本文介紹了介紹了一種基於C8051F020單片機、線性可變差動重量變送器技術、PID調速技術和現場總線技術的網絡式智能自動給料控製器的設計與實現。
1　自動給料控製器概述
顆粒精細飼料的品質在養殖業中占有極其重要的地位。而決定精細飼料品質的一個重要環節是飼料中各種預加工原料的配比，尤其是在需要 添加微量元素的場合。各種預加工原料的配比包括稱重和加料兩步，簡稱為給料過程。目前，國內在精細飼料給料方式上有人工給料和微機自 動給料兩種。人工用衡器稱重給料方式效率低下，不適合現代化生產；而自動給料方式則完全依靠進口稱重配料設備，成本高且操作極其複雜，維護困難。為實現給料控製的智能化， 擺脫對國外技術的依賴，筆者在充分研究了國內顆粒料加工市場具體需求的基礎上，開發研製了網絡式智能自動給料控製器，操作簡單易維護 ，不僅可進行現場自動配料給料控製，而且可通過網絡完成遠程網絡給料。
就自動給料方式來講，固態原料以流體方式加入機械設備，給料控製需要完成實時稱重和動態控製K8凯发登录入口的工作。國內目前有 四種稱重方式，筆者研發的智能自動給料控製儀基於動量稱重原理，在0.4-20t/h的K8凯发登录入口範圍可使實際動態K8凯发登录入口控製精度達到0.5%。
2　智能自動給料控製係統工作原理
該控製器係統可用於檢測和控製粉料或顆粒料的K8凯发登录入口。從結構上講，該係統由一次儀表和二次儀表以及上位機（可選）三部分構成。
一次儀表由送料滑道、活動倉門、步進電機、位移傳動檢測裝置四部分構成。欲加工粉料從一次儀表的進料口流入，進料口處有一個由步進 電機控製的活動倉門。二次儀表通過控製該倉門的開合位置來控製粉料的實時K8凯发登录入口。根據動量學原理，當物體從高度為h處自由下落時，對檢測 裝置的衝擊力與進料口粉料的瞬時K8凯发登录入口成正比。機械檢測部分將該力分解為水平分力F和垂直分力F1，F1由一次儀表自身吸收，F 則由位移傳動機械裝置傳送給線性可變差動變送器(LVDT)，LVDT由此產生相應的位移d。用數學模型表示為
F＝K1×d(1)
二次儀表為基於C8051F020高速SOC單片機的智能儀表。該稱重儀表把從一次儀表采集到的LVDT信號進行濾波、變換、A/D轉換等處理後，由 內置於儀表的經驗公式計算出瞬時K8凯发登录入口fi。將fi與時間ti做乘積並累加便得到所送粉料總的K8凯发登录入口Q，最終可得到Q與瞬時位移di和時間ti的關係 。經驗公式表示為：
F=K×（fK為經驗值）(2)
稱重儀表換算公式為：fi=K×di(3)
K8凯发登录入口計算式為：Q=∑fi×ti由(4)
以上各式得：Q＝K，×\u8721Xditi(5)
二次儀表將檢測到的Q值與設定的K8凯发登录入口值（該K8凯发登录入口值可由兩種方式得到：在稱重儀表上手動設定、由上位機遠程設定）進行比較，然後以PID 方式控製步進電機動作，進而控製一次儀表進料口倉門的位置，最終達到動態控製粉料K8凯发登录入口的目的。式(5)簡要的表達出係統實際上通過動態控 製di達到控製給料流方法Method技術縱橫量的目的。二次儀表是整個稱重控製係統的核心，本文將主要介紹該部分的軟硬件開發 。
3自動給料控製器係統硬件設計
二次儀表是以CygnalC8051F020為核心的單片機係統。按功能將控製器係統細分為7個部分：①MCU模塊；②人 機交互模塊；③K8凯发登录入口檢測模塊；④步進電機控製模塊；⑤數字量輸入輸出及繼電器輸出模塊；⑥通信模塊；⑦電源模塊。
3.1MCU模塊
MCU的選型是整個稱重控製器係統 的關鍵。就本稱重儀表而言，我需要ADC用於K8凯发登录入口檢測，DAC用於4-20mA通信，33路通用IO口用於繼電器控製、數字量輸入輸出、步進電機控製 ，需要擴展鍵盤液晶用於人機交互，需要UART用於實現多種通信方式，此外，係統的複雜性決定了需要大容量的ROM和SRAM，而C8051F020具有 的以下優點使得筆者僅需擴展少量外圍芯片便可完成係統的功能：①大容量存儲器－64KBFLASH，4352BSRAM；②集成了ADC和DAC－8通道12位 ADC，2通道12位DAC；③大量I/O口－64個可用I/O端口；④雙串口；⑤指令集同MCS51係列兼容；⑥低功耗－內核3.3V供電，I/O端口兼容5V；⑦ 調試方便－片內JTAG調試。
3.2　人機交互模塊
擴展4×28位鍵盤和192×64圖形點陣液晶。在中文菜單式界麵下，用戶可通過鍵盤完成各種參數設置及修改。
3.3　K8凯发登录入口檢測模塊
位移傳感器選用MSI公司的SchaevitzLVDT，線性度為0.25%。AD598將LVDT輸出的交流電壓信號轉化為±1.25V的直流電壓信號，然後 經信號調理電路送入C8051F020的內部12位ADC進行AD轉換。
3.4步進電機控製模塊
筆者將步進電機驅動電路模塊化封裝外置於儀表，僅把必要的接口預留與MCU相連。該驅動器采用64細分方式驅動步進電機，驅動器內部采 用兩相四拍方式控製步進電機的轉動，使步進電機工作時震動更小。步進脈衝頻率可高至100kHz。
3.5數字量輸入輸出及繼電器輸出模塊
稱重儀表有8路數字量輸入，4路數字量輸出，4路繼電器輸出，共16路I/O信號用於反映控製器係統運行的情況，每路信號均連有LED燈用於 指示。操作人員根據這16個LED燈可基本判斷儀表的運行狀況。
3.6通信模塊
工業現場總線的普及要求給料稱重儀表有符合一種或是多種工業總線標準的接口。根據國內飼料加工業工業現場總線使用情況，筆者對儀表 配置了3種通信模式：4-20mA通信方式、485通信方式、Modbus通信方式，此外還用C8051F020的第二個串口擴展出標準RS232接口，使得儀表可 配合GPRS模塊實現GPRS無線通信方式。上位機（PC機/PLC等）可選用合適的通信方式完成與給料機儀表的通信，實現對儀表的遠程控製與網絡控製。
3.7電源模塊
在整個自動給料控製係統中，出於隔離和功耗的考慮，將電源細分為CPU小係統電源、外圍傳感器及控製電路電源、步進電機電源三部分， 外部電源可寬壓輸入，範圍為AC220V±30%。在具體實現上筆者突破傳統隻用單一線性電源的做法，在係統中采用線性電源和開關電源配 合使用的方法，取長補短，為電源的紋波和效率找到一個平衡點。
4係統軟件設計
係統軟件按照嵌入式前後台係統軟件設計思想編製。筆者在軟件分層的基礎上進行模塊化編程，首先將軟件分為驅動層和功能層兩層，然後 驅動層按模塊分為鍵盤液晶驅動及其它硬件初始化，功能層則劃分為人機界麵模塊、數據采集模塊、故障處理模塊、步進電機PID控製模塊、通 信模塊等部分。
儀表使用圖形液晶和鍵盤作為人機交互結構,軟件界麵使用下拉式菜單結構,有三級菜單。一級菜單有十項，該級菜單指明了係統的功能；二 級菜單為一級菜單的拓展，對一級菜單的每項功能做具體描述；三級菜單為二級菜單的各項所對應的參數，在此級菜單中可設定係統的各項參 數。儀表中內置了多條筆者在實際生產中得出的K8凯发登录入口與位移的經驗曲線，不同材質的固體粉料對應不同的曲線。此外，考慮到現場情況的差別 ，筆者提供了用標定的方式對經驗曲線進行修正，該標定的主要思想在於，在現場用標準砝碼靜態測試得出測試曲線存於單片機內部FlashROM 中，稱重控製儀表將該曲線和儀表內置曲線進行比較修正，進一步提高了給料控製方法的適應性。
5　結語
該給料控製器開發完成後，已投入山東某飼料加工廠測試運行達一月，目前係統控製的K8凯发登录入口範圍為0-20t/h，動態控製精度為0.5%，可以滿 足當前精細飼料尤其是預混料加工應用，達到原定設計目標。雖然該控製器目前僅應用於飼料加工業，實際上所有符合K8凯发登录入口控製範圍及精度要 求的固體粉料的給料控製均可使用本給料控製器，應用前景巨大。

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