自動加料機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計

摘    要：本文介紹了基于AT89C51的自動加料機(jī)控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，并給出了AT24C01A和MAX813L等芯片接口方法，分析了控制系統(tǒng)的抗干擾措施。
關(guān)鍵詞：AT89C51單片機(jī)；自動加料機(jī)；控制系統(tǒng)

自動加料機(jī)的工作原理
本文設(shè)計的由單片機(jī)控制的自動加料系統(tǒng)是與料斗式干燥機(jī)配套的加料系統(tǒng)。根據(jù)加料工藝要求，其工作原理是：先將真空管關(guān)閉，啟動電機(jī)，用低真空氣流將塑料樹脂粒子送入真空管，電機(jī)停轉(zhuǎn)，再將粒子排入料斗，如此循環(huán)。在設(shè)計的控制系統(tǒng)中，可用一個電機(jī)控制兩個加料生產(chǎn)線，由方向閥切換。兩個生產(chǎn)線既可單獨運行，也可同時運行。假如兩者同時運行，當(dāng)一生產(chǎn)線輸送結(jié)束后，判斷到另一個生產(chǎn)線排料已經(jīng)結(jié)束，那么，電機(jī)不停轉(zhuǎn)而方向閥換向，從而為另一個生產(chǎn)線送料。這樣可以發(fā)揮控制系統(tǒng)和電機(jī)的效率，從而實現(xiàn)供料自動化。
控制系統(tǒng)的控制器由單片機(jī)89C51和擴(kuò)展電路組成。單片機(jī)控制繼電器，繼電器控制交流接觸器，又由接觸器控制電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動。本控制系統(tǒng)可以根據(jù)送料工藝的需要，設(shè)置兩條生產(chǎn)線的輸送、排料、滿料、空料等參數(shù)值，也可裝載系統(tǒng)前次工藝參數(shù)值。

硬件電路設(shè)計
硬件框圖如圖1所示。由于AT89C51內(nèi)含4KB容量，因此本設(shè)計中不需要外擴(kuò)ROM。硬件電路主要有LED顯示電路、鍵盤接收電路、繼電器控制電路、EEPROM外部存儲器擴(kuò)展電路AT24C01A，以及看門狗電路MAX813L等組成。
外部存儲器擴(kuò)展電路
自動加料機(jī)存在兩條生產(chǎn)線的輸送、排料、滿料、空料，共8個設(shè)置的重要數(shù)據(jù)需要讀/寫，并且能夠提供掉電保護(hù)。如果擴(kuò)展外部RAM，則需要外加電源維護(hù)，這就增加了電路設(shè)計的復(fù)雜性。為此采用了Atmel公司的具有掉電保護(hù)功能的24C01A。24C01A串行EEPROM遵守I2C總線標(biāo)準(zhǔn)，容量為128B。本系統(tǒng)24C01A的CLK接89C51的RXD，SDA 接TXD端。
本設(shè)計按24C01A頁寫入方式幀格式編程寫入數(shù)據(jù)，先發(fā)送啟動位，接著是器件地址(#0A0H)、應(yīng)答位、EEPROM存儲單元首地址、應(yīng)答位，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)。每兩個數(shù)據(jù)位之間發(fā)一個應(yīng)答位，最后發(fā)送停止位。讀出數(shù)據(jù)時，格式和寫入類似，器件地址是#0A1H。
LED顯示電路
加料機(jī)在運行時要顯示輸送、排料、滿料、空料時間，由時間切換鍵和標(biāo)志哪條生產(chǎn)線的發(fā)光二極管表示。LED顯示電路采用74LS377驅(qū)動器和MC14511B譯碼器控制LED數(shù)碼管。74LS377的片選端接74LS138的輸出Y0。兩個LED顯示一條生產(chǎn)線一個工作過程的秒數(shù)。兩片MC14511B把P0口的高四位和低四位譯碼成十進(jìn)制數(shù)控制LED顯示。電路如圖2所示。
8255控制電路
自動加料系統(tǒng)有8個按鍵：啟動兩條生產(chǎn)線的“啟動1”鍵和“啟動2”鍵、分秒選擇鍵、時間設(shè)置加、時間設(shè)置減、顯示生產(chǎn)線狀態(tài)的切換鍵、時間設(shè)置(SET)鍵、時間切換鍵。另外，還有8個用于顯示控制狀態(tài)的發(fā)光二極管。由于單片機(jī)的并行口有限，本系統(tǒng)采用8255A擴(kuò)展并行口。
8255A是通用可編程并行接口芯片，包含三個8位并行口PA、PB、PC和一個控制寄存器，并具有三種操作方式。本系統(tǒng)PA接8個按鍵，PB接8個發(fā)光二極管， /CS接74LS138的輸出腳Y1。采用方式0基本I/O方式，PA輸入、PB輸出，此時8255A的控制字為98H。
繼電器控制電路
自動加料機(jī)把塑料粒子送到一個真空管，在輸送時真空管閉合，排料時真空管需要打開，將粒子送到排料漏斗。本設(shè)計共需4個繼電器控制交流接觸器，經(jīng)考慮采用4123無極12V直流控制24V的交流繼電器，并利用光耦合器件P521和MCU隔開。電路如圖3(只畫出一個繼電器控制電路)所示。
89C51的P1初始值為0FFH，所以加一個74LS04反相器使得繼電器初始不產(chǎn)生閉合。圖3中MC1413是無源驅(qū)動器，IN4007組成繼電器的續(xù)流二極管。MC1413的COM腳接外部模擬地，P521的腳2接數(shù)字地。
看門狗MAX813L電路
自動加料機(jī)工作在生產(chǎn)現(xiàn)場,要通過繼電器控制交流接觸器，由于干擾較大,可能出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。為此采用了MAXIM公司的MAX813L芯片，它能在單片機(jī)上電時可靠復(fù)位，下電時能防止程序跑飛而導(dǎo)致24C01A中數(shù)據(jù)被修改。MAX813L的WDI端接89C51的P2.0端，RST端接89C51的RESET端，程序設(shè)計時，規(guī)定時間間隔1.2s定時中斷0中P1.7發(fā)出脈沖信號。如果外部干擾使單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán)，P1.7無脈沖發(fā)出，這時RST端產(chǎn)生復(fù)位信號復(fù)位89C51。另外，本系統(tǒng)也加了手動復(fù)位電路，以防止MAX813L由于某種原因不能可靠復(fù)位。

系統(tǒng)的抗干擾及可靠性
單片機(jī)系統(tǒng)供電線路是干擾的主要來源，電源采用隔離變壓器接入電網(wǎng)，隔離變壓器在初級和次級之間加了一層屏蔽層。交流接觸器是繼電器控制的，在緊靠交流接觸器的輸入端口并上一個電阻和電容串聯(lián)的電路濾去高次諧波。每個集成電路芯片的電源和地之間要并上0.1mF的陶瓷電容。在輸入輸出通道上要加光藕P521。除了在繼電器通道上外，兩個滿料信號也要經(jīng)過P521光藕才送至INT0、INT1。另外，數(shù)字地和模擬地要分開，數(shù)字地線要粗而短。
軟件抗干擾方面，本系統(tǒng)采用指令冗余和軟件陷阱。當(dāng)CPU受到干擾后，會把一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行，引起程序混亂。由于當(dāng)PC指針飛到單字節(jié)指令上時，會自動步入正軌。因此我們在程序中人為地在RET、RETI、LCALL、LJMP、AJMP、DJZE、JZ、CJNE等處插入一些單字節(jié)指令(NOP)。并在繼電器開閉指令SET、CLR前插入兩條NOP指令。同時，當(dāng)程序飛到ROM中未使用的非程序區(qū)時，非程序區(qū)要能捕獲PC指針并強(qiáng)行拉到處理故障程序中。所以非程序區(qū)要每隔一段設(shè)置一個軟件陷阱。軟件陷阱由三條指令構(gòu)成：
NOP
NOP
LJMP ERROR
ERROR處理過程放在0030H開始處。

軟件設(shè)計
程序設(shè)計包括主程序、中斷程序、故障處理程序、AT24C01A發(fā)送接收數(shù)據(jù)程序等。我們用到兩個定時器中斷：定時器0每隔1.2s使P1.7產(chǎn)生脈沖信號；定時器1產(chǎn)生1s的定時，使LED顯示遞減。故障處理程序使PC指針跳回到原來起動的相應(yīng)程序段；AT24C01A發(fā)送接收程序按照時序要求和讀寫幀格式；主程序完成內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)區(qū)初始化、8255初始化，并根據(jù)按鍵信號跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)程序段。按鍵“啟動1”的程序框圖如圖4所示，其余7個按鍵對應(yīng)的程序框圖從略。

結(jié)語
本文設(shè)計的基于AT89C51的自動加料系統(tǒng)沒有外擴(kuò)ROM和RAM，程序直接放在AT89C51內(nèi)部閃存中。設(shè)定數(shù)據(jù)通過串行口存入AT24C01A內(nèi)，另外，系統(tǒng)從硬件和軟件方面采取了抗干擾措施。本控制系統(tǒng)已成功運用于工廠的實際生產(chǎn)中?！?/P>

參考文獻(xiàn)
1 何立民. 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編. 北京航空航天大學(xué)出版社, 1999. 8
2 陳光東. 單片微型計算機(jī)原理與接口技術(shù)(第二版). 華中理工大學(xué)出版社，1999. 4
3 蔣敏蘭、胡生清. AT24C01A串行EEPROM及其在灌膠機(jī)中的應(yīng)用. 國外電子測量技術(shù). 2002.5