基于8031單片機的自動計量進料系統(tǒng)

某糖果廠于1985年從德國SIMON電子公司引進帶微電腦的計量進料器116EM型生產(chǎn)線，用于糖果生產(chǎn)。由于引進時間較長、圖紙資料不全、外方維護不便等原因，時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。從提高設備國產(chǎn)化比重、節(jié)約外匯、方便維護、保證生產(chǎn)出發(fā)，本文應廠方要求，在對進口裝置的設備性能和電氣信號時序透徹分析的基礎上，開發(fā)了基于8031的嵌入式的微機自動計量進料系統(tǒng)，該系統(tǒng)從性能要求、信號時序到外觀尺寸都與進口裝置完全匹配，成功地實現(xiàn)了進口設備控制系統(tǒng)國產(chǎn)化。

2 計量進料器的稱量和計量進料原理

啟動預先設置的計量進料程序后，計量系統(tǒng)首先稱量并存儲稱量鍋皮重，然后依次控制各種配料如牛奶、砂糖、水等進入稱量鍋，其中干物料用振動盤計量進料，粉末料由螺旋進料器計量進料，液體料則由液壓閥計量進料，糊狀物由泵進料。每一種配料都先后使用粗料和細料兩種進料方式，以保證稱量精度達到98%～99%。物料重量由安裝在支撐架上懸置稱量鍋的3個應變儀轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)A／D轉(zhuǎn)換讀入計算機進行重量計算，去除皮重后與設定值比較，其結(jié)果作為控制物料切換或粗、細進料轉(zhuǎn)換的依據(jù)。完成稱量的混合物通過活門排放至可加熱的儲藏缸、攪拌，再用泵打入溶解器，進入溶解制糖工序。

3 系統(tǒng)功能要求

為保證原進口裝置性能，要求計量進料自動控制系統(tǒng)具有如下功能：

(1)實現(xiàn)多達5種原料的順序自動稱量，定時攪拌、排放；

(2)在總重量不超過135 kg的范圍內(nèi)任意設定稱量值；

(3)累計5種原料的班用量；

(4)每個稱量循環(huán)完畢對稱重系統(tǒng)進行自檢，并能隨時執(zhí)行檢查命令；

(5)能隨時暫停自動稱量灌裝；

(6)若某種原料的灌裝系統(tǒng)故障，可跳過該原料的灌裝；

(7)故障報警功能：

無壓縮空氣報警，系統(tǒng)停止運行；

電機聯(lián)接故障報警，系統(tǒng)停止運行；

稱量鍋內(nèi)臟物超過10 kg，系統(tǒng)停止運行；

儲藏缸液位超過設定值，系統(tǒng)停止運行；

(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／手動切換；

(11)打?。汗潭ǜ袷降淖詣哟蛴『蛦五仭我辉蠑?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，通過對原裝置傳感器、執(zhí)行部件的電氣信號分析，并考慮到安裝條件，硬件設計立足于低成本、國產(chǎn)化，采用了以MCS—51系列單片機8031為CPU，聯(lián)接A／D，鍵盤／顯示，撥碼盤，打印機等接口電路組成系統(tǒng)的設計方案。

整個系統(tǒng)由如圖4—1所示的CPU板、A／D轉(zhuǎn)換板、開關(guān)量I／O板、顯示／鍵盤、打印機接口板、撥碼盤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箱內(nèi)，嵌入原裝置的控制器部位，實現(xiàn)與原裝置的電氣銜接。

其中8031最小系統(tǒng)由8031單片機通過總線驅(qū)動器擴展一片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及相應輔助芯片組成。ICL7109具有高精度 、低漂移、抗干擾能力強等優(yōu)點。采用8279作為鍵盤／顯示接口，CPU以中斷方式處理按鍵申請。五組四位BCD撥碼盤通過兩級譯碼，其控制端和8421數(shù)碼端經(jīng)8255與CPU相接。開關(guān)量Ｉ／O及打印機接口也均由8255實現(xiàn)。系統(tǒng)在保證功能的前提下體現(xiàn)了經(jīng)濟實效、立足國內(nèi)的原則。

5 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)應用軟件在DVCC—52與PC機聯(lián)合開發(fā)系統(tǒng)下，采用匯編語言與BASIC語言混合編程 、模塊化、結(jié)構(gòu)化的設計方法。整個程序由系統(tǒng)診斷模塊、自動配料模塊、A／D及數(shù)據(jù)處理模塊、越限報警模塊、按鍵、顯示、打印模塊等組成。各模塊相對獨立又相輔相成，從而使采樣、運算、控制、顯示、參數(shù)設置等有條不紊，急緩有序的運行。在稱量精度、按鍵響應速度、故障報警能力等方面都達到了自動計量進料的要求。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模板診斷以及為達到系統(tǒng)故障報警功能而進行的傳感器信號的檢測。

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

CPU以中斷方式處理按鍵請求。在鍵盤中斷服務子程序中，進行按鍵識別，并對相應的位標志變量進行設置。而其它各功能模塊則根據(jù)標志變量狀態(tài)控制程序走向。

6 系統(tǒng)可靠性設計

本系統(tǒng)處于干擾較多的復雜工業(yè)現(xiàn)場，因此在設計中除采用光電隔離、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合濾波方法，克服信號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)對關(guān)鍵的硬件設備采用了由上電自診斷、定時自檢、鍵控自檢相結(jié)合的自診斷方法，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，保證精度，以避免系統(tǒng)帶病運行。具體診斷項目有：

(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，為此設計了一段涉及各種指令的測試程序，判斷其運行結(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)依次進行寫入讀出操作，比較讀出與寫入內(nèi)容是否相同來判斷內(nèi)、外RAM芯片的好壞。上電時采用破壞性測試(不保護原有內(nèi)容)，復位、按鍵診斷采用非破壞性測試(保護原有內(nèi)容)。
(3)EPROM診斷固化目標程序的EPROM在使用時間長，窗口密封不好等情況下，可能出現(xiàn)個別零星單元信息發(fā)生變化的情況，必須主動進行檢查。本文采用了“異或和”校驗法。在程序固化之前，利用開發(fā)裝置求出所有指令的異或和并把結(jié)果寫入最后一個空單元中，診斷時再求所有指令，包括“結(jié)果”的異或和，若和數(shù)為零，可以認為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CPU本身受到干擾，程序計數(shù)器PC因干擾而改變內(nèi)容時，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CPU受干擾后，會把操作數(shù)當指令碼引起混亂。分析MCS—51指令系統(tǒng),大多為單字節(jié)指令，最長不超過3字節(jié)。當程序彈飛到雙字節(jié)和3字節(jié)指令上時，繼續(xù)出錯的機會較大，而當彈飛到單字節(jié)指令上時，程序?qū)⒆詣蛹{入軌道。因此在程序中對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)可減少彈飛次數(shù)，使程序很快納入軌道。

(2)軟件陷阱當程序彈飛到非程序區(qū)(EPROM未使用區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)……)時，冗余指令將無能為力。為此設計了軟件陷阱，即在程序斷裂點(無條件跳轉(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，強行將捕獲的程序引向出錯處理程序入口。出錯處理程序的主要功能是實現(xiàn)系統(tǒng)恢復。因LJMP指令的操作碼是02H，故若把出錯處理程序入口安排在0202H，則可方便地利用開發(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)利用空閑的定時器T2設計了程序運行監(jiān)視系統(tǒng)(Watchdog)；設T2為高優(yōu)先級，根據(jù)主控程序循環(huán)周期確定T2的定時常數(shù)和計數(shù)器的記數(shù)值 ，每次中斷對計數(shù)器加1，并判斷記數(shù)值若大于設定值，則轉(zhuǎn)出錯處理程序入口。同時在主程序中對計數(shù)器清零。如此，保證及時把程序從死循環(huán)中解放出來。

7 結(jié)束語

本文結(jié)合工廠實際，用經(jīng)濟的8031及外圍芯片設計了自動計量進料控制系統(tǒng)，取代了原進口設備的控制裝置。經(jīng)幾年來運行證明，該系統(tǒng)功能完備，運行穩(wěn)定可靠，操作簡便，性能價格比高。該技術(shù)延長了設備使用壽命，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟效益，不失為進口設備國產(chǎn)化和傳統(tǒng)設備自動化的有益嘗試，在推進食品、飲料行業(yè)的國產(chǎn)化和自動化方面具有積極意義 。