蔬菜包裝機供碗自動控制器的設計

魏權利，石少峰

（青島科技大學 信息學院，山東 青島266061）

蔬菜包裝機供碗自動控制器是位于進口的蔬菜自動包裝機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備。后者的配料在碗中進行，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的經濟效益。為提高效率和減少勞動力的浪費，本文以AT89C52單片機為核心，通過光幕（內含6個對射式光電開關）的輸出信號反映供碗的疏密信息，單片機進行數據處理后控制固態繼電器的動作，以此控制供碗流水線的移動與暫停，從而實現流水線上碗的有效控制和系統生產效率的提高。

利用PWM技術對供碗系統設置固定的PWM周期(控制器設計周期不可調)，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]。

該蔬菜包裝機流水線圖如圖1所示，傳送帶1負責將碗及其內配料向前傳輸，傳送帶3上為蔬菜自動包裝機，供碗自動控制器所需要控制的是傳送帶2。

1 系統的硬件設計

1.1 系統硬件電路設計框圖

本設計由AT89C52單片機、具有存儲單元的看門狗芯片X5045、2個按鍵開關、3個指示燈、固態繼電器以及含有6個對射式光電開關的光幕組成，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。系統硬件結構圖如圖2所示。

圖2 硬件結構圖

1.2 硬件結構主要元器件簡介

1.2.1 AT89C52單片機

由于蔬菜自動包裝機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AT89C52，不僅可以實現對流水線上供碗速度的控制，而且價格低廉、經濟實惠[1]。

為提高人性化服務，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，還設置兩個按鍵開關分別連接到AT89C52單片機的兩個外部中斷，用于人工調節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，設置3個指示燈與AT89C52單片機相連接，分別用于指示該自動控制系統的運行狀態、流水線的上碗狀態以及流水線是否處于暫停狀態。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公司生產的集上電復位控制、看門狗定時器、降壓管理和具有塊保護功能的串行EEPROM于一體的專用集成芯片。它簡化了該自動控制器的設計，減少了印制板的占用面積，其擦寫周期可達100萬次以上并且可以將寫好的數據保存100年，大大提高了產品的可靠性[2]。

系統利用X5045的存儲器記憶上次關機前流水線上供碗的參數配置。X5045還可以作為系統的看門狗，在程序進入死循環時進行復位，保證系統正常運行。

1.2.3 光幕

自動上碗機內的光幕安裝在傳送帶3上，由6個光電開關組成。由于上碗的傳送帶寬度比較大，因此采用對射式光電開關。將6個對射式光電開關（實際上是6對，一側是發送器，另一側是接收器）的發送器和接收器分別固定在兩個不銹鋼板條上，再將鋼條固定在設備臺兩側，與原來的設備器件互不干擾，發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上的供碗信息，6個對射式光電開關將分別連接單片機的P2.0～P2.5口。當有碗通過時，接收器就輸出一個開關控制信號，從而實現對供碗疏密信息的檢測。若對射式光電開關導通，則證明這里沒有碗，單片機P2口對應引腳將收到一個低電平；反之，則證明這里有碗，單片機P2口對應引腳將收到一個高電平。綜合6個對射式光電開關傳回的高低電平情況，就可以通過調節PWM的占空比有效地實現對流水線上供碗的控制。

1.2.4 固態繼電器

作為一個弱電控制器件，單片機一般工作在5 V電壓下，驅動電流是mA級別的，難以控制流水線這類大功率設備。因此系統選用固態繼電器來實現對流水線供碗系統的開關控制。固態繼電器是一種應用半導體器件代替傳統電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關，其輸出電路是在觸發信號控制下實現固態繼電器的通斷切換。

將固態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的P0.0口。另外固態繼電器還將與原開關并聯，以保持原電路的功能。

固態繼電器壽命高、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單片機能輕松地控制固態繼電器的閉合；固態繼電器轉換速度快，使得自動控制器更加敏捷；另外，固態繼電器還有電磁干擾小的優點，減少了電流波形的突然中斷，減少了開關的瞬態效應[3]。

2 系統的軟件設計

2.1 主程序的設計

系統正常工作周期為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。

單片機上電后，首先進行復位，設定堆棧，然后清空地址為30H和31H存儲單元中的數據并且設置標志位為#55H，讀取X5045中的數據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，說明讀取的數據有錯誤，程序將自動給這兩個時間值重新賦默認初值，并存入X5045中；若兩者相等，則將定時/計數器初始化，打開定時/計數器中斷并且開啟固態繼電器，上碗和暫停指示燈分別點亮和熄滅，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每隔333 ms判斷一下標志位是否為#0AAH，若不是則繼續上碗直到上碗時間結束；若是則將標志位置為#55H，直接重新開始一個PWM周期循環，重新上碗。上碗時間結束后，上碗指示燈熄滅，暫停指示燈點亮。暫停上碗到足夠的時間后，程序將重新開始一個PWM周期，重新上碗。系統運行指示燈則在每個PWM周期后取反，閃爍表示系統正常運行。

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代表設定的上碗時間份數存到30H中，N代表設定的暫停時間份數，存到31H中。

圖3 主程序流程圖

2.2 中斷服務程序的設計

2.2.1 定時/計數器中斷

定時/計數器中斷服務程序的中斷時間設置為111 ms。在PWM周期內，每當定時/計數器計數時間到后，主程序暫停執行，進入中斷服務程序。首先關閉中斷，數據進棧，檢測6個對射式光電開關的導通情況，把它們的輸出信號傳到單片機P2口轉換為高低電平信號，讀取P2口的狀態并存到寄存器A中，取反后與#3FH相與除去干擾位。單片機P2口低6位的高電平的個數即為檢測位置存在碗的個數。將A依次右移6次即可知道A中高電平的個數即存在碗的個數，然后通過控制PWM的占空比調整流水線上供碗的個數。在這里可以設置5作為碗已滿的一個界限。如果A中高電平的個數沒有超過這個界限，程序跳出當前中斷，繼續執行主程序；如果超過這個界限，單片機將通過控制電平的高低將固態繼電器斷開，暫停上碗，再次重復讀取P2口狀態并統計低6位中的高電平的個數，如果高電平的個數大于等于1，視為碗目前仍處于滿的狀態，系統仍處于中斷服務程序中繼續循環檢測“1”的個數，直到高電平的個數小于1，使固態繼電器處于接通狀態繼續上碗，將標志位置為#0AAH，然后打開中斷，在數據出棧后，跳出當前中斷程序，繼續運行主程序。定時/計數器中斷子程序圖如圖4所示。

圖4 定時/計數器中斷子程序圖

2.2.2 外部中斷

兩個按鍵開關通過兩個外部中斷實現，進入中斷后，根據按鍵是增加鍵還是減少鍵，對M和N實行相應的加減處理并存放到X5045中，然后返回主程序。其中M代表設定的上碗時間份數，N代表設定的暫停時間份數。外部中斷子程序圖如圖5所示。

圖5 外部中斷子程序圖

本系統很好地將AT89C52單片機、X5045、對射式光電傳感器以及固態繼電器相結合，經過測試，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效率，加快了蔬菜加工廠的自動化控制進程，為企業節約了人力，提高了經濟效益。

[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.單片機原理與應用教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[3]王景景.單片機原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2010.