包裝機系統可用于粉末東顆粒物料(如水泥、化肥、糧食等)的定時包裝,自動化程度、計量精度要求越來越高。針對用戶的要求,本系統設計了一種基于PIC16F877單片機控制的電子秤水泥包裝機控制系統。
控制系統包括調零、調滿、設定粗細流閾值、插袋、喂料、壓袋、推包、破袋處理等控制功能。另外,對檢測的質量進行數碼顯示,對狀態采用LED指示。同時還完成了與上位機的通信,可以實時觀測質量變化及控制狀態的情況,并在硬件和軟件上分別采用了抗干擾措施和系統保護措施。本系統硬件結構簡單,運行穩定可靠,軟硬兼備,具有完善的控制功能和抗干擾能力。
1 控制器工作原理
電子秤是包裝機的一個獨立的控制部件,安裝在包裝機電控箱內,從包裝箱觀察窗可以看到電子秤的質量顯示和狀態LED指示。其控制系統由檢測電路、控制電路、設定顯示電路及與上位機的通信電路等幾部分組成。控制器原理框圖如圖1所示。
系統經過調零調滿后,發出插袋信號。當檢測到包準備好信號時開始喂料,此時粗細閾一起打開,CPU根據由荷重傳感器檢測的質量信號,與由按鍵設定輸入的粗細閾流值進行比較判斷,先后控制關閉粗細閾。再由檢測的推包位置到和皮帶脈沖到信號,發出推包控制信號。另外,閾值設定和與上位機的通信在軟件中通過中斷來控制實現。物料的質量由數碼管實時顯示。
2 硬件電路設計
根據系統的控制功能,并結合包裝機機械構件的工作原理,在軟件設計過程中,應力求硬件結構簡單,控制可靠。軟硬協調,相得益彰。以下將對控制系統的CPU選擇及檢測部分、控制部分、顯示與閾值設定部分及串行通信部分的設計進行介紹。
2.1 CPU的選擇
用戶要求包裝質量精度比較高,即要求水漏質量的測量具有很高的精度,這就要求系統的A/D轉換精度比較高。另外,在喂料過程中采用粗流細流兩種方式,CPU 需對粗流細流閾的設定值有掉電保護作用。美國Microship公司的PIC16F877單片機能滿足系統的這些要求。PIC16F877內含10位的 A/D轉換器,價格便宜,外圍接口電路簡單,轉換精度高,對本系統而言控制精度可達0.05kg。這帶有256字節的電何擦寫的EEPROM存儲器。每次工作粗流細流閾值的設定值可以從EEPROM中讀出以前寫入的設定值,或重新按鍵設定并寫入EEPROM以備下次使用。另外PIC16F877有8K× 14bit的FLASH存儲器,386×8bit的數據SRAM及同步串行模塊。充足的資源可供以后開發改進。看門狗可以對軟件運行出錯提供保護功能。 RISC(精簡指令集計算機)指令易學易用。
2.2 檢測電路
檢測部分主要介紹模擬輸入電路和狀態檢測電路兩部分,電路如圖2所示。
CPU的RA0、RA1、RA5為內部A/D轉換器的輸入,分別外接調零、調滿、質量檢測電路,RA2、RA3連接外部參考電壓。電位器RW1、RW2用于電子秤的標定,定時檢查標定,以免影響精度。另外,質量的測量主要從測量精度出發,荷重傳感器輸出電壓(0～5mV)經放大電路產生0～5V電壓,放大電路的微分環節是為了確保動態垢過程中質量測量的精度,用作動態校正。電位器RW5可以調節滿值。放大電路如圖3所示。
包裝機系統的工作是個順序的過程,需要檢測一系列的狀態信號。單片機的RE0、RE1、RE2口作為由電子秤外部產生的包準備好、推包位置、皮帶脈沖到狀態信號的檢測口。各種檢測回路中接有發交二極管,指示狀態檢測情況。
2.3 顯示與閾值設定電路
顯示電路在喂料時用于顯示物料質量,在閥值設定時用于顯示設定值。閾值設定由按鍵設定來實現,電路如圖4所示。
物料質量是不斷變化的,要求可以時刻觀測質量的值,且精度可達到0.05kg。采用4個數碼管顯示,單片機的D口輸出8位二進制顯示值經電阻送到數碼管數據線。另外RB口的RB1、RB2、RB3、RB4經反相驅動器ULN2003分別驅動4個數碼管,作為片選信號。顯示時考慮到視覺暫存現象,每次顯示通過軟件延時200ms,使顯示得以正常工作。
按鍵設定電路中,按鍵S3按下時,粗流設定開始,再按下時,細流設定開始,再按下就設定退出;按鍵S2、S1進行設定值加減,并且每次按鍵按下都有對應的設定值通過數碼管顯示。如此工作完成對粗細流閾值的設定工作。
2.4 控制電路
本系統完成的控制有壓袋、推包、喂料、粗流下料等,分別由單片機雙向I/O端口的RC0、RC1、RC2和RC3輸出控制。單片機輸出的控制信號經過三極管放大、光耦隔離、又一級三極管放大,分別驅動控制繼電器K1、K2、K3和K4,使其按照控制的要求通電或斷電,繼而產生壓袋、粗流下料、喂料、推包等相應的控制動作;同時,在繼電器開關回路中,接有發光二極管,用以顯示控制狀態。此控制電路中的光耦隔離,增加了系統的抗干擾性,也起到了保護作用。單片機的控制電路如圖5所示。
2.5 串行通信電路
本系統還要完成與上位機串行通信的功能。上位機為工控機,用來監測各種狀態。設置單片機的串行通信接口SC1為可以與工控機進行通信的全雙工異步系統。 SCI是一種利用RC6、RC7兩個引腳作為通信線的二進制串行通信接口。把RC6和RC7分別設置成串行通信接口的發送/時鐘(TX/CK)線和接收/ 數據(RX/DT)線,并把單片機的串行通信接口設置為從動方式,由上位控制發送、接收。單片機通過響應中斷來實現與上位機的通信,其串行通信電路如圖6 所示。
串行通信接口(SCI)異步工作方式由以下重要部件組成：波特率發生器(BRG)、采樣電路、異步接收器、異步發送器。8位的BRG用來驅動來自振蕩器的時鐘產生標準的波特率頻率。接收線RX(RC7)上的數據通過1個三中取二檢測電路對其采樣3次,以決定RX(RC7)引腳上的電平是高電平還是低電平。 SCI的發送器和接收器在功能上是獨立的,但它們所用的數據格式和波特率是相同的。串行通信接口采用標準的不歸零(NRZ)格式,即1位起始位、8位數據位和1位停止位。SCI接收和發送順序是從最低位(LSB)開始的。
3 軟件設計
在軟件設計中,既綜合了系統的功能、性能要求及硬件電路,又考慮了軟件的易維護性。采用模塊化結構,并盡量做到模塊的獨立性,減少模塊之間的交疊。整個軟件設計由主程序、各個功能子程序、中斷服務程序組成。下面介紹主程序的設計及中斷服務程序的設計。
3.1 主程序設計
根據系統的工作原理,主程序由初始化、數據采集和處理、調零、調滿、讀設定值、顯示及檢測各種狀態位和控制各種狀態等幾部分組成。程序執行行中不循環檢測各種狀態位,并執行各種相關的子程序,完成控制任務。主程序流程如圖7所示。
3.2 中斷服務程序設計
在此系統程序設計中,中斷程序的設計是個難點。其中按鍵設定閾值產生外部中斷,另外與上位機的通信也采用中方式實現,還有同部的定時中斷。考慮到多種中斷,存在中斷優先級的問題,選用的PIC16F877單片機的中斷功能有其獨立特性,即它只有一個中斷入口地址0004h。每種中斷都要由此進入中斷程序,因此中斷程序開始現場保存垢,要進行各種中斷村污位的順序檢測和判斷。當判斷到中斷標志位時,轉到相應的中斷服務子程序中。根據檢測標志位的順序,可以人為地定義中斷優先級。先判斷的優先級就高。本系統根據實際情況,定義串行通信中斷優先級最高,其次為定時中斷,然后是按鍵設定外部中斷,如圖8所示。
另外,中斷存在嵌套問題。由于中斷入口地址只有一個,因此,當出現中斷嵌套時,各級中斷返回的地址正確與否是很關鍵的。由調試過程,總結出要處理好每次中斷的現場保護和恢復現場是很重要的,并要注意其中的換頁位置。
該系統結構簡單,運行穩定可靠,控制精度高,具有完善的保護功能;可繼承性好,并為以后的技術改進留有一定的資源;成本低廉,經用戶試和反應良好。