摘  要： 論述了一個蔬菜包裝機(jī)供碗自動控制器的設(shè)計方案,。該自動控制器通過6個對射式光電開關(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來控制固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)對流水線上供碗的自動控制。采用X5045存儲該自動控制器最新的時間數(shù)據(jù)，以方便斷電關(guān)機(jī)重啟后流水線供碗時間的控制,。X5045擁有看門狗定時器,，可以有效地預(yù)防程序進(jìn)入死循環(huán)，從而使該自動控制器正常運(yùn)行,。該自動控制器實(shí)現(xiàn)了供碗的自動化控制,，大大提高了工廠的生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞： 對射式光電開關(guān),；單片機(jī),；固態(tài)繼電器；看門狗定時器

    蔬菜包裝機(jī)供碗自動控制器是位于進(jìn)口的蔬菜自動包裝機(jī)和自行研制的蔬菜包裝配料流水線平臺之間的自動控制設(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。目前主要通過人工開,、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力的浪費(fèi)，本文以AT89C52單片機(jī)為核心,，通過光幕（內(nèi)含6個對射式光電開關(guān)）的輸出信號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)繼電器的動作，以此控制供碗流水線的移動與暫停,，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)對供碗系統(tǒng)設(shè)置固定的PWM周期(控制器設(shè)計周期不可調(diào))，通過控制占空比(高電平)的值控制一個周期中的供碗時間,，以完成供碗的實(shí)時要求,。PWM的高電平為供碗的時間，低電平為暫停的時間[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上為蔬菜自動包裝機(jī),，供碗自動控制器所需要控制的是傳送帶2,。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
1.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計框圖
    本設(shè)計由AT89C52單片機(jī)、具有存儲單元的看門狗芯片X5045,、2個按鍵開關(guān),、3個指示燈、固態(tài)繼電器以及含有6個對射式光電開關(guān)的光幕組成,，能自動采集流水線上碗的疏密程度,，并能自動控制流水線何時移動供碗,。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)主要元器件簡介
1.2.1 AT89C52單片機(jī)
    由于蔬菜自動包裝機(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)對流水線上供碗速度的控制,，而且價格低廉、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流水線上供碗的疏密信息外，還設(shè)置兩個按鍵開關(guān)分別連接到AT89C52單片機(jī)的兩個外部中斷,，用于人工調(diào)節(jié)流水線上供碗的時間（增加與減少）,，但PWM的周期保持不變。另外,，設(shè)置3個指示燈與AT89C52單片機(jī)相連接,，分別用于指示該自動控制系統(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 看門狗定時器
    看門狗定時器采用X5045，它是一種由美國Xicor公司生產(chǎn)的集上電復(fù)位控制,、看門狗定時器,、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。它簡化了該自動控制器的設(shè)計,，減少了印制板的占用面積,，其擦寫周期可達(dá)100萬次以上并且可以將寫好的數(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)時進(jìn)行復(fù)位,，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行,。
1.2.3 光幕
    自動上碗機(jī)內(nèi)的光幕安裝在傳送帶3上，由6個光電開關(guān)組成,。由于上碗的傳送帶寬度比較大,，因此采用對射式光電開關(guān)。將6個對射式光電開關(guān)（實(shí)際上是6對,，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不銹鋼板條上，再將鋼條固定在設(shè)備臺兩側(cè),，與原來的設(shè)備器件互不干擾,，發(fā)送器與接收器平行直對，誤差1 mm,。
    此光幕用于檢測蔬菜包裝機(jī)上的供碗信息,，6個對射式光電開關(guān)將分別連接單片機(jī)的P2.0～P2.5口。當(dāng)有碗通過時,，接收器就輸出一個開關(guān)控制信號,，從而實(shí)現(xiàn)對供碗疏密信息的檢測。若對射式光電開關(guān)導(dǎo)通,，則證明這里沒有碗,，單片機(jī)P2口對應(yīng)引腳將收到一個低電平；反之,，則證明這里有碗,，單片機(jī)P2口對應(yīng)引腳將收到一個高電平。綜合6個對射式光電開關(guān)傳回的高低電平情況,，就可以通過調(diào)節(jié)PWM的占空比有效地實(shí)現(xiàn)對流水線上供碗的控制,。
1.2.4 固態(tài)繼電器
    作為一個弱電控制器件，單片機(jī)一般工作在5 V電壓下,，驅(qū)動電流是mA級別的,，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)繼電器來實(shí)現(xiàn)對流水線供碗系統(tǒng)的開關(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觸點(diǎn)開關(guān),，其輸出電路是在觸發(fā)信號控制下實(shí)現(xiàn)固態(tài)繼電器的通斷切換。
    將固態(tài)繼電器連接一個三極管的集電極后,，通過三極管基極與一個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,，減少了開關(guān)的瞬態(tài)效應(yīng)[3],。
2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
2.1 主程序的設(shè)計
    系統(tǒng)正常工作周期為8 s，一般情況下上碗的時間為3 s,，暫停的時間為5 s,。正常的上碗速度為3個/s，即約333 ms上1個碗,。
    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)即上碗的時間和暫停的時間，由于上碗和暫停的總時間是固定的,，所以程序在此將兩個時間累加并與總時間相比較,。若兩者不等，說明讀取的數(shù)據(jù)有錯誤,，程序?qū)⒆詣咏o這兩個時間值重新賦默認(rèn)初值,，并存入X5045中；若兩者相等,，則將定時/計數(shù)器初始化,，打開定時/計數(shù)器中斷并且開啟固態(tài)繼電器，上碗和暫停指示燈分別點(diǎn)亮和熄滅,，按照存儲在X5045中的PWM中的占空比值控制上碗與暫停時間的長短,，并且在上碗的時間內(nèi)每隔333 ms判斷一下標(biāo)志位是否為#0AAH，若不是則繼續(xù)上碗直到上碗時間結(jié)束,；若是則將標(biāo)志位置為#55H,，直接重新開始一個PWM周期循環(huán)，重新上碗,。上碗時間結(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間后,，程序?qū)⒅匦麻_始一個PWM周期，重新上碗,。系統(tǒng)運(yùn)行指示燈則在每個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能夠上一個碗,，所以將8 s分成24份，M代表設(shè)定的上碗時間份數(shù)存到30H中，N代表設(shè)定的暫停時間份數(shù),，存到31H中,。

2.2 中斷服務(wù)程序的設(shè)計
2.2.1 定時/計數(shù)器中斷
    定時/計數(shù)器中斷服務(wù)程序的中斷時間設(shè)置為111 ms。在PWM周期內(nèi),，每當(dāng)定時/計數(shù)器計數(shù)時間到后,，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6個對射式光電開關(guān)的導(dǎo)通情況,，把它們的輸出信號傳到單片機(jī)P2口轉(zhuǎn)換為高低電平信號，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位的高電平的個數(shù)即為檢測位置存在碗的個數(shù)。將A依次右移6次即可知道A中高電平的個數(shù)即存在碗的個數(shù),，然后通過控制PWM的占空比調(diào)整流水線上供碗的個數(shù),。在這里可以設(shè)置5作為碗已滿的一個界限。如果A中高電平的個數(shù)沒有超過這個界限,，程序跳出當(dāng)前中斷,，繼續(xù)執(zhí)行主程序；如果超過這個界限,，單片機(jī)將通過控制電平的高低將固態(tài)繼電器斷開,，暫停上碗，再次重復(fù)讀取P2口狀態(tài)并統(tǒng)計低6位中的高電平的個數(shù),，如果高電平的個數(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“1”的個數(shù),，直到高電平的個數(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/計數(shù)器中斷子程序圖如圖4所示。

2.2.2 外部中斷
    兩個按鍵開關(guān)通過兩個外部中斷實(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)定的上碗時間份數(shù),，N代表設(shè)定的暫停時間份數(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、對射式光電傳感器以及固態(tài)繼電器相結(jié)合,，經(jīng)過測試,，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程中的生產(chǎn)效率,，加快了蔬菜加工廠的自動化控制進(jìn)程,，為企業(yè)節(jié)約了人力，提高了經(jīng)濟(jì)效益,。
參考文獻(xiàn)
[1] 張義和,，陳敵北.例說8051[M].北京：人民郵電出版社，2006.
[2] 袁秀英.單片機(jī)原理與應(yīng)用教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,，2006.
[3] 王景景.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,，2010.