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嚴日村（1978－）
男，湖南澧縣人，本科學歷，專注于瀝青混凝土攤鋪機的研發設計。
摘要：針對攤鋪機對輸分料控制系統的高精確性和連續供料的要求，根據超聲波測距原理，提出了一種基于Atmega128的超聲波輸分料控制系統。該系統通過PID調節實現超聲波測距，結合TCN75芯片實現溫度檢測以補償測量誤差，通過PWM輸出控制電磁閥開度，并通過基于MODBUS的RS485通信實現遠程控制。最后，給出了輸分料控制系統的實驗測距數據，表明了該輸分料控制系統可以達到對物料厚度的精確控制。
關鍵詞：攤鋪機；輸分料控制器；超聲波測距
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
隨著我國經濟的高速發展，對公路路面施工技術水平、施工工藝和路面材料及路面結構設計提出了更高的要求。公路施工機械主要有轉運車、攤鋪機和壓路機。攤鋪機負責將拌制好的混合料，按照路面的形狀和厚度均勻地攤鋪在已經平整好的路基或路面基層上，并予以初步搗實和整平，形成滿足一定寬度、厚度、平整度和密實度要求的路面基層或面層；其性能好壞對路面質量的優劣有著十分大的影響。
國內外對攤鋪機智能控制系統的研究主要集中在行駛精確自動控制，輸分料的自動控制和調平技術三個方面的研究[1]。輸分料的自動控制，這是攤鋪機的主要任務之一，攤鋪機既要按設定的速度分配物料，又要保證布料均勻和物料不離析[2]。本文針對現有攤鋪機輸分料控制器的工作原理和超聲波測距的脈沖回波測距法，提出了一種基于Atmega128的超聲波輸分料控制系統。
2 輸分料控制系統的組成和工作原理
攤鋪機輸分料測控模塊主要包括輸分料參數的檢測，刮板電磁閥，斜盤電磁閥三個部分。輸分料參數主要是指攤鋪物料層的厚度。該模塊通過對刮板送料電磁閥的控制來控制輸料速度，通過對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。
攤鋪機的輸分料控制系統實際是由左、右輸料，左、右分料等4個自動控制子系統組成的。在高性能的攤鋪機中，左、右刮板輸料系統和左、右螺旋輸料系統采用電控變量泵和非接觸式料位器，分別進行比例控制，使匹配輸料達到了一個新水平，實現了在設定攤鋪速度、寬度、厚度情況下連續穩定輸料，并且液壓系統的負荷穩定。這種非接觸使料位控制器避免了接觸系統磨損和失誤多的弱點，同時還可用電信號控制螺旋分料器的驅動裝置，不但提高了平整度，而且提高了傳動系統的可靠性。攤鋪機的輸分料控制系統如圖1所示
輸分料控制系統通過檢測瀝青混凝土層的料位高度來實現反饋閉環控制。攤鋪物料厚度傳感器采用超聲波傳感器，進行料位高度信號的采樣測量，實際料位高度與設定的攤鋪層高度比較，所得偏差送入數字控制器，數字控制器的輸出經比例電磁閥驅動變量泵和定量馬達，調節輸料和分料的速度，確保料位高度保持在設定高度值，進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調器和物料厚度的數字調節器兩個部分。輸分料控制分為手動控制與自動控制，其目標是保持攤鋪機熨平前物料的均勻，使攤鋪層滿足一定的厚度與平整度要求。輸分料控制器根據攤鋪速度和厚度控制輸分料速度，保證了輸分料系統連續均勻供料，從而提高了攤鋪物料的均勻性。因此，對攤鋪機輸分料控制器的優化設計可以提高攤鋪機工作質量，保證施工路面的均勻、平整。
攤鋪機共有左、右輸料系統，左、右分料系統。輸料系統和分料系統的工作原理都是通過厚度測量傳感器測得實際攤鋪層厚度，與要求達到的預設鋪層厚度進行比較，通過控制算法，得到相應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，達到實際鋪層厚度與預設厚度一致的要求。輸分料控制器完成的任務就是測量實際攤鋪層厚度，并與預設鋪層厚度進行比較，通過一定算法得出相應的輸出。
本文設計的輸分料控制器采用超聲波傳感器測量實際攤鋪層厚度，采用PID算法計算輸出實現對電磁閥的控制。
3 超聲波測距
超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計數和光電開關相結合來實現非接觸式距離測量的方法[3]。超聲波測距一般有直接式和反射式這兩種方式。反射式是較遠距離測量和移動目標測量最常用的方式[4]。
超聲波測距原理在輸分料控制器的設計中主要應用于實時所鋪物料層厚度的測量。輸分料控制器中，超聲波測距原理如圖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的測量可轉化為測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距原理
本文采用脈沖回波測距法測得L的值，再計算出攤鋪機攤鋪的物料厚度。由于攤鋪機工作環境比較惡劣，溫度變化比較大。因此，考慮到外界環境對測量值的影響，需測量環境溫度對聲速進行補償，從而補償溫度對測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計
本文所設計的攤鋪機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。
在整個輸分料控制器中，主控芯片Atmega128除了控制超聲波測距、采集攤鋪機實時料位高度外，還需根據鋪料厚度實時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，并與上位機之間進行通信，將自身的工作狀態發送給上位機，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、溫度補償電路、PWM輸出控制電路和RS485通信模塊幾個部分。
Atmega128作為ATMEL公司的高檔8位單片機，內部集成了AD轉換器、PWM控制器、看門狗、SPI接口、I2C接口以及JTAG調試接口，并且支持ISP在系統編程方式，工作16 MHz性能高達16MIPS，128K字節的系統內可編程Flash，4K字節的EEPROM，4K字節的內部SRAM。定時計數器得到超聲波在空氣中傳播的時間，PWM輸出用于控制攤鋪機上輸分料系統的電磁閥開度，以改變下料量和分料速度，使所鋪物料層的高度達到預設高度。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算法實現。
輸分料控制器采用的超聲波傳感器型號為UB2000-30GM-H3。其主要特性為不帶微處理器和直接檢測。該超聲波傳感器相對精度較高，比較適合于攤鋪機的料位測量的工作環境和工作要求。UB2000-30GM-H3型超聲波傳感器采用脈沖回波測距法，測量范圍為200～2000mm，盲區為0～200mm，一個脈沖輸出，工作溫度為-25～700℃，可以滿足攤鋪機輸分料控制器的工作環境要求。
4.1 超聲波測距電路設計
Atmega128在產生發射脈沖啟動超聲波發射的同時，啟動控制器內部計時器開始計時，當查詢到回波脈沖信號時停止計時，可以計算出距離L。
在所設計的料位控制器中，當超聲波探頭接收到回波后，馬上輸出一個正脈沖。此脈沖經過圖4電路的處理，得到一個反向的回波脈沖信號送到微控制器Atmega128的INT1引腳。當電路微處理器Atmega128查詢到該信號，立即停止計時，從而得到超聲波在空氣中的傳播時間。圖中Sin_BACK信號是超聲波傳感器接收到的回波信號。該信號經過分壓后，輸入到集成了兩個電壓比較器的LM239的A組電壓比較器的IN-引腳。當回波信號到來時，該電壓值大于IN+引腳的2V電壓，OUT_A引腳輸出低電平給MCU，停止計數器計時。
圖4 超聲波回波處理電路
4.2 溫度補償與測量
由于超聲波在空氣中的傳播速度受環境溫度的影響比較大，而攤鋪機工作環境惡劣，溫度變化比較大，因此需要對輸分料控制器的距離測量進行溫度補償。溫度補償測距公式：
通過TCN75測量環境溫度，并將所測得的溫度值通過I2C總線傳給控制其Atmega128，控制器通過溫度補償測距公式便計算出精確的距離值。
溫度信號的采集采用TCN75溫度傳感器芯片[5]。TCN75是串行可編程的溫度傳感器，當被測溫度超過編程設定值時，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定最低溫和最高溫的信號。TCN75 的通信通過I2C總線完成。I2C總線是一種由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。在本系統中，TCN75的SDA、SCL分別與Atmega128的SDA、SCL連接，進行I2C通信。R1、R2為上拉電阻，電路如圖5所示。由于TCN75的數據傳送與串行通訊接口規范——I2C是兼容的，在應用中可以把TCN75作為具有I2C總線接口的器件來對待。
輸分料控制器將物料厚度和預設厚度比較后，經過PID算法計算出控制量。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計
攤鋪機超聲波鋪料自動檢測器的軟件設計主要包括四個部分：主程序模塊、超聲波測距模塊、溫度補償軟件模塊、PID控制模塊和基于MODBUS的RS485通訊模塊軟件設計。
攤鋪機料位控制器的主程序是整個程序運行的核心，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。
整個系統的工作是從測量環境溫度值開始的，主控制器讀出TCN75測量得到的溫度值，并且保存下來，調用超聲波測距程序得到計數器的計時，再根據溫度補償公式得到精確的距離值，將該距離值和實際中所要達到的物料高度進行比較，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。并且，如果工作中上位機要修改預設高度值和PID參數，則進入RS485通訊接受服務程序修改參數，該檢測器定時3秒向上位機傳送工作過程中的溫度值和實時距離值，便于上位機對該檢測器的工作狀態進行實時監控。
測距是料位控制器的一個子程序，程序流程圖如圖6所示。微控制器Atmega128在產生了觸發脈沖后，采用一段很短的延時，避免超聲波發射器繞射產生的虛假脈沖對測量結果的影響。然后啟動TCN75，測量環境溫度，讀出溫度值，計算得出環境溫度對測量距離值所帶來的誤差的補償值，從而得到精確的物料厚度。
由于UB2000-30GM-H3超聲波傳感器的測量范圍為100～2000mm，存在著盲區，因此對測量結果進行了限幅處理，即所測距離值小于100mm時，令距離值等于100m；若所測距離超過2000mm時，令距離值等于2000mm，避免測量結果在盲區內或者超過測量范圍時影響系統正常運行。最后將所得距離值返回主程序，進行下一步處理。
6 抗干擾設計及測量結果分析
由于攤鋪機工作環境惡劣，因此除了對超聲波測量距離值進行了溫度補償外，在軟件設計中還采用了軟件抗干擾的設計。在軟件設計中，采用多次測量結果取平均值的方式得到更為精確的距離值。連續三次測量實際距離，然后相加取平均值。若所測距離值超過2m，即超出量程或者沒有接收到回波脈沖的情況，此時，采用軟件處理，若連續10次測量值都為2m時才認為超聲波無回波脈沖，否則，則放棄該組測量，認為改組測量結果中有外界干擾影響了測量結果，此時默認測量值為上組測量結果的平均值，并重新開始下組數據的測量。
本文所設計的輸分料控制器已經應用于某型智能攤鋪機，在230C環境溫度下的測試結果如表1所示。
表1 超聲波測距實驗結果
由測距實驗結果可以看出，測量所得的距離值和實際距離值之間最大只有2mm的誤差，在測量范圍兩極的測量誤差較大，中間段的測量誤差較小。由于物料本身的不規則和較大顆粒的存在，該誤差的存在不會影響攤鋪機的工作質量。該測距系統的精度完全可以滿足攤鋪機料位控制的要求。
本章采用Atmega128微控制器對攤鋪機輸分料控制器進行了設計。該控制器利用超聲波測距原理，實現了對攤鋪料位高度的無接觸測量。并通過TCN75測溫芯片測得環境溫度對所測攤鋪層厚度進行補償、采用軟件處理得到精確的攤鋪層厚度值。實際測量結果表明該料位控制器能夠提高攤鋪機輸分料控制的精確性，改善攤鋪機的整體性能。
其它作者：
陳燕東（1979－），男，湖南澧縣人，碩士，主要從事智能控制、電力電子及應用等方面的研究工作。
參考文獻
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號