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严日村（1978－）

男，湖南澧县人，本科学历，专注于沥青混凝土摊铺机的研发设计。

摘要：针对摊铺机对输分料控制系统的高精确性和连续供料的要求，根据超声波测距原理，提出了一种基于Atmega128的超声波输分料控制系统。该系统通过PID调节实现超声波测距，结合TCN75芯片实现温度检测以补偿测量误差，通过PWM输出控制电磁阀开度，并通过基于MODBUS的RS485通信实现远程控制。最后，给出了输分料控制系统的实验测距数据，表明了该输分料控制系统可以达到对物料厚度的精确控制。

关键词：摊铺机；输分料控制器；超声波测距

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

    随着我国经济的高速发展，对公路路面施工技术水平、施工工艺和路面材料及路面结构设计提出了更高的要求。公路施工机械主要有转运车、摊铺机和压路机。摊铺机负责将拌制好的混合料，按照路面的形状和厚度均匀地摊铺在已经平整好的路基或路面基层上，并予以初步捣实和整平，形成满足一定宽度、厚度、平整度和密实度要求的路面基层或面层；其性能好坏对路面质量的优劣有着十分大的影响。

    国内外对摊铺机智能控制系统的研究主要集中在行驶精确自动控制，输分料的自动控制和调平技术三个方面的研究[1]。输分料的自动控制，这是摊铺机的主要任务之一，摊铺机既要按设定的速度分配物料，又要保证布料均匀和物料不离析[2]。本文针对现有摊铺机输分料控制器的工作原理和超声波测距的脉冲回波测距法，提出了一种基于Atmega128的超声波输分料控制系统。

2   输分料控制系统的组成和工作原理

摊铺机输分料测控模块主要包括输分料参数的检测，刮板电磁阀，斜盘电磁阀三个部分。输分料参数主要是指摊铺物料层的厚度。该模块通过对刮板送料电磁阀的控制来控制输料速度，通过对分料斜盘电磁阀的控制来控制分料速度，保证摊铺层的厚度和路面平整度。

    摊铺机的输分料控制系统实际是由左、右输料，左、右分料等4个自动控制子系统组成的。在高性能的摊铺机中，左、右刮板输料系统和左、右螺旋输料系统采用电控变量泵和非接触式料位器，分别进行比例控制，使匹配输料达到了一个新水平，实现了在设定摊铺速度、宽度、厚度情况下连续稳定输料，并且液压系统的负荷稳定。这种非接触使料位控制器避免了接触系统磨损和失误多的弱点，同时还可用电信号控制螺旋分料器的驱动装置，不但提高了平整度，而且提高了传动系统的可靠性。摊铺机的输分料控制系统如图1所示

    

 
                                    图1   输分料控制系统

    输分料控制系统通过检测沥青混凝土层的料位高度来实现反馈闭环控制。摊铺物料厚度传感器采用超声波传感器，进行料位高度信号的采样测量，实际料位高度与设定的摊铺层高度比较，所得偏差送入数字控制器，数字控制器的输出经比例电磁阀驱动变量泵和定量马达，调节输料和分料的速度，确保料位高度保持在设定高度值，进而确保摊铺层的厚度和路面平整度。

    输分料控制器包括摊铺速度协调器和物料厚度的数字调节器两个部分。输分料控制分为手动控制与自动控制，其目标是保持摊铺机熨平前物料的均匀，使摊铺层满足一定的厚度与平整度要求。输分料控制器根据摊铺速度和厚度控制输分料速度，保证了输分料系统连续均匀供料，从而提高了摊铺物料的均匀性。因此，对摊铺机输分料控制器的优化设计可以提高摊铺机工作质量，保证施工路面的均匀、平整。

    摊铺机共有左、右输料系统，左、右分料系统。输料系统和分料系统的工作原理都是通过厚度测量传感器测得实际摊铺层厚度，与要求达到的预设铺层厚度进行比较，通过控制算法，得到相应的输出电流控制输料器的刮板开度或者分料器的螺旋分料速度，达到实际铺层厚度与预设厚度一致的要求。输分料控制器完成的任务就是测量实际摊铺层厚度，并与预设铺层厚度进行比较，通过一定算法得出相应的输出。

    本文设计的输分料控制器采用超声波传感器测量实际摊铺层厚度，采用PID算法计算输出实现对电磁阀的控制。

3   超声波测距

超声波测距是一种利用声波特性、电子计数和光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法[3]。超声波测距一般有直接式和反射式这两种方式。反射式是较远距离测量和移动目标测量最常用的方式[4]。

    超声波测距原理在输分料控制器的设计中主要应用于实时所铺物料层厚度的测量。输分料控制器中，超声波测距原理如图2所示，图中h为所铺物料的厚度，L为超声波传感器安装位置到混合料面的距离。假设超声波传感器到地面的高度为H，由图可知，摊铺料层高度h的测量可转化为测量超声波探头到混合料表面之间的距离L。

图2   料位控制器超声波测距原理

    本文采用脉冲回波测距法测得L的值，再计算出摊铺机摊铺的物料厚度。由于摊铺机工作环境比较恶劣，温度变化比较大。因此，考虑到外界环境对测量值的影响，需测量环境温度对声速进行补偿，从而补偿温度对测量距离所带来的误差，从而得到精确的物料厚度h。

4   输分料控制器硬件设计

本文所设计的摊铺机输分料控制器的组成如图3所示。该控制器由Atmega128微控制器、超声波传感器、TCN75温度传感器、RS485通信部分和PWM输出部分组成。

    在整个输分料控制器中，主控芯片Atmega128除了控制超声波测距、采集摊铺机实时料位高度外，还需根据铺料厚度实时控制料斗的输料电磁阀，左、右刮板的输料速度或左、右螺旋分料器的分料速度，并与上位机之间进行通信，将自身的工作状态发送给上位机，通信方式采用基于MODBUS的RS485通信方式。
     

图3   输分料控制器系统组成框图

    输分料控制器硬件主要包括供电电源电路、超声波传感器回波处理电路、温度补偿电路、PWM输出控制电路和RS485通信模块几个部分。

    Atmega128作为ATMEL公司的高档8位单片机，内部集成了AD转换器、PWM控制器、看门狗、SPI接口、I2C接口以及JTAG调试接口，并且支持ISP在系统编程方式，工作16 MHz性能高达16MIPS，128K字节的系统内可编程Flash，4K字节的EEPROM，4K字节的内部SRAM。定时计数器得到超声波在空气中传播的时间，PWM输出用于控制摊铺机上输分料系统的电磁阀开度，以改变下料量和分料速度，使所铺物料层的高度达到预设高度。电磁阀开度的控制以摊铺料厚度为反馈量，以铺料高度为给定量，采用PID算法实现。

    输分料控制器采用的超声波传感器型号为UB2000-30GM-H3。其主要特性为不带微处理器和直接检测。该超声波传感器相对精度较高，比较适合于摊铺机的料位测量的工作环境和工作要求。UB2000-30GM-H3型超声波传感器采用脉冲回波测距法，测量范围为200～2000mm，盲区为0～200mm，一个脉冲输出，工作温度为-25～700℃，可以满足摊铺机输分料控制器的工作环境要求。

4.1 超声波测距电路设计

    Atmega128在产生发射脉冲启动超声波发射的同时，启动控制器内部计时器开始计时，当查询到回波脉冲信号时停止计时，可以计算出距离L。

    在所设计的料位控制器中，当超声波探头接收到回波后，马上输出一个正脉冲。此脉冲经过图4电路的处理，得到一个反向的回波脉冲信号送到微控制器Atmega128的INT1引脚。当电路微处理器Atmega128查询到该信号，立即停止计时，从而得到超声波在空气中的传播时间。图中Sin_BACK信号是超声波传感器接收到的回波信号。该信号经过分压后，输入到集成了两个电压比较器的LM239的A组电压比较器的IN-引脚。当回波信号到来时，该电压值大于IN+引脚的2V电压，OUT_A引脚输出低电平给MCU，停止计数器计时。

       

图4   超声波回波处理电路

4.2 温度补偿与测量

    由于超声波在空气中的传播速度受环境温度的影响比较大，而摊铺机工作环境恶劣，温度变化比较大，因此需要对输分料控制器的距离测量进行温度补偿。温度补偿测距公式：

通过TCN75测量环境温度，并将所测得的温度值通过I2C总线传给控制其Atmega128，控制器通过温度补偿测距公式便计算出精确的距离值。

    温度信号的采集采用TCN75温度传感器芯片[5]。TCN75是串行可编程的温度传感器，当被测温度超过编程设定值时，利用INT/CMPTR输出端作比较器接控制器的P1.0脚，输出温度是否超过设定最低温和最高温的信号。TCN75 的通信通过I2C总线完成。I2C总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。在本系统中，TCN75的SDA、SCL分别与Atmega128的SDA、SCL连接，进行I2C通信。R1、R2为上拉电阻，电路如图5所示。由于TCN75的数据传送与串行通讯接口规范——I2C是兼容的，在应用中可以把TCN75作为具有I2C总线接口的器件来对待。

 
                                       图5    TCN75温度传感器电路

    输分料控制器将物料厚度和预设厚度比较后，经过PID算法计算出控制量。该控制器通过Atmega128的PWM端输出控制电磁阀开度。

5   输分料控制器软件设计

    摊铺机超声波铺料自动检测器的软件设计主要包括四个部分：主程序模块、超声波测距模块、温度补偿软件模块、PID控制模块和基于MODBUS的RS485通讯模块软件设计。

    摊铺机料位控制器的主程序是整个程序运行的核心，它包括了上电初始化，I2C初始化，RS485通信初始化，配置TCN75等初始化工作。

    整个系统的工作是从测量环境温度值开始的，主控制器读出TCN75测量得到的温度值，并且保存下来，调用超声波测距程序得到计数器的计时，再根据温度补偿公式得到精确的距离值，将该距离值和实际中所要达到的物料高度进行比较，通过PID算法得到控制值，并通过CPU的PWM寄存器输出，控制电磁阀的开度。在主程序的工作过程中，需要通过I2C总线到TCN75中读出工作中要用到的PID参数。并且，如果工作中上位机要修改预设高度值和PID参数，则进入RS485通讯接受服务程序修改参数，该检测器定时3秒向上位机传送工作过程中的温度值和实时距离值，便于上位机对该检测器的工作状态进行实时监控。

    测距是料位控制器的一个子程序，程序流程图如图6所示。微控制器Atmega128在产生了触发脉冲后，采用一段很短的延时，避免超声波发射器绕射产生的虚假脉冲对测量结果的影响。然后启动TCN75，测量环境温度，读出温度值，计算得出环境温度对测量距离值所带来的误差的补偿值，从而得到精确的物料厚度。

 
                                     图6   测距系统程序流程图

    由于UB2000-30GM-H3超声波传感器的测量范围为100～2000mm，存在着盲区，因此对测量结果进行了限幅处理，即所测距离值小于100mm时，令距离值等于100m；若所测距离超过2000mm时，令距离值等于2000mm，避免测量结果在盲区内或者超过测量范围时影响系统正常运行。最后将所得距离值返回主程序，进行下一步处理。

6   抗干扰设计及测量结果分析

由于摊铺机工作环境恶劣，因此除了对超声波测量距离值进行了温度补偿外，在软件设计中还采用了软件抗干扰的设计。在软件设计中，采用多次测量结果取平均值的方式得到更为精确的距离值。连续三次测量实际距离，然后相加取平均值。若所测距离值超过2m，即超出量程或者没有接收到回波脉冲的情况，此时，采用软件处理，若连续10次测量值都为2m时才认为超声波无回波脉冲，否则，则放弃该组测量，认为改组测量结果中有外界干扰影响了测量结果，此时默认测量值为上组测量结果的平均值，并重新开始下组数据的测量。

    本文所设计的输分料控制器已经应用于某型智能摊铺机，在230C环境温度下的测试结果如表1所示。
      

                                   表1   超声波测距实验结果 

由测距实验结果可以看出，测量所得的距离值和实际距离值之间最大只有2mm的误差，在测量范围两极的测量误差较大，中间段的测量误差较小。由于物料本身的不规则和较大颗粒的存在，该误差的存在不会影响摊铺机的工作质量。该测距系统的精度完全可以满足摊铺机料位控制的要求。

    本章采用Atmega128微控制器对摊铺机输分料控制器进行了设计。该控制器利用超声波测距原理，实现了对摊铺料位高度的无接触测量。并通过TCN75测温芯片测得环境温度对所测摊铺层厚度进行补偿、采用软件处理得到精确的摊铺层厚度值。实际测量结果表明该料位控制器能够提高摊铺机输分料控制的精确性，改善摊铺机的整体性能。

其它作者：

    陈燕东（1979－），男，湖南澧县人，硕士，主要从事智能控制、电力电子及应用等方面的研究工作。

参考文献

[1] 张浩, 张一凡, 高素梅. 摊铺机控制系统发展浅析[J]. 工程机械, 2005,(5): 35-37.

[2] 胡斌, 陈桂生, 何克忠. 沥青混凝土自动摊铺机控制系统设计[J]. 计算机工程与应用, 2002, (4): 53-56.

[3] 王自强, 杨景常. 基于单片机设计的超声波测距系统[J]. 东北电力学院学报,2004,(4): 72-74.

[4] G.Andria, F.Attivissimo, N.Giaquinto. Digital Methods for very Accurate Ultrasonic Sensor Measurements[J].IEEE, 1999,.99(9): 1687-1692.

[5] 睢丙东，刘玉璞，周芬萍. 基于I2C总线的智能温度控制器[J]. 河北科技大学学报，2003，24(1): 40- 43.