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摘要：针对工业兑料系统进行流量智能控制，为了降低成本，该文设计了一种基于ARM CORTEX m0的智能监控系统。系统采用低成本ARM 处理器stm32f051作为核心控制器，通过霍尔流量计作为监测装置，采用TFT触摸屏设计人机控制界面，sdio进行信息存储。本装置用户体验良好，成本低廉且控制方便，适用于对长时间兑料工程中的原料流量监控与调整。用户能够方便的进行控制，同时提高了系统的稳定性与可靠性，具有提高效率、节省成本的良好前景。
关键词：cortex mo；智能监控；人机界面；原料流量监控
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）09-2128-03
1 概述
目前工业上有需要对化工原料、食用油、添加剂等高粘稠液体进行动态定量和计量，尤其是在车间配料时需要动态跟踪原料配制状态以及被测介质温度。控制系统根据用料需求以及温度数据快速转换，计算出需要的补偿介质量。并且能够实时计算出出料量、日累计、总累计量等数据，方便了生产管理以及成本统计。能够使所计算的介质质量避免受到温度变化的影响，确保了配料的精度，杜绝人工配料产生的误差和滴漏等现象，操作简单快捷，比人工操作省时省力，提高工作效率，有效的降低了生产成本，整个操作更加清洁卫生，使生产环境更加规范。
2 总体方案设计
系统采用arm作为核心处理器，通过测温铂电阻进行温度信息采集，设计流量监测电路对霍尔流量计进行信息采集，最后根据用料需求结合温度信息来控制电磁阀门的通断。
霍尔流量计是一种基于霍尔传感器的金属管转子流量计，通过计算产生的脉冲频率来监控液体流量大小。铂电阻是工业中常用的温度检测传感器，但是其温度和阻值存在比较明显的非线性性，它的灵敏度会随着温度的升高而变小。设计中采用利用A/ D 转换器的转换特性来实现铂电阻的非线性校正。
电磁阀门采用直动式电磁阀，阀门中心为关闭件，两端为电磁线圈。通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭，这种控制方式较为简单可靠，易于处理器控制多个阀门。
整体系统结构框图如图1所示，被测温度为液体原料温度，通过霍尔流量计监测液体流量。采集后的流量信息和温度信息送入ARM芯片内进行处理，实时计算出出料量、日累计、总累计量等数据，并且存储于sd卡中，按设定的温度要求来换算温度变化对介质量的影响，并且根据配料量的要求综合控制各个兑料口电磁阀门的通断。人机界面通过触摸屏TFT显示实时温度状态，并且用于设定相关控制参数。
3 系统硬件设计
3.1 核心处理器的选择
本系统在核心处理器的选择上，在满足设计需求的情况下，选择最优性价比的处理器来实现整个系统的核心控制。Stm32f051系列arm是st公司基于arm cortex m0 内核推出的高性能实时处理器。该内核具有32位精简指令集，并且可以最高运行在48MHZ频率。该芯片具有最大64K字节Flash，8k字节的sram，并且具有12位的ADC转换器，16位定时器，SPI通信接口，并且多达55个高速I/O口，非常适合用于本系统中。系统核心硬件示意图如图2所示：
如上图显示：系统电源通过24v供电，24v电源分两路，一路输出电磁阀门供电。一路进行降压，通过LM2596T和asm1117分别降压为5v和3，3v，其中5v通向霍尔流量传感器，3.3v给主控制arm供电。8M晶振提供给主芯片作为时钟晶振，同时由于要使用到内部rtc，同时连接低速32.768khz晶振。调试通过jtag标准20脚进行程序的下载与仿真。外部留下rs232串口模块用于ISP程序的烧写与更新。
同时对于各液体通道的电磁阀门的控制采用继电器通断电源的方式进行，电路设计如图3所示，图中通过IO管脚控制继电器的通断：
3.2 温度检测部分设计
对液体温度的监测采用测温铂电阻来实现，该方案能够用于高温情况下的温度监测，但是当温度范围越大，铂电阻检测温度的非线性越强，因此为了减小在高温情况下非线性对检测精度的影响，通过动态反馈的方式来调整通过测温铂电阻的激励电流，从而实现电压输出的非线性补偿。电路设计如图4所示：
3.3 TFT触摸屏控制设计
触摸屏触摸控制采用触摸感应芯片xpt2046，其内部结构能够快速完成电极电压的切换，从而实现A/D信号的快速转换。硬件电路如图5所示。
上图中x ，y ，x-，y-分别连接触摸屏的正电极和负电极两端，转换后的信号通过spi接口和stm32f051相连接，由arm处理器判断液晶屏的触摸感应点。
3.4 信息存储模块设计
为了便于之后的查询需要，对于出料量、日累计、总累计量等数据需要进行存储，存储方式采用安全数字输入输出卡（Secure Digital Input and Output Card），SDIO在SD标准上定义了一种外设接口，具有容量大，便于修改等特点。系统中软件采用FATFS文件系统进行SD卡的读写。
4 软件设计
4.1 信号采集与处理
信号采集主要包括温度采集和流量信号的采集。图6和图7分别为温度采集流程和流量监控的流程图：
温度采集程序流程：首先对用于温度采集的arm的AD端口进行初始化，之后通过tft触摸屏选择发送温度采集命令，等待命令接收后进行数据接收，接收后的模拟信号通过处理器的a/d模块转换成数字信号，然后对比预设温度值，进行液体体积变化的计算。并且把实时温度在TFT液晶屏上进行显示。
流量监控信号采集流程：首先系统初始化，tft触摸屏选择发送定时采样命令，对霍尔流量计输出的脉冲信号进行计数，然后根据转换公式计算出对应的液体流量，结合温度对液体体积的影响，统计出料量，对比是否超过预设值。进而更加设计要求控制不同的电磁阀门的开关闭合，进而精确控制配料量。
4.2 人机交互界面设计
为了方便用户控制和设置预定参数，设计了采用触摸屏TFT做为基础的GUI界面，GUI为 Graphical User Interface 的简称，为了提高工业用户的可操作性，并且可以省掉机械按键，避免环境腐蚀，提高了可操作性。本项目中设计GUI脱离处理器和液晶硬件的图像用户接口，并在设计软件时形成独立应用控件，比如触摸按键显示，中文显示，窗口，text文本显示等。
5 结束语
随着自动控制的发展，原料配制越来越朝着高精度与自动化方向发展。为了能够更加方便的进行控制，该文采用了设计GUI控件用于TFT触摸屏用作人机操作界面，采用铂电阻作为温度传感器进行温度采集，霍尔流量传感器进行流量监测，采样后的信号经转arm处理器处理换成出料量后与预设值进行比较，进而按照设计要求控制电磁阀门的开与闭，精确控制每种不同配料的流入
量，并且通过arm的spi接口外接sd存储器进行信息存储。本方案具有操作方便，用户界面友好，自动化程度高，精度高，并且成本低廉等特点，特别适合用于各种工业场合。
参考文献：
[1] 曲萍萍.工业自动配料系统中的控制研究 [J].科技创新与应用，2011（21）.
[2] 胡晓泊，瞿浩，安稷.基于霍尔效应的低成本简易流量计[J].科技创新导报，2012（4）.
[3] 黄大勉，羊梅君.一种新的校正珀电阻传感器非线性的数学方法 [J].传感器技术，2004（6）.
[4] 黄松涛，耿琳，吴迪.基于液晶和触摸屏的数字电源人机交互系统设计[J].电子测量技术，2012（12）.
[5] 季圆圆，王海鹏，张涛，等.触摸屏手机GUI节能优化方案的设计及验证[J].微处理机，2012（5）.
关键词：cortex mo；智能监控；人机界面；原料流量监控
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）09-2128-03
1 概述
目前工业上有需要对化工原料、食用油、添加剂等高粘稠液体进行动态定量和计量，尤其是在车间配料时需要动态跟踪原料配制状态以及被测介质温度。控制系统根据用料需求以及温度数据快速转换，计算出需要的补偿介质量。并且能够实时计算出出料量、日累计、总累计量等数据，方便了生产管理以及成本统计。能够使所计算的介质质量避免受到温度变化的影响，确保了配料的精度，杜绝人工配料产生的误差和滴漏等现象，操作简单快捷，比人工操作省时省力，提高工作效率，有效的降低了生产成本，整个操作更加清洁卫生，使生产环境更加规范。
2 总体方案设计
系统采用arm作为核心处理器，通过测温铂电阻进行温度信息采集，设计流量监测电路对霍尔流量计进行信息采集，最后根据用料需求结合温度信息来控制电磁阀门的通断。
霍尔流量计是一种基于霍尔传感器的金属管转子流量计，通过计算产生的脉冲频率来监控液体流量大小。铂电阻是工业中常用的温度检测传感器，但是其温度和阻值存在比较明显的非线性性，它的灵敏度会随着温度的升高而变小。设计中采用利用A/ D 转换器的转换特性来实现铂电阻的非线性校正。
电磁阀门采用直动式电磁阀，阀门中心为关闭件，两端为电磁线圈。通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭，这种控制方式较为简单可靠，易于处理器控制多个阀门。
整体系统结构框图如图1所示，被测温度为液体原料温度，通过霍尔流量计监测液体流量。采集后的流量信息和温度信息送入ARM芯片内进行处理，实时计算出出料量、日累计、总累计量等数据，并且存储于sd卡中，按设定的温度要求来换算温度变化对介质量的影响，并且根据配料量的要求综合控制各个兑料口电磁阀门的通断。人机界面通过触摸屏TFT显示实时温度状态，并且用于设定相关控制参数。
3 系统硬件设计
3.1 核心处理器的选择
本系统在核心处理器的选择上，在满足设计需求的情况下，选择最优性价比的处理器来实现整个系统的核心控制。Stm32f051系列arm是st公司基于arm cortex m0 内核推出的高性能实时处理器。该内核具有32位精简指令集，并且可以最高运行在48MHZ频率。该芯片具有最大64K字节Flash，8k字节的sram，并且具有12位的ADC转换器，16位定时器，SPI通信接口，并且多达55个高速I/O口，非常适合用于本系统中。系统核心硬件示意图如图2所示：
如上图显示：系统电源通过24v供电，24v电源分两路，一路输出电磁阀门供电。一路进行降压，通过LM2596T和asm1117分别降压为5v和3，3v，其中5v通向霍尔流量传感器，3.3v给主控制arm供电。8M晶振提供给主芯片作为时钟晶振，同时由于要使用到内部rtc，同时连接低速32.768khz晶振。调试通过jtag标准20脚进行程序的下载与仿真。外部留下rs232串口模块用于ISP程序的烧写与更新。
同时对于各液体通道的电磁阀门的控制采用继电器通断电源的方式进行，电路设计如图3所示，图中通过IO管脚控制继电器的通断：
3.2 温度检测部分设计
对液体温度的监测采用测温铂电阻来实现，该方案能够用于高温情况下的温度监测，但是当温度范围越大，铂电阻检测温度的非线性越强，因此为了减小在高温情况下非线性对检测精度的影响，通过动态反馈的方式来调整通过测温铂电阻的激励电流，从而实现电压输出的非线性补偿。电路设计如图4所示：
3.3 TFT触摸屏控制设计
触摸屏触摸控制采用触摸感应芯片xpt2046，其内部结构能够快速完成电极电压的切换，从而实现A/D信号的快速转换。硬件电路如图5所示。
上图中x ，y ，x-，y-分别连接触摸屏的正电极和负电极两端，转换后的信号通过spi接口和stm32f051相连接，由arm处理器判断液晶屏的触摸感应点。
3.4 信息存储模块设计
为了便于之后的查询需要，对于出料量、日累计、总累计量等数据需要进行存储，存储方式采用安全数字输入输出卡（Secure Digital Input and Output Card），SDIO在SD标准上定义了一种外设接口，具有容量大，便于修改等特点。系统中软件采用FATFS文件系统进行SD卡的读写。
4 软件设计
4.1 信号采集与处理
信号采集主要包括温度采集和流量信号的采集。图6和图7分别为温度采集流程和流量监控的流程图：
温度采集程序流程：首先对用于温度采集的arm的AD端口进行初始化，之后通过tft触摸屏选择发送温度采集命令，等待命令接收后进行数据接收，接收后的模拟信号通过处理器的a/d模块转换成数字信号，然后对比预设温度值，进行液体体积变化的计算。并且把实时温度在TFT液晶屏上进行显示。
流量监控信号采集流程：首先系统初始化，tft触摸屏选择发送定时采样命令，对霍尔流量计输出的脉冲信号进行计数，然后根据转换公式计算出对应的液体流量，结合温度对液体体积的影响，统计出料量，对比是否超过预设值。进而更加设计要求控制不同的电磁阀门的开关闭合，进而精确控制配料量。
4.2 人机交互界面设计
为了方便用户控制和设置预定参数，设计了采用触摸屏TFT做为基础的GUI界面，GUI为 Graphical User Interface 的简称，为了提高工业用户的可操作性，并且可以省掉机械按键，避免环境腐蚀，提高了可操作性。本项目中设计GUI脱离处理器和液晶硬件的图像用户接口，并在设计软件时形成独立应用控件，比如触摸按键显示，中文显示，窗口，text文本显示等。
5 结束语
随着自动控制的发展，原料配制越来越朝着高精度与自动化方向发展。为了能够更加方便的进行控制，该文采用了设计GUI控件用于TFT触摸屏用作人机操作界面，采用铂电阻作为温度传感器进行温度采集，霍尔流量传感器进行流量监测，采样后的信号经转arm处理器处理换成出料量后与预设值进行比较，进而按照设计要求控制电磁阀门的开与闭，精确控制每种不同配料的流入
量，并且通过arm的spi接口外接sd存储器进行信息存储。本方案具有操作方便，用户界面友好，自动化程度高，精度高，并且成本低廉等特点，特别适合用于各种工业场合。
参考文献：
[1] 曲萍萍.工业自动配料系统中的控制研究 [J].科技创新与应用，2011（21）.
[2] 胡晓泊，瞿浩，安稷.基于霍尔效应的低成本简易流量计[J].科技创新导报，2012（4）.
[3] 黄大勉，羊梅君.一种新的校正珀电阻传感器非线性的数学方法 [J].传感器技术，2004（6）.
[4] 黄松涛，耿琳，吴迪.基于液晶和触摸屏的数字电源人机交互系统设计[J].电子测量技术，2012（12）.
[5] 季圆圆，王海鹏，张涛，等.触摸屏手机GUI节能优化方案的设计及验证[J].微处理机，2012（5）.