基于AVR的自動(dòng)灌裝系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)

方向明，于中偉，王聰，付飛蚺

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

基于AVR的自動(dòng)灌裝系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)

方向明1，于中偉2，王聰2，付飛蚺1

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

提出了一種基于AVR的自動(dòng)灌裝系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)方案。利用自動(dòng)控制思想方法對(duì)自動(dòng)灌裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟硬件選擇等給出詳細(xì)的解決方案。系統(tǒng)采用8位處理器，對(duì)稱(chēng)重傳感器的電壓信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)數(shù)字濾波處理，將處理結(jié)果顯示在LCD上，將控制信號(hào)發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制灌裝系統(tǒng)動(dòng)作。仿真實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有好的自實(shí)用性和強(qiáng)的魯棒性、可靠性，能夠集成在多種灌裝環(huán)境中，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

單片機(jī)；控制系統(tǒng)；自動(dòng)灌裝

隨著儀器儀表技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展以及技術(shù)間的相互融合，使得灌裝技術(shù)有了很大的發(fā)展，灌裝系統(tǒng)也在多樣化、自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化方向有了很大進(jìn)步，其快速、準(zhǔn)確、方便、高效、功能多樣化等特點(diǎn)，使灌裝系統(tǒng)的研究與發(fā)展進(jìn)入了新的階段［1］。同時(shí)經(jīng)濟(jì)和機(jī)械化操作的深入發(fā)展，飲料、啤酒等行業(yè)的發(fā)展壯大，對(duì)灌裝系統(tǒng)的需求逐漸增長(zhǎng)，讓人類(lèi)社會(huì)快速的步入到自動(dòng)化時(shí)代，灌裝行業(yè)受益匪淺。灌裝系統(tǒng)又分為具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)的常壓液體灌裝系統(tǒng)和效率較高的壓力灌裝系統(tǒng)，以及設(shè)備簡(jiǎn)單、灌裝閥設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、干凈衛(wèi)生的流量計(jì)灌裝系統(tǒng)等。本文采用稱(chēng)重式灌裝方式，該灌裝方式具備以上灌裝方式的優(yōu)點(diǎn)，并且該方式的灌裝精度遠(yuǎn)超過(guò)其他幾種灌裝系統(tǒng)，適用范圍非常廣，設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，故本自動(dòng)灌裝系統(tǒng)控制單元在工業(yè)生產(chǎn)方面有著十分重要的意義［2］。

1 總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)涉及主控單元，傳送裝置單元，容器檢測(cè)單元，稱(chēng)重單元，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電磁閥、光電開(kāi)關(guān)等。系統(tǒng)工作時(shí)，首先利用傳送裝置將容器送往灌裝區(qū)，紅外對(duì)管采集遮擋信號(hào)并傳送給AVR處理器處理，處理器經(jīng)過(guò)計(jì)算將開(kāi)始灌裝指令發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，灌裝開(kāi)始，其次稱(chēng)重傳感器將重力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換模塊將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)發(fā)送給處理器進(jìn)行數(shù)字濾波處理，處理結(jié)果與閾值作比較，將比較結(jié)果傳送給處理器，處理器用LCD顯示數(shù)值，并根據(jù)比較結(jié)果發(fā)送控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制傳送裝置及灌裝單元。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，系統(tǒng)主控單元選用Atmel公司生產(chǎn)的8位高性能、低功耗ATmega16作為處理器，該芯片內(nèi)部有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，32個(gè)8位通用寄存器，片上集成16K的可編程Flash，512字節(jié)的EEPROM、1K的SRAM，具有獨(dú)立振蕩器實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC，4通道PWM，8位ADC等特點(diǎn)［3］，采用該芯片使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，高效，低成本，簡(jiǎn)單實(shí)用。傳感器采用的是中航L6D電阻應(yīng)變式稱(chēng)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(chǎn)生彈性變形，使粘貼在它表面的應(yīng)變電阻片產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變，應(yīng)變電阻片發(fā)生彈性形變，它的阻值發(fā)生變化，然后通過(guò)采用直流電橋作為應(yīng)變片的測(cè)量電路，完成電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化的過(guò)程，從而完成重力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程［4］。A/D轉(zhuǎn)換模塊采用的是HX711芯片，該芯片是一款專(zhuān)為高精度電子稱(chēng)而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部有兩路可選擇查分輸入，集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器，內(nèi)含低噪聲可編程增益放大器［5］，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，無(wú)需外接驅(qū)動(dòng)電路，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)的性能和可靠性。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 自動(dòng)灌裝系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 壓力傳感器

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 單片機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)

控制器的核心是ATmega16A芯片，配以相應(yīng)的外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)灌裝系統(tǒng)的控制。AVR單片機(jī)的PORTC口作為獨(dú)立按鍵、紅外對(duì)管及光電開(kāi)關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換選擇及硬件設(shè)計(jì)

選用轉(zhuǎn)換器需要考慮它的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，但是在設(shè)計(jì)自動(dòng)灌裝控制系統(tǒng)單元時(shí)，選擇轉(zhuǎn)換器的主要考慮因素是轉(zhuǎn)換位數(shù)和轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)與稱(chēng)重系統(tǒng)的測(cè)量精度有關(guān)，是決定灌裝系統(tǒng)灌裝精度的重要因素之一。

稱(chēng)重系統(tǒng)精度是由傳感器的自身精度、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器時(shí)，其轉(zhuǎn)換的位數(shù)至少比要求的精度高一個(gè)百分比。本灌裝系統(tǒng)中，稱(chēng)重系統(tǒng)的稱(chēng)重量程是50kg，稱(chēng)重精度為0.001kg，因此由下式求得需要轉(zhuǎn)換的精度為：

A/D轉(zhuǎn)換精度=稱(chēng)重精度/稱(chēng)重范圍=0.001/ 50=0.002%

由上式可知轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度必須小于0.002%，即轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)必須大于15位，方能滿足系統(tǒng)需求。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性取決于轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，不同的轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間不同。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度快慢取決于系統(tǒng)的采樣頻率，轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度需要大于采樣頻率。在灌裝系統(tǒng)的稱(chēng)重單元中，考慮采樣的稱(chēng)重信號(hào)的特點(diǎn)、系統(tǒng)的性能，選擇轉(zhuǎn)換速度較快的轉(zhuǎn)換器。通過(guò)調(diào)查研究決定選擇海芯科技的HX711芯片，此芯片可以實(shí)現(xiàn)24位高分辨率［6］，同時(shí)配以相應(yīng)的外圍電路來(lái)完成對(duì)電壓信號(hào)的采集和放大。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件主要完成信號(hào)采集、LCD12864顯示、傳感器驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)、中值濾波、接收按鍵信號(hào)和輸出控制信號(hào)。

中值濾波是數(shù)字濾波技術(shù)的一種，具有成本低、可靠性高、穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以通過(guò)軟件的算法達(dá)到和硬件濾波器相同的濾波效果。稱(chēng)重傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)與重量成正比。此種電壓信號(hào)的特點(diǎn)是存在一個(gè)平均值，該信號(hào)在某一數(shù)值范圍內(nèi)上下波動(dòng)，因此僅取一個(gè)采樣值作為輸出信號(hào)是不準(zhǔn)確的。可以采用滑動(dòng)濾波方法減小此誤差。該濾波方法的原理是：

設(shè)：最新采集的數(shù)據(jù)為：datai+n，最早采集的數(shù)據(jù)為：datai，使用最新采集的一個(gè)數(shù)據(jù)替換δ(δ＞0)個(gè)暫存數(shù)據(jù)中的最早那個(gè)數(shù)據(jù)，使緩存單元中的數(shù)據(jù)始終都是最近的數(shù)據(jù)。公式如下：

平均后的數(shù)據(jù)既反映了最近的數(shù)據(jù)變化，又克服了系統(tǒng)誤差，效果明顯［7，8］。系統(tǒng)采用ICCV7 for AVR作為開(kāi)發(fā)環(huán)境。

3.1 軟件系統(tǒng)主框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)加電開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后進(jìn)入工作界面，如圖5所示，可以直接進(jìn)行自動(dòng)稱(chēng)重灌裝，也可以切換菜單模式，便于更改閾值，對(duì)稱(chēng)重單元校秤，避免系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)框架如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)工作界面

3.2 系統(tǒng)的稱(chēng)重算法

本系統(tǒng)采用滿量程為50kg的稱(chēng)重傳感器，以下為物體質(zhì)量的計(jì)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(lì)電壓；S為靈敏度（2.0mv/v）。

（2）HX711對(duì)產(chǎn)生的8.6mv電壓進(jìn)行采樣，然后通過(guò)內(nèi)置低噪聲增益放大器A通道對(duì)采樣得到的電壓放大128倍，采樣輸出24bit AD轉(zhuǎn)換值，單片機(jī)通過(guò)特定的時(shí)序?qū)?4bit數(shù)據(jù)讀出。

圖6 軟件系統(tǒng)主框架結(jié)構(gòu)圖

（3）AD值反向轉(zhuǎn)換為重力值：

假設(shè)重力為Xkg，（X＜50kg），測(cè)量出來(lái)的AD值為Y傳感器輸出發(fā)送給AD模塊壓力為：

經(jīng)過(guò)128倍增益后為：

轉(zhuǎn)換為24bit數(shù)字信號(hào)為：

因此得出：

3.3 按鍵預(yù)置

通過(guò)系統(tǒng)軟件的編寫(xiě)和調(diào)試，控制系統(tǒng)能夠接收按鍵輸入的信號(hào)，復(fù)位按鍵用來(lái)矯正壓力傳感器的零值；按鍵1在工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)人工啟動(dòng)，在菜單狀態(tài)下改變閾值的更改位數(shù)；按鍵2更改閾值的大?。话存I3是自動(dòng)灌裝系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的選擇。由此實(shí)現(xiàn)按鍵對(duì)自動(dòng)灌裝系統(tǒng)的控制。程序流程圖如圖7。

圖7 程序流程圖

4 結(jié)論

該灌裝系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)灌裝過(guò)程極大減少灌裝時(shí)間。相對(duì)于進(jìn)口機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的灌裝機(jī)，大大降低了設(shè)備的成本。同時(shí)利用按鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與操作，使灌裝機(jī)系統(tǒng)操作更加方便、更加人性化。該裝系統(tǒng)已通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，系統(tǒng)的測(cè)量精度為0.001kg。該系統(tǒng)能夠滿足小型工廠基于重量指標(biāo)的自動(dòng)化灌裝要求，灌裝精度高，抗干擾能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)思路明確，硬件清晰明了，程序簡(jiǎn)潔，易于實(shí)現(xiàn)。

［1］張鵬.基于ARM的皮帶秤研究與設(shè)計(jì)［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2009.

［2］李世昌.稱(chēng)重式液體灌裝機(jī)發(fā)展前景分析［J］.中國(guó)計(jì)量，2013（1）：68-69.

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

［4］張彈琴.基于ARM的灌裝電子稱(chēng)重系統(tǒng)的研制［D］.南京航空航天大學(xué)，2008.

［5］張志勇.現(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)用［M］.電子工業(yè)出版社，2014.

［6］基于嵌入式的稱(chēng)重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2011.

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

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

The Control Unit of Automatic Filling System Based on AVR SCM

FANG Xiangming1，YU Zhongwei2，WANG Cong2，F(xiàn)U 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