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嚴(yán)日村（1978－）

男，湖南澧縣人，本科學(xué)歷，專注于瀝青混凝土攤鋪機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)。

摘要：針對(duì)攤鋪機(jī)對(duì)輸分料控制系統(tǒng)的高精確性和連續(xù)供料的要求，根據(jù)超聲波測(cè)距原理，提出了一種基于Atmega128的超聲波輸分料控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距，結(jié)合TCN75芯片實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)以補(bǔ)償測(cè)量誤差，通過PWM輸出控制電磁閥開度，并通過基于MODBUS的RS485通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。最后，給出了輸分料控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)距數(shù)據(jù)，表明了該輸分料控制系統(tǒng)可以達(dá)到對(duì)物料厚度的精確控制。

關(guān)鍵詞：攤鋪機(jī)；輸分料控制器；超聲波測(cè)距

Abstract: According to requirement of high accuracy and consistent feeding conditions of pavers, we design an ultrasonic feed control based on Atmega128. The system realizes the ultrasonic distance meter by adjusting PID. Its measure error is compensated by using the detected temperature by TCN75. The output signal of PWM controls the electromagnetic valve and achieves long-distance control through MODBUS of RS485. The testing data shows that the ultrasonic feed control system can control the width of material accurately.

Key words: Paver；Feed control；Ultrasonic survey

1   引言

    隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)公路路面施工技術(shù)水平、施工工藝和路面材料及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。公路施工機(jī)械主要有轉(zhuǎn)運(yùn)車、攤鋪機(jī)和壓路機(jī)。攤鋪機(jī)負(fù)責(zé)將拌制好的混合料，按照路面的形狀和厚度均勻地?cái)備佋谝呀?jīng)平整好的路基或路面基層上，并予以初步搗實(shí)和整平，形成滿足一定寬度、厚度、平整度和密實(shí)度要求的路面基層或面層；其性能好壞對(duì)路面質(zhì)量的優(yōu)劣有著十分大的影響。

    國(guó)內(nèi)外對(duì)攤鋪機(jī)智能控制系統(tǒng)的研究主要集中在行駛精確自動(dòng)控制，輸分料的自動(dòng)控制和調(diào)平技術(shù)三個(gè)方面的研究[1]。輸分料的自動(dòng)控制，這是攤鋪機(jī)的主要任務(wù)之一，攤鋪機(jī)既要按設(shè)定的速度分配物料，又要保證布料均勻和物料不離析[2]。本文針對(duì)現(xiàn)有攤鋪機(jī)輸分料控制器的工作原理和超聲波測(cè)距的脈沖回波測(cè)距法，提出了一種基于Atmega128的超聲波輸分料控制系統(tǒng)。

2   輸分料控制系統(tǒng)的組成和工作原理

攤鋪機(jī)輸分料測(cè)控模塊主要包括輸分料參數(shù)的檢測(cè)，刮板電磁閥，斜盤電磁閥三個(gè)部分。輸分料參數(shù)主要是指攤鋪物料層的厚度。該模塊通過對(duì)刮板送料電磁閥的控制來控制輸料速度，通過對(duì)分料斜盤電磁閥的控制來控制分料速度，保證攤鋪層的厚度和路面平整度。

    攤鋪機(jī)的輸分料控制系統(tǒng)實(shí)際是由左、右輸料，左、右分料等4個(gè)自動(dòng)控制子系統(tǒng)組成的。在高性能的攤鋪機(jī)中，左、右刮板輸料系統(tǒng)和左、右螺旋輸料系統(tǒng)采用電控變量泵和非接觸式料位器，分別進(jìn)行比例控制，使匹配輸料達(dá)到了一個(gè)新水平，實(shí)現(xiàn)了在設(shè)定攤鋪速度、寬度、厚度情況下連續(xù)穩(wěn)定輸料，并且液壓系統(tǒng)的負(fù)荷穩(wěn)定。這種非接觸使料位控制器避免了接觸系統(tǒng)磨損和失誤多的弱點(diǎn)，同時(shí)還可用電信號(hào)控制螺旋分料器的驅(qū)動(dòng)裝置，不但提高了平整度，而且提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。攤鋪機(jī)的輸分料控制系統(tǒng)如圖1所示

    

 
                                    圖1   輸分料控制系統(tǒng)

    輸分料控制系統(tǒng)通過檢測(cè)瀝青混凝土層的料位高度來實(shí)現(xiàn)反饋閉環(huán)控制。攤鋪物料厚度傳感器采用超聲波傳感器，進(jìn)行料位高度信號(hào)的采樣測(cè)量，實(shí)際料位高度與設(shè)定的攤鋪層高度比較，所得偏差送入數(shù)字控制器，數(shù)字控制器的輸出經(jīng)比例電磁閥驅(qū)動(dòng)變量泵和定量馬達(dá)，調(diào)節(jié)輸料和分料的速度，確保料位高度保持在設(shè)定高度值，進(jìn)而確保攤鋪層的厚度和路面平整度。

    輸分料控制器包括攤鋪速度協(xié)調(diào)器和物料厚度的數(shù)字調(diào)節(jié)器兩個(gè)部分。輸分料控制分為手動(dòng)控制與自動(dòng)控制，其目標(biāo)是保持?jǐn)備仚C(jī)熨平前物料的均勻，使攤鋪層滿足一定的厚度與平整度要求。輸分料控制器根據(jù)攤鋪速度和厚度控制輸分料速度，保證了輸分料系統(tǒng)連續(xù)均勻供料，從而提高了攤鋪物料的均勻性。因此，對(duì)攤鋪機(jī)輸分料控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提高攤鋪機(jī)工作質(zhì)量，保證施工路面的均勻、平整。

    攤鋪機(jī)共有左、右輸料系統(tǒng)，左、右分料系統(tǒng)。輸料系統(tǒng)和分料系統(tǒng)的工作原理都是通過厚度測(cè)量傳感器測(cè)得實(shí)際攤鋪層厚度，與要求達(dá)到的預(yù)設(shè)鋪層厚度進(jìn)行比較，通過控制算法，得到相應(yīng)的輸出電流控制輸料器的刮板開度或者分料器的螺旋分料速度，達(dá)到實(shí)際鋪層厚度與預(yù)設(shè)厚度一致的要求。輸分料控制器完成的任務(wù)就是測(cè)量實(shí)際攤鋪層厚度，并與預(yù)設(shè)鋪層厚度進(jìn)行比較，通過一定算法得出相應(yīng)的輸出。

    本文設(shè)計(jì)的輸分料控制器采用超聲波傳感器測(cè)量實(shí)際攤鋪層厚度，采用PID算法計(jì)算輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的控制。

3   超聲波測(cè)距

超聲波測(cè)距是一種利用聲波特性、電子計(jì)數(shù)和光電開關(guān)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的方法[3]。超聲波測(cè)距一般有直接式和反射式這兩種方式。反射式是較遠(yuǎn)距離測(cè)量和移動(dòng)目標(biāo)測(cè)量最常用的方式[4]。

    超聲波測(cè)距原理在輸分料控制器的設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)所鋪物料層厚度的測(cè)量。輸分料控制器中，超聲波測(cè)距原理如圖2所示，圖中h為所鋪物料的厚度，L為超聲波傳感器安裝位置到混合料面的距離。假設(shè)超聲波傳感器到地面的高度為H，由圖可知，攤鋪料層高度h的測(cè)量可轉(zhuǎn)化為測(cè)量超聲波探頭到混合料表面之間的距離L。

圖2   料位控制器超聲波測(cè)距原理

    本文采用脈沖回波測(cè)距法測(cè)得L的值，再計(jì)算出攤鋪機(jī)攤鋪的物料厚度。由于攤鋪機(jī)工作環(huán)境比較惡劣，溫度變化比較大。因此，考慮到外界環(huán)境對(duì)測(cè)量值的影響，需測(cè)量環(huán)境溫度對(duì)聲速進(jìn)行補(bǔ)償，從而補(bǔ)償溫度對(duì)測(cè)量距離所帶來的誤差，從而得到精確的物料厚度h。

4   輸分料控制器硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的攤鋪機(jī)輸分料控制器的組成如圖3所示。該控制器由Atmega128微控制器、超聲波傳感器、TCN75溫度傳感器、RS485通信部分和PWM輸出部分組成。

    在整個(gè)輸分料控制器中，主控芯片Atmega128除了控制超聲波測(cè)距、采集攤鋪機(jī)實(shí)時(shí)料位高度外，還需根據(jù)鋪料厚度實(shí)時(shí)控制料斗的輸料電磁閥，左、右刮板的輸料速度或左、右螺旋分料器的分料速度，并與上位機(jī)之間進(jìn)行通信，將自身的工作狀態(tài)發(fā)送給上位機(jī)，通信方式采用基于MODBUS的RS485通信方式。
     

圖3   輸分料控制器系統(tǒng)組成框圖

    輸分料控制器硬件主要包括供電電源電路、超聲波傳感器回波處理電路、溫度補(bǔ)償電路、PWM輸出控制電路和RS485通信模塊幾個(gè)部分。

    Atmega128作為ATMEL公司的高檔8位單片機(jī)，內(nèi)部集成了AD轉(zhuǎn)換器、PWM控制器、看門狗、SPI接口、I2C接口以及JTAG調(diào)試接口，并且支持ISP在系統(tǒng)編程方式，工作16 MHz性能高達(dá)16MIPS，128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，4K字節(jié)的EEPROM，4K字節(jié)的內(nèi)部SRAM。定時(shí)計(jì)數(shù)器得到超聲波在空氣中傳播的時(shí)間，PWM輸出用于控制攤鋪機(jī)上輸分料系統(tǒng)的電磁閥開度，以改變下料量和分料速度，使所鋪物料層的高度達(dá)到預(yù)設(shè)高度。電磁閥開度的控制以攤鋪料厚度為反饋量，以鋪料高度為給定量，采用PID算法實(shí)現(xiàn)。

    輸分料控制器采用的超聲波傳感器型號(hào)為UB2000-30GM-H3。其主要特性為不帶微處理器和直接檢測(cè)。該超聲波傳感器相對(duì)精度較高，比較適合于攤鋪機(jī)的料位測(cè)量的工作環(huán)境和工作要求。UB2000-30GM-H3型超聲波傳感器采用脈沖回波測(cè)距法，測(cè)量范圍為200～2000mm，盲區(qū)為0～200mm，一個(gè)脈沖輸出，工作溫度為-25～700℃，可以滿足攤鋪機(jī)輸分料控制器的工作環(huán)境要求。

4.1 超聲波測(cè)距電路設(shè)計(jì)

    Atmega128在產(chǎn)生發(fā)射脈沖啟動(dòng)超聲波發(fā)射的同時(shí)，啟動(dòng)控制器內(nèi)部計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)查詢到回波脈沖信號(hào)時(shí)停止計(jì)時(shí)，可以計(jì)算出距離L。

    在所設(shè)計(jì)的料位控制器中，當(dāng)超聲波探頭接收到回波后，馬上輸出一個(gè)正脈沖。此脈沖經(jīng)過圖4電路的處理，得到一個(gè)反向的回波脈沖信號(hào)送到微控制器Atmega128的INT1引腳。當(dāng)電路微處理器Atmega128查詢到該信號(hào)，立即停止計(jì)時(shí)，從而得到超聲波在空氣中的傳播時(shí)間。圖中Sin_BACK信號(hào)是超聲波傳感器接收到的回波信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過分壓后，輸入到集成了兩個(gè)電壓比較器的LM239的A組電壓比較器的IN-引腳。當(dāng)回波信號(hào)到來時(shí)，該電壓值大于IN+引腳的2V電壓，OUT_A引腳輸出低電平給MCU，停止計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)。

       

圖4   超聲波回波處理電路

4.2 溫度補(bǔ)償與測(cè)量

    由于超聲波在空氣中的傳播速度受環(huán)境溫度的影響比較大，而攤鋪機(jī)工作環(huán)境惡劣，溫度變化比較大，因此需要對(duì)輸分料控制器的距離測(cè)量進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償測(cè)距公式：

通過TCN75測(cè)量環(huán)境溫度，并將所測(cè)得的溫度值通過I2C總線傳給控制其Atmega128，控制器通過溫度補(bǔ)償測(cè)距公式便計(jì)算出精確的距離值。

    溫度信號(hào)的采集采用TCN75溫度傳感器芯片[5]。TCN75是串行可編程的溫度傳感器，當(dāng)被測(cè)溫度超過編程設(shè)定值時(shí)，利用INT/CMPTR輸出端作比較器接控制器的P1.0腳，輸出溫度是否超過設(shè)定最低溫和最高溫的信號(hào)。TCN75 的通信通過I2C總線完成。I2C總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。在本系統(tǒng)中，TCN75的SDA、SCL分別與Atmega128的SDA、SCL連接，進(jìn)行I2C通信。R1、R2為上拉電阻，電路如圖5所示。由于TCN75的數(shù)據(jù)傳送與串行通訊接口規(guī)范——I2C是兼容的，在應(yīng)用中可以把TCN75作為具有I2C總線接口的器件來對(duì)待。

 
                                       圖5    TCN75溫度傳感器電路

    輸分料控制器將物料厚度和預(yù)設(shè)厚度比較后，經(jīng)過PID算法計(jì)算出控制量。該控制器通過Atmega128的PWM端輸出控制電磁閥開度。

5   輸分料控制器軟件設(shè)計(jì)

    攤鋪機(jī)超聲波鋪料自動(dòng)檢測(cè)器的軟件設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)部分：主程序模塊、超聲波測(cè)距模塊、溫度補(bǔ)償軟件模塊、PID控制模塊和基于MODBUS的RS485通訊模塊軟件設(shè)計(jì)。

    攤鋪機(jī)料位控制器的主程序是整個(gè)程序運(yùn)行的核心，它包括了上電初始化，I2C初始化，RS485通信初始化，配置TCN75等初始化工作。

    整個(gè)系統(tǒng)的工作是從測(cè)量環(huán)境溫度值開始的，主控制器讀出TCN75測(cè)量得到的溫度值，并且保存下來，調(diào)用超聲波測(cè)距程序得到計(jì)數(shù)器的計(jì)時(shí)，再根據(jù)溫度補(bǔ)償公式得到精確的距離值，將該距離值和實(shí)際中所要達(dá)到的物料高度進(jìn)行比較，通過PID算法得到控制值，并通過CPU的PWM寄存器輸出，控制電磁閥的開度。在主程序的工作過程中，需要通過I2C總線到TCN75中讀出工作中要用到的PID參數(shù)。并且，如果工作中上位機(jī)要修改預(yù)設(shè)高度值和PID參數(shù)，則進(jìn)入RS485通訊接受服務(wù)程序修改參數(shù)，該檢測(cè)器定時(shí)3秒向上位機(jī)傳送工作過程中的溫度值和實(shí)時(shí)距離值，便于上位機(jī)對(duì)該檢測(cè)器的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

    測(cè)距是料位控制器的一個(gè)子程序，程序流程圖如圖6所示。微控制器Atmega128在產(chǎn)生了觸發(fā)脈沖后，采用一段很短的延時(shí)，避免超聲波發(fā)射器繞射產(chǎn)生的虛假脈沖對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。然后啟動(dòng)TCN75，測(cè)量環(huán)境溫度，讀出溫度值，計(jì)算得出環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量距離值所帶來的誤差的補(bǔ)償值，從而得到精確的物料厚度。

 
                                     圖6   測(cè)距系統(tǒng)程序流程圖

    由于UB2000-30GM-H3超聲波傳感器的測(cè)量范圍為100～2000mm，存在著盲區(qū)，因此對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了限幅處理，即所測(cè)距離值小于100mm時(shí)，令距離值等于100m；若所測(cè)距離超過2000mm時(shí)，令距離值等于2000mm，避免測(cè)量結(jié)果在盲區(qū)內(nèi)或者超過測(cè)量范圍時(shí)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。最后將所得距離值返回主程序，進(jìn)行下一步處理。

6   抗干擾設(shè)計(jì)及測(cè)量結(jié)果分析

由于攤鋪機(jī)工作環(huán)境惡劣，因此除了對(duì)超聲波測(cè)量距離值進(jìn)行了溫度補(bǔ)償外，在軟件設(shè)計(jì)中還采用了軟件抗干擾的設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)中，采用多次測(cè)量結(jié)果取平均值的方式得到更為精確的距離值。連續(xù)三次測(cè)量實(shí)際距離，然后相加取平均值。若所測(cè)距離值超過2m，即超出量程或者沒有接收到回波脈沖的情況，此時(shí)，采用軟件處理，若連續(xù)10次測(cè)量值都為2m時(shí)才認(rèn)為超聲波無回波脈沖，否則，則放棄該組測(cè)量，認(rèn)為改組測(cè)量結(jié)果中有外界干擾影響了測(cè)量結(jié)果，此時(shí)默認(rèn)測(cè)量值為上組測(cè)量結(jié)果的平均值，并重新開始下組數(shù)據(jù)的測(cè)量。

    本文所設(shè)計(jì)的輸分料控制器已經(jīng)應(yīng)用于某型智能攤鋪機(jī)，在230C環(huán)境溫度下的測(cè)試結(jié)果如表1所示。
      

                                   表1   超聲波測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果 

由測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，測(cè)量所得的距離值和實(shí)際距離值之間最大只有2mm的誤差，在測(cè)量范圍兩極的測(cè)量誤差較大，中間段的測(cè)量誤差較小。由于物料本身的不規(guī)則和較大顆粒的存在，該誤差的存在不會(huì)影響攤鋪機(jī)的工作質(zhì)量。該測(cè)距系統(tǒng)的精度完全可以滿足攤鋪機(jī)料位控制的要求。

    本章采用Atmega128微控制器對(duì)攤鋪機(jī)輸分料控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該控制器利用超聲波測(cè)距原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)攤鋪料位高度的無接觸測(cè)量。并通過TCN75測(cè)溫芯片測(cè)得環(huán)境溫度對(duì)所測(cè)攤鋪層厚度進(jìn)行補(bǔ)償、采用軟件處理得到精確的攤鋪層厚度值。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明該料位控制器能夠提高攤鋪機(jī)輸分料控制的精確性，改善攤鋪機(jī)的整體性能。

其它作者：

    陳燕東（1979－），男，湖南澧縣人，碩士，主要從事智能控制、電力電子及應(yīng)用等方面的研究工作。

參考文獻(xiàn)

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