一種基于AT89C51的全自動攪拌系統

何 穎，張榮飛，覃 飛

（1.西南石油大學 機電工程學院，成都 610500；2.西南石油大學 電氣信息學院，成都 610500）

0 引言

作為攪拌固體和液體的常用設備，攪拌裝置廣泛應用于工業生產和日常生中。現有的混合系統在結構上主要分為兩種：一種為在軸式的傳動軸上安裝攪拌葉片，利用葉片來攪拌物料；另一類則是通過鋼齒輪傳動帶動某一形狀的筒體的自身旋轉而使物料產生攪拌效果。文獻[1～3]中提出將混合桶的旋轉與混合桶中攪拌軸的旋轉結合起來,以提高了混料的精度和效率,但在攪拌速度以及液體與固體的混合比例等方面沒有實現優化，使最終的攪拌物均勻程度得不到保障。文獻[4～6]提出一種雙軸攪拌器，其攪拌部件由兩個對稱的帶有攪拌刀的螺旋旋轉體組成，兩個攪拌軸以相同的速度旋轉并向相反的方向旋轉。針對不同環境，其提出采用不同供能方式以及調節減速機來減少攪拌過程中存在的不均勻現象。

上述兩種攪拌原理的攪拌裝置都實現了固體與液體的混合，提出了對攪拌不均勻現象的優化，已被廣泛用于一些對均勻性和精度要求不高的工業生產中。然而，對于如食品加工、藥物萃取等對攪拌均勻程度要求高的方面，上述兩種攪拌系統可靠性大大下降。同時，針對目前市場上的攪拌設備須人工加水，人工控制水和材料比例等造成的攪拌誤差率較大現象，以及存在的攪拌系統自動化程度較低的問題，本文設計了一種全自動攪拌系統，采用AT89C51為主控制器，集成了壓力傳感器模塊，電磁閥模塊，電機驅動模塊，LCD顯示模塊，操控板模塊等，實現了均勻攪拌、高攪拌精度以及較高程度的自動化。

1 系統整體設計

全自動攪拌系統的控制系統設計圖如圖1所示，主要包塊主控制器模塊，壓力傳感器模塊，電磁閥模塊，電機模塊，LCD顯示模塊和操控板模塊等。

本系統核心采用的是AT89C51單片機,使用者可以通過操控板為系統挑選攪拌模式，壓力傳感器感應攪拌缸中注入材料的重量，將數據通過A/D通道傳輸給控制器，控制器的程序系統根據用戶的模式選擇做出判斷，計算出系統需要的注水量，A/D通道控制電磁閥的開斷，為系統注水。通過壓力傳感器的數據反饋，當系統注水完成后，AT89C51單片機控制電機驅動模塊驅動電機轉動，LCD顯示屏顯示整個攪拌過程的所需數據，為用戶提供攪拌信息。電路板自帶的ISP/JTAG接口可以實現系統程序的燒寫與調試，為不同功用的材料設定最佳的水材比和攪拌時間。

圖1 以AT89C51為基礎的全自動攪拌系統總框圖

2 系統的機械結構設計

整個全自動攪拌系統的采用的是一種翻蓋開合式的機械結構，如圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)所示，由于攪拌過程中系統將會受到較大的沖擊力，為保證整個裝置的安全性與穩定性，整套系統的制作材料選用的是鐵材。翻蓋開合式的結構設計可以實現翻蓋1的合上或是翻開，便于攪拌過程中加入或是取出材料。翻蓋1與支座13通過合頁連接，合頁的使用幫助翻蓋實現開合。

電路箱14內放控制電路，是整個控制系統的核心，打開總開關6啟動整個攪拌系統，用戶根據按鈕7和顯示屏5自行操控整個系統，選定攪拌模式。攪拌缸2盛放攪拌材料，壓力傳感器3置于攪拌缸下方，感應整個攪拌缸的重量。軟管12一頭接水源，一頭放在攪拌缸內，與電磁閥4的組合控制水的注入或是停止。電源10為電機9提供電源，使電機轉動，驅動由8和15構成的齒輪減速傳動裝置轉動，帶動攪拌爪11的轉動，實現整個攪拌動作。

圖2 全自動攪拌系統機械結構設計圖

3 系統的控制電路設計

3.1 功能電路設計

如圖3所示，為全自動攪拌系統的控制電路圖，其主要包括AT84C51單片機、電機電路、電磁閥控制電路、傳感器反饋電路、LCD12864顯示屏電路、按鍵選擇電路、儲存電路等部分。

AT84C51的I/O口外接各個模塊驅動電路，接受外電路信號，然后控制各個模塊的運行狀態；電機電路包括電機驅動和電機，其中驅動電路一端與電機M1連接，一端與AT84C51的P3.5、P3.6、P3.7三個I/O口相連，a、b端口實現PSW控制策略下電機速度的改變，c、d端口實現電機在攪拌過程中的方向；電磁閥控制電路，IGBT與電磁閥Y1串聯接入P3.3I/O口，同時加入保護電阻R1、R2以保證電磁閥電路的穩定性；傳感器反饋電路作為本系統信號產生電路，其由壓力傳感器和型號為HX711的A/D轉換電路組成，與I/O口P2.0和P2.1相連；LCD12864顯示屏電路能顯示出當前攪拌系統的運行工作狀態，其由LCD12864顯示屏及其驅動電路組成，PB0-PB7與P03I/O口連接，PSB、RS、RW、EN功能端口分別與P2.2、P2.3、P2.4、P2.5 I/O口連接；按鍵選擇模塊實現攪拌物與注水量之間的比例調節，K1、K2、K3、K4四個按鈕開關與P1.3、P1.4、P1.5、P1.6 I/O口連接；儲存電路由24C02與P1.0、P1.1 I/O口連接，儲存攪拌系統狀態信息。

結合全自動攪拌系統機械裝置，其控制電路的運行狀態為：K1、K2、K3、K4為攪拌注水量可調比例按鈕，按下按鈕K1表示攪拌物與注水量的比例為1:1，以K1為參考，按鈕K2每閉合一次，注水比例增加0.2；K3每閉合一次注水量按比例減少0.2，K4為用戶可微調按鈕，攪拌前用戶根據不同的攪拌物選擇不同的注水比例按鈕；如圖所示RP2為壓力傳感器，接受來自攪拌物的信息，經HX711芯片的A/D轉換電路，接入AT84C51中結合按鍵選擇電路，計算出所需注水量的質量和體積；AT84C51控制流經電磁閥閥門的開關，斷續注入適量清水；同時，驅動電機帶動攪拌爪旋轉，由預先設定的電機轉動方式配合分時段注水最終完成攪拌過程；此過程中，LCD12864會顯示當前注水比例以及基于時間的攪拌完成情況，以方便檢測攪拌系統的實時運行狀態。當攪拌完成后，用戶可通過按鍵K4對實際情況進行微調，同時可自定義保存當前模式數據到24C02中，供用戶下次調用。

3.2 壓力傳感器驅動電路設計

圖3 控制電路圖

圖4 壓力傳感器轉換原理圖

如圖4所示，為壓力傳感器模塊的電路原理圖。壓力傳感器與傳感器A/D轉換器芯片相連接，考慮到對攪拌系統高精度的要求，傳感器A/D轉換器芯片選用具有抗干擾能力強、快速響應、穩定性高特點的型號為HX711的轉換芯片[7]。HX711具有A，B兩個通道，A通道的信號增益為128或64，B通道的信號增益為32。在信號輸出時，24位A/D轉化信號以串口傳輸形式，多位數據傳輸接入AT89C51單片機，串口的通信線為PD_SCK和DOUT兩條線路，他們分別與AT89C51的P2.0和2.1相連。A通道128的增益倍數可以使傳感器感應到攪拌缸里物質重量細微的變化，提高整個系統的靈敏度和精度。如圖所示為采用0～10kg的橋式傳感器逆變電路與HX711相連形成的壓力傳感器信號采集及轉換電路。

3.3 電磁閥驅動電路設計

全自動攪拌系統的注水軟管負責注水工作，需要在注水軟管上安裝一個水用電磁閥負責進水口的開斷，控制系統的注水量[8]。控制器接受來自AT89C51的指令信號，來控制電磁閥內線圈電氣回路的開關，通過電磁力的作用，最終實現自動閥門的功能[3]。電磁閥的型號多樣，有2W160-10、2W160-15、2W200-20、2W250-25、2W350-35、2W400-40、2W500-50等，根據使用環境與攪拌物特性選擇不同型號的電磁閥。電磁閥進行開關控制主要由單片機輸出引腳的脈沖信號來控制電磁閥驅動電路來實現的，電磁閥驅動電路如圖5所示。

圖5 電磁閥的驅動電路

當給VCC加入+12V工作電壓，發光二極管D2所在支路與電位器R5支路并聯，驅動電路工作，發光二極管D2被點亮，R4作為保護電阻，為防止D2兩端瞬時電壓過大被擊穿而與D2相串聯；同時電磁閥兩端加上電壓，通過改變R5的大小來控制電磁閥兩端電壓，最終確定流經電磁閥水的流量。同時，為減小電壓瞬時變化對電磁閥精度的影響，二極管D1與電磁閥形成回流回路來消弱逆流電流的沖擊。

4 結論

1）本文提出了一種全自動攪拌裝置的機械結構，采用齒輪傳動設計，傳動比恒定，速度均勻，在機械結構上確保了對攪拌精度的要求；同時，通過齒輪結構，將電機的高轉速轉化為低轉速，保證了攪拌物的均與程度。

2）本文設計的與攪拌機械裝置配合的控制電路，實現了將攪拌過程自動化與功能選擇的功能。

3）對控制電路中的核心驅動電路進行了設計和分析，確保了硬件與控制電路之間的高可靠性。