用8031單片機(jī)實(shí)現(xiàn)預(yù)拌混凝土配料的自動(dòng)控制系統(tǒng)

摘要：本文介紹了預(yù)拌混凝土配料自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、工作原理及主要軟件流程。硬件以8031單片機(jī)作為控制核心，采用閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料流量的自動(dòng)控制。軟件采用以偏差為控制目標(biāo)的PI 算法。將物料的瞬時(shí)流量值與定時(shí)抽樣化驗(yàn)后的給定物料值進(jìn)行比較，輸出調(diào)節(jié)量，去控制可控硅的導(dǎo)通角，達(dá)到改變激磁電壓從而改變電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使物料流量穩(wěn)定在給定值，達(dá)到物料配料自動(dòng)控制的目的，該系統(tǒng)硬件配置少，投資小，特別適用在中小型攪拌站使用，有推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：8031單片機(jī)  閉環(huán)控制  PI運(yùn)算控制器  軟件

1 前言

    在預(yù)拌混凝土生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原材料的質(zhì)量采用合理的配合比是影響預(yù)拌混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。因此，國(guó)內(nèi)好多攪拌站都采用計(jì)算機(jī)對(duì)預(yù)拌混凝土生產(chǎn)進(jìn)行過(guò)程控制。本文介紹以8031單片機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)配料系統(tǒng)，具有自動(dòng)計(jì)量配料效果好，成本較低，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。這套系統(tǒng)在梅縣梅雁建筑工程有限公司攪拌點(diǎn)使用一年多來(lái)，大大提高了預(yù)拌混凝土質(zhì)量，受到了用戶(hù)的好評(píng)，如果對(duì)硬件的傳感器件和接口電路進(jìn)行修正，再對(duì)軟件適當(dāng)變通，還可廣泛用于水泥、化工、石油、玻璃及飼料等類(lèi)似的配料生產(chǎn)。

2 物料的流量控制和計(jì)量原理

    預(yù)拌混凝土的主要原料是按一定的比例混合的水泥、沙、石、粉煤炭等。為了保證預(yù)拌混凝土的質(zhì)量，必須對(duì)出料的混凝土成分定時(shí)進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，然后不斷調(diào)整混凝土的配合比例。在皮帶送料的連續(xù)生產(chǎn)中，有8031為核心的控制器對(duì)每種物料流量的控制框圖如圖1 所示。

    從圖中可知，8031為核心的微機(jī)控制器有二個(gè)輸入信號(hào)：一是皮帶下面荷重傳感器輸出的與皮帶上物料重量成正比例的電壓信號(hào)；二是由測(cè)速電機(jī)給出的反映送料皮帶速度的信號(hào)。這兩個(gè)瞬時(shí)量的乘積就是物料的瞬時(shí)流量：F（t）=P（t）·V（t）。而在時(shí)間T 內(nèi)皮帶輸送物料流量的自動(dòng)控制，采用如圖2 所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

    當(dāng)系統(tǒng)投入運(yùn)行之后，8031定時(shí)采集荷重信號(hào)和速度信號(hào)。經(jīng)運(yùn)算得到的瞬時(shí)流量值再與由定時(shí)抽樣檢驗(yàn)后給定物料的值進(jìn)行比較，然后采用以偏差為控制目標(biāo)的PI運(yùn)算，輸出一個(gè)調(diào)節(jié)量，用以控制可控硅的導(dǎo)通角，從而改變激磁電壓及電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)（即滑差電機(jī)）的轉(zhuǎn)速，使用使物料流量穩(wěn)定在給定值，達(dá)到自動(dòng)定量給料的目的。

3 8031微機(jī)控制器的硬件配置

    以8031為核心的定量給料自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件配置如圖3所示。在結(jié)構(gòu)上該控制器采用目前比較流行的功能模塊小板結(jié)構(gòu)。它主要包括主面板、接口板、調(diào)速板、電源板等四個(gè)部分。這四個(gè)部分的主要功能和結(jié)構(gòu)概述如下。

（1）主機(jī)部分。

    這部分是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。其任務(wù)是完成數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算、存儲(chǔ)、控制及顯示。其中8031是CPU，8KX8的EPROM2764是控制系統(tǒng)的程序存貯器。8031外部數(shù)據(jù)的存貯器選用2KX8 的靜態(tài)RAM6116。擴(kuò)展I/O接口電路8155 將前向、后向兩個(gè)通道與8031相連。其中8155 的B口用來(lái)與前向通道連接，以采集模擬信號(hào)。A口用來(lái)與后向通道連接，輸出物料的瞬時(shí)流量，同時(shí)也輸出一個(gè)調(diào)節(jié)量。C口為控制口。8279把鍵盤(pán)、顯示器與8031相連接，組成簡(jiǎn)單的人機(jī)通道，復(fù)位電路（包括自檢測(cè)自恢復(fù)復(fù)位、上電復(fù)位、按鍵復(fù)位，電源電壓監(jiān)測(cè)復(fù)位），報(bào)警電路。當(dāng)物料卡塞或控制器不正常時(shí)能產(chǎn)生聲光報(bào)警。累積量由電磁計(jì)數(shù)器顯示。

（2）接口板電路。

    接口板電路包括前向通道，后向通道，抗干擾屏障。前向通道是從傳感器獲得的荷重信號(hào)的輸入通道，也是給定流量和瞬時(shí)流量信號(hào)的輸入通道。該通道由荷重傳感器；信號(hào)濾波網(wǎng)絡(luò)，高精度低漂移運(yùn)放FC72、多路選一開(kāi)關(guān)4051及ADC0804T等組成。后向通道有兩路輸出信號(hào)：一路是皮帶秤瞬時(shí)產(chǎn)量的輸出信號(hào)，是為需要皮帶秤瞬時(shí)產(chǎn)量的外部控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，此信號(hào)也作為8031采樣瞬時(shí)量的信號(hào)；另一路輸出調(diào)節(jié)量，此調(diào)節(jié)量再經(jīng)調(diào)速板去控制滑差電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到實(shí)際物料量逼近給定值的目的。后向通道主要由DAC0832，電流/電壓變換電路a741，電壓跟隨器A741，電磁計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)電路等組成。在強(qiáng)電干擾環(huán)境下，抗干擾屏障是微機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)能否可靠的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，在前向通道的A/D之后和后向通道的D/A 之前都設(shè)置了光電器件TL117。

（3）調(diào)速板。

    調(diào)速秤產(chǎn)量的大小最終通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整來(lái)完成。調(diào)速板的主要作用就是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。這部分有兩個(gè)功能模塊：一是可控硅觸發(fā)電路，二是電機(jī)速度信號(hào)提取電路。調(diào)速板的大致原理是：從后向通道輸出的調(diào)節(jié)量和從測(cè)速發(fā)電機(jī)反饋過(guò)來(lái)的反映皮帶速度的電壓信號(hào)進(jìn)行比較，比較后的輸出信號(hào)去改變可控硅的導(dǎo)通角，從而改變激磁電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)給料電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

（4）電源部分。

    電源部分應(yīng)該考慮的問(wèn)題有二：①抑制來(lái)自電源的干擾；②荷重傳感器的供電穩(wěn)定性將直接影響到物料流量的控制精度。因此，在交流電源側(cè)加入交流濾波C形鐵芯的屏蔽變壓器，以及穩(wěn)壓集成電路，同時(shí)對(duì)荷重傳感器的供電采用7815 穩(wěn)壓后再加入WB718 二次穩(wěn)壓電路。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

    控制系統(tǒng)的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)。將軟件劃分為若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的模塊。各模塊分別調(diào)試成功之后，最后連接在一起總調(diào)。系統(tǒng)軟件框圖如圖4。其中初始化時(shí)8031的定時(shí)器T為高中斷優(yōu)先級(jí)。8155置A口為輸出，B口為輸入，C口為輸出，禁A、B口中斷。8279的方式設(shè)置為外部譯碼鍵掃描方式，雙鍵互銷(xiāo)。

    定時(shí)器中斷和鍵中斷框圖分別如圖5、圖6 所示。