基于stm32f051的原料兌料流量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

萬青

摘要：針對工業(yè)兌料系統(tǒng)進(jìn)行流量智能控制，為了降低成本，該文設(shè)計了一種基于ARM CORTEX m0的智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用低成本ARM 處理器stm32f051作為核心控制器，通過霍爾流量計作為監(jiān)測裝置，采用TFT觸摸屏設(shè)計人機控制界面，sdio進(jìn)行信息存儲。本裝置用戶體驗良好，成本低廉且控制方便，適用于對長時間兌料工程中的原料流量監(jiān)控與調(diào)整。用戶能夠方便的進(jìn)行控制，同時提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，具有提高效率、節(jié)省成本的良好前景。

關(guān)鍵詞：cortex mo；智能監(jiān)控；人機界面；原料流量監(jiān)控

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）09-2128-03

1 概述

目前工業(yè)上有需要對化工原料、食用油、添加劑等高粘稠液體進(jìn)行動態(tài)定量和計量，尤其是在車間配料時需要動態(tài)跟蹤原料配制狀態(tài)以及被測介質(zhì)溫度?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)用料需求以及溫度數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)換，計算出需要的補償介質(zhì)量。并且能夠?qū)崟r計算出出料量、日累計、總累計量等數(shù)據(jù)，方便了生產(chǎn)管理以及成本統(tǒng)計。能夠使所計算的介質(zhì)質(zhì)量避免受到溫度變化的影響，確保了配料的精度，杜絕人工配料產(chǎn)生的誤差和滴漏等現(xiàn)象，操作簡單快捷，比人工操作省時省力，提高工作效率，有效的降低了生產(chǎn)成本，整個操作更加清潔衛(wèi)生，使生產(chǎn)環(huán)境更加規(guī)范。

2 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)采用arm作為核心處理器，通過測溫鉑電阻進(jìn)行溫度信息采集，設(shè)計流量監(jiān)測電路對霍爾流量計進(jìn)行信息采集，最后根據(jù)用料需求結(jié)合溫度信息來控制電磁閥門的通斷。

霍爾流量計是一種基于霍爾傳感器的金屬管轉(zhuǎn)子流量計，通過計算產(chǎn)生的脈沖頻率來監(jiān)控液體流量大小。鉑電阻是工業(yè)中常用的溫度檢測傳感器，但是其溫度和阻值存在比較明顯的非線性性，它的靈敏度會隨著溫度的升高而變小。設(shè)計中采用利用A/ D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性來實現(xiàn)鉑電阻的非線性校正。

電磁閥門采用直動式電磁閥，閥門中心為關(guān)閉件，兩端為電磁線圈。通電時，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉，這種控制方式較為簡單可靠，易于處理器控制多個閥門。

整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，被測溫度為液體原料溫度，通過霍爾流量計監(jiān)測液體流量。采集后的流量信息和溫度信息送入ARM芯片內(nèi)進(jìn)行處理，實時計算出出料量、日累計、總累計量等數(shù)據(jù)，并且存儲于sd卡中，按設(shè)定的溫度要求來換算溫度變化對介質(zhì)量的影響，并且根據(jù)配料量的要求綜合控制各個兌料口電磁閥門的通斷。人機界面通過觸摸屏TFT顯示實時溫度狀態(tài)，并且用于設(shè)定相關(guān)控制參數(shù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 核心處理器的選擇

本系統(tǒng)在核心處理器的選擇上，在滿足設(shè)計需求的情況下，選擇最優(yōu)性價比的處理器來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的核心控制。Stm32f051系列arm是st公司基于arm cortex m0 內(nèi)核推出的高性能實時處理器。該內(nèi)核具有32位精簡指令集，并且可以最高運行在48MHZ頻率。該芯片具有最大64K字節(jié)Flash，8k字節(jié)的sram，并且具有12位的ADC轉(zhuǎn)換器，16位定時器，SPI通信接口，并且多達(dá)55個高速I/O口，非常適合用于本系統(tǒng)中。系統(tǒng)核心硬件示意圖如圖2所示：

如上圖顯示：系統(tǒng)電源通過24v供電，24v電源分兩路，一路輸出電磁閥門供電。一路進(jìn)行降壓，通過LM2596T和asm1117分別降壓為5v和3，3v，其中5v通向霍爾流量傳感器，3.3v給主控制arm供電。8M晶振提供給主芯片作為時鐘晶振，同時由于要使用到內(nèi)部rtc，同時連接低速32.768khz晶振。調(diào)試通過jtag標(biāo)準(zhǔn)20腳進(jìn)行程序的下載與仿真。外部留下rs232串口模塊用于ISP程序的燒寫與更新。

同時對于各液體通道的電磁閥門的控制采用繼電器通斷電源的方式進(jìn)行，電路設(shè)計如圖3所示，圖中通過IO管腳控制繼電器的通斷：

3.2 溫度檢測部分設(shè)計

對液體溫度的監(jiān)測采用測溫鉑電阻來實現(xiàn)，該方案能夠用于高溫情況下的溫度監(jiān)測，但是當(dāng)溫度范圍越大，鉑電阻檢測溫度的非線性越強，因此為了減小在高溫情況下非線性對檢測精度的影響，通過動態(tài)反饋的方式來調(diào)整通過測溫鉑電阻的激勵電流，從而實現(xiàn)電壓輸出的非線性補償。電路設(shè)計如圖4所示：

3.3 TFT觸摸屏控制設(shè)計

觸摸屏觸摸控制采用觸摸感應(yīng)芯片xpt2046，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠快速完成電極電壓的切換，從而實現(xiàn)A/D信號的快速轉(zhuǎn)換。硬件電路如圖5所示。

上圖中x+，y+，x-，y-分別連接觸摸屏的正電極和負(fù)電極兩端，轉(zhuǎn)換后的信號通過spi接口和stm32f051相連接，由arm處理器判斷液晶屏的觸摸感應(yīng)點。

3.4 信息存儲模塊設(shè)計

為了便于之后的查詢需要，對于出料量、日累計、總累計量等數(shù)據(jù)需要進(jìn)行存儲，存儲方式采用安全數(shù)字輸入輸出卡（Secure Digital Input and Output Card），SDIO在SD標(biāo)準(zhǔn)上定義了一種外設(shè)接口，具有容量大，便于修改等特點。系統(tǒng)中軟件采用FATFS文件系統(tǒng)進(jìn)行SD卡的讀寫。

4 軟件設(shè)計

4.1 信號采集與處理

信號采集主要包括溫度采集和流量信號的采集。圖6和圖7分別為溫度采集流程和流量監(jiān)控的流程圖：

溫度采集程序流程：首先對用于溫度采集的arm的AD端口進(jìn)行初始化，之后通過tft觸摸屏選擇發(fā)送溫度采集命令，等待命令接收后進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，接收后的模擬信號通過處理器的a/d模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后對比預(yù)設(shè)溫度值，進(jìn)行液體體積變化的計算。并且把實時溫度在TFT液晶屏上進(jìn)行顯示。

流量監(jiān)控信號采集流程：首先系統(tǒng)初始化，tft觸摸屏選擇發(fā)送定時采樣命令，對霍爾流量計輸出的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，然后根據(jù)轉(zhuǎn)換公式計算出對應(yīng)的液體流量，結(jié)合溫度對液體體積的影響，統(tǒng)計出料量，對比是否超過預(yù)設(shè)值。進(jìn)而更加設(shè)計要求控制不同的電磁閥門的開關(guān)閉合，進(jìn)而精確控制配料量。

4.2 人機交互界面設(shè)計

為了方便用戶控制和設(shè)置預(yù)定參數(shù)，設(shè)計了采用觸摸屏TFT做為基礎(chǔ)的GUI界面，GUI為 Graphical User Interface 的簡稱，為了提高工業(yè)用戶的可操作性，并且可以省掉機械按鍵，避免環(huán)境腐蝕，提高了可操作性。本項目中設(shè)計GUI脫離處理器和液晶硬件的圖像用戶接口，并在設(shè)計軟件時形成獨立應(yīng)用控件，比如觸摸按鍵顯示，中文顯示，窗口，text文本顯示等。

5 結(jié)束語

隨著自動控制的發(fā)展，原料配制越來越朝著高精度與自動化方向發(fā)展。為了能夠更加方便的進(jìn)行控制，該文采用了設(shè)計GUI控件用于TFT觸摸屏用作人機操作界面，采用鉑電阻作為溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，霍爾流量傳感器進(jìn)行流量監(jiān)測，采樣后的信號經(jīng)轉(zhuǎn)arm處理器處理換成出料量后與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，進(jìn)而按照設(shè)計要求控制電磁閥門的開與閉，精確控制每種不同配料的流入

量，并且通過arm的spi接口外接sd存儲器進(jìn)行信息存儲。本方案具有操作方便，用戶界面友好，自動化程度高，精度高，并且成本低廉等特點，特別適合用于各種工業(yè)場合。

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