基于CDIO理念下自动配料称重系统模型平台设计

摘要：目前大型自动配料称重系统广泛应用于各行各业，但是还存在一部分生产线采用传统的称重配料系统，特别是在一些中小型城市以及中小型作坊等，加之以往的称重配料系统存在给料方式以及控制方式上的不足，导致系统的自动化与智能化不高。文章设计了一种带有多功能的自动配料称重系统，可以有效提高小型作坊及商店运营中的配料称重效率。

关键词：CDIO；控制系统；自动配料称重系统；称重结构；硬件设计；软件设计 文献标识码：A

中图分类号：TQ330 文章编号：1009-2374（2016）16-0012-05 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.16.006

1 项目背景及意义

教育部部长袁贵仁在十二届全国人大四次会议上称中国的高等教育结构不合理，这个不合理表现在培养理论型、学术型人才的学校较多，培养技术、技能型人才的学校比较少，因此高校需要转型调整专业设置。McKinsey Global Institute在2005年10月发表的一份报告称，我国2005年毕业的约60万工程技术人才中适合在国际化公司工作的只有不到10%，而这其中的原因，其分析为“中国教育系统偏于理论，中国学生几乎没有受到project和团队工作的实际训练，相比之下欧洲和北美学生以团队方式解决实际问题”。

针对此情况，汕头大学多年前早已开展CDIO工程师培养模式训练，学习国外高等学府项目锻炼实施能力，面向project解决实际问题。基于多年前受过CDIO理念培养（即Conceive-Design-Implement-Operate，构思-设计-实现-运作），本文就自动配料称重系统项目展开论述，该模型平台是按采购制作零部件装配整机项目调试改进与优化的顺序进行，由于篇幅有限，本文只针对项目成果展开论述。

机器换人时代已经到来，人工配料已远远不能满足连续化、自动化生产的要求，因此在原来机械配料的基础上，进行技术改造，使生产过程实现智能化和信息化。

根据目前自动配料称重行业的背景和发展情况，该项目应具有如下要求：（1）结构方式：采用分布型或者集散型的结构方式；（2）控制方式：应具有通信方便快捷、操作简单、系统可靠性较强、一次输入多次生产能力，称量误差能控制在要求范围内；（3）硬件系统：应具有造价低廉、硬件可靠、控制系统简洁等特点；（4）软件系统：采用模块式软件，具有操作、管理、现场监控、系统组态、报警管理和设置等模块。

2 硬件机构设计及说明

2.1 结构设计

自动配料称重系统是由喂料机构、称重机构、卸料机构和推出机构组成（如图1所示）。其中喂料是由步进电机采集信号后控制阀的开关大小和开关时间，在无限接近预设的称重值的时候，电机会逐渐关闭阀门。称重机构是由一个重力传感器组成，并把称重采集到的信号传送给喂料机构的步进电机，这样就能控制阀门从而控制放料的多少。卸料机构是在称重机构中每个称重盘都达到了预设称重值的时候，把刚称完的物料移到窗口内，物料卸下，完成卸料。推出机构是由两个减速电机同时同步带动推杆，把物料移到窗口，完成卸料的过程。

2.2 系统设计

自动配料称重系统采用单片机硬件，应用PID原理控制，这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，经过系统反馈更好地纠正系统误差。

2.3 结构原理说明

2.3.1 喂料机构。

第一，喂料结构如图1（a）所示。

第二，装配方案说明：

喂料过程：物料通过输送带（外装置）装入储料斗，这时物料由进料阀锁住，通过人机界面输入命令控制步进电机的转动，打开进料阀，物料进入系统，当物料重量达到设定的初值时，步进电机反转使进料阀开始一次关闭动作使得阀口关小，下料流速下降，物料继续卸下的同时称量装置进行一个反馈的过程，当下料重量达到设定终值时控制步进电机二次反转，经过二次动作使进料阀关闭，进入下一轮的称重。

创新点：这个喂料装置是通过改装比较便宜的止推阀而来的，再通过步进电机控制阀的打开与关闭，与称量装置形成一个闭环控制系统，既降低了成本，又实现了自动化，提高了精度。

2.3.2 称重机构。

第一，称重机构如图1（b）所示。

第二，装配方案说明：称重机构采用的是经过改装后的高精度的计量称成品，本系统只将计量称的壳体与传感器部分保留下来，显示部分改装成数码管显示，去掉面板的按键控制功能而取之由各工作站控制系统控制，使得该装置具有自动去皮，避免了面板的误操作，提高可靠性，并且具有动态数据显示功能，称量较精确，误差率在千分之一，直观性强。

2.3.3 卸料机构。

第一，卸料机构如图1（c）所示。

第二，装配方案说明：卸料机构是由一个便宜的杯子改装而成的，杯子掏穿。开始时，杯子在计量称的正上方，但是与计量称接触，可以避免杯子的自重影响称重；杯子低端后边缘装有海绵扫块，当物料称完之后，杯子将物料移到窗口内，同时杯子内壁和海绵扫块将物料卸下，完成卸料。

创新点：每次卸料时，移动的只是杯子，称不动，可以避免计量称因振动p偏移带来的称量误差；称量装置有自动去皮功能，每次称量时都可降低乘料装置对称量的影响；称量时物料先是动态，后是静态的，避免动态误差；计量称后面设计成窗口，路程短，移动时做功少，达到节能效果；通过加入了海绵扫块，使得每次卸料完全、干净。

2.3.4 推出机构。

第一，推出机构如图1（d）所示。

第二，装配方案说明：推出机构采用的是电机、齿条机构。当系统称量好以后，程序将驱动电机，电机带动齿轮在齿条上运动，这个机构通过外接件与一个推杆连在一起，推杆带动卸料机构将料从窗口卸下，同时推杆接触到行程开关使电机反转带动推杆返回原位，完成推出过程。

创新点：巧妙应用齿条机构，可以在称重系统外设置电机，可以减小因电机振动带给称重系统的误差；利用对称双电机驱动，增加了推出的机构的平衡性，增大了推出力矩，使推出机构更加平稳地配合卸料机构工作，增加了系统的准确性。

2.3.5 整机机构。

第一，整机机构如图1（e）所示。

第二，装配方案说明：本系统主要由一个两层的整体大铁架、摆放在铁架上层的三个可定制称重部件和推出机构组成，下层空间可以摆放物料回收装置或下级的混料系统。支架下面安装有四个小轮，整体移动、搬运非常方便。本设计可以针对三种不同（可设计成多种）的物料进行自动称重配料，三个可定制称重部件均由上面介绍的喂料、称重、卸料机构组成。可定制称重部件利用螺丝固定在大铁架上，部件的卸料采取整体推出卸料方式，称重部件两边的步进电机带动直齿条驱使一直长推杆将三个料筒整体推出，实现高效卸料。

3 控制系统设计及说明

3.1 基本功能要求和精度控制

根据配料工艺和配料系统及其机构特征的要求，控制系统应具有七种基本功能：（1）称量功能；（2）通讯功能（包括具体的通讯协议、控制命令的约定和通讯功能的自检测等）；（3）工作站（即可独立的称重模块）选择功能；（4）配料参数（即每种配料的目标称量值、称量份数等）设置功能；（5）数据反馈功能；（6）误差查询功能；（7）各部分机构手动面板操作功能。

控制系统的研制主要从以下方面考虑：虽然每种物料的设定值、黏度、比重、颗粒形状及其大小不尽相同，但在配料系统中控制动作是一致的。喂料阀口结合实称重量的反馈值进行闭环控制，基于大量的实验数据，设置合理的闭环控制参数及方法，提高称量的可靠性和精度。精度控制是本称重系统的技术关键，基于称重机构的设计及其特征，精度控制的方法是基于实验数据，对喂料阀口和传感器反馈数值进行闭环控制，通过设置合理的闭环控制参数及控制方法来保证精度。实践证明，本系统机构的固有特性，包括下料的滞后、卸料有漏泄及阀口可能出现卡死现象等，导致系统能达到的精度受限，表现为实际称量值与目标设定值存在一随机误差，而精度控制的主要工作就是缩减这一误差。

3.2 系统控制原理及硬件设计说明

本系统控制原理及各硬件实物图如图2所示：

控制系统主要由主机和3台分机组成，各部分执行的功能操作如图2所示。

3.2.1 主机。主机需要完成参数输入、面板操作和推出机构的控制，其包括的硬件模块如图2所示，各部分硬件介绍如下：

第一，单片机AT89S52。

主要性能：（1）与MCS-51单片机产品兼容；（2）8K字节在系统可编程Flash存储器；（3）1000次擦写周期；（4）全静态操作：0～33Hz；（5）三级加密程序存储器；（6）32个可编程I/O口线；（7）三个16位定时器/计数器；（8）八个中断源；（9）全双工UART串行通道；（10）低功耗空闲和掉电模式；（11）掉电后中断可唤醒；（12）看门狗定时器；（13）双数据指针；（14）掉电标识符。

第二，LCD1602液晶模块。

显示特性：（1）单5V电源电压，低功耗、长寿命、高可靠性；（2）内置192中字符（160个5*7点阵字符和32个5*10点阵字符）；（3）具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个5*8点阵字符或四个5*11点阵字符；（4）显示方式：STN、半透、正显；（5）驱动方式：1/16DUTY，1/5BIAS；（6）视角方向：6点；（7）背光方式：底部LED；（8）通讯方式：4位或8位并口可选；（9）标准的接口特性，适配MC51和M6800系列MPU的操作时序。

第三，4*4矩阵键盘。

控制原理：

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图3所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，图3中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。具体的识别及编程方法如下所述。

确定矩阵式键盘上何键被按下一般采用“行扫描法”。行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如图3所示键盘，介绍过程如下：

判断键盘中有无键按下将全部行线ROW1-ROW4置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其他线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。

第四，I/O口模拟串口通信。

3.2.2 分机。分机主要功能（如图2所示）：（1）与主机通讯：包括数据和命令的收发；（2）模数转换、数据处理及显示；（3）对阀口处步进电机的控制，控制喂料的速度。

（1）桥式称重传感器；（2）HX711 AD转换模块；（3）两相细分步步进电机驱动器RD-0214M8。

3.3 软件设计说明

3.3.1 整体程序控制流程。本控制系统的软件设计以模块化设计为主，把同一控制对象的若干功能子程序或者系统中大量类似功能的程序段制成头文件，如LCD1602驱动程序头文件、I/O口模拟串口头文件、参数设置头文件、称量及喂料控制头文件等，被主程序调用。本控制系统的软件程序及其算法较为复杂，但整体思路清晰，可由图4中的流程表示：

系统初始化启动后，进入模式选择画面，可选面板操作和参数设置两种。面板操作主要是对系统中部分控制对象进行手动控制，查询或者检测系统部分功能正常与否，包括误差查询、实称重量查询、余料卸空和通信检测四种。参数设置的内容有工作站（即分机）选择、物料份数选择、各配料称量目标值设定等。参数设定完成后，系统进入自动工作模式，主机与分机在称量前和称量后都需进行握手通信，需及时反应数据或命令传输正确与否。后期工作中需进一步强化系统的检错报错功能。

3.3.2 主机程序介绍。主程序中，模式选择、面板操作和参数设置等的控制流程基本都按照图4执行，因此这里主要介绍自主创新设计的16位I/O口模拟串行通信及系统的操作命令协议。

根据RS232的串行通信规则：

串行通信是将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送。如图5所示，本系统把8位的数据帧换成16位的数据帧，硬件上则采用AT89S52的两个普通I/O口，定时器中断和外部中断。其具体程序流程图7所示。

根据本系统实际情况，数据收发的范围为0～1000，只占低10位，因此把16位数据中的高4位作为数据的数据头（保证数据通信的稳定性和正确性）或者操作指令。

具体的高4位数据定义及其作用如表1所示：

3.3.3 分机程序介绍。分机主要功能：（1）与主机通讯：包括数据和命令的收发；（2）模数转换、数据处理及显示；（3）对阀口处步进电机的控制，控制喂料的速度。各分机的工作状况相同，工作流程如图4和图5所示，所不同的是针对具体的称重传感器，需要设置各自的零点和比率。由于该系统要求的称量精度不是十分高，因此AD模块的24位输出值只取高16位。分机系统中步进电机驱动器的控制较为简单，其控制程序也不作解释，这里主要说明一下阀口结合称量反馈值的闭环控制提高称量精度的思路。

通过大量的实验可知，影响称量精度的因素主要有：配料的设定值、黏度、比重、颗粒形状及其大小，储料斗中物料的多少，阀口离称面的高度，一些外界因素如风、振动等。然而这些因素中，有机构固有的无法调节的因素，有外界客观存在的无法避免的因素，因此项目组在调试过程中主要通过当前的称量值控制阀口的大小来提高精度。闭环控制的思路如下：（1）判断目标称量值的大小，若超过200g，则统一将阀口开到一个较大的位置；（2）当称量的反馈值与目标设定值相差小于200g时，启动阀口位置自动调节子程序，将阀口控制到一个根据实验得出的理想位置，减慢喂料速度。当称量的反馈值与目标设定值相差小于100g时，再次将阀口调节值更小的位置，然喂料速度更小；（3）本系统在实际操作时采用细小的沙子，根据实验数据，为了解决称量的滞后问题，当称量的反馈值与目标设定值相差小于10g时，提前关闭阀口。

这一控制过程下来，称量误差及其置信度如表2所示：

4 结论与展望

4.1 结论

（1）本系统的核心处理器为AT89S52，是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，使得系统具有功耗低、成本少、速度高的优点；（2）通过软件编程，实现了配料种数、配料份数、称量值的设定以及数码管、LCD液晶显示器数据的显示；（3）系统在每次称重能自动去皮的同时采用了闭环控制给料的控制方法，提高了称量的准确度，并具有良好的界面显示和键盘操作人机接口，能显示和修改各种参数，操作方便可靠，可靠的参数储存方式使各种参数既能方便地输入和显示，又无丢失的烦恼；（4）采用自主创新设计的16位I/O口模拟串行通信方法解决了芯片串口的限制问题；（5）进行了系统的稳定性、连续性称量和系统误差的测试实验，实验结果表明，本自动配料称重系统的主要技术指标达到了预期的目标；（6）本系统也存在一些缺陷不足，比如稳定性不够高、误差随机性大、结构存在不合理性、称量精度不够高。可见，本自动称重配料系统具有成本低、生产效率高、实用性强的特点。采用本系统进行的称重配料可实现提高称量速度的目的，但同时也存在许多问题。通过本系统的设计，对提高我们的专业知识水平和思维能力有一定的意义，同时本系统可为其他种类动态电子称重仪器和配料系统提供参考。

4.2 展望

虽然本自动配料称重系统已经可以达到预期的目标，但由于个人能力和条件限制，所设计的系统还不够完善。为了进一步提高系统的性能、完善系统功能，可主要从硬件和软件方面入手加以改进：（1）通过更换灵敏度更好的传感器，采用灵敏度更高的传感器，减少因反应的滞后性带来的称量误差；（2）改进系统整体结构和装配，使系统结构更合理，具备抗震性强、稳定性好等性能，包括零件的加工、总支架的设计、推出机构的设计、喂料机构的改进，从而减少对称重的影响因素，提高精度；（3）由于单片机在信号处理方面存在局限性，可以采用数字信号处理芯片DSP与单片机结合，从而提高系统的准确度和实时性；（4）可扩展接口，增加报警功能，包括操作错误报警、称量误差过大报警等；（5）可通过改进软件算法来加强数据处理，进一步消除干扰，提高称量准确度。

当然，还需要在具体实际应用中不断发现问题，以进一步完善和改进现有系统中可能存在的缺陷和不足。

参考文献

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