基于8031單片機的自動(dòng)計量進(jìn)料系統

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

2 計量進(jìn)料器的稱(chēng)量和計量進(jìn)料原理

啟動(dòng)預先設置的計量進(jìn)料程序后，計量系統首先稱(chēng)量并存儲稱(chēng)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(chēng)量鍋，其中干物料用振動(dòng)盤(pán)計量進(jìn)料，粉末料由螺旋進(jìn)料器計量進(jìn)料，液體料則由液壓閥計量進(jìn)料，糊狀物由泵進(jìn)料。每一種配料都先后使用粗料和細料兩種進(jìn)料方式，以保證稱(chēng)量精度達到98%～99%。物料重量由安裝在支撐架上懸置稱(chēng)量鍋的3個(gè)應變儀轉變?yōu)殡娦盘?，?jīng)A／D轉換讀入計算機進(jìn)行重量計算，去除皮重后與設定值比較，其結果作為控制物料切換或粗、細進(jìn)料轉換的依據。完成稱(chēng)量的混合物通過(guò)活門(mén)排放至可加熱的儲藏缸、攪拌，再用泵打入溶解器，進(jìn)入溶解制糖工序。

3 系統功能要求

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

(1)實(shí)現多達5種原料的順序自動(dòng)稱(chēng)量，定時(shí)攪拌、排放；

(2)在總重量不超過(guò)135 kg的范圍內任意設定稱(chēng)量值；

(3)累計5種原料的班用量；

(4)每個(gè)稱(chēng)量循環(huán)完畢對稱(chēng)重系統進(jìn)行自檢，并能隨時(shí)執行檢查命令；

(5)能隨時(shí)暫停自動(dòng)稱(chēng)量灌裝；

(6)若某種原料的灌裝系統故障，可跳過(guò)該原料的灌裝；

(7)故障報警功能：

無(wú)壓縮空氣報警，系統停止運行；

電機聯(lián)接故障報警，系統停止運行；

稱(chēng)量鍋內臟物超過(guò)10 kg，系統停止運行；

儲藏缸液位超過(guò)設定值，系統停止運行；

(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、單一原料數據打印。

4 系統硬件結構

根據上述系統功能要求，通過(guò)對原裝置傳感器、執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(pán)／顯示，撥碼盤(pán)，打印機等接口電路組成系統的設計方案。

整個(gè)系統由如圖4—1所示的CPU板、A／D轉換板、開(kāi)關(guān)量I／O板、顯示／鍵盤(pán)、打印機接口板、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箱內，嵌入原裝置的控制器部位，實(shí)現與原裝置的電氣銜接。

其中8031最小系統由8031單片機通過(guò)總線(xiàn)驅動(dòng)器擴展一片2764EPROM、一片6264RAM組成 。A／D轉換采用雙積分式12位A／D轉換芯片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(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。五組四位BCD撥碼盤(pán)通過(guò)兩級譯碼，其控制端和8421數碼端經(jīng)8255與CPU相接。開(kāi)關(guān)量Ｉ／O及打印機接口也均由8255實(shí)現。系統在保證功能的前提下體現了經(jīng)濟實(shí)效、立足國內的原則。

5 系統軟件設計

系統應用軟件在DVCC—52與PC機聯(lián)合開(kāi)發(fā)系統下，采用匯編語(yǔ)言與BASIC語(yǔ)言混合編程 、模塊化、結構化的設計方法。整個(gè)程序由系統診斷模塊、自動(dòng)配料模塊、A／D及數據處理模塊、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、參數設置等有條不紊，急緩有序的運行。在稱(chēng)量精度、按鍵響應速度、故障報警能力等方面都達到了自動(dòng)計量進(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指令系統診斷、RAM診斷、EPROM診斷、A／D、I／O模板診斷以及為達到系統故障報警功能而進(jìn)行的傳感器信號的檢測。

自動(dòng)配料子程序主要框圖如圖5—2所示?？紤]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內的重量增量Δg與設定值和稱(chēng)量值之差e相比較，根據比較結果進(jìn)行粗料、細料和換料的切換，以提高稱(chēng)量精度。并用一個(gè)單元進(jìn)行配料順序記數，這樣5種配料可公用相同的程序，以達到優(yōu)化程序結構，節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(pán)中斷服務(wù)子程序中，進(jìn)行按鍵識別，并對相應的位標志變量進(jìn)行設置。而其它各功能模塊則根據標志變量狀態(tài)控制程序走向。

6 系統可靠性設計

本系統處于干擾較多的復雜工業(yè)現場(chǎng)，因此在設計中除采用光電隔離、電源濾波、屏蔽接地及地線(xiàn)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)，以保證系統的稱(chēng)量控制精度和可靠性。

6.1 硬件故障自診斷技術(shù)

本系統對關(guān)鍵的硬件設備采用了由上電自診斷、定時(shí)自檢、鍵控自檢相結合的自診斷方法，及時(shí)發(fā)現系統故障，保證精度，以避免系統帶病運行。具體診斷項目有：

(1)CPU指令系統診斷8031指令系統能被正確地執行是系統正常工作的前提，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區依次進(jìn)行寫(xiě)入讀出操作，比較讀出與寫(xiě)入內容是否相同來(lái)判斷內、外RAM芯片的好壞。上電時(shí)采用破壞性測試(不保護原有內容)，復位、按鍵診斷采用非破壞性測試(保護原有內容)。
(3)EPROM診斷固化目標程序的EPROM在使用時(shí)間長(cháng)，窗口密封不好等情況下，可能出現個(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“結果”的異或和，若和數為零，可以認為EPROM中的內容是正確的 。
(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，程序計數器PC因干擾而改變內容時(shí)，CPU將不能按正常狀態(tài)執行程序，從而引起混亂，產(chǎn)生所謂程序“跑飛”現象。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(huì )把操作數當指令碼引起混亂。分析MCS—51指令系統,大多為單字節指令，最長(cháng)不超過(guò)3字節。當程序彈飛到雙字節和3字節指令上時(shí)，繼續出錯的機會(huì )較大，而當彈飛到單字節指令上時(shí)，程序將自動(dòng)納入軌道。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(如轉移、子程序調用和對系統工作狀態(tài)至關(guān)重要的指令)，并將跳轉指令冗余一次，以保證被正確執行。指令冗余技術(shù)可減少彈飛次數，使程序很快納入軌道。

(2)軟件陷阱當程序彈飛到非程序區(EPROM未使用區，數據區……)時(shí)，冗余指令將無(wú)能為力。為此設計了軟件陷阱，即在程序斷裂點(diǎn)(無(wú)條件跳轉指令、返回指令之后)和數據區末尾插入NOP NOP LJMP 3條指令。將空白區充滿(mǎn)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(shí)現系統恢復。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(kāi)發(fā)系統中Debug功能把大片程序空白區固化為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，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。為此本系統利用空閑的定時(shí)器T2設計了程序運行監視系統(Watchdog)；設T2為高優(yōu)先級，根據主控程序循環(huán)周期確定T2的定時(shí)常數和計數器的記數值 ，每次中斷對計數器加1，并判斷記數值若大于設定值，則轉出錯處理程序入口。同時(shí)在主程序中對計數器清零。如此，保證及時(shí)把程序從死循環(huán)中解放出來(lái)。

7 結束語(yǔ)

本文結合工廠(chǎng)實(shí)際，用經(jīng)濟的8031及外圍芯片設計了自動(dòng)計量進(jìn)料控制系統，取代了原進(jìn)口設備的控制裝置。經(jīng)幾年來(lái)運行證明，該系統功能完備，運行穩定可靠，操作簡(jiǎn)便，性能價(jià)格比高。該技術(shù)延長(cháng)了設備使用壽命，創(chuàng )造了很好的經(jīng)濟效益，不失為進(jìn)口設備國產(chǎn)化和傳統設備自動(dòng)化的有益嘗試，在推進(jìn)食品、飲料行業(yè)的國產(chǎn)化和自動(dòng)化方面具有積極意義 。