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本文介紹了介紹了一種基于C8051F020單片機(jī)、線性可變差動(dòng)重量變送器技術(shù)、PID調(diào)速技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)式智能自動(dòng)給料控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
1　自動(dòng)給料控制器概述
顆粒精細(xì)飼料的品質(zhì)在養(yǎng)殖業(yè)中占有極其重要的地位。而決定精細(xì)飼料品質(zhì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是飼料中各種預(yù)加工原料的配比，尤其是在需要 添加微量元素的場(chǎng)合。各種預(yù)加工原料的配比包括稱重和加料兩步，簡(jiǎn)稱為給料過(guò)程。目前，國(guó)內(nèi)在精細(xì)飼料給料方式上有人工給料和微機(jī)自 動(dòng)給料兩種。人工用衡器稱重給料方式效率低下，不適合現(xiàn)代化生產(chǎn)；而自動(dòng)給料方式則完全依靠進(jìn)口稱重配料設(shè)備，成本高且操作極其復(fù)雜，維護(hù)困難。為實(shí)現(xiàn)給料控制的智能化， 擺脫對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴，筆者在充分研究了國(guó)內(nèi)顆粒料加工市場(chǎng)具體需求的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)研制了網(wǎng)絡(luò)式智能自動(dòng)給料控制器，操作簡(jiǎn)單易維護(hù) ，不僅可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)配料給料控制，而且可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)完成遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)給料。
就自動(dòng)給料方式來(lái)講，固態(tài)原料以流體方式加入機(jī)械設(shè)備，給料控制需要完成實(shí)時(shí)稱重和動(dòng)態(tài)控制流量的工作。國(guó)內(nèi)目前有 四種稱重方式，筆者研發(fā)的智能自動(dòng)給料控制儀基于動(dòng)量稱重原理，在0.4-20t/h的流量范圍可使實(shí)際動(dòng)態(tài)流量控制精度達(dá)到0.5%。
2　智能自動(dòng)給料控制系統(tǒng)工作原理
該控制器系統(tǒng)可用于檢測(cè)和控制粉料或顆粒料的流量。從結(jié)構(gòu)上講，該系統(tǒng)由一次儀表和二次儀表以及上位機(jī)（可選）三部分構(gòu)成。
一次儀表由送料滑道、活動(dòng)倉(cāng)門(mén)、步進(jìn)電機(jī)、位移傳動(dòng)檢測(cè)裝置四部分構(gòu)成。欲加工粉料從一次儀表的進(jìn)料口流入，進(jìn)料口處有一個(gè)由步進(jìn) 電機(jī)控制的活動(dòng)倉(cāng)門(mén)。二次儀表通過(guò)控制該倉(cāng)門(mén)的開(kāi)合位置來(lái)控制粉料的實(shí)時(shí)流量。根據(jù)動(dòng)量學(xué)原理，當(dāng)物體從高度為h處自由下落時(shí)，對(duì)檢測(cè) 裝置的沖擊力與進(jìn)料口粉料的瞬時(shí)流量成正比。機(jī)械檢測(cè)部分將該力分解為水平分力F和垂直分力F1，F(xiàn)1由一次儀表自身吸收，F(xiàn) 則由位移傳動(dòng)機(jī)械裝置傳送給線性可變差動(dòng)變送器(LVDT)，LVDT由此產(chǎn)生相應(yīng)的位移d。用數(shù)學(xué)模型表示為
F＝K1×d(1)
二次儀表為基于C8051F020高速SOC單片機(jī)的智能儀表。該稱重儀表把從一次儀表采集到的LVDT信號(hào)進(jìn)行濾波、變換、A/D轉(zhuǎn)換等處理后，由 內(nèi)置于儀表的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出瞬時(shí)流量fi。將fi與時(shí)間ti做乘積并累加便得到所送粉料總的流量Q，最終可得到Q與瞬時(shí)位移di和時(shí)間ti的關(guān)系 。經(jīng)驗(yàn)公式表示為：
F=K×（fK為經(jīng)驗(yàn)值）(2)
稱重儀表?yè)Q算公式為：fi=K×di(3)
流量計(jì)算式為：Q=∑fi×ti由(4)
以上各式得：Q＝K，×\u8721Xditi(5)
二次儀表將檢測(cè)到的Q值與設(shè)定的流量值（該流量值可由兩種方式得到：在稱重儀表上手動(dòng)設(shè)定、由上位機(jī)遠(yuǎn)程設(shè)定）進(jìn)行比較，然后以PID 方式控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，進(jìn)而控制一次儀表進(jìn)料口倉(cāng)門(mén)的位置，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)控制粉料流量的目的。式(5)簡(jiǎn)要的表達(dá)出系統(tǒng)實(shí)際上通過(guò)動(dòng)態(tài)控 制di達(dá)到控制給料流方法Method技術(shù)縱橫量的目的。二次儀表是整個(gè)稱重控制系統(tǒng)的核心，本文將主要介紹該部分的軟硬件開(kāi)發(fā) 。
3自動(dòng)給料控制器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
二次儀表是以CygnalC8051F020為核心的單片機(jī)系統(tǒng)。按功能將控制器系統(tǒng)細(xì)分為7個(gè)部分：①M(fèi)CU模塊；②人 機(jī)交互模塊；③流量檢測(cè)模塊；④步進(jìn)電機(jī)控制模塊；⑤數(shù)字量輸入輸出及繼電器輸出模塊；⑥通信模塊；⑦電源模塊。
3.1MCU模塊
MCU的選型是整個(gè)稱重控制器系統(tǒng) 的關(guān)鍵。就本稱重儀表而言，我需要ADC用于流量檢測(cè)，DAC用于4-20mA通信，33路通用IO口用于繼電器控制、數(shù)字量輸入輸出、步進(jìn)電機(jī)控制 ，需要擴(kuò)展鍵盤(pán)液晶用于人機(jī)交互，需要UART用于實(shí)現(xiàn)多種通信方式，此外，系統(tǒng)的復(fù)雜性決定了需要大容量的ROM和SRAM，而C8051F020具有 的以下優(yōu)點(diǎn)使得筆者僅需擴(kuò)展少量外圍芯片便可完成系統(tǒng)的功能：①大容量存儲(chǔ)器－64KBFLASH，4352BSRAM；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個(gè)可用I/O端口；④雙串口；⑤指令集同MCS51系列兼容；⑥低功耗－內(nèi)核3.3V供電，I/O端口兼容5V；⑦ 調(diào)試方便－片內(nèi)JTAG調(diào)試。
3.2　人機(jī)交互模塊
擴(kuò)展4×28位鍵盤(pán)和192×64圖形點(diǎn)陣液晶。在中文菜單式界面下，用戶可通過(guò)鍵盤(pán)完成各種參數(shù)設(shè)置及修改。
3.3　流量檢測(cè)模塊
位移傳感器選用MSI公司的SchaevitzLVDT，線性度為0.25%。AD598將LVDT輸出的交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為±1.25V的直流電壓信號(hào)，然后 經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路送入C8051F020的內(nèi)部12位ADC進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。
3.4步進(jìn)電機(jī)控制模塊
筆者將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊化封裝外置于儀表，僅把必要的接口預(yù)留與MCU相連。該驅(qū)動(dòng)器采用64細(xì)分方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采 用兩相四拍方式控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)震動(dòng)更小。步進(jìn)脈沖頻率可高至100kHz。
3.5數(shù)字量輸入輸出及繼電器輸出模塊
稱重儀表有8路數(shù)字量輸入，4路數(shù)字量輸出，4路繼電器輸出，共16路I/O信號(hào)用于反映控制器系統(tǒng)運(yùn)行的情況，每路信號(hào)均連有LED燈用于 指示。操作人員根據(jù)這16個(gè)LED燈可基本判斷儀表的運(yùn)行狀況。
3.6通信模塊
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的普及要求給料稱重儀表有符合一種或是多種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)的接口。根據(jù)國(guó)內(nèi)飼料加工業(yè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線使用情況，筆者對(duì)儀表 配置了3種通信模式：4-20mA通信方式、485通信方式、Modbus通信方式，此外還用C8051F020的第二個(gè)串口擴(kuò)展出標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，使得儀表可 配合GPRS模塊實(shí)現(xiàn)GPRS無(wú)線通信方式。上位機(jī)（PC機(jī)/PLC等）可選用合適的通信方式完成與給料機(jī)儀表的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表的遠(yuǎn)程控制與網(wǎng)絡(luò)控制。
3.7電源模塊
在整個(gè)自動(dòng)給料控制系統(tǒng)中，出于隔離和功耗的考慮，將電源細(xì)分為CPU小系統(tǒng)電源、外圍傳感器及控制電路電源、步進(jìn)電機(jī)電源三部分， 外部電源可寬壓輸入，范圍為AC220V±30%。在具體實(shí)現(xiàn)上筆者突破傳統(tǒng)只用單一線性電源的做法，在系統(tǒng)中采用線性電源和開(kāi)關(guān)電源配 合使用的方法，取長(zhǎng)補(bǔ)短，為電源的紋波和效率找到一個(gè)平衡點(diǎn)。
4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件按照嵌入式前后臺(tái)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想編制。筆者在軟件分層的基礎(chǔ)上進(jìn)行模塊化編程，首先將軟件分為驅(qū)動(dòng)層和功能層兩層，然后 驅(qū)動(dòng)層按模塊分為鍵盤(pán)液晶驅(qū)動(dòng)及其它硬件初始化，功能層則劃分為人機(jī)界面模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、故障處理模塊、步進(jìn)電機(jī)PID控制模塊、通 信模塊等部分。
儀表使用圖形液晶和鍵盤(pán)作為人機(jī)交互結(jié)構(gòu),軟件界面使用下拉式菜單結(jié)構(gòu),有三級(jí)菜單。一級(jí)菜單有十項(xiàng)，該級(jí)菜單指明了系統(tǒng)的功能；二 級(jí)菜單為一級(jí)菜單的拓展，對(duì)一級(jí)菜單的每項(xiàng)功能做具體描述；三級(jí)菜單為二級(jí)菜單的各項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)，在此級(jí)菜單中可設(shè)定系統(tǒng)的各項(xiàng)參 數(shù)。儀表中內(nèi)置了多條筆者在實(shí)際生產(chǎn)中得出的流量與位移的經(jīng)驗(yàn)曲線，不同材質(zhì)的固體粉料對(duì)應(yīng)不同的曲線。此外，考慮到現(xiàn)場(chǎng)情況的差別 ，筆者提供了用標(biāo)定的方式對(duì)經(jīng)驗(yàn)曲線進(jìn)行修正，該標(biāo)定的主要思想在于，在現(xiàn)場(chǎng)用標(biāo)準(zhǔn)砝碼靜態(tài)測(cè)試得出測(cè)試曲線存于單片機(jī)內(nèi)部FlashROM 中，稱重控制儀表將該曲線和儀表內(nèi)置曲線進(jìn)行比較修正，進(jìn)一步提高了給料控制方法的適應(yīng)性。
5　結(jié)語(yǔ)
該給料控制器開(kāi)發(fā)完成后，已投入山東某飼料加工廠測(cè)試運(yùn)行達(dá)一月，目前系統(tǒng)控制的流量范圍為0-20t/h，動(dòng)態(tài)控制精度為0.5%，可以滿 足當(dāng)前精細(xì)飼料尤其是預(yù)混料加工應(yīng)用，達(dá)到原定設(shè)計(jì)目標(biāo)。雖然該控制器目前僅應(yīng)用于飼料加工業(yè)，實(shí)際上所有符合流量控制范圍及精度要 求的固體粉料的給料控制均可使用本給料控制器，應(yīng)用前景巨大。

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