田淑眾

（山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

一、工業(yè)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集控制器開(kāi)發(fā)背景

過(guò)去酒類自動(dòng)化生產(chǎn)線僅能完成產(chǎn)品的包裝、入庫(kù)等功能，隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，酒類自動(dòng)化生產(chǎn)線采用先進(jìn)的信息技術(shù)，自動(dòng)粘貼防偽、條形碼、二維碼等多個(gè)標(biāo)識(shí)，以便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的防偽查詢、物流查詢，產(chǎn)品入庫(kù)、出庫(kù)、銷售、防竄貨等信息化管理。

在生產(chǎn)線上安裝工控計(jì)算機(jī)、光電開(kāi)關(guān)（俗稱電眼）、條碼采集器、剔除器、聲光報(bào)警器、頂顯等設(shè)備，以啟動(dòng)信息的采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)識(shí)粘貼不合格產(chǎn)品的剔除和對(duì)合格產(chǎn)品的計(jì)數(shù)、報(bào)數(shù)功能，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的異常情況通過(guò)聲光報(bào)警提示。

對(duì)電眼、剔除器、聲光報(bào)警器的控制可以采用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但成本高，有點(diǎn)“大材小用”的感覺(jué)；所以考慮利用單片機(jī)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)上述設(shè)備的控制，以降低成本。

二、生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集控制器功能描述

數(shù)據(jù)采集控制器采集電眼（輸入元件）信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)由0到1或由1到0的跳變時(shí)，通過(guò)RS232串口向工控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）發(fā)送一組數(shù)據(jù)，上位機(jī)收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)控制策略向接口卡發(fā)送一組控制數(shù)據(jù)，控制剔除器或聲光報(bào)警器（輸出元件）動(dòng)作。數(shù)據(jù)采集控制器可以接8路輸入元件、8路輸出元件。

三、數(shù)據(jù)采集控制器硬件原理圖設(shè)計(jì)教學(xué)

根據(jù)數(shù)據(jù)采集控制器功能描述，將數(shù)據(jù)采集控制器分為單片機(jī)、輸入驅(qū)動(dòng)電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路、與上位機(jī)通信電路四部分。

1、單片機(jī)電路設(shè)計(jì)教學(xué)。我院學(xué)生在校期間學(xué)習(xí)的是MCS51系列單片機(jī)，實(shí)驗(yàn)室備有STC11（DIP40）單片機(jī)仿真器，為了便于程序調(diào)試，所以單片機(jī)選擇宏晶科技STC11F32XE型號(hào)，封裝類型為DIP40，工作電壓為5V。考慮到與上位機(jī)通過(guò)串口通信，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率選擇11.0592MHz。利用P1口與輸入電路連接，P2口與輸出電路連接。用Protel DXP2004畫(huà)出電路原理圖（SCH）如圖3所示。

圖1 單片機(jī)電路原理圖

2、輸入電路部分設(shè)計(jì)教學(xué)。（1）光電開(kāi)關(guān)介紹。選用歐姆龍光電開(kāi)關(guān)（E3F3-D12），工作電壓12V～24V，光電開(kāi)關(guān)被物體遮擋時(shí)，OUT端輸出低電平，未被遮擋時(shí)輸出高電平，其接線圖如圖4所示。

圖2 電眼接線圖

（2）光電耦合器介紹。電眼的工作電壓選定DC24V，而單片機(jī)工作電壓的DC5V，通過(guò)光電耦合器可以實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，選擇光電耦合器的另外一個(gè)原因就是可以避免電眼對(duì)單片機(jī)的干擾，提高接口卡的抗干擾能力。

（3）輸入電路功能分析。使用單片機(jī)P1口作輸入口，與光耦的集電極連接，如圖5所示。單片機(jī)P1.0～P1.7作為輸入口使用，電眼未被遮擋時(shí)，INx=1，P1.x=0，電眼被遮擋時(shí)，INx=0，P1.x=1，INx 與電眼的輸出信號(hào)（OUT）連接。因此通過(guò)讀取P1.x引腳的值就可以確定電眼是否被物體遮擋，如果P1.x出現(xiàn)由0至1的跳變，表示有物體過(guò)來(lái)，反之P1.x出現(xiàn)由1至0的跳變，表示有物體離開(kāi)。

3、輸出電路部分設(shè)計(jì)教學(xué)。考慮到驅(qū)動(dòng)輸出元件的靈活性，所以輸出電路主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)外接的繼電器，通過(guò)繼電器再連接輸出元件，如圖6所示，外接繼電器與保護(hù)二極管D11并聯(lián)，繼電器選用施耐德RXM2LB2BD（24VDC、5A/250VAC）繼電器。

使用單片機(jī)P2口作輸出口，與外接的繼電器之間選用光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離，避免對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生干擾?？紤]到P2口的弱推挽驅(qū)動(dòng)能力不足，所以選用強(qiáng)推挽驅(qū)動(dòng)輸出。有一點(diǎn)同學(xué)們需要注意，那就是P2口作輸出口時(shí)必須外接上拉電阻（R31），上拉電阻的阻值不能太大，否則影響對(duì)繼電器的驅(qū)動(dòng)。

當(dāng)P2.x=1時(shí)，OUT0=0，繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)；當(dāng)P2.x=0時(shí)，OUT0=1，繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，常閉觸點(diǎn)吸合。因此輸出元件應(yīng)與繼電器的常閉觸點(diǎn)連接。

4、與上位機(jī)通信電路部分設(shè)計(jì)教學(xué)。單片機(jī)與上位機(jī)通信采用RS232異步串行通信方式，上位機(jī)串口輸出的是RS232電平（達(dá)±15V），而單片機(jī)串口輸出的是TTL電平（+5V），二者不能直接連接，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

MAX232集成電路能夠?qū)崿F(xiàn)TTL電平與RS232電平的互相轉(zhuǎn)換，MAX232是一種雙組驅(qū)動(dòng)器/接收器，片內(nèi)含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器以便在單5V電源供電時(shí)提供RS232電平。用Protel DXP2004畫(huà)出與上位機(jī)通信電路原理圖（SCH）如圖7所示。

圖3 與上位機(jī)通信電路原理圖

5、印刷線路板（PCB）制作。首先使用Protel DXP2004軟件畫(huà)好原理圖，學(xué)會(huì)自建元件SCH、PCB庫(kù)文件，正確定義每個(gè)元件的屬性，利用PCB規(guī)則和約束編輯器設(shè)置電源線跟地線的線寬為20mil，然后自動(dòng)布線，檢查無(wú)誤后對(duì)線路板底層覆銅。

四、線路板焊接及安裝說(shuō)明

1、焊接說(shuō)明

（1）U1、U2 分別焊接 DIP40、DIP16 插座，不建議直接焊接芯片；

（2）輸入電路、輸出電路暫時(shí)焊接一路，調(diào)試正常后增加到8路，實(shí)際應(yīng)用時(shí)根據(jù)輸入元件、輸出元件的數(shù)量焊接相應(yīng)的路數(shù)。

2、安裝說(shuō)明

（1）J1 的 TX、RX、GND 與上位機(jī)串口的 2（RxD）、3（TxD）、5（GND）連接；

（2）J2、J3 分別連接開(kāi)關(guān)電源的 DC5V、DC24V，開(kāi)關(guān)電源的最大輸出電流建議選3A；

（3）JD1～JD8接光電開(kāi)關(guān)，JT1～JT8接繼電器；

五、數(shù)據(jù)采集控制器軟件設(shè)計(jì)教學(xué)

數(shù)據(jù)采集控制器單片機(jī)程序使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，由主程序和中斷處理程序構(gòu)成。

1、主程序功能

（1）初始化

①定時(shí)器1、串口的初始化

設(shè)定串行口為方式一，允許接收，從而確定SMOD的值為50H，串口通信波特率設(shè)定9600bps，從而確定TMOD=20H，計(jì)數(shù)初值TH1=TL1=0FDH。

②中斷系統(tǒng)初始化

因?yàn)橹挥写谝粋€(gè)中斷源，所以只需設(shè)置ES=EA=1。

③設(shè)置接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

在IDATA區(qū)定義發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（起始地址80H）和接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（起始地址A0H），長(zhǎng)度均為16字節(jié)，第1工作組的R0，R1指向發(fā)送緩沖區(qū)起始單元，第2工作組的R0，R1指向接收緩沖區(qū)起始單元，便于對(duì)兩個(gè)緩沖區(qū)同時(shí)訪問(wèn)。

同學(xué)們一定要熟練掌握工作寄存器組的切換方法。

④定義P2口為強(qiáng)推挽輸出

由特殊功能寄存器P2M1=0、P2M0=0FFH決定P2口均為強(qiáng)推挽輸出。

（2）電眼信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)程序

實(shí)時(shí)檢測(cè)P1.x的變化以判斷電眼的狀態(tài)。通過(guò)P1.0～P1.7可以獲取與之連接的8路電眼的序號(hào)（0～7），用01H表示由0至1的跳變，10H表示由1至0的跳變，將狀態(tài)發(fā)生改變的電眼信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)。每次檢測(cè)有電眼狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)對(duì)應(yīng)向緩沖區(qū)寫(xiě)入數(shù)據(jù)包，并啟動(dòng)串行口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)包用5EH、7EH表示起始和停 止，例如某個(gè)時(shí)刻第0路，第6路電眼狀態(tài)發(fā)生改變，那么寫(xiě)入緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)為

00H，01H表示0號(hào)電眼信號(hào)發(fā)生了由0至1的跳變，06H，10H表示6號(hào)電眼信號(hào)發(fā)生了由1至0的跳變。需要同學(xué)們特別注意的是讀P1口數(shù)據(jù)之前，必須先向P1口寫(xiě)FFH。

（3）剔除器或報(bào)警器控制程序

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接收緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)，如果接收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，則按數(shù)據(jù)約定將P2.x置1或清0，控制繼電器動(dòng)作，從而控制剔除器或聲光報(bào)警器動(dòng)作。

接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)格式為

00H，01H表示控制序號(hào)為0的繼電器動(dòng)作，P2.0由0變1，與之連接的繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)由閉合到斷開(kāi)；

06H，10H表示控制序號(hào)為6的繼電器動(dòng)作，P2.6由1變0，與之連接的繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)由斷開(kāi)到閉合。

2、中斷處理程序功能

單片機(jī)串行口發(fā)送完或接收完數(shù)據(jù)后，由硬件將TI或RI置1，從而引起CPU中斷，進(jìn)入中斷處理后首先判斷TI=1還是RI=1，從而運(yùn)行相應(yīng)的發(fā)送或接收處理程序，同學(xué)們一定要注意TI或RI必須用CLR指令軟件清0。

（1）數(shù)據(jù)發(fā)送

將發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)通過(guò)寫(xiě)入串口的SBUF寄存器向上位機(jī)發(fā)送，發(fā)送完7EH后，將發(fā)送標(biāo)志置1。

（2）數(shù)據(jù)接收

接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，將SBUF寄存器的數(shù)據(jù)寫(xiě)入接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，待接收到7EH后將接收標(biāo)志置1。

五、接口卡調(diào)試

1、搭建仿真調(diào)試環(huán)境。使用Keil uVision2單片機(jī)仿真軟件，添加STC單片機(jī)，選擇MCU型號(hào)為IAP12C5A60S2，output項(xiàng)選中 Create HEX File，debug 項(xiàng)，選擇仿真器JY for STC 1TDriver。

2、調(diào)試方法。剛開(kāi)始可以跟蹤運(yùn)行調(diào)試，基本正常后，可以全速運(yùn)行調(diào)試。計(jì)算機(jī)安裝串口調(diào)試助手，運(yùn)行后可以顯示數(shù)據(jù)采集控制器接收到的電眼信號(hào)，也可以向數(shù)據(jù)采集控制器發(fā)送控制數(shù)據(jù)，觀察繼電器的動(dòng)作。

2、程序下載

程序調(diào)試完成后，將計(jì)算機(jī)串口與接口卡上的串口（J1）連接，運(yùn)行STC-ISP編程工具，完成程序下載。

通過(guò)講解生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集控制器的設(shè)計(jì)制作，讓同學(xué)們熟練掌握電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程，學(xué)會(huì)使用常用的開(kāi)發(fā)工具，為將來(lái)從事相關(guān)行業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)。