基于AVR的自動灌裝系統控制單元設計

方向明，于中偉，王聰，付飛蚺

（1.長春理工大學計算機科學技術學院，長春 130022；2.長春理工大學電子信息工程學院，長春 130022）

基于AVR的自動灌裝系統控制單元設計

方向明1，于中偉2，王聰2，付飛蚺1

（1.長春理工大學計算機科學技術學院，長春 130022；2.長春理工大學電子信息工程學院，長春 130022）

提出了一種基于AVR的自動灌裝系統控制單元設計方案。利用自動控制思想方法對自動灌裝系統的結構設計、軟硬件選擇等給出詳細的解決方案。系統采用8位處理器，對稱重傳感器的電壓信號采集、轉換，最后通過數字濾波處理，將處理結果顯示在LCD上，將控制信號發送給執行機構控制灌裝系統動作。仿真實驗表明該系統具有好的自實用性和強的魯棒性、可靠性，能夠集成在多種灌裝環境中，具有廣闊的市場應用前景。

單片機；控制系統；自動灌裝

隨著儀器儀表技術、傳感器技術、計算機技術、嵌入式技術的迅速發展以及技術間的相互融合，使得灌裝技術有了很大的發展，灌裝系統也在多樣化、自動化、數字化、智能化方向有了很大進步，其快速、準確、方便、高效、功能多樣化等特點，使灌裝系統的研究與發展進入了新的階段［1］。同時經濟和機械化操作的深入發展，飲料、啤酒等行業的發展壯大，對灌裝系統的需求逐漸增長，讓人類社會快速的步入到自動化時代，灌裝行業受益匪淺。灌裝系統又分為具有結構簡單，設備成本低，維護簡單等優點的常壓液體灌裝系統和效率較高的壓力灌裝系統，以及設備簡單、灌裝閥設計簡單、干凈衛生的流量計灌裝系統等。本文采用稱重式灌裝方式，該灌裝方式具備以上灌裝方式的優點，并且該方式的灌裝精度遠超過其他幾種灌裝系統，適用范圍非常廣，設計及實現簡單，故本自動灌裝系統控制單元在工業生產方面有著十分重要的意義［2］。

1 總體設計方案

該系統包括硬件設計和軟件設計，系統總體結構如圖1所示，整個系統涉及主控單元，傳送裝置單元，容器檢測單元，稱重單元，以及執行機構。其中執行機構包括電磁閥、光電開關等。系統工作時，首先利用傳送裝置將容器送往灌裝區，紅外對管采集遮擋信號并傳送給AVR處理器處理，處理器經過計算將開始灌裝指令發送給執行機構，灌裝開始，其次稱重傳感器將重力信號轉換為電壓信號，AD轉換模塊將電壓信號轉換為數字信號，并將數字信號發送給處理器進行數字濾波處理，處理結果與閾值作比較，將比較結果傳送給處理器，處理器用LCD顯示數值，并根據比較結果發送控制信號給執行機構，由執行機構控制傳送裝置及灌裝單元。

2 系統硬件設計

根據系統功能的要求，系統主控單元選用Atmel公司生產的8位高性能、低功耗ATmega16作為處理器，該芯片內部有先進的RISC結構，32個8位通用寄存器，片上集成16K的可編程Flash，512字節的EEPROM、1K的SRAM，具有獨立振蕩器實時計數器RTC，4通道PWM，8位ADC等特點［3］，采用該芯片使系統更加穩定，高效，低成本，簡單實用。傳感器采用的是中航L6D電阻應變式稱重傳感器，如圖2所示，該傳感器的靈敏度為2.0±0.2（mv/v），其工作原理是：彈性體在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在它表面的應變電阻片產生相應的彈性形變，應變電阻片發生彈性形變，它的阻值發生變化，然后通過采用直流電橋作為應變片的測量電路，完成電阻的變化轉換為電壓的變化的過程，從而完成重力信號轉換為電信號的過程［4］。A/D轉換模塊采用的是HX711芯片，該芯片是一款專為高精度電子稱而設計的24位A/D轉換芯片，內部有兩路可選擇查分輸入，集成了包括穩壓電源、片內時鐘振蕩器，內含低噪聲可編程增益放大器［5］，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等特點，驅動簡單，無需外接驅動電路，使得系統結構簡易，降低了系統成本，提高了系統的性能和可靠性。系統硬件結構如圖3所示。

圖1 自動灌裝系統的總體結構圖

圖2 壓力傳感器

圖3 系統硬件結構圖

2.1 單片機控制器的硬件設計

控制器的核心是ATmega16A芯片，配以相應的外圍電路來實現對灌裝系統的控制。AVR單片機的PORTC口作為獨立按鍵、紅外對管及光電開關的輸入口；PORTB口和PORTD中的PD4、PD5、PD6口作為液晶模塊LCD12864的控制端口；PORTA中的PA1、PA2作為A/D轉換器的控制口［6，7］。接口電路如圖4所示。

圖4 接口電路圖

2.2 A/D轉換選擇及硬件設計

選用轉換器需要考慮它的各項技術指標，但是在設計自動灌裝控制系統單元時，選擇轉換器的主要考慮因素是轉換位數和轉換時間。轉換器的轉換位數與稱重系統的測量精度有關，是決定灌裝系統灌裝精度的重要因素之一。

稱重系統精度是由傳感器的自身精度、轉換精度、放大電路的精度以及軟件處理算法共同決定的。在選擇轉換器時，其轉換的位數至少比要求的精度高一個百分比。本灌裝系統中，稱重系統的稱重量程是50kg，稱重精度為0.001kg，因此由下式求得需要轉換的精度為：

A/D轉換精度=稱重精度/稱重范圍=0.001/ 50=0.002%

由上式可知轉換器的轉換精度必須小于0.002%，即轉換器的轉換位數必須大于15位，方能滿足系統需求。系統的實時性取決于轉換器的轉換速率，不同的轉換器的轉換時間不同。轉換器的轉換速度快慢取決于系統的采樣頻率，轉換器的轉換速度需要大于采樣頻率。在灌裝系統的稱重單元中，考慮采樣的稱重信號的特點、系統的性能，選擇轉換速度較快的轉換器。通過調查研究決定選擇海芯科技的HX711芯片，此芯片可以實現24位高分辨率［6］，同時配以相應的外圍電路來完成對電壓信號的采集和放大。

3 系統軟件設計

控制系統的軟件主要完成信號采集、LCD12864顯示、傳感器驅動、A/D轉換驅動、中值濾波、接收按鍵信號和輸出控制信號。

中值濾波是數字濾波技術的一種，具有成本低、可靠性高、穩定性好、操作簡單等特點，可以通過軟件的算法達到和硬件濾波器相同的濾波效果。稱重傳感器產生的電信號與重量成正比。此種電壓信號的特點是存在一個平均值，該信號在某一數值范圍內上下波動，因此僅取一個采樣值作為輸出信號是不準確的。可以采用滑動濾波方法減小此誤差。該濾波方法的原理是：

設：最新采集的數據為：datai+n，最早采集的數據為：datai，使用最新采集的一個數據替換δ(δ＞0)個暫存數據中的最早那個數據，使緩存單元中的數據始終都是最近的數據。公式如下：

平均后的數據既反映了最近的數據變化，又克服了系統誤差，效果明顯［7，8］。系統采用ICCV7 for AVR作為開發環境。

3.1 軟件系統主框架結構

系統加電開機后首先進行系統的初始化，然后進入工作界面，如圖5所示，可以直接進行自動稱重灌裝，也可以切換菜單模式，便于更改閾值，對稱重單元校秤，避免系統誤差。系統框架如圖6所示。

圖5 系統工作界面

3.2 系統的稱重算法

本系統采用滿量程為50kg的稱重傳感器，以下為物體質量的計算公式：

（1）50kg傳感器的滿量程輸出電壓：

式中，U0為滿量程輸出電壓；US為激勵電壓；S為靈敏度（2.0mv/v）。

（2）HX711對產生的8.6mv電壓進行采樣，然后通過內置低噪聲增益放大器A通道對采樣得到的電壓放大128倍，采樣輸出24bit AD轉換值，單片機通過特定的時序將24bit數據讀出。

圖6 軟件系統主框架結構圖

（3）AD值反向轉換為重力值：

假設重力為Xkg，（X＜50kg），測量出來的AD值為Y傳感器輸出發送給AD模塊壓力為：

經過128倍增益后為：

轉換為24bit數字信號為：

因此得出：

3.3 按鍵預置

通過系統軟件的編寫和調試，控制系統能夠接收按鍵輸入的信號，復位按鍵用來矯正壓力傳感器的零值；按鍵1在工作狀態實現人工啟動，在菜單狀態下改變閾值的更改位數；按鍵2更改閾值的大小；按鍵3是自動灌裝系統運行狀態的選擇。由此實現按鍵對自動灌裝系統的控制。程序流程圖如圖7。

圖7 程序流程圖

4 結論

該灌裝系統能夠實現自動灌裝過程極大減少灌裝時間。相對于進口機器視覺系統的灌裝機，大大降低了設備的成本。同時利用按鍵對系統進行監控與操作，使灌裝機系統操作更加方便、更加人性化。該裝系統已通過實驗數據驗證，系統的測量精度為0.001kg。該系統能夠滿足小型工廠基于重量指標的自動化灌裝要求，灌裝精度高，抗干擾能力強，設計思路明確，硬件清晰明了，程序簡潔，易于實現。

［1］張鵬.基于ARM的皮帶秤研究與設計［D］.阜新：遼寧工程技術大學，2009.

［2］李世昌.稱重式液體灌裝機發展前景分析［J］.中國計量，2013（1）：68-69.

［3］江海波，王卓然.深入淺出AVR單片機［M］.中國電力出版社，2008.

［4］張彈琴.基于ARM的灌裝電子稱重系統的研制［D］.南京航空航天大學，2008.

［5］張志勇.現代傳感器原理及應用［M］.電子工業出版社，2014.

［6］基于嵌入式的稱重系統的設計與研究［D］.北京：北京交通大學，2011.

［7］張燕.一種改進的快速中值濾波算法［J］.安徽建筑大學學報，2008，16（4）：24-26.

［8］張彈琴.基于ARM的灌裝電子稱重系統的研制［D］.南京：南京航空航天大學，2008.

The Control Unit of Automatic Filling System Based on AVR SCM

FANG Xiangming1，YU Zhongwei2，WANG Cong2，FU Feiran1
（1.School of Computer Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Electronic and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In this paper，an automatic filling system based on AVR control unit design.The design of automatic filling system，the choice of software and hardware，and so on are given in detail by means of automatic control thought method.The system uses 8-bit processor，the voltage sensor signal acquisition，conversion，and finally through the digital filter processing，the results will be displayed on the LCD，the control signal sent to the implementing agencies to control the filling system action.The simulation results show that the system has good self-practicability，strong robustness and reliability，and can be integrated in a variety of filling environments，and has broad market prospects.

MCU；control system；automatic filling

TM315

A

1672-9870（2016）06-0098-04

2016-08-12

方向明（1969-），女，講師，E-mail：1146758896@qq.com