摘  要： 論述了一個(gè)蔬菜包裝機(jī)供碗自動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方案。該自動(dòng)控制器通過(guò)6個(gè)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)組成的光幕采集流水線上供碗的疏密信息，AT89C52單片機(jī)根據(jù)光幕傳入的電平信號(hào)來(lái)控制固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)流水線上供碗的自動(dòng)控制。采用X5045存儲(chǔ)該自動(dòng)控制器最新的時(shí)間數(shù)據(jù)，以方便斷電關(guān)機(jī)重啟后流水線供碗時(shí)間的控制。X5045擁有看門狗定時(shí)器，可以有效地預(yù)防程序進(jìn)入死循環(huán)，從而使該自動(dòng)控制器正常運(yùn)行。該自動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)了供碗的自動(dòng)化控制，大大提高了工廠的生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞： 對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)；單片機(jī)；固態(tài)繼電器；看門狗定時(shí)器

    蔬菜包裝機(jī)供碗自動(dòng)控制器是位于進(jìn)口的蔬菜自動(dòng)包裝機(jī)和自行研制的蔬菜包裝配料流水線平臺(tái)之間的自動(dòng)控制設(shè)備。后者的配料在碗中進(jìn)行，配好后需用傳送帶將碗送給前者。目前主要通過(guò)人工開(kāi)、關(guān)傳送帶完成這一工作，工作效率欠佳，需要專門的操作人員，因此大大降低了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。為提高效率和減少勞動(dòng)力的浪費(fèi)，本文以AT89C52單片機(jī)為核心，通過(guò)光幕（內(nèi)含6個(gè)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)）的輸出信號(hào)反映供碗的疏密信息，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后控制固態(tài)繼電器的動(dòng)作，以此控制供碗流水線的移動(dòng)與暫停，從而實(shí)現(xiàn)流水線上碗的有效控制和系統(tǒng)生產(chǎn)效率的提高。
    利用PWM技術(shù)對(duì)供碗系統(tǒng)設(shè)置固定的PWM周期(控制器設(shè)計(jì)周期不可調(diào))，通過(guò)控制占空比(高電平)的值控制一個(gè)周期中的供碗時(shí)間，以完成供碗的實(shí)時(shí)要求。PWM的高電平為供碗的時(shí)間，低電平為暫停的時(shí)間[1]。
    該蔬菜包裝機(jī)流水線圖如圖1所示，傳送帶1負(fù)責(zé)將碗及其內(nèi)配料向前傳輸，傳送帶3上為蔬菜自動(dòng)包裝機(jī)，供碗自動(dòng)控制器所需要控制的是傳送帶2。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖
    本設(shè)計(jì)由AT89C52單片機(jī)、具有存儲(chǔ)單元的看門狗芯片X5045、2個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)、3個(gè)指示燈、固態(tài)繼電器以及含有6個(gè)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)的光幕組成，能自動(dòng)采集流水線上碗的疏密程度，并能自動(dòng)控制流水線何時(shí)移動(dòng)供碗。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)主要元器件簡(jiǎn)介
1.2.1 AT89C52單片機(jī)
    由于蔬菜自動(dòng)包裝機(jī)流水線上包裝蔬菜的速度是一定的，只需要控制供碗的速度與其相匹配即可。在這里采用低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)AT89C52，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流水線上供碗速度的控制，而且價(jià)格低廉、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠[1]。
    為提高人性化服務(wù)，除利用光幕模擬人眼不停地檢測(cè)流水線上供碗的疏密信息外，還設(shè)置兩個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)分別連接到AT89C52單片機(jī)的兩個(gè)外部中斷，用于人工調(diào)節(jié)流水線上供碗的時(shí)間（增加與減少），但PWM的周期保持不變。另外，設(shè)置3個(gè)指示燈與AT89C52單片機(jī)相連接，分別用于指示該自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、流水線的上碗狀態(tài)以及流水線是否處于暫停狀態(tài)。晶振采用頻率6 MHz即可滿足需求。
1.2.2 看門狗定時(shí)器
    看門狗定時(shí)器采用X5045，它是一種由美國(guó)Xicor公司生產(chǎn)的集上電復(fù)位控制、看門狗定時(shí)器、降壓管理和具有塊保護(hù)功能的串行EEPROM于一體的專用集成芯片。它簡(jiǎn)化了該自動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)，減少了印制板的占用面積，其擦寫(xiě)周期可達(dá)100萬(wàn)次以上并且可以將寫(xiě)好的數(shù)據(jù)保存100年，大大提高了產(chǎn)品的可靠性[2]。
    系統(tǒng)利用X5045的存儲(chǔ)器記憶上次關(guān)機(jī)前流水線上供碗的參數(shù)配置。X5045還可以作為系統(tǒng)的看門狗，在程序進(jìn)入死循環(huán)時(shí)進(jìn)行復(fù)位，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。
1.2.3 光幕
    自動(dòng)上碗機(jī)內(nèi)的光幕安裝在傳送帶3上，由6個(gè)光電開(kāi)關(guān)組成。由于上碗的傳送帶寬度比較大，因此采用對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)。將6個(gè)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)（實(shí)際上是6對(duì)，一側(cè)是發(fā)送器，另一側(cè)是接收器）的發(fā)送器和接收器分別固定在兩個(gè)不銹鋼板條上，再將鋼條固定在設(shè)備臺(tái)兩側(cè)，與原來(lái)的設(shè)備器件互不干擾，發(fā)送器與接收器平行直對(duì)，誤差1 mm。
    此光幕用于檢測(cè)蔬菜包裝機(jī)上的供碗信息，6個(gè)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)將分別連接單片機(jī)的P2.0～P2.5口。當(dāng)有碗通過(guò)時(shí)，接收器就輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)供碗疏密信息的檢測(cè)。若對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，則證明這里沒(méi)有碗，單片機(jī)P2口對(duì)應(yīng)引腳將收到一個(gè)低電平；反之，則證明這里有碗，單片機(jī)P2口對(duì)應(yīng)引腳將收到一個(gè)高電平。綜合6個(gè)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)傳回的高低電平情況，就可以通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)流水線上供碗的控制。
1.2.4 固態(tài)繼電器
    作為一個(gè)弱電控制器件，單片機(jī)一般工作在5 V電壓下，驅(qū)動(dòng)電流是mA級(jí)別的，難以控制流水線這類大功率設(shè)備。因此系統(tǒng)選用固態(tài)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流水線供碗系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)控制。固態(tài)繼電器是一種應(yīng)用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點(diǎn)作為切換裝置的具有繼電器特性的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，其輸出電路是在觸發(fā)信號(hào)控制下實(shí)現(xiàn)固態(tài)繼電器的通斷切換。
    將固態(tài)繼電器連接一個(gè)三極管的集電極后，通過(guò)三極管基極與一個(gè)上拉電阻連接后接在單片機(jī)的P0.0口。另外固態(tài)繼電器還將與原開(kāi)關(guān)并聯(lián)，以保持原電路的功能。
    固態(tài)繼電器壽命高、可靠性高，適用于蔬菜加工廠自動(dòng)化控制；固態(tài)繼電器靈敏度高、控制功率小、輸入光電隔離、電磁相容性好，通過(guò)AT89C52單片機(jī)能輕松地控制固態(tài)繼電器的閉合；固態(tài)繼電器轉(zhuǎn)換速度快，使得自動(dòng)控制器更加敏捷；另外，固態(tài)繼電器還有電磁干擾小的優(yōu)點(diǎn)，減少了電流波形的突然中斷，減少了開(kāi)關(guān)的瞬態(tài)效應(yīng)[3]。
2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
2.1 主程序的設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)正常工作周期為8 s，一般情況下上碗的時(shí)間為3 s，暫停的時(shí)間為5 s。正常的上碗速度為3個(gè)/s，即約333 ms上1個(gè)碗。
    單片機(jī)上電后，首先進(jìn)行復(fù)位，設(shè)定堆棧，然后清空地址為30H和31H存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)并且設(shè)置標(biāo)志位為#55H，讀取X5045中的數(shù)據(jù)即上碗的時(shí)間和暫停的時(shí)間，由于上碗和暫停的總時(shí)間是固定的，所以程序在此將兩個(gè)時(shí)間累加并與總時(shí)間相比較。若兩者不等，說(shuō)明讀取的數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤，程序?qū)⒆詣?dòng)給這兩個(gè)時(shí)間值重新賦默認(rèn)初值，并存入X5045中；若兩者相等，則將定時(shí)/計(jì)數(shù)器初始化，打開(kāi)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷并且開(kāi)啟固態(tài)繼電器，上碗和暫停指示燈分別點(diǎn)亮和熄滅，按照存儲(chǔ)在X5045中的PWM中的占空比值控制上碗與暫停時(shí)間的長(zhǎng)短，并且在上碗的時(shí)間內(nèi)每隔333 ms判斷一下標(biāo)志位是否為#0AAH，若不是則繼續(xù)上碗直到上碗時(shí)間結(jié)束；若是則將標(biāo)志位置為#55H，直接重新開(kāi)始一個(gè)PWM周期循環(huán)，重新上碗。上碗時(shí)間結(jié)束后，上碗指示燈熄滅，暫停指示燈點(diǎn)亮。暫停上碗到足夠的時(shí)間后，程序?qū)⒅匦麻_(kāi)始一個(gè)PWM周期，重新上碗。系統(tǒng)運(yùn)行指示燈則在每個(gè)PWM周期后取反，閃爍表示系統(tǒng)正常運(yùn)行。
    主程序流程圖如圖3所示。由于每333 ms能夠上一個(gè)碗，所以將8 s分成24份，M代表設(shè)定的上碗時(shí)間份數(shù)存到30H中，N代表設(shè)定的暫停時(shí)間份數(shù)，存到31H中。

2.2 中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)
2.2.1 定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷
    定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷服務(wù)程序的中斷時(shí)間設(shè)置為111 ms。在PWM周期內(nèi)，每當(dāng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)間到后，主程序暫停執(zhí)行，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。首先關(guān)閉中斷，數(shù)據(jù)進(jìn)棧，檢測(cè)6個(gè)對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通情況，把它們的輸出信號(hào)傳到單片機(jī)P2口轉(zhuǎn)換為高低電平信號(hào)，讀取P2口的狀態(tài)并存到寄存器A中，取反后與#3FH相與除去干擾位。單片機(jī)P2口低6位的高電平的個(gè)數(shù)即為檢測(cè)位置存在碗的個(gè)數(shù)。將A依次右移6次即可知道A中高電平的個(gè)數(shù)即存在碗的個(gè)數(shù)，然后通過(guò)控制PWM的占空比調(diào)整流水線上供碗的個(gè)數(shù)。在這里可以設(shè)置5作為碗已滿的一個(gè)界限。如果A中高電平的個(gè)數(shù)沒(méi)有超過(guò)這個(gè)界限，程序跳出當(dāng)前中斷，繼續(xù)執(zhí)行主程序；如果超過(guò)這個(gè)界限，單片機(jī)將通過(guò)控制電平的高低將固態(tài)繼電器斷開(kāi)，暫停上碗，再次重復(fù)讀取P2口狀態(tài)并統(tǒng)計(jì)低6位中的高電平的個(gè)數(shù)，如果高電平的個(gè)數(shù)大于等于1，視為碗目前仍處于滿的狀態(tài)，系統(tǒng)仍處于中斷服務(wù)程序中繼續(xù)循環(huán)檢測(cè)“1”的個(gè)數(shù)，直到高電平的個(gè)數(shù)小于1，使固態(tài)繼電器處于接通狀態(tài)繼續(xù)上碗，將標(biāo)志位置為#0AAH，然后打開(kāi)中斷，在數(shù)據(jù)出棧后，跳出當(dāng)前中斷程序，繼續(xù)運(yùn)行主程序。定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷子程序圖如圖4所示。

2.2.2 外部中斷
    兩個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)通過(guò)兩個(gè)外部中斷實(shí)現(xiàn)，進(jìn)入中斷后，根據(jù)按鍵是增加鍵還是減少鍵，對(duì)M和N實(shí)行相應(yīng)的加減處理并存放到X5045中，然后返回主程序。其中M代表設(shè)定的上碗時(shí)間份數(shù)，N代表設(shè)定的暫停時(shí)間份數(shù)。外部中斷子程序圖如圖5所示。

    本系統(tǒng)很好地將AT89C52單片機(jī)、X5045、對(duì)射式光電傳感器以及固態(tài)繼電器相結(jié)合，經(jīng)過(guò)測(cè)試，能夠有效地控制傳送帶供碗的速度，極大地提高了蔬菜包裝過(guò)程中的生產(chǎn)效率，加快了蔬菜加工廠的自動(dòng)化控制進(jìn)程，為企業(yè)節(jié)約了人力，提高了經(jīng)濟(jì)效益。
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