冗余一次，以保證被正確執(zhí)行。指令冗余技術(shù)可減少?gòu)楋w次數(shù)，使程序很快納入軌道。

(2)軟件陷阱當(dāng)程序彈飛到非程序區(qū)(EPROM未使用區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)……)時(shí)，冗余指令將無(wú)能為力。為此設(shè)計(jì)了軟件陷阱，即在程序斷裂點(diǎn)(無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令、返回指令之后)和數(shù)據(jù)區(qū)末尾插入NOP NOP LJMP 3條指令。將空白區(qū)充滿LJMP指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向出錯(cuò)處理程序入口。出錯(cuò)處理程序的主要功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恢復(fù)。因LJMP指令的操作碼是02H，故若把出錯(cuò)處理程序入口安排在0202H，則可方便地利用開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中Debug功能把大片程序空白區(qū)固化為020202……，從而大批陷阱處理完畢。

(3)純軟件Watchdog若指令彈飛在程序區(qū)，但在遇到冗余指令之前已形成死循環(huán)，則指令冗余和軟件陷阱均失效。為此本系統(tǒng)利用空閑的定時(shí)器T2設(shè)計(jì)了程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)(Watchdog)；設(shè)T2為高優(yōu)先級(jí)，根據(jù)主控程序循環(huán)周期確定T2的定時(shí)常數(shù)和計(jì)數(shù)器的記數(shù)值 ，每次中斷對(duì)計(jì)數(shù)器加1，并判斷記數(shù)值若大于設(shè)定值，則轉(zhuǎn)出錯(cuò)處理程序入口。同時(shí)在主程序中對(duì)計(jì)數(shù)器清零。如此，保證及時(shí)把程序從死循環(huán)中解放出來(lái)。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合工廠實(shí)際，用經(jīng)濟(jì)的8031及外圍芯片設(shè)計(jì)了自動(dòng)計(jì)量進(jìn)料控制系統(tǒng)，取代了原進(jìn)口設(shè)備的控制裝置。經(jīng)幾年來(lái)運(yùn)行證明，該系統(tǒng)功能完備，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)便，性能價(jià)格比高。該技術(shù)延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益，不失為進(jìn)口設(shè)備國(guó)產(chǎn)化和傳統(tǒng)設(shè)備自動(dòng)化的有益嘗試，在推進(jìn)食品、飲料行業(yè)的國(guó)產(chǎn)化和自動(dòng)化方面具有積極意義 。