基于单片机的自动加料控制系统设计

陈 云 董阳阳 钱黎明 成亚云

（南通理工学院，南通 226001）

随着生产的发展，市场对加料机的需求量与日俱增。加料机逐步衍生出不同种类，以适应不同的工作需求，而其控制方式也从传统的人工控制向全自动控制过渡，以更好地适应市场，解放劳动力，提高生产率。在加料过程中，它能够及时且准确地获取加料机输送管内粒料量的数据信息，对提高定量加料的准确性与效率具有十分重要的意义[1]。

1 加料机硬件设计

1.1 系统硬件总体设计

采用IAP15W4K58S4单片机作为加料机的控制单元，通过7个按键实现对加料机的进出料进行操作。物位传感器检测料斗中物料信号，若物料仓中超料，则机器进行报警。TFT显示器显示机器的状态参数，通过继电器控制的步进电机改变机器工作状态。原理框图如图1所示。

图1 控制系统原理框图

1.2 电源电路设计

加料机设计采用额定工作电压为直流+5 V电压的单片机，TFT显示屏采用直流+3.3 V的电压供电，因此电源部分需要设计5 V稳压电路和3.3 V稳压电路。选用型号为EE13的变压器，额定工作电压为100～240 V，变压后输出电压为15 V，输出电流可达到300 mA以上，能够满足后续负载的供电需求。

选用4个型号1N4001的整流二极管组成全波整流桥，将交流电整流为直流电。采用的型号为LM7815的三端稳压器芯片，具有输出晶体管SOA保护、过热保护和短路保护等特点，通过外加电容实现对输入端或输出端的电路滤波。5 V稳压电路采用AMS1117稳压器。AMS1117正向压降稳压器具有限流功能和过热切断功能，可防止温度超高造成击穿损坏。在电路中通过在AMS1117输入输出端分别连接一个104 μF的电容，实现电路的去耦合与滤波作用，以确保电路的稳定性。3.3 V稳压电路采用RT9193-33型号电压调节器调控5 V至3 V电压。

1.3 开关电路

采用7组按键，实现包括物料仓的加料、电机加减速及加料机的启停等相应功能。通过外部设计硬件电路组成矩阵电路连接I/O口，并通过软件设计编程对电路进行扫描获取被按下按键号，同时将按键接入外部中断引脚，形成中断式按键。

1.4 电机驱动电路

采用DRV8825芯片作为控制器驱动步进电动机，芯片集成了短路、过热、欠压及交叉传导保护电路，能够检测故障状况并迅速切断H桥，从而为电机和驱动芯片提供保护[2-4]。电机驱动电路如图2所示。

图2 电机驱动电路

1.5 继电器电路

报警电路采用继电器控制，继电器的供电电压为5 V。电路采用光电耦合器把驱动电路和控制电路分离开，提高了电路系统的稳定性。采用两个型号为IN4001的二极管为防止电流回流对电路造成损坏，并加了两个发光二极管，实时显示电路工作状态。这里选取型号为JQC-3FF-S-Z的继电器。继电器驱动电路如图3所示。

图3 继电器驱动电路

1.6 显示电路

显示部分采用的是1.8寸TFT液晶彩屏，具有128×160个字符点阵显示位，可通过软件编程实现汉字与字符的显示。显示器与单片机之间的数据传输采用串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）总线协议传输。

1.7 遥控电路设计

为实现远程对加料机的操作，设计了无线驱动模块。电路分为编码发送与信号接收解码两个部分。采用的供电电压为3 V，工作频率为433 MHz。

发射电路中采用PT2262编码器进行串行数据调制，设有4个按键用以实现加料机的开始、暂停、停止及换仓的基本功能，并加装了声表谐振器用作载波频率发生器。

接收电路中采用TCT6627学习型无限解码芯片，实现智能解码，兼容性强，支持常用的8位三态地址固定编码芯片。设计的电路包含自锁互锁点动功能，可以通过跳线实现。

2 加料机软件控制系统设计

加料机软件控制系统是通过软件对总程序进行设计分析，通过模块化的方式逐一对主控制器控制程序、蓝牙信号发送与接收程序、按键输入程序、电机驱动程序、继电器驱动程序及红外线遥控程序等进行设计编写与分析[5]。

系统主要实现以下几种功能：

（1）当有单独物料仓工作信号输入时，能够实现1号或2号物料仓单独工作，完成进料、排料等功能，或是停止功能；

（2）当有同步工作信号输入时，可以实现物料仓交替进行加料或是停止；

（3）加料机工作状态、物料信息可以通过显示屏幕实时显示。

开始时对加料机的各项基本数据赋予初始值，系统开机后，物料传感器开始工作，测量与物料仓中的物料储量的距离，以此来判断储量，并且通过屏幕显示。操作者根据屏幕显示信息判断是否满料，若满料则按下排料按键进行排料操作，否则按下相应的启动按键，启动加料机进行进料操作，主流程如图4所示。

图4 主流程图

3 加料机调试

为了验证控制系统设计的准确性，使用3D打印物料机模型进行调试，接通电源，按下准备按钮，控制系统进入准备阶段，显示屏显示加料机工作状态为准备中。按下加料按键，加料机开始进行加料工作，屏幕显示加料中。当料斗中传感器检测到物料过多时，报警器进行报警。经过多次试验，物料机控制系统满足设计需求。

4 结语

产品的智能化发展是必然趋势，所以加料机在自动控制方面不断更新迭代，未来的市场需求将会稳步增加。这款加料机提升了设备的自动化水平，每一个工作步骤均不需要操作者手动操作，可以通过控制器实现两个物料仓的交替进出料工作，提高了加料机的加料效率，减少了工作用时。