基于PIC16F877单片机的电子秤包装机控制系统

    摘要：基于单片微处理器PIC16F877研制成功了六嘴回转式电子秤水泥包装机的智能控制器，给出控制系统的硬件电路和软件的设计思想，并阐述了控制器的工作原理。该控制器设计的高精度是本系统的重要性能。中断嵌套是设计软件中的难点。本系统还成功实现了与上位机的通信。

    关键词：PIC单片机 A/D转换 中断 通信

包装机系统可用于粉末东颗粒物料（如水泥、化肥、粮食等）的定时包装，自动化程度、计量精度要求越来越高。针对用户的要求，本系统设计了一种基于PIC16F877单片机控制的电子秤水泥包装机控制系统。

控制系统包括调零、调满、设定粗细流阈值、插袋、喂料、压袋、推包、破袋处理等控制功能。另外，对检测的质量进行数码显示，对状态采用LED指示。同时还完成了与上位机的通信，可以实时观测质量变化及控制状态的情况，并在硬件和软件上分别采用了抗干扰措施和系统保护措施。本系统硬件结构简单，运行稳定可靠，软硬兼备，具有完善的控制功能和抗干扰能力。

1 控制器工作原理

电子秤是包装机的一个独立的控制部件，安装在包装机电控箱内，从包装箱观察窗可以看到电子秤的质量显示和状态LED指示。其控制系统由检测电路、控制电路、设定显示电路及与上位机的通信电路等几部分组成。控制器原理框图如图1所示。

系统经过调零调满后，发出插袋信号。当检测到包准备好信号时开始喂料，此时粗细阈一起打开，CPU根据由荷重传感器检测的质量信号，与由按键设定输入的粗细阈流值进行比较判断，先后控制关闭粗细阈。再由检测的推包位置到和皮带脉冲到信号，发出推包控制信号。另外，阈值设定和与上位机的通信在软件中通过中断来控制实现。物料的质量由数码管实时显示。

2 硬件电路设计

根据系统的控制功能，并结合包装机机械构件的工作原理，在软件设计过程中，应力求硬件结构简单，控制可靠。软硬协调，相得益彰。以下将对控制系统的CPU选择及检测部分、控制部分、显示与阈值设定部分及串行通信部分的设计进行介绍。

    2.1 CPU的选择

用户要求包装质量精度比较高，即要求水漏质量的测量具有很高的精度，这就要求系统的A/D转换精度比较高。另外，在喂料过程中采用粗流细流两种方式，CPU需对粗流细流阈的设定值有掉电保护作用。美国Microship公司的PIC16F877单片机能满足系统的这些要求。PIC16F877内含10位的A/D转换器，价格便宜，外围接口电路简单，转换精度高，对本系统而言控制精度可达0.05kg。这带有256字节的电何擦写的EEPROM存储器。每次工作粗流细流阈值的设定值可以从EEPROM中读出以前写入的设定值，或重新按键设定并写入EEPROM以备下次使用。另外PIC16F877有8K×14bit的FLASH存储器，386×8bit的数据SRAM及同步串行模块。充足的资源可供以后开发改进。看门狗可以对软件运行出错提供保护功能。RISC（精简指令集计算机）指令易学易用。

2.2 检测电路

检测部分主要介绍模拟输入电路和状态检测电路两部分，电路如图2所示。

    CPU的RA0、RA1、RA5为内部A/D转换器的输入，分别外接调零、调满、质量检测电路，RA2、RA3连接外部参考电压。电位器RW1、RW2用于电子秤的标定，定时检查标定，以免影响精度。另外，质量的测量主要从测量精度出发，荷重传感器输出电压（0～5mV）经放大电路产生0～5V电压，放大电路的微分环节是为了确保动态垢过程中质量测量的精度，用作动态校正。电位器RW5可以调节满值。放大电路如图3所示。

包装机系统的工作是个顺序的过程，需要检测一系列的状态信号。单片机的RE0、RE1、RE2口作为由电子秤外部产生的包准备好、推包位置、皮带脉冲到状态信号的检测口。各种检测回路中接有发交二极管，指示状态检测情况。

    2.3 显示与阈值设定电路

显示电路在喂料时用于显示物料质量，在阀值设定时用于显示设定值。阈值设定由按键设定来实现，电路如图4所示。

物料质量是不断变化的，要求可以时刻观测质量的值，且精度可达到0.05kg。采用4个数码管显示，单片机的D口输出8位二进制显示值经电阻送到数码管数据线。另外RB口的RB1、RB2、RB3、RB4经反相驱动器ULN2003分别驱动4个数码管，作为片选信号。显示时考虑到视觉暂存现象，每次显示通过软件延时200ms，使显示得以正常工作。

    按键设定电路中，按键S3按下时，粗流设定开始，再按下时，细流设定开始，再按下就设定退出；按键S2、S1进行设定值加减，并且每次按键按下都有对应的设定值通过数码管显示。如此工作完成对粗细流阈值的设定工作。

2.4 控制电路

本系统完成的控制有压袋、推包、喂料、粗流下料等，分别由单片机双向I/O端口的RC0、RC1、RC2和RC3输出控制。单片机输出的控制信号经过三极管放大、光耦隔离、又一级三极管放大，分别驱动控制继电器K1、K2、K3和K4，使其按照控制的要求通电或断电，继而产生压袋、粗流下料、喂料、推包等相应的控制动作；同时，在继电器开关回路中，接有发光二极管，用以显示控制状态。此控制电路中的光耦隔离，增加了系统的抗干扰性，也起到了保护作用。单片机的控制电路如图5所示。

2.5 串行通信电路

本系统还要完成与上位机串行通信的功能。上位机为工控机，用来监测各种状态。设置单片机的串行通信接口SC1为可以与工控机进行通信的全双工异步系统。SCI是一种利用RC6、RC7两个引脚作为通信线的二进制串行通信接口。把RC6和RC7分别设置成串行通信接口的发送/时钟（TX/CK）线和接收/数据（RX/DT）线，并把单片机的串行通信接口设置为从动方式，由上位控制发送、接收。单片机通过响应中断来实现与上位机的通信，其串行通信电路如图6所示。

串行通信接口（SCI）异步工作方式由以下重要部件组成：波特率发生器（BRG）、采样电路、异步接收器、异步发送器。8位的BRG用来驱动来自振荡器的时钟产生标准的波特率频率。接收线RX（RC7）上的数据通过1个三中取二检测电路对其采样3次，以决定RX（RC7）引脚上的电平是高电平还是低电平。SCI的发送器和接收器在功能上是独立的，但它们所用的数据格式和波特率是相同的。串行通信接口采用标准的不归零（NRZ）格式，即1位起始位、8位数据位和1位停止位。SCI接收和发送顺序是从最低位（LSB）开始的。

3 软件设计

在软件设计中，既综合了系统的功能、性能要求及硬件电路，又考虑了软件的易维护性。采用模块化结构，并尽量做到模块的独立性，减少模块之间的交叠。整个软件设计由主程序、各个功能子程序、中断服务程序组成。下面介绍主程序的设计及中断服务程序的设计。

    3.1 主程序设计

根据系统的工作原理，主程序由初始化、数据采集和处理、调零、调满、读设定值、显示及检测各种状态位和控制各种状态等几部分组成。程序执行行中不循环检测各种状态位，并执行各种相关的子程序，完成控制任务。主程序流程如图7所示。

3.2 中断服务程序设计

在此系统程序设计中，中断程序的设计是个难点。其中按键设定阈值产生外部中断，另外与上位机的通信也采用中方式实现，还有同部的定时中断。考虑到多种中断，存在中断优先级的问题，选用的PIC16F877单片机的中断功能有其独立特性，即它只有一个中断入口地址0004h。每种中断都要由此进入中断程序，因此中断程序开始现场保存垢，要进行各种中断村污位的顺序检测和判断。当判断到中断标志位时，转到相应的中断服务子程序中。根据检测标志位的顺序，可以人为地定义中断优先级。先判断的优先级就高。本系统根据实际情况，定义串行通信中断优先级最高，其次为定时中断，然后是按键设定外部中断，如图8所示。

另外，中断存在嵌套问题。由于中断入口地址只有一个，因此，当出现中断嵌套时，各级中断返回的地址正确与否是很关键的。由调试过程，总结出要处理好每次中断的现场保护和恢复现场是很重要的，并要注意其中的换页位置。

该系统结构简单，运行稳定可靠，控制精度高，具有完善的保护功能；可继承性好，并为以后的技术改进留有一定的资源；成本低廉，经用户试和反应良好。