基于單片機(jī)的多路香水灌裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏克輝，徐帥，洪柯雯

（杭州蕭山技師學(xué)院，浙江杭州，311201）

目前市場(chǎng)上有一些灌裝機(jī)采用定時(shí)灌裝，這種灌裝方式準(zhǔn)確度不高，不能滿足本設(shè)計(jì)要求。還有一種是采用稱重的方式進(jìn)行灌裝，這種方式灌裝準(zhǔn)確度高，但是稱重傳感器價(jià)格昂貴，面對(duì)多路灌裝需求布線復(fù)雜，適用性不足。本文在現(xiàn)有灌裝機(jī)的基礎(chǔ)上，根據(jù)企業(yè)要求，設(shè)計(jì)一套對(duì)六個(gè)香水瓶同時(shí)進(jìn)行灌裝的自動(dòng)化香水罐裝機(jī)，并且可以選擇罐裝瓶的容量，保證罐裝精度并把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示出來，同時(shí)操作面板上可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的調(diào)整。

1 系統(tǒng)概述

本文提出了一種基于STC15W4K64S單片機(jī)控制的六路香水灌裝機(jī)系統(tǒng)方案，可以實(shí)現(xiàn)100ml和300ml兩種不同容量精油瓶的灌裝，每一個(gè)灌裝口的灌裝精度控制在±1%。在罐裝開始前可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置等人機(jī)交互，并使用數(shù)碼管和指示燈進(jìn)行狀態(tài)和參數(shù)顯示。采用單片機(jī)控制六個(gè)蠕動(dòng)泵進(jìn)行灌裝，灌裝過程中非接觸式液位傳感器進(jìn)行液位測(cè)量，測(cè)得信號(hào)經(jīng)由單片機(jī)運(yùn)算和處理，當(dāng)香水灌裝完成后，單片機(jī)控制蠕動(dòng)泵停止灌裝，并驅(qū)動(dòng)推桿電機(jī)將推桿推出，進(jìn)行人工換瓶。

2 香水灌裝機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

本系統(tǒng)包括單片機(jī)、蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)器、液位傳感器、電源、數(shù)碼管顯示、指示燈、輸入按鍵等部分組成。在系統(tǒng)中電源電路采用雙電源設(shè)計(jì)，將主控板內(nèi)部供電與外部傳感器、按鍵以及數(shù)碼管指示燈等供電分開，傳感器輸入電路的設(shè)計(jì)，輸出電路的設(shè)計(jì)，獨(dú)立按鍵電路的設(shè)計(jì)都采用光電隔離，以最大限度地減少電源干擾，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.1 STC15W4K64S單片機(jī)

本系統(tǒng)中用到的STC15W4K64S系列單片機(jī)內(nèi)部集成了6路各自獨(dú)立的PWM波形發(fā)生器，芯片擁有眾多的資源，包括4KB程序存儲(chǔ)器空間，128B隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，眾多的輸入輸出口，可以滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)中存在自動(dòng)模式、手動(dòng)模式的選擇，在不同的模式下還有一些參數(shù)的設(shè)置，比如運(yùn)行模式記憶、灌裝容量、灌裝時(shí)間、等待時(shí)間、灌裝循環(huán)次數(shù)、灌裝數(shù)量、灌裝頻率建立時(shí)間、灌裝頻率下降時(shí)間、灌裝修正頻率、灌裝修正時(shí)間、灌裝修正次數(shù)等需要斷電存儲(chǔ)的參數(shù)。該單片機(jī)可以提供足夠的EEPROM空間用來存儲(chǔ)系統(tǒng)中所涉及的參數(shù)。

2.2 蠕動(dòng)泵以及驅(qū)動(dòng)

本系統(tǒng)中使用的蠕動(dòng)泵型號(hào)為KKTS-24B17A，步距角為1.8°，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)泵管的直徑、泵管的管壁厚度、步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)共同決定蠕動(dòng)泵泵送液體的最小分辨率及取樣精確[1]。

在測(cè)試過程中為了保證罐裝速度和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，綜合考慮選擇800Hz頻率作為驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng)步距角為1.8°時(shí)，200脈沖蠕動(dòng)泵旋轉(zhuǎn)一圈，所以800Hz時(shí)步進(jìn)電機(jī)速度為一秒鐘轉(zhuǎn)4圈。在實(shí)際控制中為了提高控制精度，將角度細(xì)分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)至16，在16細(xì)分下一圈的脈沖數(shù)=需走角度/步距角*細(xì)分?jǐn)?shù)=360/1.8×16=3200，速度不變的情況下需要3200×4=12.8kHz頻率，所以該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中PWM最大頻率采用12.8kHz頻率。頻率的不同就代表了蠕動(dòng)泵的旋轉(zhuǎn)速度不同，速度不同代表香水的灌裝速度不同。

圖2 STC15W4K64S單片機(jī)

單片機(jī)發(fā)出六組獨(dú)立的時(shí)鐘脈沖信號(hào)給六臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵，從而控制六臺(tái)蠕動(dòng)泵不同的灌裝速度、灌裝容量、灌裝時(shí)間、可以實(shí)現(xiàn)不同灌裝口的啟停單獨(dú)控制。每一路的灌裝過程都采用多段速的形式進(jìn)行灌裝，減少灌裝中液位波動(dòng)，提高傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確性，提高控制精度[2]。

2.3 液位傳感器電路

本系統(tǒng)中采用液位傳感器作為灌裝完成的反饋信號(hào)，液位傳感器安裝在精油瓶的支撐架上面，液位傳感器型號(hào)為DSW.1002. 007A。此液位傳感器為非接觸性電容式傳感器，輸出信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)，有信號(hào)輸出時(shí)為邏輯0，無信號(hào)時(shí)輸出為邏輯1，可以滿足灌裝完成反饋，但是準(zhǔn)確度欠佳，在液位波動(dòng)較大時(shí)，容易出現(xiàn)信號(hào)反復(fù)，另外當(dāng)灌裝液位大于灌裝線時(shí)信號(hào)都是邏輯0。液位傳感器的使用中，外圍電路并聯(lián)一個(gè)100μF的電容，傳感器的外圍輸入電路與單片機(jī)I/O口之間都有光電隔離進(jìn)行抗干擾處理。當(dāng)液位傳感器檢測(cè)到位時(shí)輸出信號(hào)yw1為0，經(jīng)光電隔離后可以實(shí)現(xiàn)相同邏輯輸出，同時(shí)還添加了電源隔離。

2.4 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

圖3 蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)中每個(gè)灌裝口都采用3聯(lián)數(shù)碼管顯示，灌裝口上有18個(gè)數(shù)碼管，加上設(shè)置部分一共有24位數(shù)碼管顯示。每一位數(shù)碼管在設(shè)計(jì)中考慮到提高亮度的原因都是采用74HC595芯片驅(qū)動(dòng)靜態(tài)顯示。電路圖設(shè)計(jì)如圖5所示，每一個(gè)74HC595芯片采用級(jí)聯(lián)的方式，極大地減少了單片機(jī)控制IO口的資源，系統(tǒng)中共使用了4個(gè)IO口實(shí)現(xiàn)了24位數(shù)碼管的單獨(dú)控制。

圖4 液位傳感器外圍電路

圖5 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件

3.1 程序流程圖

系統(tǒng)上電完成初始化后，首先讀取單片機(jī)EEPROM中數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括：運(yùn)行模式、灌裝容量、灌裝時(shí)間、等待時(shí)間、灌裝循環(huán)次數(shù)、灌裝數(shù)量、灌裝頻率建立時(shí)間、灌裝頻率下降時(shí)間、灌裝修正頻率、灌裝修正時(shí)間、灌裝修正次數(shù)等。系統(tǒng)在沒有外界干預(yù)的情況下，根據(jù)之前設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)行，然后判斷工作環(huán)境以及是否含有報(bào)警信息。首次上電運(yùn)行需要通過鍵盤設(shè)置灌裝的各類參數(shù)，數(shù)碼管顯示設(shè)置參數(shù)以及灌裝瓶子數(shù)量。選擇手動(dòng)模式則每次放好瓶子都需要按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)器只會(huì)完成當(dāng)次罐裝流程。當(dāng)選擇自動(dòng)模式時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的推桿縮回時(shí)間以及循環(huán)次數(shù)來完成罐裝流程[3～5]。

3.2 控制算法

本設(shè)計(jì)中對(duì)灌裝精度要求是比較高的，蠕動(dòng)泵的開環(huán)精度控制在±2%，不能滿足控制要求，所以本設(shè)計(jì)中使用液位傳感器用來提升控制精度。傳感器在使用中由于濾波的需要外圍電路并聯(lián)100μF電容，在一定程度上犧牲了響應(yīng)時(shí)間，其中液位傳感器的響應(yīng)時(shí)間為100ms，當(dāng)有反饋信號(hào)給到單片機(jī)的時(shí)候，信號(hào)會(huì)由于香水在灌裝線上下的波動(dòng)而出現(xiàn)信號(hào)反復(fù)。

影響灌裝控制系統(tǒng)精度的因素不僅包括流量傳感器的反饋誤差，還包含有控制系統(tǒng)，執(zhí)行操作等環(huán)節(jié)的誤差[2]。在控制中考慮到以上問題的存在，本文系統(tǒng)中采用了多段速控制，借鑒于PID算法中比例運(yùn)算的思想，單片機(jī)控制蠕動(dòng)泵的灌裝速度在完成上升時(shí)間以后，采用最大速度灌裝，通過灌裝時(shí)間的控制預(yù)期，提前完成速度下降，采用低速繼續(xù)灌裝，等待傳感器反饋信號(hào)完成灌裝動(dòng)作。通過低速灌裝，既減少了香水的波動(dòng)，又提高了灌裝的控制精度。

3.3 控制時(shí)間的修正以及優(yōu)化

圖6 程序流程圖

本設(shè)計(jì)中每個(gè)灌裝口灌裝時(shí)間需要單獨(dú)記憶，系統(tǒng)通過記錄每個(gè)口每次的灌裝時(shí)間，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化，得到更加精準(zhǔn)的灌裝時(shí)間。在使用中系統(tǒng)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主動(dòng)拋棄重新上電的首幀數(shù)據(jù)以及一些差距過大的數(shù)據(jù)。當(dāng)每個(gè)灌裝口的灌裝時(shí)間100次后，對(duì)這100次記錄的時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，排序好的數(shù)據(jù)去掉最大和最小的一部分偏移數(shù)據(jù)，對(duì)其他時(shí)間數(shù)據(jù)取平均值，此平均值用來修正現(xiàn)在所使用的時(shí)間數(shù)據(jù)。通過每次灌裝時(shí)間的記錄以及灌裝時(shí)間的修正，提高了灌裝時(shí)間控制精度，每個(gè)灌裝口的灌裝時(shí)間數(shù)據(jù)可以掉電存儲(chǔ)，以備下次上電使用。同時(shí)也可以通過人機(jī)交互清空灌裝時(shí)間或者重新設(shè)定時(shí)間，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)已有時(shí)間進(jìn)行灌裝，使用傳感器對(duì)其進(jìn)行重新優(yōu)化。通過時(shí)間控制以及傳感器反饋的雙重控制，在蠕動(dòng)泵低速的情況下完成最后的灌裝過程，從而提高灌裝效率以及精度[6]。

本設(shè)計(jì)在整個(gè)項(xiàng)目調(diào)試中遇到諸多問題，包括：電源啟動(dòng)功率不夠、灌裝泵接口漏氣、灌裝管徑的厚度選擇、長時(shí)間暫停后的再啟動(dòng)問題、蠕動(dòng)泵失步、灌裝精度不高等。首先在硬件上多次作出調(diào)整，針對(duì)蠕動(dòng)泵與灌裝管的連接進(jìn)

3.4 灌裝調(diào)試以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

行了加固處理；灌裝管也根據(jù)蠕動(dòng)泵進(jìn)行了管子管徑的重新選??；每個(gè)蠕動(dòng)泵使用的開關(guān)電源也采用了單獨(dú)的供電；步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器細(xì)分最終采用16細(xì)分；傳感器的安裝位置調(diào)整。硬件調(diào)整好后是軟件的反復(fù)調(diào)試以及多次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)100ml和300ml兩種灌裝容量下多次灌裝精度平均誤差控制在0.9g以下，可以滿足控制精度在1±%的要求。

4 結(jié)語

本文采用單片機(jī)內(nèi)部的六路獨(dú)立PWM控制蠕動(dòng)泵的形式完成了香水灌裝機(jī)的基本要求，使用按鍵和數(shù)碼管顯示的方式完成模式的選擇，參數(shù)的設(shè)置，灌裝時(shí)間的顯示，灌裝數(shù)量的記錄等功能。在精度的提高上采用蠕動(dòng)泵的多段速控制從而提高后一段的傳感器的反饋信號(hào)的準(zhǔn)確度。通過記錄多次灌裝時(shí)間來優(yōu)化每一個(gè)口的灌裝時(shí)間，從而達(dá)到精度以及效率的雙提升[7～8]。