智能配料仪的设计.docx

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智能配料仪的设计

本科学生毕业设计

智能配料仪的设计

系部名称：

电子工程系

专业班级：

测控技术与仪器06-2班

学生姓名：

闫永强

指导教师：

吴东艳

职称：

讲师

黑龙江工程学院

二○一○年六月

TheGraduationDesignforBachelor'sDegree

DesignofIntelligentIngredients

Candidate：

YanYongqiang

Specialty：

Measurement&ControlTechnologyandInstrumentations

Class：

06-2

Supervisor：

Lecturer.WuDongyan

HeilongjiangInstituteofTechnology

2010-06·Harbin

摘要

测量和控制是工业生产过程中的重要参数，直接关系到产品的质量和效益。

人工配料需要分别计算出各种物料的多少，然后从各个料仓中提取并放到电子称上称重，最后进行混合。

在这个过程中，工人操作复杂，出错率高，称重无监测，生产数据不能被纪录等不能保证企业的生产工艺。

随着现代自动检测技术的发展、过程控制技术、通讯技术的发展，智能电子配料系统也逐渐的发展起来。

本设计分为六部分：

电子称重及运放，信号采集和模-数转换，按键功能的设定，液晶的显示，机械阀门和电机的控制，AT89S52中心处理器。

通过设计的新型智能配料系统它具有去皮、清零、净重/毛重转换、过载显示及弱电源显示等功能。

此电子配料称重系统最多可有8种物料同时进行配置，配料量、配料比可随意输入，配料次序均可由键盘设定，简单实用，通过LCD液晶直观显示，准确无误，方便记录。

关键词：

电子称重；智能配料系统；自动称量；压力传感器；机械阀门；直流电机

ABSTRACT

Measurementandcontrolisanimportantparameterintheprocessofindustrialproduction,directlyrelatedtoproductqualityandefficiency.Needartificialingredientsofvariousmaterialswerecalculatedhowmuch,andthenextractedfromeachsiloand,putontheelectronicweighing，andfinallymixed.Intheprocess,workerstooperatecomplex,errorrateishigh,weighingnomonitoring,productiondatacannotberecordedandcannotguaranteetheproductionprocess.Alongwiththedevelopmentofmodernautomaticdetectiontechnology,processcontroltechnologyandcommunicationtechnology,thedevelopmentofintelligentelectronicbatchingsystemgraduallydeveloped.

Thedesignisdividedintosixparts:

electronicweighingandop-amp,signalacquisitionandsimulation-digitalconversion,keysfunctionsetting,LCDdisplay,mechanicalandelectricalcontrolvalve,astheprocessorprocessingAT89S52.Throughthedesignofnewintelligentbatchingsystemithaspeeled,clear,netweight/grossweightchange,overloaddisplayandlowpowerdisplay.Theingredientweighingsystemwillhaveuptoeightkindsofmaterialsatthesametimeconfiguration,ingredientcontent,ingredientsthanarefreetoenter,theorderofingredientscanbesetbythekeyboard,simple,practical,intuitiveLCDbyLCDdisplay,accurate,easyrecording.

Keywords:

ElectronicWeighing；IntelligentBatchingSystem；AutomaticWeighing；PressureSensor；MechanicalValve；DcMotor

第1章引言

1.1概述

智能电子配料系统[1]是随着自动化检测技术、过程控制技术、通讯技术、计算机技术的发展而发展起来的。

配料仪广泛应用于化工、冶金、医药、农业、畜牧业等轻重工业，但随着社会的进步，科技的发展，对设备精度和性价比的要求也越来越高，为了满足不同的消费群体，为了能够更好的发挥其价值，为了满足不同的功能需要，所以要根据不同的情况设计不同的配料仪，现在各大厂家生产的配料仪器对功能的实现上略有欠缺，不能够针对一个行业制造出比较专业并切合实际的配料系统，为了能够满足畜牧行业的配料仪[4]，故提出了智能电子配料仪的设计。

1.1.1选题的背景

在建材、化工、冶金、矿山、电力、食品、饲料加工等行业中，有许多产品是将某几种原料按一定的比例混合，通过加工而成。

这种按一定的比例混合原料的过程就是配料过程。

配料过程中，物料混合比例是否按预先的配比进行，将直接影响产品的质量。

现在各行业对配料的效率和精度要求越来越高，人工配料已远远不能满足连续化、自动化生产的要求。

所以研制高效率、高精度自动配料生产线势在必行，而配料控制器[7]是关键的设备之一。

在以往的配料设备[8]中存在以下几方面不足：

给料方式上只有快慢速给料，配料精度的合格率达不到要求；控制信号只有给料控制，其他动作控制满足不了，即使采用PLC动作配合也不理想，且控制算法也难以实现；一般均是单物料工作方式，不适合连续自动配料生产线。

同时，一般配料工业现场粉尘大、工作环境恶劣、劳动强度大、污染环境，不利于操作人员的身心健康；配料种类多，标准量各不相同，对每种物料下料速度和称量精度都要求严格，生产也要求较高；因原料供应厂家不同，料样为粉料的情况下，物料的粘度、比重各不相同，且物料温度、湿度变化易粘连、结块，使物料的流动性降低，对称量精度有一定的影响。

基于综合考虑，特研制了一种用AT89S52为控制中心的智能配料控制器。

1.1.2课题研究的目的和意义

智能电子配料系统的设计目的是提高控制和作业精度。

用于畜牧流程中的新型的电子配料称量系统，作为计量配料的主要设备，由于其具有快速准确、直观等优点，正在逐步取代机械称量系统。

以单片机[11]作为控制核心的电子配料称量系统，具有可设定、测量精度高、性能稳定、成本低廉、使用范围广泛等优点，是简单、小型电子配料称量系统的发展方向。

它具有去皮、清零、自动零跟踪处理、净重/毛重转换、过载显示及弱电源显示等功能。

此电子配料称重系统最多可有8种物料同时进行配置，配料量、配料比可随意输入，配料次序均可由键盘设定，且可断电记忆，简单实用。

实际配料量打印、记录和LCD[13]显示出来。

通过以上的设计和功能的实现彻底满足广大顾客的需求。

着重体现在以下方面：

（1）配料精度：

配料精度是一个重要的技术指标，直接关系到产品的质量和回报率；

（2）可靠性：

可靠性是重要的质量指标，直接影响故障率的发生；

（3）性能价格比：

这是产品竞争力强弱的重要指标。

自动配料装置的核心设备是配料秤,配料秤性能好坏直接影响配料质量的优劣。

随着微电子技术的应用，市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。

为了改变传统称重工具在使用上存在的问题，在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子秤重的控制系统中。

此设计在于通过自主进行课题研究和探索，了解和掌握基本的科学研究方法和手段，本系统主要由单片机来控制，测量物体重量部分由称重传感器[17]及A/D转换器组成，加上显示单元，此电子秤量系统具备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。

在设计过程中，需要掌握智能配料多路巡检测量系统的设计方法，包括单片机最小系统的设计，配料仪电路的设计、显示电路的设计及相关软件的编写[22]等，学会对典型智能测试实例进行分析，掌握智能配料系统的设计和开发步骤。

对于配料系统是一门永远和社会同步的技术问题，对于不同工作环境所造成的现实问题，是智能称量系统主要研究的课题。

每年我国召开智能电子称量系统的会议，希望能够交流，研发出更现代化、更准确化、更高效化、更廉价化的适合现代社会发展需要的仪器和仪表。

在原有机械配料、现有自动配料的基础上，进行技术改造，使生产过程实现智能化和信息化；方便快捷是设计的基本追求，称重准确是计量的根本要求，低廉通用是行业的一直期待，一定要保质保量使得生产得到更大的人性化。

所以说此课题的研究对于提高产品的质量、提高生产效率和完善现代企业管理具有十分重要的现实意义。

1.2国内外智能配料系统的研究现状和未来的发展趋势

1.2.1国内外智能配料系统的研究现状

自国务院颁布《1994-2000年全国饲料工业发展纳要》正式将饲料工业纲入国家国民经济和社会发展计划之后，我国的饲料工业发展迅猛，取得了令人瞩目的成就。

目前，随着自动化控制程度的提高，在冶金、建材、化工、食品加工、饲料加工等行业广泛地需要配料控制器来进行物料配比自动控制。

比如在建筑业，混凝土的配置就是很重要的环节，它不仅关系到工程质量而且还关系到人身安全，在最早的混凝土配置中完全依靠大量的人力来完成，劳动强度大而且由于水泥粉尘的污染损坏了工人的身体健康和周围的环境。

现在许多建筑工程和筑路，建桥、房屋建筑、工厂大规模的建设等都要求，承建建设任务的建筑公司必须使用智能配料控制器来控制物料的自动配比，利用智能配料控制器进行配料，只需一人或几人就可以在现场或远离物料配料场所进行控制配料的完成，不仅节省了人力物力，也减少了环境污染，大大提高了生产效率，为企业降低了生产成本。

物料必须实现科学的配比，如建筑业中的混凝土[24]并非是水泥越多越好。

为了提高产品质量，物料必须实现科学的配比，在食品加工、冶金、化工、饲料加工等行业也越来越注重物料配比的精度和配料的控制速度，也就需要高精度、高速度的智能配料控制器来进行自动控制。

此设计的智能配料控制器也正是为了此目的。

近十年来，我国各大厂商从英国、日本等地引进了多种配料系统，也有一些厂商自主研发了各种形式的配料系统。

但从称量方式上看，有单秤累计称量、多秤分别称量和多秤部分累计称量三种。

单秤累计称量结构简单、成本低，但由于需要选用大量程传感器，称量精度差，累计称量速度慢，只能适用于小型厂小粉料配料速度、精度要求不高的场合。

多秤分别称量为一种物料采用一种秤，统一收集。

它结构复杂、成本高、自动化程度高、称量精度[25]高、秤量速度快。

多秤部分累计称量一般采用2~4台秤，同时对几种物料进行累计称量，其特点介于二者之间。

从自动化程度分，有较简易的人工取料自动称量方式，也有自动给料自动称量的全自动配料系统。

但不论每一种都很难做到普遍通用性，毕竟很难适合各种工作环境。

1.2.2智能配料系统的未来发展趋势

为了能够最大满足用户需要，每年各大配料研究机构都努力的研究最新的产品以满足市场的需要。

技术不断更新，专家不断科研，配料系统也逐渐的走向了成熟。

各种仪器广泛应用于建材工业、日化产品、干粉砂浆、冶金工业、化学工业、饲料行业、水泥行业、以及较难处理的橡胶行业等等配料控制系统。

所以说自动配料系统是未来社会发展的必然趋势。

目前，在各方面对配料控制器的要求逐渐趋向智能化、数字化。

在智能化上要求仪器能自动完成物料的称重、自动调校测量误差、自动进料和卸料、以及能够实现微机集成控制，使操作人员坐在控制中心就可完成所有的工作，节省人力物力。

在数字化上要求信号的处理及传输向数字方向发展，目的是提高系统的抗干扰性和精确度，以保证系统的稳定性和可靠性。

1.2.3国内外水平对比分析

1．配料精度

配料精度是一个重要的技术指标，直接关系到饲料产品的质量、报酬率。

目前国内的智能配料系统一般都能达到静态0.1%F.S、动态0.2%F.S，与国外水平相当。

2．可靠性

可靠性是重要的质量指标。

由于机械工艺、电子元件等基础工业发展的滞后，国内的智能配料系统可靠性与国外产品相比尚有一定差距。

3．性能价格比

这是产品竞争力强弱的重要指标。

国外的智能配料系统是国内同等水平的产品的3~5倍之多，而且售后服务不如国产企业的及时和便利。

由此可见，国内生产的智能配料系统，配料精度已达国外同等水平，其主要性能指标也与国外同类装置相差无几，但可靠性、稳定性及使用寿命等与国外先进设备相比差距较大。

优势是价格较低，仅为进口的一半，维修服务也方便，因而国内饲料企业还是乐意采用国产的配料系统。

1.3设计的研究内容和拟达到的结果

1.3.1设计的研究内容

根据国内外配料行业的发展现状，发现有很多方面还需要进一步改进和提高，所以提出了以下几个方面内容：

（1）价格低廉、体积在原有基础上变小

（2）性能稳定[26]、精确度在进一步提高

（3）抗干扰能力、适应环境能力强，并且可以满足市场上较难处理的固体物料

（4）整体操作简单，便于直观读数，可随意更改配料比例，满足不同顾客的需求

（5）配料种类多，需求工作人员少，有比较明显的推广价值

1.3.2拟达到的结果

通过此智能配料系统的设计可以满足多种饲料的配比，并且根据自身需要可随意更改比例，精确度高、性能稳定、操作简单、抗干扰等适应环境能力强。

它具有去皮、清零、自动零跟踪处理、净重/毛重转换、过载显示及弱电源显示等功能。

第2章方案选择与论证

2.1总体方案的比较与论证

方案一：

采用把若干个控制回路以及所有的变量的显示、操作和控制集中在单一计算机上来实现，结构框图如图2.1所示。

图2.1集中型配料系统框图

方案二：

采用单片机，压力传感器设计出具有智能配料功能的精确测量控制系统。

智能配料称量系统的结构图如图2.2所示。

图2.2智能配料称量系统框图

方案比较：

方案一的做法会产生问题：

即集中的脆弱性问题，单台计算机控制着所有的回路，把危险也集中了，一旦计算机有故障，则导致全面瘫痪；方案二的设计体积小、成本低、计量精度高、工作稳定的小量程电子称。

2.2电压信号放大电路模块的选择

方案一：

应用OP07是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大电路，具有非常低的输入失调电压，无需额外的调零措施，超低偏移，低输入偏置电流稳定性好，这种低失调高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号方面，OP07信号放大器如图2.3所示。

图2.3OP07信号放大器功能框图

方案二：

采用集成运放芯片TL084将基本的差分放大电路和正相放大电路有机的组合起来。

对电压信号进行放大处理，根据系统的需要可以选择不同的阻值就可以产生不同的放大倍数。

使之成为适合A/D转换的（0~10V）的模拟电压信号。

方案比较：

虽然方案一的运放在各个方面都有出色的表现和明显的优势，TL084虽然在放大倍数、温度漂移以及其它很多特性上比不上OP07，但是从本设计应用的角度来考虑，其工作环境以及其它方面要求的条件，TL084完全可以胜任，其中最为关键的是TL084价格低廉、通用性好，而OP07单片价格昂贵、成本高，从成本上考虑本设计，选择通用性更好、价格更低的TL084。

2.3A/D采样电路方案的选择

方案一：

ADC0809转换器采用CMOS工艺制造，8位分辨率A/D转换器、5V单电源供电、8通道输入、转换数据并行输出，工作温度范围为0℃至70℃，共有28个引脚，占用单片机I/O数量多，接口复杂，不易操作。

方案二：

TLC2543[27]采用CMOS工艺，具备12位分辨率、11个模拟输入通道，该芯片采用业界标准串行外设接口（SPI）与外设通信，只需4条信号线便可与单片机等微控制器连接。

片内集成采样-保持电路，且具有转换结束输出引脚EOC。

方案比较：

综合考虑，方案一ADC0809为8位，转换精度低，转换速度慢，且转换精度受环境温度影响较大，引脚数量多，在硬件电路的设计上占用的空间大；方案二TLC2543为12位分辨率精度转换器，采用标准的SPI通信模式，引脚数量少，节省空间，与单片机接口简单，转换速度快，抗干扰能力强。

2.4下料阀门的选择

方案一：

蝶阀又叫翻版阀[29]，是一种结构简单的调节阀，用圆形蝶板作启闭件并随阀杆转动来开启、关闭和调节流体通道的一种阀门。

蝶阀的蝶板安装于管道的直径方向。

在蝶阀阀体圆柱形通道内，圆盘形蝶板绕着轴线旋转，旋转角度为0°~90°之间，旋转到90°时，阀门则处于全开状态。

广泛应用在石油、煤气、化工、水处理等一般工业上。

方案二：

旋塞阀是关闭件或柱塞形的旋转阀，通过旋转90度使阀塞上的通道口与阀体上的通道口相同或分开，实现开启或关闭的一种阀门。

旋塞阀最适于作为切断和接通介质以及分流适用，但是依据适用的性质和密封面的耐冲蚀性，有时也可用于节流。

由于旋塞阀密封面之间运动带有擦拭作用，而在全开时可完全防止与流动介质的接触，故它通常也能用于带悬浮颗粒的介质。

方案三：

电动机械阀门[30]，是通过电带动电机转动，通过机械构造完成操作的一种阀门。

适应能力强、结构简单，精确度可根据需要调整，适应现场需要。

特别适合颗粒状材质，是目前对待大块坚固颗粒下料的最为有效的阀门。

由大功率的电机带动，驱动强劲。

方案比较：

方案一的使用压力和工作范围小，主要用于液体，密封性差；方案二广泛地应用于油田开采、输送和精练设备中，价格比较昂贵，但对于不适合大体颗粒物质。

方案三专为固体物质设计，特别是较难处理的大颗粒物质，通过占空比设置时间的控制，输入脉冲信号实现电机的开关，并可实现正反转操作等功能。

2.5电机驱动电路方案的选择

方案一：

采用三极管驱动电机，设计中应用了H桥臂开关电路，如图2.5所示。

图2.5三极管驱动电机电路

方案二：

利用专业的L298N芯片来驱动直流电机，性能稳定，通过对功能模块的设定，可以实现电机的正转和反转，并提供了一种用单片机软件实现PWM调速的方法，如图2.6所示。

图2.6L298N驱动直流电机电路

方案比较：

方案一的设计虽然也能实现其功能，通过放大功率倍数驱动电机，安装了二极管的保护功能，防止电流过大致使电机烧毁，但是只能驱动小功率的电机，对于大功率的电机不能很好的体现其性能，正反转转换时间过长，不易于操作；方案二采用了专业的芯片，增设了外围电路，整体结构简单，而且可保护过压、过流、过热等情况的发生，造成烧毁电机。

并通过对PWM的设置可调节电机速度，从功能上满足设计的需求。

2.6本章小结

本章介绍了两种智能配料系统的总体设计方案和各模块选择的方案对比，经过对控制功能的实现，硬件电路的设计，各个器件性能的优劣，成本造价的高低等方面的综合考虑，选择出了合理的设计方案。

本次设计各器件的选择均满足需求，得到了实用性的最大化。

第3章系统硬件设计

3.1单片机电路

单片机采用具有8位微控制器和8K字节系统可编程Flash的AT89S52，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52的具有以下标准功能：

8k字节的Flash，256字节的RAM，32位的I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个具有6个向量的2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

AT89S52主要性能如下：

（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：

0Hz~33Hz

（5）32个可编程I/O口线

（6）三个16位定时器/计数器

（7）八个中断源

（8）全双工UART串行通道

（9）低功耗空闲和掉电模式

（10）掉电后中断可唤醒

（11）看门狗定时器

（12）双数据指针

（13）掉电标识符

（14）三级加密程序存储器

AT89S52的引脚如图3.1所示。

图3.1AT89S52引脚图

VCC：

电源。

GND：

地。

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写1时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（I）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表3.1所示，在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

表3.1P1口的描述

引脚号

第二功能

P1.0

T2定时器/计数器T2的外部引脚时钟输出

P1.1

T2EX定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制

P1.2

MOSI在系统编程用

P1.3

MISO在系统编程用

P1.4

SCK在系统编程用

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写1时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/