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基于单片机自动配料系统设计报告

摘要

本报告旨在阐述一种基于单片机的自动配料系统的设计思路、实现方法及关键技术。该系统以低成本、高可靠性为目标，通过单片机作为控制核心，结合称重传感器、物料输送机构、人机交互界面及执行机构，实现对多种物料的精确称量与自动混合。报告将详细介绍系统的硬件选型、软件架构、控制算法及调试过程，为相关自动化生产领域的小型配料需求提供一种切实可行的解决方案。

一、引言

在现代工业生产与小型加工领域，物料的精确配比是保证产品质量、提高生产效率的关键环节。传统的人工配料方式不仅劳动强度大、效率低下，更难以保证配料精度的一致性，容易因人为误差导致产品质量波动。因此，开发一套经济实用、操作简便的自动配料系统具有重要的现实意义。

本设计基于单片机技术，构建一套小型化、模块化的自动配料系统。该系统能够根据用户设定的配方参数，自动完成多种物料的依次称量、输送，并最终混合输出。其核心在于利用单片机的强大控制功能与高精度的称重传感技术，实现对配料过程的闭环控制，从而有效提升配料精度与自动化水平，降低人工干预。

二、系统总体设计

2.1设计目标

本自动配料系统的主要设计目标如下：

1.配料精度：单种物料称量误差控制在预设范围内（例如不超过±某百分比或某固定值，具体视应用需求而定）。

2.物料种类：支持至少2-4种不同物料的配比（可根据实际需求扩展）。

3.人机交互：具备便捷的参数设置（配方、重量等）与状态显示功能。

4.自动化程度：一次设定后，系统可自动完成整个配料流程，无需人工值守。

5.可靠性：系统运行稳定，具备简单的故障检测与报警功能。

6.成本控制：在满足性能指标的前提下，尽量选用性价比高的元器件，降低整体成本。

2.2工作原理

系统工作的基本原理是：用户通过人机界面输入各物料的目标重量及配料顺序等参数。单片机作为控制核心，按照预设的程序逻辑，依次启动对应物料的输送机构（如螺旋输送机）。物料在重力或输送力作用下，落入称重料斗。称重传感器将料斗内物料的重量转换为电信号，经A/D转换器处理后送入单片机。单片机实时采集并处理重量信号，当实际重量达到或接近目标重量时，控制输送机构减速或停止，以减少冲量带来的误差。一种物料配料完成后，系统自动切换到下一种物料，直至所有物料配料完毕，最后启动混合或卸料机构，完成整个配料周期。

2.3系统总体结构框图

系统主要由以下几个模块构成，其总体结构框图如下（文字描述）：

*微控制器模块：核心控制单元，负责整个系统的逻辑运算、时序控制和数据处理。

*人机交互模块：包括按键输入和显示输出，用于参数设定、状态监控和操作指令输入。

*物料输送模块：由多个物料仓、对应的输送电机（如步进电机或直流减速电机）及螺旋输送杆组成，负责将物料从料仓输送至称重单元。

*称重传感与信号处理模块：由称重传感器、信号调理电路和A/D转换芯片组成，负责实时采集物料重量信息并转换为数字信号供单片机读取。

*执行机构驱动模块：包括电机驱动电路和电磁阀驱动电路，用于驱动输送电机、搅拌电机及卸料阀门等。

*电源模块：为系统各模块提供稳定的直流工作电源。

*报警模块：当系统出现异常（如物料不足、超重、卡料等）时，发出声光报警信号。

三、硬件系统设计

3.1微控制器模块选型与电路设计

选型：综合考虑系统的控制需求、运算能力、成本及开发便捷性，本设计选用STM32F103C8T6作为主控制器。该芯片基于ARMCortex-M3内核，具有丰富的GPIO接口、定时器、SPI、I2C、USART等外设资源，运算性能满足需求，且性价比高，开发资料丰富。

最小系统电路：包括电源电路（3.3V供电）、复位电路（采用上电复位与手动复位相结合）、晶振电路（8MHz外部晶振，提供系统时钟）。

3.2人机交互模块设计

输入部分：采用独立按键或矩阵键盘。设置功能键（如启动/停止、确认、取消、参数设置）和数字键（0-9），用于输入物料重量、选择配方等。按键输入采用软件去抖处理。

显示部分：选用LCD1602字符型液晶显示器，用于显示当前配料物料名称/编号、目标重量、实时重量、系统状态（准备、运行、故障等）及提示信息。LCD1602通过并行或I2C接口与单片机连接，考虑到简化布线，可优先选用I2C接口模块。

3.3物料输送与称量模块设计

称重传感器选型：选用电阻应变片式称重传感器，具有精度高、稳定性好、成本适中等特点。根据最大配料重量选择合适量程的传感器，可采用单个传感器单点支撑或多个传感器组成称重平台。

信号处理与A/D转换：称重传感器输出的信号非常微弱（mV级），需要经过信号调理电路（如仪表放大器AD620）进行放大。放大后的模拟信号送入高精度A/D转换芯片HX711。HX71