化肥自動裝袋控制系統(tǒng)的設計

何冬瓊

關鍵詞： 化肥 自動裝袋控制系統(tǒng) 單片機 設計

中圖分類號： TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0044-06

1 緒論

1.1 研究背景

目前，我國的一些中小生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品生產(chǎn)自動包裝控制系統(tǒng)機械化、智能化方面整體的規(guī)模偏小，而且控制技術不完善，儀器儀表的誤差相對較大；不少企業(yè)的精力沒有集中在質的提升上，而更多集中在數(shù)量的擴張上。因而一定程度上，自動包裝控制系統(tǒng)還存在運作不穩(wěn)定、功能結構單一、技術含量低、系統(tǒng)結構相對不平衡的現(xiàn)象，造成企業(yè)生產(chǎn)效率低、勞動強度大且精度低，不能滿足現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)的需要。

1.2 研究意義

隨著社會的不斷發(fā)展，生活水平不斷提高，科技實力不斷增強，企業(yè)也應順應時代要求，不斷提高自身的競爭力，以適應市場的需求。在產(chǎn)品包裝行業(yè)，人們不僅僅在乎產(chǎn)品包裝的外表，更加在乎產(chǎn)品包裝的質量、精度和效率，尤其在工農(nóng)原料的產(chǎn)品中對包裝的精度的要求越來越高?；拾b的精度直接關系到化肥生產(chǎn)企業(yè)和消費者的利益。

本文主要就化肥的裝袋控制系統(tǒng)來討論。自動裝袋控制系統(tǒng)是生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中必不可少的關鍵性的環(huán)節(jié)。自動裝袋控制系統(tǒng)能夠為企業(yè)提高生產(chǎn)效率，改善工人的工作環(huán)境，提供高品質的包裝和高精度的裝袋，為企業(yè)提高市場競爭力，獲取更大的經(jīng)濟效益[1]。同時，鑒于化肥比較容易變質的特點，嚴格的包裝要求可以延長產(chǎn)品的保質期，在商品流通上提供方便。通過完善的自動裝袋控制系統(tǒng)來更好地滿足化肥生產(chǎn)企業(yè)和消費者的需求和利益，這正是研究自動裝袋控制系統(tǒng)的意義所在。

2 系統(tǒng)的工作原理

2.1 化肥自動裝袋控制系統(tǒng)工作原理及分析

系統(tǒng)的基本設計思路框圖如圖1 所示。

自動裝袋系統(tǒng)的工作原理如下所述。首先通過總閘開關控制整個化肥自動裝袋控制系統(tǒng)的啟停。然后通過變頻器來控制電機的速度，通過電機1 驅動傳送帶1（運料皮帶）進行裝袋動作，同時利用稱重傳感器采集被測量對象的質量，再利用內部電路將質量信號轉化成為電信號。該微小的電信號再經(jīng)過放大器進行放大，并對放大倍數(shù)的精度進行控制。當電信號經(jīng)過信號放大后，獲得的較大電信號再通過A/D 轉換器將其轉化成與之對應的數(shù)字信號，最后送入單片機中進行處理。利用單片機中的PID 控制算法運算出控制信號并輸出，然后經(jīng)過D/A 轉換器將單片機輸出的數(shù)字量信號轉換為模擬量信號，實現(xiàn)控制變頻器的目的。而通過變頻器的變頻來達到控制電機速度的目的。當整袋重量未到45 kg 時，電機1 以最快的速度帶動皮帶運送物料。當達到45 kg 時，通過單片機控制變頻器來調整電機1 的速度，以達到精確控制整袋重量的目的。當達到50 kg 時，電機1 停止。啟動電機2，驅動傳送帶2 將整袋化肥送到下個場所并開始計數(shù)。而實現(xiàn)化肥的裝袋計數(shù)的方法是通過紅外傳感器記錄輸入脈沖，通過輸入脈沖輸入單片機來計數(shù)。通過顯示屏顯示實時信息，通過4×4 矩陣鍵盤輸入一些基本點控制信號。利用顯示屏和鍵盤作為人機界面，對整個系統(tǒng)進行必要的控制和監(jiān)控[2-3]。

對化肥的重量控制使用的是PID 控制算法。PID控制算法原理簡單，使用簡便，應用廣泛，而且PID 控制技術趨于成熟，控制效果好。

根據(jù)設計的一些基本要求，系統(tǒng)可以化分成幾個模塊：執(zhí)行模塊、顯示模塊、控制器模塊、通信模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。這里數(shù)據(jù)采集模塊主要是由紅外計數(shù)傳感器、稱重傳感器、信號放大器和A/D 轉換器所組成。轉換后的數(shù)字信號送給控制器模塊，由單片機對數(shù)字信號進行處理，處理后的輸出信號送到執(zhí)行模塊和顯示模塊。系統(tǒng)所需要的直流穩(wěn)壓電源，需要通過簡單的電路設計得到性能穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電壓源。執(zhí)行模塊是控制模塊通過PID 算法后對采集的質量信號進行控制。為了實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能，除了有硬件環(huán)節(jié)的設計、連接和安裝，對軟件環(huán)節(jié)的設計要求也很高，需要軟硬件的密切配合。

2.2 系統(tǒng)組成

2.2.1上位機

上位機直接發(fā)出操控命令，與單片機通過RS-485通信接口對整個自動裝袋計數(shù)系統(tǒng)進行遠程控制，以及監(jiān)控和顯示實時信息。而通過通信接口可以將單片機中的存儲信息與即時信息傳送給上位機，經(jīng)過上位機的顯示、檢測、控制和監(jiān)控進行顯示，并將控制信息傳送給單片機進行相關控制，方便用戶對采集的稱重和設定重量進行比較給出適當?shù)目刂?，并顯示袋數(shù)和故障檢測。上位機處理能力強大，能有效地對數(shù)據(jù)進行分析、處理和存儲。

2.2.2 通信處理模塊

要達成上位機和單片機之間的通信處理，就必須應用一定的通信標準來實現(xiàn)上位機與單片機之間的通信，通過標準的通信接口，單片機就可以將有效信息傳送給計算機。

2.2.3 單片機控制器

單片機是整個控制系統(tǒng)的重要組成部分，通過單片機控制器對傳感器傳送來的各種信號進行處理并發(fā)出控制指令，通過單片機控制器才能對整個系統(tǒng)進行有效的控制。

2.2.4 信號采集部分

通過稱重傳感器、紅外傳感器、放大器、模數(shù)轉換器來采集信號并送入單片機中進行相關的處理。

2.2.5 鍵盤和顯示部分

通過鍵盤輸入控制指令到單片機，通過顯示屏顯示相關信息。

3 硬件系統(tǒng)的設計

此設計利用的是MCS-51 單片機進行系統(tǒng)的控制，用以實現(xiàn)對化肥裝袋及計數(shù)的自動控制。而系統(tǒng)設計方案確立的原則是在滿足設計功能的前提下，保證系統(tǒng)能夠精確地稱重和計數(shù)的同時，力求使系統(tǒng)具備安全運行、投資少、性能好、經(jīng)濟效益好、方便易用等特點。

3.1 硬件選型

單片機選用MCS-51 單片機[4]；電源電壓為220 V/50 Hz；5 V 穩(wěn)壓電源為7805 芯片設計的穩(wěn)壓電路；12 V穩(wěn)壓電源為7812、7912 芯片所設計的穩(wěn)壓電路；顯示屏為LCD1602 顯示屏；傳感器型號為DEG-50 kg 型稱重傳感器；A/D 轉換器為ADC0809 芯片；D/A 轉換器為DAC0832 芯片；儀表放大器為AD620 芯片；計數(shù)器為紅外傳感器E18-B03N1；電機為三相異步電動機；變頻器為ABB 變頻器ACS150 型號；采用RS-485 通信。

3.2 硬件電路圖

由MCS-51單片機、晶振電路、復位電路、電源構成單片機最小系統(tǒng)。由整流電路和三端集成電路LM7805、LM7812、LM7912構成直流穩(wěn)壓電源，作為芯片的電源，實現(xiàn)交流電壓220 V轉換為直流電壓±12 V、5 V，使芯片能正常工作。A/D 轉換器ADC0809 和D/A 轉換器DAC0832 實現(xiàn)模擬量信號和數(shù)字量信號之間的相互轉換。稱重傳感器將測得的質量信號轉換為電信號輸出。儀表放大器AD620 用于傳感器信號的放大接口電路中，放大微小的輸入信號。對于電機的控制，是通過改變頻率來改變電機的轉速。頻率的改變是通過使用變頻器來實現(xiàn)的，變頻器的主要功能是通過調節(jié)頻率來控制和調節(jié)三相交流異步電機的運轉速度。人機界面通過8155 芯片傳送單片機的信息，以及控制鍵盤與LCD 顯示屏，用來實現(xiàn)對計數(shù)袋數(shù)的統(tǒng)計和對系統(tǒng)的基本控制。4×4 矩陣鍵盤電路用于讀取鍵盤的狀態(tài)。顯示屏LCD1602 輸出單片機中的控制信息和實時信號消息。計數(shù)器采用紅外傳感器，對傳送帶上的袋裝化肥進行計數(shù)，實現(xiàn)計數(shù)自動化。數(shù)據(jù)通信模塊完成上位機與下位機之間的通信，通信接口采用MAX485 芯片與單片機相連，來實現(xiàn)RS-485 通信功能。由以上的分析介紹，根據(jù)各個模塊之間的連接和控制，可以設計出化肥自動裝袋控制系統(tǒng)的硬件電路圖，具體見圖2。

4 軟件系統(tǒng)的設計

軟件設計主要包含主程序、采樣程序、數(shù)字PID 算法子程序、RS-485 串行口程序、中斷子程序、鍵盤和顯示子程序等[5-6]。

4.1 主程序

主程序是系統(tǒng)的主要控制部分，也是軟件設計的最重要的部分。主程序能夠調用任何子程序，而不被任何子程序所調用，是控制程序的中心部分。初始化程序包括PID 的參數(shù)和元器件等整個系統(tǒng)的初始化過程。此設計的主程序流程圖見圖3。

4.2 T0中斷服務子程序

子程序是能夠被其他類型的程序調用的，在實現(xiàn)程序功能調用后能夠返回原來的調用程序的程序類型。子程序能夠調用除了主程序之外的其他子程序與自身調用，簡化原來的程序，更好地實現(xiàn)了軟件功能。

T0 中斷服務子程序是本裝料控制系統(tǒng)的主體程序，用于啟動A/D 轉化、讀入采樣數(shù)據(jù)、PID 計算、計數(shù)和控制信號輸出等，而其實現(xiàn)的功能主要是對整個稱重過程的控制。T0 中斷服務子程序流程圖見圖4。

4.3 通信模塊子程序

通信模塊可以實現(xiàn)在遠距離對化肥的自動裝袋系統(tǒng)進行不間斷的監(jiān)控，遇到問題時系統(tǒng)可以相應處理并及時反饋系統(tǒng)的問題所在，更加方便工作人員去監(jiān)控整個系統(tǒng)。串行口中斷子程序是單片機與上位機通信子程序，流程圖見圖5。

4.4 顯示部分程序

顯示部分程序由LCD 啟動模塊、液晶初始化模塊、寫指令模塊、忙檢測模塊、延時/防抖模塊等子程序模塊組成。各模塊程序代碼如下所示。

LCD 子程序

START： MOV SP，#70H

MOV R2，#20

ACALL INIT_LCD

MOV R5，#00H

MOV IN0，#84H

ACALL ENABLE

MOV TH0，#3FH

MOV TL0，#0B0H

MOV TMOD，#01H

START1：SETB EA

SETB ET0

SETB TR0

AJMP START1

液晶初始化：

INIT_LCD： CALL DELAYL

MOV IN0，#01H

ACALL ENABLE

MOV IN0，#38H

ACALL ENABL

MOV IN0，#0FH

ACALL ENABLE

MOV IN0，#06H

ACALL ENABLE

MOV IN0，#0C0H

ACALL ENABLE

RET

寫指令：

ENABLE： CLR RS

CLR RW

CLR E

ACALL CHECKBUSY

SETB E

RET

程序忙檢測

CHECKBUSY： MOV IN_0，#0FFH

CLR RS

SETB RW

CLR E

NOP

SETB E

JB P1.7，CHECKBUSY

RET

延時：

DELAYL： MOV R7，#100

D1：MOV R6，#98

DJNZ R6，$

DJNZ R7，D1

RET

5 結語

本文從控制系統(tǒng)的工作原理、軟硬件設計等幾方面進行了闡述和分析，最終設計出操作方便、自動化程度較高、應用范圍廣的化肥自動裝袋控制系統(tǒng)。在設計過程中，提出了采用數(shù)字PID 控制原理構成的閉環(huán)負反饋系統(tǒng)替代原有的開環(huán)控制系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的控制精度，并且對整個控制系統(tǒng)的軟件、硬件進行具體的選材和設計。同時，給出了與之相關的人機界面、計量系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)、計數(shù)系統(tǒng)的設計與實施方案。對化肥自動裝袋控制系統(tǒng)的研究，可以加速化肥企業(yè)的生產(chǎn)自動化進程，提高生產(chǎn)效率和企業(yè)利潤。