CN106215762A - 一种基于嵌入式cps的工业原料智能混合实时控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于嵌入式CPS的工业原料智能混合实时控制装置，属于工业控制技术领域。本发明所述传感器与测量电路相连接，测量电路与信号放大电路相连接，信号放大电路与A/D转换电路相连接，A/D转换电路与单片机控制单元相连接。所述的单片机控制单元分别与显示模块、按键电路、报警装置和启停开关相连接，报警装置与定时器相连接，定时器与继电器控制电路相连接，继电器控制电路与电磁阀相连接，电源分别与按键电路、电动机和电磁阀相连接。本发明适用于工业原料的智能混合控制，可实时监测原料的注入和混合时内部的温度值，通过内部原料的浓度实时控制阀门的开关，当装置内部温度处于危险界限时及时报警，并关闭装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于嵌入式CPS的工业原料智能混合实时控制装置，属于工业控制技术领域。
背景技术
随着社会的不断进步，工业智能化也在不断的发展和完善，由于工业事故的不可预测性，使得智能检测、控制、预防工业事故的发生变得更加的重要。
因为无线传感器的成本低廉、能耗较低，使得其在各个领域进行数据监测、数据传输的应用较为广泛，例如：在野外可以通过传感器检测环境的质量，包括：温度，PM2.5等，工业上也有很多传感器的应用，例如：浓度传感器，比例传感器等。在工业原料进行混合时，很多设备不具备智能化的要求，一般都是设备旁边人为值守，根据混合的不同情况和阶段加入原料和控制装置。本发明由国家自然科学基金项目（61562051）、云南省应用基础研究计划重点项目（2014FA029）资助研究，主要在于探索CPS等实时嵌入式控制软件时序建模方法，解决离散逻辑控制与连续时间行为的关联转换的难题，为计算进程逻辑时间与物理进程物理时间的一致性提供理论依据。在此基础上，设计了一种基于嵌入式的工业原料智能混合实时控制装置，根据原料的比例进行智能注入控制，实时监测设备内部的温度和控制装置的启停，做到混合时的安全控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于嵌入式CPS的工业原料智能混合实时控制装置，以用于工业原料的智能混合控制，实时监测原料混合时装置内部的温度变化，当温度值处于危险边界时，智能关闭装置，停止原料的注入和混合，保证工业上的安全。
本发明的技术方案是：一种基于嵌入式CPS的工业原料智能混合实时控制装置，包括传感器1、测量电路2、信号放大电路3、A/D转换电路4、单片机控制单元5、显示模块6、报警装置7、定时器8、继电器控制电路9、电磁阀10、启停开关11、电动机12、按键电路13、电源14、原料进口Ⅰ15、报警灯16、扬声器17、排气口18、过滤网19、原料进口Ⅱ20、混合容器21、搅拌槽22、扇叶23、充电蓄电池24、原料出口25；所述传感器）包括比例传感器和温度传感器，报警装置7包括报警灯16和扬声器17；
所述传感器1与测量电路2相连接，测量电路2与信号放大电路3相连接，信号放大电路3和A/D转换电路4相连接，A/D转换电路4与单片机控制单元5相连接，单片机控制单元5分别与显示模块6，报警装置7，启停开关11和按键电路13相连接；报警装置7与定时器8相连接，定时器8和启停开关11分别与继电器控制电路9相连接，继电器控制电路9与电磁阀10相连接；启停开关11与电动机12相连接，电源14分别与电磁阀10，电动机12，按键电路13相连接；
所述混合容器21上端设有原料进口Ⅰ15、原料进口Ⅱ20、排气口18，排气口18中设有过滤网19，混合容器21下端设有原料出口25，混合容器21底部设有充电蓄电池24、电动机12，底部中间设有搅拌槽22，搅拌槽22中设有扇叶23，混合容器21上还设有报警灯16、扬声器17、启停开关11。
所述信号放大电路3包括：电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，二极管D1、D2，放大器Op1、Op2、Op3、Op4；
其中，二极管D1阴极与二极管D2的阳极连接，二极管D1阳极与二极管D2的阴极连接，电阻R1与电容C2串联与放大器Op1的正极连接，放大器Op1的负极接电阻R1，电压Vin由电阻R1的一端输入；电阻R2与电容C1并联且并接在放大器Op1的两端，Op1的输出端接放大器Op2的正极，Op2的负极接到自己的输出端与电阻R3串联，R3接到放大器Op3的负极，Op3的正极接电阻R4，且R4的另一端接地；电阻R5两端分别接到Op3的负极和输出端，Op3的输出端接到Op4的正极；电阻R6、R7、R8、R9串联，R6的一端接Op4的输出端，R9的一端接到Op4的负极；电容C4、C6串联与串联的电阻R8、R9并联，电容C5与电阻R10并联接到电容C4、C6的中间，电容C3一端接电阻R6，一端接Op4的负极，电压Vout由Op4输出端输出。
所述单片机控制单元5包括：芯片AT89S52，电阻R11、R12，电容C7、C8、C9，晶振Y1，回复按键K1，所述的报警装置7包括：报警灯D3，电阻R13，三极管Q1，扬声器。其中，芯片AT89S52的18、19管脚分别与电容C7、C8相连接，晶振Y1接在电容C7、C8的中间，C7、C8的另一端接地；AT89S52的9号管脚与电容C9连接，电阻R11与按键K1串联并接到电容C9的两端，电容的另一端接5V等电势，电阻R12与电阻R11并联；芯片AT89S52的管脚1与电阻R13相连接，报警灯D3与电阻R13并联接到三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极接扬声器的一端，三极管Q1的发射极接5V等电势。
所述单片机控制单元5芯片为AT89S52，所述显示模块6包括：芯片LCD1602，排阻，所述按键电路13包括：电阻R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21，按键S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16；其中，芯片AT89S51管脚32、33、34、35、36、37、38、39分别与排阻的管脚9、8、7、6、5、4、3、2、1相连接，芯片LCD1602的管脚1、2、3短接接地，管脚4、5、6分别与芯片AT89S52的管脚21、22、23相连接，LCD1602的管脚7、8、9、10、11、12、13、14分别与AT89S52的管脚39、38、37、36、35、34、33、32相连接；按键S1、S2、S3、S4一端串联连接接到芯片AT89S52的10号管脚， S1、S5、S9、S13的另一端串联接到管脚17；按键S5、S6、S7、S8一端串联连接接到芯片AT89S52的11号管脚， S2、S6、S10、S14另一端串联连接16号管脚；按键S9、S10、S11、S12串联连接接到芯片AT89S52的12管脚， S3、S7、S11、S15另一端串联连接到15号管脚；按键S13、S14、S15、S16串联连接接到芯片AT89S52的13管脚， S4、S8、S12、S16另一端接到14号管脚；电阻R21、 R20 、R19、R18、R17、R16、R15、R14分别与管脚10、11、12、13、14、15、16、17相连接。
所述电磁阀10包括：电磁阀驱动芯片L9349，电阻R22、R23、R24、R25，电容C10、C11，二极管D4，电磁阀T1、T2、T3、T4；其中，电阻R22、R23、R24、R25一端串联接+5V等电势，电阻R22、R23、R24、R25的另一端分别与芯片L9349的管脚3、8、13、18相连接，芯片L9349的管脚1、10、11、20短接接地；电容C10、C11的一端串联接在芯片L9349的5号管脚，并将二极管D4串接接到5号管脚；电磁阀T1、T2、T3、T4的一号管脚串联连接，T1、T2、T3、T4的2号管脚分别与芯片L9349的2、9、12、19号管脚连接。
本发明的工作原理是：传感器中采用比例传感器和温度传感器结合作用，通过比例传感器控制各原料的注入比例，通过温度传感器实时监测设备内部的温度，当温度到达危险值范围内，通过单片机控制单元发送信号，报警装置进行声光报警，与此同时控制定时器开始计时，时间一到控制继电器电路关闭相应的电磁阀停止原料的注入，关闭启停开关使得电动机停止搅拌，电源分别给单片机控制单元、电动机和电磁阀供电，同时给充电蓄电池充电保证在电源断开时设备仍能继续工作。
本发明的有益效果是：此装置结构简单，成本低廉，能够做到实时监测和实时控制，在无人值守的情况下，保证设备的安全可靠，节省大量人力和物理成本，并可根据实际需要增添装置功能。
附图说明
图1为本发明的电路连接框图；
图2为本发明的实物图；
图3为本发明的信号放大电路图；
图4为本发明的报警装置电路图；
图5为本发明的显示按键电路图；
图6为本发明的电磁阀驱动电路图；
图中各标号：1-传感器，2-测量电路，3-信号放大电路，4-A/D转换电路，5-单片机控制单元，6-显示模块，7-报警装置，8-定时器，9-继电器控制电路，10-电磁阀，11-启停开关，12-电动机，13-按键电路，14-电源，15-原料进口Ⅰ，16-报警灯，17-扬声器，18-排气口，19-过滤网，20-原料进口Ⅱ，21-混合容器，22-搅拌槽，23-扇叶，24-充电蓄电池，25-原料出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1-2所示：一种基于嵌入式CPS的工业原料智能混合实时控制装置，包括传感器1、测量电路2、信号放大电路3、A/D转换电路4、单片机控制单元5、显示模块6、报警装置7、定时器8、继电器控制电路9、电磁阀10、启停开关11、电动机12、按键电路13、电源14、原料进口Ⅰ15、报警灯16、扬声器17、排气口18、过滤网19、原料进口Ⅱ20、混合容器21、搅拌槽22、扇叶23、充电蓄电池24、原料出口25；所述传感器）包括比例传感器和温度传感器，报警装置7包括报警灯16和扬声器17；
所述传感器1与测量电路2相连接，测量电路2与信号放大电路3相连接，信号放大电路3和A/D转换电路4相连接，A/D转换电路4与单片机控制单元5相连接，单片机控制单元5分别与显示模块6，报警装置7，启停开关11和按键电路13相连接；报警装置7与定时器8相连接，定时器8和启停开关11分别与继电器控制电路9相连接，继电器控制电路9与电磁阀10相连接；启停开关11与电动机12相连接，电源14分别与电磁阀10，电动机12，按键电路13相连接；
所述混合容器21上端设有原料进口Ⅰ15、原料进口Ⅱ20、排气口18，排气口18中设有过滤网19，混合容器21下端设有原料出口25，混合容器21底部设有充电蓄电池24、电动机12，底部中间设有搅拌槽22，搅拌槽22中设有扇叶23，混合容器21上还设有报警灯16、扬声器17、启停开关11。
如图3所示：所述信号放大电路3包括：电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，二极管D1、D2，放大器Op1、Op2、Op3、Op4；其中，二极管D1阴极与二极管D2的阳极连接，二极管D1阳极与二极管D2的阴极连接，电阻R1与电容C2串联与放大器Op1的正极连接，放大器Op1的负极接电阻R1，电压Vin由电阻R1的一端输入；电阻R2与电容C1并联且并接在放大器Op1的两端，Op1的输出端接放大器Op2的正极，Op2的负极接到自己的输出端与电阻R3串联，R3接到放大器Op3的负极，Op3的正极接电阻R4，且R4的另一端接地；电阻R5两端分别接到Op3的负极和输出端，Op3的输出端接到Op4的正极；电阻R6、R7、R8、R9串联，R6的一端接Op4的输出端，R9的一端接到Op4的负极；电容C4、C6串联与串联的电阻R8、R9并联，电容C5与电阻R10并联接到电容C4、C6的中间，电容C3一端接电阻R6，一端接Op4的负极，电压Vout由Op4输出端输出。
如图4所示：所述单片机控制单元5包括：芯片AT89S52，电阻R11、R12，电容C7、C8、C9，晶振Y1，回复按键K1，所述的报警装置7包括：报警灯D3，电阻R13，三极管Q1，扬声器。其中，芯片AT89S52的18、19管脚分别与电容C7、C8相连接，晶振Y1接在电容C7、C8的中间，C7、C8的另一端接地；AT89S52的9号管脚与电容C9连接，电阻R11与按键K1串联并接到电容C9的两端，电容的另一端接5V等电势，电阻R12与电阻R11并联；芯片AT89S52的管脚1与电阻R13相连接，报警灯D3与电阻R13并联接到三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极接扬声器的一端，三极管Q1的发射极接5V等电势。
如图5所示：所述单片机控制单元5芯片为AT89S52，所述显示模块6包括：芯片LCD1602，排阻，所述按键电路13包括：电阻R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21，按键S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16；其中，芯片AT89S51管脚32、33、34、35、36、37、38、39分别与排阻的管脚9、8、7、6、5、4、3、2、1相连接，芯片LCD1602的管脚1、2、3短接接地，管脚4、5、6分别与芯片AT89S52的管脚21、22、23相连接，LCD1602的管脚7、8、9、10、11、12、13、14分别与AT89S52的管脚39、38、37、36、35、34、33、32相连接；按键S1、S2、S3、S4一端串联连接接到芯片AT89S52的10号管脚， S1、S5、S9、S13的另一端串联接到管脚17；按键S5、S6、S7、S8一端串联连接接到芯片AT89S52的11号管脚， S2、S6、S10、S14另一端串联连接16号管脚；按键S9、S10、S11、S12串联连接接到芯片AT89S52的12管脚， S3、S7、S11、S15另一端串联连接到15号管脚；按键S13、S14、S15、S16串联连接接到芯片AT89S52的13管脚， S4、S8、S12、S16另一端接到14号管脚；电阻R21、 R20 、R19、R18、R17、R16、R15、R14分别与管脚10、11、12、13、14、15、16、17相连接。
如图6所示：所述电磁阀10包括：电磁阀驱动芯片L9349，电阻R22、R23、R24、R25，电容C10、C11，二极管D4，电磁阀T1、T2、T3、T4；其中，电阻R22、R23、R24、R25一端串联接+5V等电势，电阻R22、R23、R24、R25的另一端分别与芯片L9349的管脚3、8、13、18相连接，芯片L9349的管脚1、10、11、20短接接地；电容C10、C11的一端串联接在芯片L9349的5号管脚，并将二极管D4串接接到5号管脚；电磁阀T1、T2、T3、T4的一号管脚串联连接，T1、T2、T3、T4的2号管脚分别与芯片L9349的2、9、12、19号管脚连接。
传感器1内置电池独立工作，当装置工作时同时启动比例传感器和温度传感器，在传感器1工作时通过测量电路2进行信号的测量，首先传感器测量各原料的比例信号送入测量电路2变为电信号，将电信号从电阻R1的一端输入信号放大电路中，部分信号流经电容C2输入到放大器Op1的正极，部分信号通过电阻R2和电容C1的并联电路，与放大器Op1输出的放大信号汇合输入到放大器Op2的正极，放大器Op2输出的部分信号输入到自己的负极形成自反馈，经过Op1和Op2一级放大后的信号流经电阻R3输入到放大器Op3的负极，Op3的正极接电阻R4且接地，电阻R5并接在Op3的负极和输出端。由Op3输出的放大信号输入到Op4的正极，电阻R8、R9电容C4、C6分别串联然后并联接在Op4的负极和输出端，在C4和C6中间接电容C5和电阻R10，电阻R6和电容C3同样接在Op4的负极上，输出放大电压Vout。将经过多级放大的电压信号输入到A/D转换电路进行数字信号的转换，以便于在显示模块进行相应参数的显示。在单片机芯片AT89S52中预先设定好报警的温度界限，由A/D转换电路中输出的数字信号不断的输入到AT89S52芯片中，进行温度值得比较，当温度在报警的范围值内，芯片AT89S52会通过引脚P1.0发送一个脉冲信号，该信号使得报警灯D3点亮，与报警灯D3并联的电阻R13起到保护灯的作用，该信号再由三极管Q1的基极输入，使得与三极管Q1集电极相连的扬声器进行报警。报警装置启动后，会同时启动定时器设定定时时间在60s左右，此时无人为关闭设备会自动关闭总开关，同时会给继电器控制电路一个信号，使其关闭电磁阀避免原料的继续注入。设备设计了显示模块，采用的是LCD1602芯片，实时显示内部个原料注入的比例浓度和设备内部的温度，在进行报警值和其他设备参数设置时可通过按键电路进行输入，首先由A/D转换电路输入的数字信号，直接通过芯片AT89S52的管脚P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7输入到LCD1602的管脚7、8、9、10、11、12、13、14进行显示，按键S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16通过芯片AT89S52的管脚10、11、12、13、14、15、16、17进行参数数值的设定，单片都具有数据缓存功能。在电磁阀控制方面，电阻R22、R23、R24、R25一端串联接+5V等电势保证设备的正常供电，电阻R22、R23、R24、R25的另一端分别与芯片L9349的管脚3、8、13、18相连接，芯片L9349的管脚1、10、11、20短接接地；通过芯片L9349的管脚17、14、7、4实现对电磁阀T1、T2、T3、T4的开启和关闭控制。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种基于嵌入式CPS的工业原料智能混合实时控制装置，其特征在于包括：传感器（1）、测量电路（2）、信号放大电路（3）、A/D转换电路（4）、单片机控制单元（5）、显示模块（6）、报警装置（7）、定时器（8）、继电器控制电路（9）、电磁阀（10）、启停开关（11）、电动机（12）、按键电路（13）、电源（14）、原料进口Ⅰ（15）、报警灯（16）、扬声器（17）、排气口（18）、过滤网（19）、原料进口Ⅱ（20）、混合容器（21）、搅拌槽（22）、扇叶（23）、充电蓄电池（24）、原料出口（25）；所述传感器（1）包括比例传感器和温度传感器，报警装置（7）包括报警灯（16）和扬声器（17）；
所述传感器（1）与测量电路（2）相连接，测量电路（2）与信号放大电路（3）相连接，信号放大电路（3）和A/D转换电路（4）相连接，A/D转换电路（4）与单片机控制单元（5）相连接，单片机控制单元（5）分别与显示模块（6），报警装置（7），启停开关（11）和按键电路（13）相连接；报警装置（7）与定时器（8）相连接，定时器（8）和启停开关（11）分别与继电器控制电路（9）相连接，继电器控制电路（9）与电磁阀（10）相连接；启停开关（11）与电动机（12）相连接，电源（14）分别与电磁阀（10），电动机（12），按键电路（13）相连接；
所述混合容器（21）上端设有原料进口Ⅰ（15）、原料进口Ⅱ（20）、排气口（18），排气口（18）中设有过滤网（19），混合容器（21）下端设有原料出口（25），混合容器（21）底部设有充电蓄电池（24）、电动机（12），底部中间设有搅拌槽（22），搅拌槽（22）中设有扇叶（23），混合容器（21）上还设有报警灯（16）、扬声器（17）、启停开关（11）。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式CPS的工业原料智能混合实时控制装置，其特征在于：所述信号放大电路（3）包括：电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，二极管D1、D2，放大器Op1、Op2、Op3、Op4；所述二极管D1阴极与二极管D2的阳极连接，二极管D1阳极与二极管D2的阴极连接，电阻R1与电容C2串联与放大器Op1的正极连接，放大器Op1的负极接电阻R1，电压Vin由电阻R1的一端输入；电阻R2与电容C1并联且并接在放大器Op1的两端，Op1的输出端接放大器Op2的正极，Op2的负极接到自己的输出端与电阻R3串联，R3接到放大器Op3的负极，Op3的正极接电阻R4，且R4的另一端接地；电阻R5两端分别接到Op3的负极和输出端，Op3的输出端接到Op4的正极；电阻R6、R7、R8、R9串联，R6的一端接Op4的输出端，R9的一端接到Op4的负极；电容C4、C6串联与串联的电阻R8、R9并联，电容C5与电阻R10并联接到电容C4、C6的中间，电容C3一端接电阻R6，一端接Op4的负极，电压Vout由Op4输出端输出。
3.根据权利要求1所述的基于嵌入式CPS的工业原料智能混合实时控制装置，其特征在于：所述单片机控制单元（5）包括：芯片AT89S52，电阻R11、R12，电容C7、C8、C9，晶振Y1，回复按键K1，所述的报警装置（7）包括：报警灯D3，电阻R13，三极管Q1，扬声器；所述芯片AT89S52的18、19管脚分别与电容C7、C8相连接，晶振Y1接在电容C7、C8的中间，C7、C8的另一端接地；AT89S52的9号管脚与电容C9连接，电阻R11与按键K1串联并接到电容C9的两端，电容的另一端接5V等电势，电阻R12与电阻R11并联；芯片AT89S52的管脚1与电阻R13相连接，报警灯D3与电阻R13并联接到三极管Q1的基极，三极管Q1的集电极接扬声器的一端，三极管Q1的发射极接5V等电势。
4.根据权利要求1所述的基于嵌入式CPS的工业原料智能混合实时控制装置，其特征在于：所述单片机控制单元（5）芯片为AT89S52，所述显示模块（6）包括：芯片LCD1602，排阻，所述按键电路（13）包括：电阻R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21，按键S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16；所述芯片AT89S51管脚32、33、34、35、36、37、38、39分别与排阻的管脚9、8、7、6、5、4、3、2、1相连接，芯片LCD1602的管脚1、2、3短接接地，管脚4、5、6分别与芯片AT89S52的管脚21、22、23相连接，LCD1602的管脚7、8、9、10、11、12、13、14分别与AT89S52的管脚39、38、37、36、35、34、33、32相连接；按键S1、S2、S3、S4一端串联连接接到芯片AT89S52的10号管脚， S1、S5、S9、S13的另一端串联接到管脚17；按键S5、S6、S7、S8一端串联连接接到芯片AT89S52的11号管脚， S2、S6、S10、S14另一端串联连接16号管脚；按键S9、S10、S11、S12串联连接接到芯片AT89S52的12管脚， S3、S7、S11、S15另一端串联连接到15号管脚；按键S13、S14、S15、S16串联连接接到芯片AT89S52的13管脚， S4、S8、S12、S16另一端接到14号管脚；电阻R21、 R20 、R19、R18、R17、R16、R15、R14分别与管脚10、11、12、13、14、15、16、17相连接。
5.根据权利要求1所述的基于嵌入式CPS的工业原料智能混合实时控制装置，其特征在于所述电磁阀（10）包括：电磁阀驱动芯片L9349，电阻R22、R23、R24、R25，电容C10、C11，二极管D4，电磁阀T1、T2、T3、T4；所述电阻R22、R23、R24、R25一端串联接+5V等电势，电阻R22、R23、R24、R25的另一端分别与芯片L9349的管脚3、8、13、18相连接，芯片L9349的管脚1、10、11、20短接接地；电容C10、C11的一端串联接在芯片L9349的5号管脚，并将二极管D4串接接到5号管脚；电磁阀T1、T2、T3、T4的一号管脚串联连接，T1、T2、T3、T4的2号管脚分别与芯片L9349的2、9、12、19号管脚连接。
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