化肥自動(dòng)裝袋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

何冬瓊

關(guān)鍵詞： 化肥 自動(dòng)裝袋控制系統(tǒng) 單片機(jī) 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2023）15-0044-06

1 緒論

1.1 研究背景

目前，我國(guó)的一些中小生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品生產(chǎn)自動(dòng)包裝控制系統(tǒng)機(jī)械化、智能化方面整體的規(guī)模偏小，而且控制技術(shù)不完善，儀器儀表的誤差相對(duì)較大；不少企業(yè)的精力沒有集中在質(zhì)的提升上，而更多集中在數(shù)量的擴(kuò)張上。因而一定程度上，自動(dòng)包裝控制系統(tǒng)還存在運(yùn)作不穩(wěn)定、功能結(jié)構(gòu)單一、技術(shù)含量低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)不平衡的現(xiàn)象，造成企業(yè)生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大且精度低，不能滿足現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)的需要。

1.2 研究意義

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，生活水平不斷提高，科技實(shí)力不斷增強(qiáng)，企業(yè)也應(yīng)順應(yīng)時(shí)代要求，不斷提高自身的競(jìng)爭(zhēng)力，以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。在產(chǎn)品包裝行業(yè)，人們不僅僅在乎產(chǎn)品包裝的外表，更加在乎產(chǎn)品包裝的質(zhì)量、精度和效率，尤其在工農(nóng)原料的產(chǎn)品中對(duì)包裝的精度的要求越來越高。化肥包裝的精度直接關(guān)系到化肥生產(chǎn)企業(yè)和消費(fèi)者的利益。

本文主要就化肥的裝袋控制系統(tǒng)來討論。自動(dòng)裝袋控制系統(tǒng)是生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中必不可少的關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)。自動(dòng)裝袋控制系統(tǒng)能夠?yàn)槠髽I(yè)提高生產(chǎn)效率，改善工人的工作環(huán)境，提供高品質(zhì)的包裝和高精度的裝袋，為企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益[1]。同時(shí)，鑒于化肥比較容易變質(zhì)的特點(diǎn)，嚴(yán)格的包裝要求可以延長(zhǎng)產(chǎn)品的保質(zhì)期，在商品流通上提供方便。通過完善的自動(dòng)裝袋控制系統(tǒng)來更好地滿足化肥生產(chǎn)企業(yè)和消費(fèi)者的需求和利益，這正是研究自動(dòng)裝袋控制系統(tǒng)的意義所在。

2 系統(tǒng)的工作原理

2.1 化肥自動(dòng)裝袋控制系統(tǒng)工作原理及分析

系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路框圖如圖1 所示。

自動(dòng)裝袋系統(tǒng)的工作原理如下所述。首先通過總閘開關(guān)控制整個(gè)化肥自動(dòng)裝袋控制系統(tǒng)的啟停。然后通過變頻器來控制電機(jī)的速度，通過電機(jī)1 驅(qū)動(dòng)傳送帶1（運(yùn)料皮帶）進(jìn)行裝袋動(dòng)作，同時(shí)利用稱重傳感器采集被測(cè)量對(duì)象的質(zhì)量，再利用內(nèi)部電路將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)化成為電信號(hào)。該微小的電信號(hào)再經(jīng)過放大器進(jìn)行放大，并對(duì)放大倍數(shù)的精度進(jìn)行控制。當(dāng)電信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大后，獲得的較大電信號(hào)再通過A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化成與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，最后送入單片機(jī)中進(jìn)行處理。利用單片機(jī)中的PID 控制算法運(yùn)算出控制信號(hào)并輸出，然后經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換器將單片機(jī)輸出的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制變頻器的目的。而通過變頻器的變頻來達(dá)到控制電機(jī)速度的目的。當(dāng)整袋重量未到45 kg 時(shí)，電機(jī)1 以最快的速度帶動(dòng)皮帶運(yùn)送物料。當(dāng)達(dá)到45 kg 時(shí)，通過單片機(jī)控制變頻器來調(diào)整電機(jī)1 的速度，以達(dá)到精確控制整袋重量的目的。當(dāng)達(dá)到50 kg 時(shí)，電機(jī)1 停止。啟動(dòng)電機(jī)2，驅(qū)動(dòng)傳送帶2 將整袋化肥送到下個(gè)場(chǎng)所并開始計(jì)數(shù)。而實(shí)現(xiàn)化肥的裝袋計(jì)數(shù)的方法是通過紅外傳感器記錄輸入脈沖，通過輸入脈沖輸入單片機(jī)來計(jì)數(shù)。通過顯示屏顯示實(shí)時(shí)信息，通過4×4 矩陣鍵盤輸入一些基本點(diǎn)控制信號(hào)。利用顯示屏和鍵盤作為人機(jī)界面，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行必要的控制和監(jiān)控[2-3]。

對(duì)化肥的重量控制使用的是PID 控制算法。PID控制算法原理簡(jiǎn)單，使用簡(jiǎn)便，應(yīng)用廣泛，而且PID 控制技術(shù)趨于成熟，控制效果好。

根據(jù)設(shè)計(jì)的一些基本要求，系統(tǒng)可以化分成幾個(gè)模塊：執(zhí)行模塊、顯示模塊、控制器模塊、通信模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。這里數(shù)據(jù)采集模塊主要是由紅外計(jì)數(shù)傳感器、稱重傳感器、信號(hào)放大器和A/D 轉(zhuǎn)換器所組成。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送給控制器模塊，由單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，處理后的輸出信號(hào)送到執(zhí)行模塊和顯示模塊。系統(tǒng)所需要的直流穩(wěn)壓電源，需要通過簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)得到性能穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電壓源。執(zhí)行模塊是控制模塊通過PID 算法后對(duì)采集的質(zhì)量信號(hào)進(jìn)行控制。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能，除了有硬件環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、連接和安裝，對(duì)軟件環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)要求也很高，需要軟硬件的密切配合。

2.2 系統(tǒng)組成

2.2.1上位機(jī)

上位機(jī)直接發(fā)出操控命令，與單片機(jī)通過RS-485通信接口對(duì)整個(gè)自動(dòng)裝袋計(jì)數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以及監(jiān)控和顯示實(shí)時(shí)信息。而通過通信接口可以將單片機(jī)中的存儲(chǔ)信息與即時(shí)信息傳送給上位機(jī)，經(jīng)過上位機(jī)的顯示、檢測(cè)、控制和監(jiān)控進(jìn)行顯示，并將控制信息傳送給單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)控制，方便用戶對(duì)采集的稱重和設(shè)定重量進(jìn)行比較給出適當(dāng)?shù)目刂疲@示袋數(shù)和故障檢測(cè)。上位機(jī)處理能力強(qiáng)大，能有效地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和存儲(chǔ)。

2.2.2 通信處理模塊

要達(dá)成上位機(jī)和單片機(jī)之間的通信處理，就必須應(yīng)用一定的通信標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)之間的通信，通過標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，單片機(jī)就可以將有效信息傳送給計(jì)算機(jī)。

2.2.3 單片機(jī)控制器

單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的重要組成部分，通過單片機(jī)控制器對(duì)傳感器傳送來的各種信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)出控制指令，通過單片機(jī)控制器才能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制。

2.2.4 信號(hào)采集部分

通過稱重傳感器、紅外傳感器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器來采集信號(hào)并送入單片機(jī)中進(jìn)行相關(guān)的處理。

2.2.5 鍵盤和顯示部分

通過鍵盤輸入控制指令到單片機(jī)，通過顯示屏顯示相關(guān)信息。

3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)利用的是MCS-51 單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的控制，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)化肥裝袋及計(jì)數(shù)的自動(dòng)控制。而系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案確立的原則是在滿足設(shè)計(jì)功能的前提下，保證系統(tǒng)能夠精確地稱重和計(jì)數(shù)的同時(shí)，力求使系統(tǒng)具備安全運(yùn)行、投資少、性能好、經(jīng)濟(jì)效益好、方便易用等特點(diǎn)。

3.1 硬件選型

單片機(jī)選用MCS-51 單片機(jī)[4]；電源電壓為220 V/50 Hz；5 V 穩(wěn)壓電源為7805 芯片設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路；12 V穩(wěn)壓電源為7812、7912 芯片所設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路；顯示屏為L(zhǎng)CD1602 顯示屏；傳感器型號(hào)為DEG-50 kg 型稱重傳感器；A/D 轉(zhuǎn)換器為ADC0809 芯片；D/A 轉(zhuǎn)換器為DAC0832 芯片；儀表放大器為AD620 芯片；計(jì)數(shù)器為紅外傳感器E18-B03N1；電機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)；變頻器為ABB 變頻器ACS150 型號(hào)；采用RS-485 通信。

3.2 硬件電路圖

由MCS-51單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路、電源構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)。由整流電路和三端集成電路LM7805、LM7812、LM7912構(gòu)成直流穩(wěn)壓電源，作為芯片的電源，實(shí)現(xiàn)交流電壓220 V轉(zhuǎn)換為直流電壓±12 V、5 V，使芯片能正常工作。A/D 轉(zhuǎn)換器ADC0809 和D/A 轉(zhuǎn)換器DAC0832 實(shí)現(xiàn)模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。稱重傳感器將測(cè)得的質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。儀表放大器AD620 用于傳感器信號(hào)的放大接口電路中，放大微小的輸入信號(hào)。對(duì)于電機(jī)的控制，是通過改變頻率來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。頻率的改變是通過使用變頻器來實(shí)現(xiàn)的，變頻器的主要功能是通過調(diào)節(jié)頻率來控制和調(diào)節(jié)三相交流異步電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。人機(jī)界面通過8155 芯片傳送單片機(jī)的信息，以及控制鍵盤與LCD 顯示屏，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)袋數(shù)的統(tǒng)計(jì)和對(duì)系統(tǒng)的基本控制。4×4 矩陣鍵盤電路用于讀取鍵盤的狀態(tài)。顯示屏LCD1602 輸出單片機(jī)中的控制信息和實(shí)時(shí)信號(hào)消息。計(jì)數(shù)器采用紅外傳感器，對(duì)傳送帶上的袋裝化肥進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)自動(dòng)化。數(shù)據(jù)通信模塊完成上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，通信接口采用MAX485 芯片與單片機(jī)相連，來實(shí)現(xiàn)RS-485 通信功能。由以上的分析介紹，根據(jù)各個(gè)模塊之間的連接和控制，可以設(shè)計(jì)出化肥自動(dòng)裝袋控制系統(tǒng)的硬件電路圖，具體見圖2。

4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包含主程序、采樣程序、數(shù)字PID 算法子程序、RS-485 串行口程序、中斷子程序、鍵盤和顯示子程序等[5-6]。

4.1 主程序

主程序是系統(tǒng)的主要控制部分，也是軟件設(shè)計(jì)的最重要的部分。主程序能夠調(diào)用任何子程序，而不被任何子程序所調(diào)用，是控制程序的中心部分。初始化程序包括PID 的參數(shù)和元器件等整個(gè)系統(tǒng)的初始化過程。此設(shè)計(jì)的主程序流程圖見圖3。

4.2 T0中斷服務(wù)子程序

子程序是能夠被其他類型的程序調(diào)用的，在實(shí)現(xiàn)程序功能調(diào)用后能夠返回原來的調(diào)用程序的程序類型。子程序能夠調(diào)用除了主程序之外的其他子程序與自身調(diào)用，簡(jiǎn)化原來的程序，更好地實(shí)現(xiàn)了軟件功能。

T0 中斷服務(wù)子程序是本裝料控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)化、讀入采樣數(shù)據(jù)、PID 計(jì)算、計(jì)數(shù)和控制信號(hào)輸出等，而其實(shí)現(xiàn)的功能主要是對(duì)整個(gè)稱重過程的控制。T0 中斷服務(wù)子程序流程圖見圖4。

4.3 通信模塊子程序

通信模塊可以實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)距離對(duì)化肥的自動(dòng)裝袋系統(tǒng)進(jìn)行不間斷的監(jiān)控，遇到問題時(shí)系統(tǒng)可以相應(yīng)處理并及時(shí)反饋系統(tǒng)的問題所在，更加方便工作人員去監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)。串行口中斷子程序是單片機(jī)與上位機(jī)通信子程序，流程圖見圖5。

4.4 顯示部分程序

顯示部分程序由LCD 啟動(dòng)模塊、液晶初始化模塊、寫指令模塊、忙檢測(cè)模塊、延時(shí)/防抖模塊等子程序模塊組成。各模塊程序代碼如下所示。

LCD 子程序

START： MOV SP，#70H

MOV R2，#20

ACALL INIT_LCD

MOV R5，#00H

MOV IN0，#84H

ACALL ENABLE

MOV TH0，#3FH

MOV TL0，#0B0H

MOV TMOD，#01H

START1：SETB EA

SETB ET0

SETB TR0

AJMP START1

液晶初始化：

INIT_LCD： CALL DELAYL

MOV IN0，#01H

ACALL ENABLE

MOV IN0，#38H

ACALL ENABL

MOV IN0，#0FH

ACALL ENABLE

MOV IN0，#06H

ACALL ENABLE

MOV IN0，#0C0H

ACALL ENABLE

RET

寫指令：

ENABLE： CLR RS

CLR RW

CLR E

ACALL CHECKBUSY

SETB E

RET

程序忙檢測(cè)

CHECKBUSY： MOV IN_0，#0FFH

CLR RS

SETB RW

CLR E

NOP

SETB E

JB P1.7，CHECKBUSY

RET

延時(shí)：

DELAYL： MOV R7，#100

D1：MOV R6，#98

DJNZ R6，$

DJNZ R7，D1

RET

5 結(jié)語

本文從控制系統(tǒng)的工作原理、軟硬件設(shè)計(jì)等幾方面進(jìn)行了闡述和分析，最終設(shè)計(jì)出操作方便、自動(dòng)化程度較高、應(yīng)用范圍廣的化肥自動(dòng)裝袋控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過程中，提出了采用數(shù)字PID 控制原理構(gòu)成的閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)替代原有的開環(huán)控制系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的控制精度，并且對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件、硬件進(jìn)行具體的選材和設(shè)計(jì)。同時(shí)，給出了與之相關(guān)的人機(jī)界面、計(jì)量系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)、計(jì)數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施方案。對(duì)化肥自動(dòng)裝袋控制系統(tǒng)的研究，可以加速化肥企業(yè)的生產(chǎn)自動(dòng)化進(jìn)程，提高生產(chǎn)效率和企業(yè)利潤(rùn)。