卓慶澳　歐陽凌杰　路陽　張新帥

摘 要

煎餅作為較為有特色的一種食品，在山東南部地區(qū)以及江蘇北部地區(qū)廣泛作為一種主食食用，但是長(zhǎng)期以來多以手工作坊式手工加工生產(chǎn)為主，存在生產(chǎn)效率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)環(huán)境惡劣等問題。本課題意在開發(fā)一種專用控制器，在配合相應(yīng)機(jī)械動(dòng)作下，完成煎餅這種食品的自動(dòng)化生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞

煎餅機(jī)控制器;過零點(diǎn)檢測(cè);高頻脈沖檢測(cè)電路

中圖分類號(hào)： TP332 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.006

0 引言

煎餅作為較為有特色的一種食品，現(xiàn)在的加工方式或多或少存在一定的缺陷。傳統(tǒng)的加工方式生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，不適合批量生產(chǎn)。現(xiàn)在已有的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備使用PLC控制，成本高，體積大，并且為了控制成本多采用定速控制?；谝陨蠋c(diǎn)我們就希望在傳統(tǒng)的方法上對(duì)控制器，傳感器，顯示器，進(jìn)行更改和優(yōu)化。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

使用型號(hào)為STM32f103VGT6的單片機(jī)作為主控制器，傳感器有E3F-DS30C4/C1紅外傳感器，ACBS712霍爾傳感器，DS18B2溫度檢測(cè)模塊組成。通過驅(qū)動(dòng)電路控制4V210-08電磁閥和220V單相交流電機(jī)，輸入輸出隔離采用了光電耦合隔離增加系統(tǒng)抗干擾能力?？刂破鞴ぷ鞣譃槿齻€(gè)過程，首先主控制器與人機(jī)接口通信，實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，并將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給人機(jī)接口STM8，讓其顯示溫度，轉(zhuǎn)速等參數(shù)。在不同的溫度下使用不同的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速通過電機(jī)上的霍爾傳感器得到。并且通過PID算法計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)速和當(dāng)前轉(zhuǎn)速偏差，進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，以實(shí)現(xiàn)宏觀狀態(tài)下電機(jī)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

系統(tǒng)的工作過程為：系統(tǒng)開啟，傳感器參數(shù)賦初值，檢測(cè)單片機(jī)通信，通信，關(guān)閉電磁閥，啟動(dòng)電機(jī)。系統(tǒng)啟動(dòng)不正常，蜂鳴器報(bào)警，關(guān)閉設(shè)備檢查。系統(tǒng)正常延時(shí)60s，開啟4V210-08電磁閥，讀取DS18B2溫度傳感器數(shù)據(jù)，發(fā)送至STM8顯示，得到該溫度下電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)制，延時(shí)10s，關(guān)閉電磁閥。延時(shí)60s后，轉(zhuǎn)至1，循環(huán)。

顯示模塊使用了STM8S103作為人機(jī)接口完成對(duì)紅外傳感器，霍爾傳感器等信號(hào)的采集。通過輸出接口電路，完成對(duì)氣缸電磁閥驅(qū)動(dòng)。控制脈沖輸出，來完成對(duì)單相交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。單片機(jī)之間相互通信，完成溫度傳感器數(shù)據(jù)采集，人機(jī)對(duì)話模塊通訊接入。人機(jī)對(duì)話裝置使用了STM8S103顯示，通過5位數(shù)碼管數(shù)據(jù)顯示功能和系統(tǒng)狀態(tài)。

測(cè)頻測(cè)速模塊：為減小主程序的復(fù)雜度，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)程序跑飛，卡死等情況，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)置。使用STM8S103作為檢測(cè)模塊的芯片，需要使用STM8的1個(gè)定時(shí)器和兩個(gè)計(jì)數(shù)器。工作方式都為方式1，兩個(gè)計(jì)數(shù)器引腳分別外接ACBS712編碼器的A和B相，A相與B相是相位相差180度的脈沖波，定時(shí)器開始定時(shí)，當(dāng)定時(shí)器滿溢出時(shí)，將兩個(gè)計(jì)數(shù)器的數(shù)值送至速度檢測(cè)函數(shù)，清空計(jì)數(shù)器的值，定時(shí)器賦初值。兩個(gè)定時(shí)器周期向主控制器發(fā)送速度值。單片機(jī)之間通信方式為同步I2C通信。

2 基本原理與技術(shù)路線

2.1 硬件部分

2.1.1 交流調(diào)壓電路

單相交流電機(jī)調(diào)速方法與三相異步電機(jī)調(diào)速因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)在調(diào)速方法上也有不同，即不能通過調(diào)節(jié)頻率來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速，單相電機(jī)的調(diào)速方法有，變極調(diào)速、降壓調(diào)速、調(diào)節(jié)抽頭來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，對(duì)于控制方法而言，降壓調(diào)速相較于其他方式調(diào)速范圍廣，方便控制。

（1）主電路

圖2為單相交流調(diào)壓電路，兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)來分別控制正弦交流電的上下半個(gè)周波，電動(dòng)機(jī)視為阻感負(fù)載，通過控制晶閘管的導(dǎo)通的關(guān)斷，就可以控制輸出電壓，輸出電壓大小和導(dǎo)通角α就可以控制輸出電壓的有效值從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)負(fù)載是阻感負(fù)載，所以回路會(huì)發(fā)生續(xù)流晶閘管不會(huì)立即在電壓過零點(diǎn)關(guān)斷，所以只能采用滯后控制的方法，即導(dǎo)通角α>ψ（ψ=arctan（wL / R））。如果電機(jī)轉(zhuǎn)速過低可能出現(xiàn)抖動(dòng)屬于正?，F(xiàn)象，可以增加濾波電路來優(yōu)化。

（2）觸發(fā)電路

晶閘管因其特有的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)通方式有兩種，①當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)在門級(jí)施加觸發(fā)脈沖，形成正反饋晶閘管導(dǎo)通。②陽極電壓升高達(dá)到可以形成雪崩效應(yīng)，晶閘管也會(huì)導(dǎo)通。

由于第二種情況不可控，只能通過控制門級(jí)觸發(fā)脈沖來控制電壓。觸發(fā)電路控制觸發(fā)角需要找到交流電的零點(diǎn)，然后延時(shí)以控制觸發(fā)角。采用單片機(jī)的外部中斷檢測(cè)零點(diǎn)，觸發(fā)方式為脈沖觸發(fā)，當(dāng)檢測(cè)到電壓為0是開啟定時(shí)器，發(fā)出寬脈沖觸發(fā)晶閘管，防止續(xù)流未結(jié)束晶閘管無法開通。

2.1.2 測(cè)頻調(diào)速電路

基于STM8的測(cè)頻控制單項(xiàng)電機(jī)調(diào)壓調(diào)速模塊，主控制器通過脈沖輸出接口與該模塊相連接，該模塊通過測(cè)量脈沖頻率去對(duì)應(yīng)控制單項(xiàng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以零點(diǎn)檢測(cè)電路，通過控制觸發(fā)角來完成單項(xiàng)電機(jī)調(diào)壓調(diào)速。模塊具備多路控制使能端，具備轉(zhuǎn)速鎖存功能，控制多個(gè)電機(jī)時(shí)，通過使能端循環(huán)刷新轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。同時(shí)電機(jī)安裝有光電編碼器，通過PID算法來循環(huán)刷新PWM值，使轉(zhuǎn)速恒定。

2.2 軟件部分

2.2.1 人機(jī)通信接口

該裝置使用STM8S103作為主控制器，通過5位數(shù)碼管數(shù)據(jù)顯示功能，相應(yīng)狀態(tài)指示燈電路，按鍵掃描電路，與中控制器通訊的接口電路等。軟件部分應(yīng)完成與主控制器的通訊，按鍵的譯碼，通訊數(shù)據(jù)譯碼，數(shù)碼管顯示，指示燈指示等功能

2.2.2 程序流程

32位單片機(jī)等待指令開啟電磁閥，獲得傳感器和外部人機(jī)接口數(shù)據(jù)，延時(shí)，關(guān)閉電磁閥，如果外部有轉(zhuǎn)速要求按照外部轉(zhuǎn)速，若沒有這按照正常轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速通過PID完成閉環(huán)控制。程序流程圖附圖3。

3 總結(jié)

本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于（1）各個(gè)功能模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，可移植性強(qiáng)，方便與其他設(shè)備交互。（2）隔離式輸入輸（3）控制器擬解決問題為地方性特色食品加工，較其他控制器設(shè)計(jì)無同質(zhì)化設(shè)計(jì)問題。（4）自動(dòng)化程度高，顯著降低工作勞動(dòng)強(qiáng)度，降低人工用量，產(chǎn)品質(zhì)量好。（5）控制器應(yīng)具備較低生產(chǎn)成本，與當(dāng)前使用PLC作為主控制器的自動(dòng)化控制系統(tǒng)相比較，可以使成本降低百分之五十，體積縮小百分之七十。

致謝：

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，感謝張新帥老師給予幫助和鼓勵(lì)。本論文有臨沂大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助項(xiàng)目編號(hào)（S201910452039）。

參考文獻(xiàn)

[1]《電力電子技術(shù)》王兆安，劉進(jìn)軍主編.第五版，機(jī)械工業(yè)出版社，2009.5.

[2]《常用晶閘管觸發(fā)器集成電路及應(yīng)用》李宏編著.科學(xué)出版社，2011.1.

[3]《傳感器與單片機(jī)接口及實(shí)例》來清民著.北京航空航天大學(xué)出版社，2008.1.