首页资源分类嵌入式系统 > 智能给料控制器的设计与实现

智能给料控制器的设计与实现

已有 451496个资源

下载专区

嵌入式系统热门资源

本周本月全部

文档信息举报收藏

标    签:智能给料控制器的设计与实现

分    享:

文档简介

智能给料控制器的设计与实现.pd

文档预览

技术纵横 Method 方 法 文献标识码:B 文章编号:1003-0492(2006)S1-0078-03 中图分类号:TP223 智能给料控制器的设计与实现 Design and implementation of Intelligent Network Feeder (华中科技大学图像识别与人工智能研究所,湖北  武汉  430074) 齐文新,熊  涛,谢  军 齐文新(1 9 6 8 -) 男,福建三明人,博士,现就职于华中科 技大学图像识别与人工智能研究所图像信 息处理与智能控制教育部重点实验室,任 硕士生导师,主要研究方向为计算机控制、计 算机网络、GPRS 移动数据通讯、智能仪器、 数据采集与传感器。 收 稿 日 期 : 2006 - 03 - 06 摘 要 : 介绍了一种基于 C8051F020 单片机、线性可变差动变送器技术、 PID调速技术和现场总线技术的网络式智能给料控制器的设计与实现。 关 键 词 : 智能仪表;流量控制;单片机;网络化 Abstract: This paper introduces the design and implementation of the intelligent feeder based on the C8051F020 MCU, LVDT technology, speed control technology upon step motor and field bus technology. Key words: Intelligent instrument; Flow control; MCU; Networking 1  引言 颗粒精细饲料的品质在养殖业中占有极其重要的地位。而 决定精细饲料品质的一个重要环节是饲料中各种预加工原料的 配比,尤其是在需要添加微量元素的场合。各种预加工原料的 配比包括称重和加料两步,简称为给料过程。目前,国内在精 细饲料给料方式上有人工给料和微机自动给料两种。人工用衡 器称重给料方式效率低下,不适合现代化生产;而自动给料方 式则完全依靠进口设备,成本高且操作极其复杂,维护困难。为 实现给料控制的智能化,摆脱对国外技术的依赖,笔者在充分 研究了国内颗粒料加工市场具体需求的基础上,开发研制了网 络式智能给料控制器,操作简单易维护,不仅可进行现场给料 控制,而且可通过网络完成远程网络给料。 就自动给料方式来讲,固态原料以流体方式加入机械设备 (如图 1 所示),给料控制需要完成实时称重和动态控制流量 的工作。国内目前有四种称重方式,笔者研发的智能给料控制 仪基于动量称重原理,在 0.4-20t/h的流量范围可使实际动态流 量控制精度达到 0.5%。 2  智能给料控制系统工作原理 该系统可用于检测和控制粉料或颗粒料的流量。从结构上 讲,该系统由一次仪表和二次仪表以及上位机(可选)三部分 构成。 一次仪表由送料滑道、活动仓门、步进电机、位移传动 检测装置四部分构成。欲加工粉料从一次仪表的进料口流入, 进料口处有一个由步进电机控制的活动仓门。二次仪表通过控 制该仓门的开合位置来控制粉料的实时流量。根据动量学原理, 当物体从高度为 h 处自由下落时,对检测装置的冲击力与进料 口粉料的瞬时流量成正比。机械检测部分将该力分解为水平分 力 F 和垂直分力 F1(如图 1 所示),F1 由一次仪表自身吸收, F 则由位移传动机械装置传送给线性可变差动变送器(LVDT), LVDT 由此产生相应的位移 d。用数学模型表示为: F=K1×d (1) 二次仪表为基于 C8051F020 高速 SOC 单片机的智能仪表。 该仪表把从一次仪表采集到的 LVDT 信号进行滤波、变换、A/ D 转换等处理后,由内置于仪表的经验公式计算出瞬时流量 fi。将 fi 与时间 ti 做乘积并累加便得到所送粉料总的流量 Q,最 终可得到 Q 与瞬时位移 di 和时间 ti 的关系。经验公式表示为: F=K ×(f K 为经验值) (2) 2 2 仪表换算公式为:fi=K×di (3) 流量计算式为:Q= ∑ fi × ti (4) 由以上各式得:Q = K, ×∑ di ti (5) 图1  测量原理图 7 8 自动化博览 2006 年 5 月刊 方 法 Method 技术纵横 二次仪表将检测到的 Q 值与设定的流量值(该流量值可由 两种方式得到:在仪表上手动设定、由上位机远程设定)进 行比较,然后以 PID 方式控制步进电机动作,进而控制一次 仪表进料口仓门的位置,最终达到动态控制粉料流量的目的。 式(5)简要的表达出系统实际上通过动态控制di达到控制给料流 量的目的。 二次仪表是整个控制系统的核心,本文将主要介绍该部分 的软硬件开发。 上述功能由图 2 所示。 图2  系统功能框图 3  系统硬件设计 二次仪表是以Cygnal C8051F020为核心的单片机系统。仪 表系统硬件框图如图 3 所示。按功能将系统细分为 7 个部分: ① MCU 模块;② 人机交互模块;③ 流量检测模块;④ 步 进电机控制模块;⑤ 数字量输入输出及继电器输出模块;⑥ 通信模块;⑦ 电源模块。 图3  控制仪表硬件框图 3.1  MCU模块 MCU 的选型是整个系统的关键。就本仪表而言,我需要 ADC 用于流量检测,DAC 用于 4-20mA 通信,33 路通用 IO 口用于继电器控制、数字量输入输出、步进电机控制,需要扩 展键盘液晶用于人机交互,需要 UART 用于实现多种通信方 式,此外,系统的复杂性决定了需要大容量的 ROM 和 SRAM, 而C8051F020具有的以下优点使得笔者仅需扩展少量外围芯片 便可完成系统的功能: ① 大容量存储器- 64KB FLASH,4352B SRAM;② 集 成了 ADC 和 DAC - 8 通道 12 位 ADC,2 通道 12 位 DAC;③ 大量 I/O 口- 64 个可用 I/O 端口;④ 双串口;⑤ 指令集同 MCS51 系列兼容;⑥ 低功耗-内核 3.3V 供电,I/O 端口兼容 5V;⑦ 调试方便-片内 JTAG 调试。 3.2   人机交互模块 扩展 4 × 28 位键盘和 192 × 64 图形点阵液晶。在中文菜 单式界面下,用户可通过键盘完成各种参数设置及修改。 3.3 流量检测模块 流量检测部分电路框图如图 4 所示: 图4  固体粉料流量信号采集电路结构框图 位移传感器选用 MSI 公司的 Schaevitz LVDT,线性度为 0.25%。AD598 将 LVDT 输出的交流电压信号转化为± 1.25V 的直流电压信号,然后经信号调理电路送入 C8051F020 的内 部 12 位 ADC 进行 AD 转换。 3.4   步进电机控制模块 笔者将步进电机驱动电路模块化封装外置于仪表,仅把必 要的接口预留与 MCU 相连。该驱动器采用 64 细分方式驱动步 进电机,驱动器内部采用两相四拍方式控制步进电机的转动, 使步进电机工作时震动更小。步进脉冲频率可高至 100kHz。 3.5   数字量输入输出及继电器输出模块 仪表有 8 路数字量输入,4 路数字量输出,4 路继电器输 出,共 16 路 I/O 信号用于反映系统运行的情况,每路信号均连 有 LED 灯用于指示。操作人员根据这 16 个 LED 灯可基本判断 仪表的运行状况。 3.6   通信模块 工业现场总线的普及要求仪表有符合一种或是多种工业总 线标准的接口。根据国内饲料加工业工业现场总线使用情况, 笔者对仪表配置了 3 种通信模式:4-20mA 通信方式、485 通 信方式、Modbus 通信方式,此外还用 C8051F020 的第二个串 口扩展出标准 RS232 接口,使得仪表可配合 GPRS 模块实现 GPRS 无线通信方式。上位机(PC 机 /PLC 等)可选用合适 的通信方式完成与控制仪表的通信,实现对仪表的远程控制与 网络控制。 3.7   电源模块 在整个给料控制系统中,出于隔离和功耗的考虑,将电 源细分为 CPU 小系统电源、外围传感器及控制电路电源、步 进电机电源三部分,外部电源可宽压输入,范围为 AC220V ± 30 %。在具体实现上笔者突破传统只用单一线性电源的做法, 在系统中采用线性电源和开关电源配合使用的方法,取长补短, 为电源的纹波和效率找到一个平衡点。 4  系统软件设计 系统软件按照嵌入式前后台系统软件设计思想编制。笔者 在软件分层的基础上进行模块化编程,首先将软件分为驱动层和 功能层两层,然后驱动层按模块分为键盘液晶驱动及其它硬件初 始化,功能层则划分为人机界面模块、数据采集模块、故障处理 模块、步进电机 PID 控制模块、通信模块等部分。具体算法实 现如图 5 所示。 2006年5月刊 自动化博览 79 技术纵横 Method 方 法 图5  系统软件流程图 仪表使用图形液晶和键盘作为人机交互结构,软件界面使用 下拉式菜单结构, 有三级菜单。一级菜单有十项,该级菜单指 明了系统的功能;二级菜单为一级菜单的拓展,对一级菜单的 每项功能做具体描述;三级菜单为二级菜单的各项所对应的参 数,在此级菜单中可设定系统的各项参数。 仪表中内置了多条笔者在实际生产中得出的流量与位移的 经验曲线,不同材质的固体粉料对应不同的曲线。此外,考 虑到现场情况的差别,笔者提供了用标定的方式对经验曲线进 行修正,该标定的主要思想在于,在现场用标准砝码静态测试 得出测试曲线存于单片机内部 FlashROM 中,控制仪表将该曲 线和仪表内置曲线进行比较修正,进一步提高了控制方法的适 应性。 5  结语 该控制器开发完成后,已投入山东某饲料加工厂测试运行 达一月,目前系统控制的流量范围为 0-20t/h,动态控制精度 为 0.5%,可以满足当前精细饲料尤其是预混料加工应用,达 到原定设计目标。虽然该控制器目前仅应用于饲料加工业, 实际上所有符合流量控制范围及精度要求的固体粉料的给料控 制均可使用本控制器,应用前景巨大。 其他作者: 熊涛(198 2 -),男,湖北襄樊人,硕士研究生,研究方向 为 GP RS 移动数据通讯、智能仪器、数据采集与传感器;谢军(1 97 9 -),男,湖北宜昌人,研究方向为计算机控制、计算机网络、GPRS移动数 据通讯。 参考文献 [1] 童长飞. C8051F系列单片机开发与C语言编程[M]. 北京: 北京航空航天 大学出版社, 2005. [2] 周玉涛, 盛镔, 等. 基于新型LVDT信号处理芯片-AD598的传感器信号 检测电路的设计. 电子技术应用[J]. 1998(10): 63-65. [3] 中国规约网. http://www.chinaprotocol.com. [4] 赵望达, 彭柏义. 智能固体流量计. 仪表与传感器[J]. 2001(9): 64-65. [5] CYGNAL. C805 1F02x Family Datasheet R1. 1, 2002.l. 编号:0 6 0 3 1 8 8 0 自动化博览 2006 年 5 月刊

Top_arrow
回到顶部
EEWORLD下载中心所有资源均来自网友分享,如有侵权,请发送举报邮件到客服邮箱bbs_service@eeworld.com.cn 或通过站内短信息或QQ:273568022联系管理员 高进,我们会尽快处理。