基于MXT8051通用配料控制器的設計

　　引言

　　混凝土是建筑行業最重要的材料，在混凝土的生產原料中，除水泥、沙石外最重要的原料當屬減水劑，減水劑是一種表面活性材料，加入后對水泥顆粒起擴散作用，把水泥膠體中包含的游離水釋放出來，雖然其在混凝土中比例微小，但作用巨大，可減少拌合用水，改善和易性，節約水泥，提高強度。

　　減水劑復配裝置主要解決的是減水劑的生產、稀釋、分裝等生產過程，目前多數減水劑復配裝置控制系統的解決方案是“重儀表+PLC+HMI”或“稱重儀表+工控機+IO板”的方案，在實施過程中發現，這些方案成本高，穩定性可靠性差，不適用于一些成本敏感的項目。

　　根據上述需求，本文以時代民芯科技的MXT8051芯片為核心設計并測試了通用配料控制器，其集成了稱重儀表、PLC、LCD顯示等功能，很好的滿足了減水劑復配控制的需求，如需應用到其他行業，只需將軟件稍加修改即可。

　　總體方案設計

　　本文采用MXT8051芯片驅動稱重芯片，讀取稱重傳感器數值，根據預先設定的配方數據進行自動產品復配操作，包括自動加水、自動添加配料(固態或液態)、自動攪拌、自動出料等操作。

　　系統使用16位7段液晶顯示器顯示重量信息、設定信息、狀態信息等，通過5個按鍵進行參數設定、系統標定、運行控制、顯示控制等操作。

　　配方可由RS232或RS485連接到上位機進行，上位機軟件可讀取、裝載配方數據，也可實時讀取稱重數據。

　　上位機軟件采用VB.NET 2005開發，可設置串行通信參數、測試控制器IO、讀取稱重數值、管理配方數據等。

　　硬件設計

　　時代民芯MXT8051芯片

　　MXT8051是以高速單指令周期 8051 為核的 MCU。擁有豐富的外設，包括 PWM、UART、WDT、Timer 等，1KB大容量外部RAM，內嵌 32Kx8 可在線編程 FLASH，10 位 ADC，8位DAC，若干OP，36x4 LCD driver、POR以及可編程增益放大器(PGA)等模擬電路。電路集成片上調試系統，通過標準 JTAG接口，快速診斷復雜 SoC，該調試系統具有不占用任何硬件資源，支持全速運行、單步運行、硬件斷點、軟件斷點以及觀察內部特殊功能寄存器、程序指針和內部RAM 等功能。上位機通過標準 JTAG 接口以及用戶定義指令執行在線編程和在線調試。

　　稱重專用芯片HX711

　　HX711是一款專為高精度電子秤設計的24位AD轉換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩壓電源、片內時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點。

　　硬件電路設計

　　圖2 所示為系統硬件電路設計框圖，系統設計成兩塊電路板，IO板和MCU板。MCU板上集成有HX711稱重專用24位Σ-ΔDA轉換芯片，RS232或RS485通信，16位7段LCD顯示，IO板上集成有7路繼電器IO輸出，5路光電隔離IO輸入，一路模擬量輸出，2路模擬量輸入，1路PWM光電隔離輸出，5鍵鍵盤輸入。

　　HX711外圍電路以及電壓基準電路設計，采用TL431芯片，通過電阻設定成5V輸出，同時作為傳感器電橋激勵和HX711的參考電壓，這樣可以有效抵消溫漂造成的系統誤差(如圖3所示)。

　　軟件設計

　　控制器軟件設計

　　HX711芯片的串口通訊線由管腳 PD_SCK 和 DOUT 組成，用來輸出數據，選擇輸入通道和增益。 當數據輸出管腳 DOUT 為高電平時，表明AD 轉換器還未準備好輸出數據，此時串口時鐘輸入信號 PD_SCK 應為低電平。當 DOUT 從高電平變低電平后，PD_SCK 應輸入25至27個不等的時鐘脈沖(如圖4)。其中第一個時鐘脈沖的上升沿將讀出輸出 24 位數據的最高位(MSB)，直至第 24 個時鐘脈沖完成，24位輸出數據從最高位至最低位逐位輸出完成。第25至27個時鐘脈沖用來選擇下一次AD轉換的輸入通道和增益，見表1。

　　PD_SCK 的輸入時鐘脈沖數不應少于25和多于27，否則會造成串口通訊錯誤。 當 AD 轉換器的輸入通道或增益改變時，AD轉換器需要4個數據輸出周期才能穩定。DOUT 在4 個數據輸出周期后才會從高電平變低電平，輸出有效數據。

根據圖4所示的時序邏輯，讀取通道A，增益128倍，其讀取函數如下：
unsigned int ReadCount()
{
 unsigned int ADval;
 unsigned long Count;
 unsigned char i;
 PCR0 = 0xFB;  //避免與I2C總線沖突
      
 ADSK = 0;
 Count = 0;
 while(ADDO);
 
 for (i=0;i<24;i++)
 {
  ADSK = 1;
  Count = Count<<1;
  ADSK = 0;
  if(ADDO) Count++;
 }
 ADSK = 1;
 ; 
 ADSK = 0;
    //判斷是否為負值，并顯示符號
 if((Count & 0x800000) == 0x800000)
 {
  Count = ~(Count - 1);
  LCDDATA16 |= 0x80;
 }
 else
 {
  LCDDATA16 = 0x00;
 }
 ADval = (int)(Count >> 8);//取高十六位有效值
 B_AdFinish = 1;
 return(ADval);
}

　　主程序流程如圖5所示。

　　程序主要由初始化代碼和主循環代碼構成。

　　上位機軟件設計

　　上位機軟件采用VB.NET 2005開發，主要功能為串行通信參數設置、IO測試、稱重數值讀取、配方數據管理。

　　軟件運行界面如圖6所示。

　　該軟件的固件技術為串行指令的接收和發送，指令包括IO設定指令、IO狀態讀取指令、稱重數值讀取指令、配方數據寫指令、配方數據讀指令，其代碼實現如下：

'0.5秒定時發送 讀重量指令
Private Sub Timer1_Tick(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles Timer1.Tick
command(0) = &H5A

If SerialPort1.IsOpen Then
SerialPort1.Write(command, 0, 1)
    End If
End Sub
   十六進制數5A 表示讀取控制器的稱重數值；
'IO輸出 指令
Private Sub CheckBox1_CheckedChanged(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles CheckBox1.CheckedChanged
    If CheckBox1.Checked Then
        command(0) = &HF9
 Else
  command(0) = &HF1
 End If
    If SerialPort1.IsOpen Then
        SerialPort1.Write(command, 0, 1)
    End If
End Sub
十六進制數F？表示該指令為IO輸出指令，其中第3位數據表示開關狀態，1表示閉合，0表示斷開，0，1，2位合起來表示IO通道號；
'讀取輸入信息
Private Sub Button3_Click(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles Button3.Click
 command(0) = &HF0
 If SerialPort1.IsOpen Then
  SerialPort1.Write(command, 0, 1)
 End If
End Sub
 十六進制數F0表示該指令為IO狀態讀取指令，當單片機接到此指令時，立即發送重量信息給上位機，格式如下：“I_?”，其中 ？即各個IO的狀態，用1表示接通，0表示關斷。

　　結語

　　目前，我國半導體產業落后于西方巨頭，時代民芯作為國產半導體產業的領軍企業，擁有雄厚的基礎，本文以時代民芯科技的MXT8051單片機為核心，研發通用配料控制器，因為該芯片擁有豐富的片內資源，可以簡化設計，同時，選用國產芯片，也是為民族半導體產業振興添磚加瓦。

　　本文的通用配料控制器，除了可以提高減水劑復配效率，改善產品質量外，還可應用于其他相關的物料復配行業。此外，由于設計和測試時間有限，該控制器設計中還存在很多遺憾，有很大改進空間，比如：可以應用片內運放調節零點，提高稱重精度;也可以將開關電源集成入控制器，這樣可進一步降低用戶成本，并節省空間。

　　參考文獻：

　　【1】MXT8051芯片數據手冊，時代民芯科技，2009年

　　【2】HX711中文 數據手冊，芯海科技，2006年

　　【3】51單片機C語言應用開發技術大全，人民郵電出版社，劉坤等，2008 年

　　【4】Visual Basic 2005高級編程，(美)Bill Evjen, Billy Hollis, Rockford Lhotka 等 ，2006 年