基于单片机的自动混料控制系统设计

摘 要：目前，我国许多中小企业采用人工混料的方式来进行配料，故不能达到现代企业对混料过程精确、快速、实时的质量控制需求。根据中小企业的经济现状和混料质量控制需求，以单片机为控制核心设计了自动混料控制系统。该系统结构简单，控制方便，具备混料数据采集、数据存储显示、混料自动控制等功能，并在控制回路采用积分分离PlD算法，有效地改善了系统控制性能。该系统还具有一定通用性，能对其稍作改进后便能适用于众多企业的混料自动控制，因而具有较高的性价比。

关键词：单片机；混料控制；自动混料；PlD控制

一、引言

在工农业生产和许多科学试验中，如在医药、食品、合金、油漆、陶瓷、混凝土、洗涤剂、混纺纤维、聚合物塑料、汽油混合物及烧结矿等众多产品的生产过程都需要进行混料。所谓混料，通常是指将原材料按一定比例混合在一起的过程。一般地说，某工序若没有进行系统的混料参数优化，混料参数搭配不合理，势必造成质量较差、损耗较高、技术经济指标欠佳的状况，因此在生产过程中，提高原材料的混料精度是保证产品质量的重要条件。故此可以说，混料是一种被广泛应用的改进挖潜余地较大的工艺。

目前，由于自身资金不足等诸多原因，我国许多中小型的生产企业通常不得不在生产过程中采用人工混料的方式来进行配料。因此在产品的质量控制方面，这些生产企业通常是每隔一段时间对产品的配料质量进行一次取样化验，进而根据取样化验结果来调整下一段时间的混料比例。这种人工或半人工的混料方法通常来说速度都不快，精度也不一定够高，因此，很能达到现代企业对混料过程精确、快速、实时的质量控制需求。根据中小企业的经济现状和混料质量控制需求，以单片机为控制核心来设计具有实用方便、性能稳定、响应快速、精确较高、价格较低等特点的自动混料控制系统。这种自动混料控制系统应该具备混料数据采集、数据存储显示、混料自动控制等功能，并在一定的程度上具有通用性，能对其稍作改进后便能适用于众多企业的混料自动控制。

二、自动混料控制系统的运行与控制原理

在自动混料控制系统中，用于混料的生产原料经过相关处理后分别存入各自相应的原料库中，原料库底部的下料口通过卸料阀与皮带秤相连。皮带秤是一种用于卸料和计量的皮带机，其测量重量通常是与皮带上原料重量成正比的。一般来说，用于卸料和计量的皮带机上会安装有测力传感器和编码传感器。其中，测力传感器可以测量皮带上原料重量，并此重量转换输出为瞬时的电压信号；而编码传感器则可以测出皮带机的输送速度，并此速度转换输出为脉冲信号。当自动混料控制系统启动后，将会通过卸料阀来打开当前需要用于混料的原料库，使生产原料流到用作卸料和计量的皮带秤上，同时系统还将通过电机按照设定的速度来带动皮带机装载原料而转动。随着系统控制皮带的转动，自动混料控制系统的原料库下料口的原料便会被拉出原料库。这时，自动混料控制系统便能通过对皮带机的速度及其上原料的称重等参数而计算出该原料的当前流量，进而通过对比经过优化而设定的流量来检测当前的混料质量的好坏。若当头流量与设定流量有较大的偏差时，自动混料控制系统便可以通过调整皮带机转速来调整混料质量，进而提高产品的生产效率和产品质量。

按照自动混料控制系统的运行原理，自动混料控制系统应该有各类原料的设定流量参数、代表皮带机输送某原料重量的瞬时电压参数、代表皮带机输送某原料速度的脉冲信号参数等输入参数。在自动混料控制系统运行的过程中，皮带机输送原料的瞬时流量函数为：F（t）= R（t）V（t）。式中，F（t）代表皮带机输送某原料的瞬时原料流量；R（t）代表皮带机输送某原料的瞬时重量；V（t）代表皮带机输送某原料的瞬时速度。因此，设L为输送某原料的皮带机的有效的称量段的长度，则时间T内自动混料控制系统输送某原料的累计流量为：

一般来说，自动混料控制系统输送某原料的瞬时流量与预先设定的流量值之间通常会在一定程度上存在偏差，而这种偏差的大小通常会直接地影响到混料效果的好坏，因此需要自动混料控制系统采取某种控制方法来对其进行控制，以消除输送某原料的瞬时流量与预先设定的流量值之间的偏差。为此，本文所设计的自动混料控制系统采取闭环控制的方式来消除这种偏差，自动混料控制系统控制结构如图1所示。图1 自动混料控制系统的控制结构示意图

一般来说，自动控制系统的精度、稳定性、灵敏度等重要性能会受到自动控制系统所采用的控制方法的影响。在自动控制领域中，PID控制是应用最广泛的控制方法之一。长期的工程实践检验表明：PID控制是一种技术成熟且应用灵活的控制方法。一般而言，自动控制系统在系统控制启动、系统控制停止以及大幅度改变系统控制值的时候通常会产生很大的超调（由于瞬时控制量与设定目标控制量之间偏差太大而造成的超调）。为此，本文所设计的自动混料控制系统采取PID积分分离的控制方法来进行控制。一般来说，自动控制系统采用积分分离的控制方法，可以缩短自动控制系统的调节时间，明显改善自动控制系统的调节性能，从而显著地降低自动控制系统的超调影响。采取PID积分分离的控制方法后，当瞬时控制量（皮带机输送某原料的瞬时流量）与设定目标控制量（某原料的设定流量）之间偏差太大的时候，则取消系统的积分作用；当瞬时控制量（皮带机输送某原料的瞬时流量）与设定目标控制量（某原料的设定流量）之间的偏差小于某值的时候，系统才加入积分作用。通过PID积分分离的控制方法，本文所设计的自动混料控制系统获得了满意的控制效果。

三、自动混料控制系统的硬件设计

就系统硬件而言，本文所设计的自动混料控制系统由驱动电机、变频器、测力传感器、编码传感器、A/D转换器、D/A转换器、89C51单片机、RAM存储器、键盘输入模块、显示模块以及系统接口等模块组成。

本文所设计的自动混料控制系统采用89C51单片机作为系统分析、处理及控制相关信号的核心。89C51单片机对输入信号进行处理后生成控制信号，并将控制信号送入D/A转换器，将控制信号转换成0～10V的模拟电压信号，并放大到0～24VDC后送至变频器，再由变频器将放大后的控制信号传送给驱动电机，最后由驱动电机根据变换后的控制信号来完成自动混料控制。在本文所设计的自动混料控制系统中，D/A转换器选用的是性价比较好的DAC1230。

在本文所设计的自动混料控制系统中，测力传感器是一个非常重要的部件，其能输出一个随皮带机负载的变化（与皮带上原料重量成正比）而改变的电压信号。通过放大器对该共模电压信号进行放大后，可以得到一个与皮带机负载（皮带上原料重量）成正比的电压信号，因此，测力传感器可以用于测量皮带机上原料的重量。测力传感器所测得的反映皮带机上原料重量的电压信号是模拟信号，不能直接被自动混料控制系统中的单片机接收处理，故需要采用A/D转换器将这一反映皮带机上原料重量的电压信号转换成数字信号，再传递给单片机对其进行处理。在本文所设计的自动混料控制系统中，由于本文所设计的自动混料控制系统的测力传感器测量的是瞬时动态性质的称量，因而在精度、速度等性能指标方面，对A/D转换器的要求是比较高的，因此，本文所设计的自动混料控制系统选用MAMIM公司的使用多斜式积分技术的MAX132 A/D转换器。MAX132 A/D转换器使用简单（通过4线串行接口便能与单片机方便地连接起来），且每秒可转换100次，故与普通的采用双斜式积分技术的A/D转换器相比，MAX132 A/D转换器能在更短时间提供更高精度、更好性能的A/D转换。

此外，本文所设计的自动混料控制系统还具有RAM存储器、键盘输入、数据显示以及系统接口等模块。系统的键盘输入模块和数据显示模块结合起来，能完成设定各类原料的流量参数等功能。RAM存储器能存储各类原料的流量参数的设定值，以便自动混料控制系统能将其与皮带机输送某原料的瞬时流量进行对比，从而实现混料的自动控制。

四、自动混料控制系统的软件设计

就系统软件而言，本文所设计的自动混料控制系统采用了模块化的设计方法，包括有系统初始化程序模块、中断控制程序模块、键盘输入程序模块、时钟管理程序模块以及系统硬件自诊断程序模块等基本的程序模块。

在本文所设计的自动混料控制系统中，中断控制程序模块是最核心的程序模块，其主要由基本控制模块、PID控制模块、数据存取模块以及报警模块等程序模块组成，如图3所示。其中，PID控制模块是整个自动混料控制系统程序核心中的核心，其算法流程如图4所示。通过PID控制模块，当瞬时控制量（皮带机输送某原料的瞬时流量）与设定目标控制量（某原料的设定流量）之间偏差太大的时候，则自动混料控制系统取消积分作用；当瞬时控制量（皮带机输送某原料的瞬时流量）与设定目标控制量（某原料的设定流量）之间的偏差小于某值的时候，则自动混料控制系统加入积分作用。这样，自动混料控制系统便能通过采用积分分离的控制方法，缩短系统的调节时间，明显改善系统的调节性能，从而显著地降低超调对系统的影响。

五、自动混料控制系统的改善措施

1、采取抗干扰措施

在本文所设计的自动混料控制系统中，我们采用了一系列的抗干扰措施，以便提高该自动混料控制系统的可靠性，使其能在各种工作环境下可靠地运行。在软件设计方面，这些抗干扰措施包括：对现场采集的信号采用数字滤波技术进行处理；将空操作指令适当地插入在程序设计中、采用绝对跳转指令使系统在误入非程序区（子程序和程序块连接处）的时候可以返回系统的主程序模块，等等。这些抗干扰措施能保证了系统的正常运行。在硬件设计方面，这些抗干扰措施包括：采用光电隔离措施来处理信号输人和信号输出，采用开关电源来设计主机电源，采用线性电源来设计通道电源，正确地配置系统的接地，等等。这些抗干扰措施能有效地防止了系统内部的各种干扰。此外，在本文所设计的自动混料控制系统中，我们还将看门狗电路设计在单片机上，从而使自动混料控制系统在受到强干扰后，能够快速地恢复到正常的工作状态，从而增强了系统的可靠性。

2、定时测量及校正零点电压

在本文所设计的自动混料控制系统中，在称量的时候，一般在荷重传感器上施加一个机械作用，当荷重传感器空载时，会有零点电压输出。然而，在实际的工程实践中，由于机械的作用，设备发生磨损、积灰等原因容易造成传感器零点电压变化。为了保证自动混料控制系统在测量方面的准确性，需要定时测量零点电压，并在计算过程中去除该零点值。在本文所设计的自动混料控制系统中，具体方法为：在定时中断周期到时，系统输出信号关闭下料阀，停止给料；接着控制皮带秤运转一定的时间，将原料下完，然后进行测量，并存储该零点电压。

3、采用数字滤波技术

一般来说，将数字滤波处理环节加入到系统的PID闭环控制结构中，能明显地降低采用数据所造成的干扰，从而提高系统的性能。数字滤波方法通常有中值滤波法、加权平均法、算术平均法以及一阶滞后滤波法等。在本文所设计的自动混料控制系统中，采用了一种兼容了中值滤波法和算术平均法优点的复合滤波法。自动混料控制系统采用这种方法后，不仅去掉了脉冲对系统的干扰，而且还能平滑地处理采样值，达到了满足系统需求的滤波效果。

六、结语

混料通常是指将原材料按一定比例混合在一起的过程，在医药、食品、合金、油漆、陶瓷、混凝土、洗涤剂、混纺纤维、聚合物塑料、汽油混合物及烧结矿等众多产品的生产过程和许多科学试验都需要进行混料。一般来说，如果混料参数搭配不合理，势必造成质量较差、损耗较高、技术经济指标欠佳的状况，因此提高原材料的混料精度是在生产过程中保证产品质量的重要条件。

参考文献：

[l]潘祥亮，罗利文.基于单片机的水泥配料自动控制系统[J].自动化仪表，2004，（12）.

[2]师玉宝， 张志福.一种基于单片机控制的变频调速配料系统[J].粮油加工，2008，（10）.

[3]龚秉周，徐东明.碳化硅混料装置的控制系统设计[J].机电工程，2008.（5）/

作者简介：郭雷，西安外事学院学生。