萬(wàn)青

摘要：針對(duì)工業(yè)兌料系統(tǒng)進(jìn)行流量智能控制，為了降低成本，該文設(shè)計(jì)了一種基于ARM CORTEX m0的智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用低成本ARM 處理器stm32f051作為核心控制器，通過(guò)霍爾流量計(jì)作為監(jiān)測(cè)裝置，采用TFT觸摸屏設(shè)計(jì)人機(jī)控制界面，sdio進(jìn)行信息存儲(chǔ)。本裝置用戶體驗(yàn)良好，成本低廉且控制方便，適用于對(duì)長(zhǎng)時(shí)間兌料工程中的原料流量監(jiān)控與調(diào)整。用戶能夠方便的進(jìn)行控制，同時(shí)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，具有提高效率、節(jié)省成本的良好前景。

關(guān)鍵詞：cortex mo；智能監(jiān)控；人機(jī)界面；原料流量監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）09-2128-03

1 概述

目前工業(yè)上有需要對(duì)化工原料、食用油、添加劑等高粘稠液體進(jìn)行動(dòng)態(tài)定量和計(jì)量，尤其是在車間配料時(shí)需要?jiǎng)討B(tài)跟蹤原料配制狀態(tài)以及被測(cè)介質(zhì)溫度?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)用料需求以及溫度數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)換，計(jì)算出需要的補(bǔ)償介質(zhì)量。并且能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算出出料量、日累計(jì)、總累計(jì)量等數(shù)據(jù)，方便了生產(chǎn)管理以及成本統(tǒng)計(jì)。能夠使所計(jì)算的介質(zhì)質(zhì)量避免受到溫度變化的影響，確保了配料的精度，杜絕人工配料產(chǎn)生的誤差和滴漏等現(xiàn)象，操作簡(jiǎn)單快捷，比人工操作省時(shí)省力，提高工作效率，有效的降低了生產(chǎn)成本，整個(gè)操作更加清潔衛(wèi)生，使生產(chǎn)環(huán)境更加規(guī)范。

2 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用arm作為核心處理器，通過(guò)測(cè)溫鉑電阻進(jìn)行溫度信息采集，設(shè)計(jì)流量監(jiān)測(cè)電路對(duì)霍爾流量計(jì)進(jìn)行信息采集，最后根據(jù)用料需求結(jié)合溫度信息來(lái)控制電磁閥門的通斷。

霍爾流量計(jì)是一種基于霍爾傳感器的金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)，通過(guò)計(jì)算產(chǎn)生的脈沖頻率來(lái)監(jiān)控液體流量大小。鉑電阻是工業(yè)中常用的溫度檢測(cè)傳感器，但是其溫度和阻值存在比較明顯的非線性性，它的靈敏度會(huì)隨著溫度的升高而變小。設(shè)計(jì)中采用利用A/ D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性來(lái)實(shí)現(xiàn)鉑電阻的非線性校正。

電磁閥門采用直動(dòng)式電磁閥，閥門中心為關(guān)閉件，兩端為電磁線圈。通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開(kāi)；斷電時(shí)，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉，這種控制方式較為簡(jiǎn)單可靠，易于處理器控制多個(gè)閥門。

整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，被測(cè)溫度為液體原料溫度，通過(guò)霍爾流量計(jì)監(jiān)測(cè)液體流量。采集后的流量信息和溫度信息送入ARM芯片內(nèi)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)計(jì)算出出料量、日累計(jì)、總累計(jì)量等數(shù)據(jù)，并且存儲(chǔ)于sd卡中，按設(shè)定的溫度要求來(lái)?yè)Q算溫度變化對(duì)介質(zhì)量的影響，并且根據(jù)配料量的要求綜合控制各個(gè)兌料口電磁閥門的通斷。人機(jī)界面通過(guò)觸摸屏TFT顯示實(shí)時(shí)溫度狀態(tài)，并且用于設(shè)定相關(guān)控制參數(shù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 核心處理器的選擇

本系統(tǒng)在核心處理器的選擇上，在滿足設(shè)計(jì)需求的情況下，選擇最優(yōu)性價(jià)比的處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的核心控制。Stm32f051系列arm是st公司基于arm cortex m0 內(nèi)核推出的高性能實(shí)時(shí)處理器。該內(nèi)核具有32位精簡(jiǎn)指令集，并且可以最高運(yùn)行在48MHZ頻率。該芯片具有最大64K字節(jié)Flash，8k字節(jié)的sram，并且具有12位的ADC轉(zhuǎn)換器，16位定時(shí)器，SPI通信接口，并且多達(dá)55個(gè)高速I/O口，非常適合用于本系統(tǒng)中。系統(tǒng)核心硬件示意圖如圖2所示：

如上圖顯示：系統(tǒng)電源通過(guò)24v供電，24v電源分兩路，一路輸出電磁閥門供電。一路進(jìn)行降壓，通過(guò)LM2596T和asm1117分別降壓為5v和3，3v，其中5v通向霍爾流量傳感器，3.3v給主控制arm供電。8M晶振提供給主芯片作為時(shí)鐘晶振，同時(shí)由于要使用到內(nèi)部rtc，同時(shí)連接低速32.768khz晶振。調(diào)試通過(guò)jtag標(biāo)準(zhǔn)20腳進(jìn)行程序的下載與仿真。外部留下rs232串口模塊用于ISP程序的燒寫(xiě)與更新。

同時(shí)對(duì)于各液體通道的電磁閥門的控制采用繼電器通斷電源的方式進(jìn)行，電路設(shè)計(jì)如圖3所示，圖中通過(guò)IO管腳控制繼電器的通斷：

3.2 溫度檢測(cè)部分設(shè)計(jì)

對(duì)液體溫度的監(jiān)測(cè)采用測(cè)溫鉑電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方案能夠用于高溫情況下的溫度監(jiān)測(cè)，但是當(dāng)溫度范圍越大，鉑電阻檢測(cè)溫度的非線性越強(qiáng)，因此為了減小在高溫情況下非線性對(duì)檢測(cè)精度的影響，通過(guò)動(dòng)態(tài)反饋的方式來(lái)調(diào)整通過(guò)測(cè)溫鉑電阻的激勵(lì)電流，從而實(shí)現(xiàn)電壓輸出的非線性補(bǔ)償。電路設(shè)計(jì)如圖4所示：

3.3 TFT觸摸屏控制設(shè)計(jì)

觸摸屏觸摸控制采用觸摸感應(yīng)芯片xpt2046，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠快速完成電極電壓的切換，從而實(shí)現(xiàn)A/D信號(hào)的快速轉(zhuǎn)換。硬件電路如圖5所示。

上圖中x+，y+，x-，y-分別連接觸摸屏的正電極和負(fù)電極兩端，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)spi接口和stm32f051相連接，由arm處理器判斷液晶屏的觸摸感應(yīng)點(diǎn)。

3.4 信息存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

為了便于之后的查詢需要，對(duì)于出料量、日累計(jì)、總累計(jì)量等數(shù)據(jù)需要進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)方式采用安全數(shù)字輸入輸出卡（Secure Digital Input and Output Card），SDIO在SD標(biāo)準(zhǔn)上定義了一種外設(shè)接口，具有容量大，便于修改等特點(diǎn)。系統(tǒng)中軟件采用FATFS文件系統(tǒng)進(jìn)行SD卡的讀寫(xiě)。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 信號(hào)采集與處理

信號(hào)采集主要包括溫度采集和流量信號(hào)的采集。圖6和圖7分別為溫度采集流程和流量監(jiān)控的流程圖：

溫度采集程序流程：首先對(duì)用于溫度采集的arm的AD端口進(jìn)行初始化，之后通過(guò)tft觸摸屏選擇發(fā)送溫度采集命令，等待命令接收后進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，接收后的模擬信號(hào)通過(guò)處理器的a/d模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)比預(yù)設(shè)溫度值，進(jìn)行液體體積變化的計(jì)算。并且把實(shí)時(shí)溫度在TFT液晶屏上進(jìn)行顯示。

流量監(jiān)控信號(hào)采集流程：首先系統(tǒng)初始化，tft觸摸屏選擇發(fā)送定時(shí)采樣命令，對(duì)霍爾流量計(jì)輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后根據(jù)轉(zhuǎn)換公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的液體流量，結(jié)合溫度對(duì)液體體積的影響，統(tǒng)計(jì)出料量，對(duì)比是否超過(guò)預(yù)設(shè)值。進(jìn)而更加設(shè)計(jì)要求控制不同的電磁閥門的開(kāi)關(guān)閉合，進(jìn)而精確控制配料量。

4.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

為了方便用戶控制和設(shè)置預(yù)定參數(shù)，設(shè)計(jì)了采用觸摸屏TFT做為基礎(chǔ)的GUI界面，GUI為 Graphical User Interface 的簡(jiǎn)稱，為了提高工業(yè)用戶的可操作性，并且可以省掉機(jī)械按鍵，避免環(huán)境腐蝕，提高了可操作性。本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)GUI脫離處理器和液晶硬件的圖像用戶接口，并在設(shè)計(jì)軟件時(shí)形成獨(dú)立應(yīng)用控件，比如觸摸按鍵顯示，中文顯示，窗口，text文本顯示等。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著自動(dòng)控制的發(fā)展，原料配制越來(lái)越朝著高精度與自動(dòng)化方向發(fā)展。為了能夠更加方便的進(jìn)行控制，該文采用了設(shè)計(jì)GUI控件用于TFT觸摸屏用作人機(jī)操作界面，采用鉑電阻作為溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，霍爾流量傳感器進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)，采樣后的信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)arm處理器處理?yè)Q成出料量后與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，進(jìn)而按照設(shè)計(jì)要求控制電磁閥門的開(kāi)與閉，精確控制每種不同配料的流入

量，并且通過(guò)arm的spi接口外接sd存儲(chǔ)器進(jìn)行信息存儲(chǔ)。本方案具有操作方便，用戶界面友好，自動(dòng)化程度高，精度高，并且成本低廉等特點(diǎn)，特別適合用于各種工業(yè)場(chǎng)合。

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