基于CDIO理念下自動配料稱重系統(tǒng)模型平臺設計

林鳳欽

摘要：目前大型自動配料稱重系統(tǒng)廣泛應用于各行各業(yè)，但是還存在一部分生產線采用傳統(tǒng)的稱重配料系統(tǒng)，特別是在一些中小型城市以及中小型作坊等，加之以往的稱重配料系統(tǒng)存在給料方式以及控制方式上的不足，導致系統(tǒng)的自動化與智能化不高。文章設計了一種帶有多功能的自動配料稱重系統(tǒng)，可以有效提高小型作坊及商店運營中的配料稱重效率。

關鍵詞：CDIO；控制系統(tǒng)；自動配料稱重系統(tǒng)；稱重結構；硬件設計；軟件設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ330 文章編號：1009-2374（2016）16-0012-05 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.006

1 項目背景及意義

教育部部長袁貴仁在十二屆全國人大四次會議上稱中國的高等教育結構不合理，這個不合理表現在培養(yǎng)理論型、學術型人才的學校較多，培養(yǎng)技術、技能型人才的學校比較少，因此高校需要轉型調整專業(yè)設置。McKinsey Global Institute在2005年10月發(fā)表的一份報告稱，我國2005年畢業(yè)的約60萬工程技術人才中適合在國際化公司工作的只有不到10%，而這其中的原因，其分析為“中國教育系統(tǒng)偏于理論，中國學生幾乎沒有受到project和團隊工作的實際訓練，相比之下歐洲和北美學生以團隊方式解決實際問題”。

針對此情況，汕頭大學多年前早已開展CDIO工程師培養(yǎng)模式訓練，學習國外高等學府項目鍛煉實施能力，面向project解決實際問題?；诙嗄昵笆苓^CDIO理念培養(yǎng)（即Conceive-Design-Implement-Operate，構思-設計-實現-運作），本文就自動配料稱重系統(tǒng)項目展開論述，該模型平臺是按采購→制作零部件→裝配整機→項目調試→改進與優(yōu)化的順序進行，由于篇幅有限，本文只針對項目成果展開論述。

機器換人時代已經到來，人工配料已遠遠不能滿足連續(xù)化、自動化生產的要求，因此在原來機械配料的基礎上，進行技術改造，使生產過程實現智能化和信息化。

根據目前自動配料稱重行業(yè)的背景和發(fā)展情況，該項目應具有如下要求：（1）結構方式：采用分布型或者集散型的結構方式；（2）控制方式：應具有通信方便快捷、操作簡單、系統(tǒng)可靠性較強、一次輸入多次生產能力，稱量誤差能控制在要求范圍內；（3）硬件系統(tǒng)：應具有造價低廉、硬件可靠、控制系統(tǒng)簡潔等特點；（4）軟件系統(tǒng)：采用模塊式軟件，具有操作、管理、現場監(jiān)控、系統(tǒng)組態(tài)、報警管理和設置等模塊。

2 硬件機構設計及說明

2.1 結構設計

自動配料稱重系統(tǒng)是由喂料機構、稱重機構、卸料機構和推出機構組成（如圖1所示）。其中喂料是由步進電機采集信號后控制閥的開關大小和開關時間，在無限接近預設的稱重值的時候，電機會逐漸關閉閥門。稱重機構是由一個重力傳感器組成，并把稱重采集到的信號傳送給喂料機構的步進電機，這樣就能控制閥門從而控制放料的多少。卸料機構是在稱重機構中每個稱重盤都達到了預設稱重值的時候，把剛稱完的物料移到窗口內，物料卸下，完成卸料。推出機構是由兩個減速電機同時同步帶動推桿，把物料移到窗口，完成卸料的過程。

2.2 系統(tǒng)設計

自動配料稱重系統(tǒng)采用單片機硬件，應用PID原理控制，這個理論和應用自動控制的關鍵是，做出正確的測量和比較后，經過系統(tǒng)反饋更好地糾正系統(tǒng)誤差。

2.3 結構原理說明

2.3.1 喂料機構。

第一，喂料結構如圖1（a）所示。

第二，裝配方案說明：

喂料過程：物料通過輸送帶（外裝置）裝入儲料斗，這時物料由進料閥鎖住，通過人機界面輸入命令控制步進電機的轉動，打開進料閥，物料進入系統(tǒng)，當物料重量達到設定的初值時，步進電機反轉使進料閥開始一次關閉動作使得閥口關小，下料流速下降，物料繼續(xù)卸下的同時稱量裝置進行一個反饋的過程，當下料重量達到設定終值時控制步進電機二次反轉，經過二次動作使進料閥關閉，進入下一輪的稱重。

創(chuàng)新點：這個喂料裝置是通過改裝比較便宜的止推閥而來的，再通過步進電機控制閥的打開與關閉，與稱量裝置形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，既降低了成本，又實現了自動化，提高了精度。

2.3.2 稱重機構。

第一，稱重機構如圖1（b）所示。

第二，裝配方案說明：稱重機構采用的是經過改裝后的高精度的計量稱成品，本系統(tǒng)只將計量稱的殼體與傳感器部分保留下來，顯示部分改裝成數碼管顯示，去掉面板的按鍵控制功能而取之由各工作站控制系統(tǒng)控制，使得該裝置具有自動去皮，避免了面板的誤操作，提高可靠性，并且具有動態(tài)數據顯示功能，稱量較精確，誤差率在千分之一，直觀性強。

2.3.3 卸料機構。

第一，卸料機構如圖1（c）所示。

第二，裝配方案說明：卸料機構是由一個便宜的杯子改裝而成的，杯子掏穿。開始時，杯子在計量稱的正上方，但是與計量稱接觸，可以避免杯子的自重影響稱重；杯子低端后邊緣裝有海綿掃塊，當物料稱完之后，杯子將物料移到窗口內，同時杯子內壁和海綿掃塊將物料卸下，完成卸料。

創(chuàng)新點：每次卸料時，移動的只是杯子，稱不動，可以避免計量稱因振動﹑偏移帶來的稱量誤差；稱量裝置有自動去皮功能，每次稱量時都可降低乘料裝置對稱量的影響；稱量時物料先是動態(tài)，后是靜態(tài)的，避免動態(tài)誤差；計量稱后面設計成窗口，路程短，移動時做功少，達到節(jié)能效果；通過加入了海綿掃塊，使得每次卸料完全、干凈。

2.3.4 推出機構。

第一，推出機構如圖1（d）所示。

第二，裝配方案說明：推出機構采用的是電機、齒條機構。當系統(tǒng)稱量好以后，程序將驅動電機，電機帶動齒輪在齒條上運動，這個機構通過外接件與一個推桿連在一起，推桿帶動卸料機構將料從窗口卸下，同時推桿接觸到行程開關使電機反轉帶動推桿返回原位，完成推出過程。

創(chuàng)新點：巧妙應用齒條機構，可以在稱重系統(tǒng)外設置電機，可以減小因電機振動帶給稱重系統(tǒng)的誤差；利用對稱雙電機驅動，增加了推出的機構的平衡性，增大了推出力矩，使推出機構更加平穩(wěn)地配合卸料機構工作，增加了系統(tǒng)的準確性。

2.3.5 整機機構。

第一，整機機構如圖1（e）所示。

第二，裝配方案說明：本系統(tǒng)主要由一個兩層的整體大鐵架、擺放在鐵架上層的三個可定制稱重部件和推出機構組成，下層空間可以擺放物料回收裝置或下級的混料系統(tǒng)。支架下面安裝有四個小輪，整體移動、搬運非常方便。本設計可以針對三種不同（可設計成多種）的物料進行自動稱重配料，三個可定制稱重部件均由上面介紹的喂料、稱重、卸料機構組成?？啥ㄖ品Q重部件利用螺絲固定在大鐵架上，部件的卸料采取整體推出卸料方式，稱重部件兩邊的步進電機帶動直齒條驅使一直長推桿將三個料筒整體推出，實現高效卸料。

3 控制系統(tǒng)設計及說明

3.1 基本功能要求和精度控制

根據配料工藝和配料系統(tǒng)及其機構特征的要求，控制系統(tǒng)應具有七種基本功能：（1）稱量功能；（2）通訊功能（包括具體的通訊協(xié)議、控制命令的約定和通訊功能的自檢測等）；（3）工作站（即可獨立的稱重模塊）選擇功能；（4）配料參數（即每種配料的目標稱量值、稱量份數等）設置功能；（5）數據反饋功能；（6）誤差查詢功能；（7）各部分機構手動面板操作功能。

控制系統(tǒng)的研制主要從以下方面考慮：雖然每種物料的設定值、黏度、比重、顆粒形狀及其大小不盡相同，但在配料系統(tǒng)中控制動作是一致的。喂料閥口結合實稱重量的反饋值進行閉環(huán)控制，基于大量的實驗數據，設置合理的閉環(huán)控制參數及方法，提高稱量的可靠性和精度。精度控制是本稱重系統(tǒng)的技術關鍵，基于稱重機構的設計及其特征，精度控制的方法是基于實驗數據，對喂料閥口和傳感器反饋數值進行閉環(huán)控制，通過設置合理的閉環(huán)控制參數及控制方法來保證精度。實踐證明，本系統(tǒng)機構的固有特性，包括下料的滯后、卸料有漏泄及閥口可能出現卡死現象等，導致系統(tǒng)能達到的精度受限，表現為實際稱量值與目標設定值存在一隨機誤差，而精度控制的主要工作就是縮減這一誤差。

3.2 系統(tǒng)控制原理及硬件設計說明

本系統(tǒng)控制原理及各硬件實物圖如圖2所示：

控制系統(tǒng)主要由主機和3臺分機組成，各部分執(zhí)行的功能操作如圖2所示。

3.2.1 主機。主機需要完成參數輸入、面板操作和推出機構的控制，其包括的硬件模塊如圖2所示，各部分硬件介紹如下：

第一，單片機AT89S52。

主要性能：（1）與MCS-51單片機產品兼容；（2）8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器；（3）1000次擦寫周期；（4）全靜態(tài)操作：0～33Hz；（5）三級加密程序存儲器；（6）32個可編程I/O口線；（7）三個16位定時器/計數器；（8）八個中斷源；（9）全雙工UART串行通道；（10）低功耗空閑和掉電模式；（11）掉電后中斷可喚醒；（12）看門狗定時器；（13）雙數據指針；（14）掉電標識符。

第二，LCD1602液晶模塊。

顯示特性：（1）單5V電源電壓，低功耗、長壽命、高可靠性；（2）內置192中字符（160個5*7點陣字符和32個5*10點陣字符）；（3）具有64個字節(jié)的自定義字符RAM，可自定義8個5*8點陣字符或四個5*11點陣字符；（4）顯示方式：STN、半透、正顯；（5）驅動方式：1/16DUTY，1/5BIAS；（6）視角方向：6點；（7）背光方式：底部LED；（8）通訊方式：4位或8位并口可選；（9）標準的接口特性，適配MC51和M6800系列MPU的操作時序。

第三，4*4矩陣鍵盤。

控制原理：

在鍵盤中按鍵數量較多時，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖3所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如P1口）就可以構成4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。矩陣式結構的鍵盤顯然比直接法要復雜一些，識別也要復雜一些，圖3中，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。這樣當按鍵沒有按下時，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。具體的識別及編程方法如下所述。

確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下一般采用“行掃描法”。行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法，如圖3所示鍵盤，介紹過程如下：

判斷鍵盤中有無鍵按下將全部行線ROW1-ROW4置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與4根行線相交叉的4個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。判斷閉合鍵所在的位置在確認有鍵按下后，即可進入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其他線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。

第四，I/O口模擬串口通信。

3.2.2 分機。分機主要功能（如圖2所示）：（1）與主機通訊：包括數據和命令的收發(fā)；（2）模數轉換、數據處理及顯示；（3）對閥口處步進電機的控制，控制喂料的速度。

（1）橋式稱重傳感器；（2）HX711 AD轉換模塊；（3）兩相細分步步進電機驅動器RD-0214M8。

3.3 軟件設計說明

3.3.1 整體程序控制流程。本控制系統(tǒng)的軟件設計以模塊化設計為主，把同一控制對象的若干功能子程序或者系統(tǒng)中大量類似功能的程序段制成頭文件，如LCD1602驅動程序頭文件、I/O口模擬串口頭文件、參數設置頭文件、稱量及喂料控制頭文件等，被主程序調用。本控制系統(tǒng)的軟件程序及其算法較為復雜，但整體思路清晰，可由圖4中的流程表示：

系統(tǒng)初始化啟動后，進入模式選擇畫面，可選面板操作和參數設置兩種。面板操作主要是對系統(tǒng)中部分控制對象進行手動控制，查詢或者檢測系統(tǒng)部分功能正常與否，包括誤差查詢、實稱重量查詢、余料卸空和通信檢測四種。參數設置的內容有工作站（即分機）選擇、物料份數選擇、各配料稱量目標值設定等。參數設定完成后，系統(tǒng)進入自動工作模式，主機與分機在稱量前和稱量后都需進行握手通信，需及時反應數據或命令傳輸正確與否。后期工作中需進一步強化系統(tǒng)的檢錯報錯功能。

3.3.2 主機程序介紹。主程序中，模式選擇、面板操作和參數設置等的控制流程基本都按照圖4執(zhí)行，因此這里主要介紹自主創(chuàng)新設計的16位I/O口模擬串行通信及系統(tǒng)的操作命令協(xié)議。

根據RS232的串行通信規(guī)則：

串行通信是將數據字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個地傳送。如圖5所示，本系統(tǒng)把8位的數據幀換成16位的數據幀，硬件上則采用AT89S52的兩個普通I/O口，定時器中斷和外部中斷。其具體程序流程圖7所示。

根據本系統(tǒng)實際情況，數據收發(fā)的范圍為0～1000，只占低10位，因此把16位數據中的高4位作為數據的數據頭（保證數據通信的穩(wěn)定性和正確性）或者操作指令。

具體的高4位數據定義及其作用如表1所示：

3.3.3 分機程序介紹。分機主要功能：（1）與主機通訊：包括數據和命令的收發(fā)；（2）模數轉換、數據處理及顯示；（3）對閥口處步進電機的控制，控制喂料的速度。各分機的工作狀況相同，工作流程如圖4和圖5所示，所不同的是針對具體的稱重傳感器，需要設置各自的零點和比率。由于該系統(tǒng)要求的稱量精度不是十分高，因此AD模塊的24位輸出值只取高16位。分機系統(tǒng)中步進電機驅動器的控制較為簡單，其控制程序也不作解釋，這里主要說明一下閥口結合稱量反饋值的閉環(huán)控制提高稱量精度的思路。

通過大量的實驗可知，影響稱量精度的因素主要有：配料的設定值、黏度、比重、顆粒形狀及其大小，儲料斗中物料的多少，閥口離稱面的高度，一些外界因素如風、振動等。然而這些因素中，有機構固有的無法調節(jié)的因素，有外界客觀存在的無法避免的因素，因此項目組在調試過程中主要通過當前的稱量值控制閥口的大小來提高精度。閉環(huán)控制的思路如下：（1）判斷目標稱量值的大小，若超過200g，則統(tǒng)一將閥口開到一個較大的位置；（2）當稱量的反饋值與目標設定值相差小于200g時，啟動閥口位置自動調節(jié)子程序，將閥口控制到一個根據實驗得出的理想位置，減慢喂料速度。當稱量的反饋值與目標設定值相差小于100g時，再次將閥口調節(jié)值更小的位置，然喂料速度更?。唬?）本系統(tǒng)在實際操作時采用細小的沙子，根據實驗數據，為了解決稱量的滯后問題，當稱量的反饋值與目標設定值相差小于10g時，提前關閉閥口。

這一控制過程下來，稱量誤差及其置信度如表2所示：

4 結論與展望

4.1 結論

（1）本系統(tǒng)的核心處理器為AT89S52，是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，使得系統(tǒng)具有功耗低、成本少、速度高的優(yōu)點；（2）通過軟件編程，實現了配料種數、配料份數、稱量值的設定以及數碼管、LCD液晶顯示器數據的顯示；（3）系統(tǒng)在每次稱重能自動去皮的同時采用了閉環(huán)控制給料的控制方法，提高了稱量的準確度，并具有良好的界面顯示和鍵盤操作人機接口，能顯示和修改各種參數，操作方便可靠，可靠的參數儲存方式使各種參數既能方便地輸入和顯示，又無丟失的煩惱；（4）采用自主創(chuàng)新設計的16位I/O口模擬串行通信方法解決了芯片串口的限制問題；（5）進行了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、連續(xù)性稱量和系統(tǒng)誤差的測試實驗，實驗結果表明，本自動配料稱重系統(tǒng)的主要技術指標達到了預期的目標；（6）本系統(tǒng)也存在一些缺陷不足，比如穩(wěn)定性不夠高、誤差隨機性大、結構存在不合理性、稱量精度不夠高?？梢姡咀詣臃Q重配料系統(tǒng)具有成本低、生產效率高、實用性強的特點。采用本系統(tǒng)進行的稱重配料可實現提高稱量速度的目的，但同時也存在許多問題。通過本系統(tǒng)的設計，對提高我們的專業(yè)知識水平和思維能力有一定的意義，同時本系統(tǒng)可為其他種類動態(tài)電子稱重儀器和配料系統(tǒng)提供參考。

4.2 展望

雖然本自動配料稱重系統(tǒng)已經可以達到預期的目標，但由于個人能力和條件限制，所設計的系統(tǒng)還不夠完善。為了進一步提高系統(tǒng)的性能、完善系統(tǒng)功能，可主要從硬件和軟件方面入手加以改進：（1）通過更換靈敏度更好的傳感器，采用靈敏度更高的傳感器，減少因反應的滯后性帶來的稱量誤差；（2）改進系統(tǒng)整體結構和裝配，使系統(tǒng)結構更合理，具備抗震性強、穩(wěn)定性好等性能，包括零件的加工、總支架的設計、推出機構的設計、喂料機構的改進，從而減少對稱重的影響因素，提高精度；（3）由于單片機在信號處理方面存在局限性，可以采用數字信號處理芯片DSP與單片機結合，從而提高系統(tǒng)的準確度和實時性；（4）可擴展接口，增加報警功能，包括操作錯誤報警、稱量誤差過大報警等；（5）可通過改進軟件算法來加強數據處理，進一步消除干擾，提高稱量準確度。

當然，還需要在具體實際應用中不斷發(fā)現問題，以進一步完善和改進現有系統(tǒng)中可能存在的缺陷和不足。

參考文獻

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