飼料加工機械中單片機控制系統的應用

崔瑾娟

（山西機電職業技術學院，山西長治046011）

飼料生產機械的管理控制系統經過多年的發展，經歷了各個發展時期（張力文等，2015）。從最初的模擬電路，到小規模集成電路，到單片機系統，再到現如今的結合PC 機、各種總線以及單片機的復雜控制系統（吳志剛等，2014；曹康，2014；房子敬等，2006）。現如今的飼料生產機械的管理控制系統已經可以稱為一個復雜的電子系統，并且其在實際應用中也取得了良好的效果（胡凱飛，2018； 曹康等，2014；張吉鹍等，2014）。

一般來說， 飼料生產機械的管理控制系統由三部分組成，即單片機控制系統、總線系統以及上位機系統。單片機是一種大規模的集成電路芯片，并且現在大多數廠商的單片機產品均帶有RAM、PROM 等存貯單元、多種I/O 接口和中斷系統；單片機經過多年的發展，從最初的4 位，發展到現在百兆高速單片機，功能也有了極大的豐富，可以適應各種控制系統中的應用場景（王開宇，2018；黃啟鋒等，2016；楊昆，2016）。 總線系統是一種用來傳輸信息的系統， 其可以負責CPU 和單片機之間、單片機和其他電路或傳感器之間的信息傳輸，一般來說其具有體積小、可靠性高、與機械以及各種儀表結合性好的優點 （周金芝等， 2016； 段云強，2016）。 上位機系統就是基于PC 機的控制系統，隨著半導體技術的發展，現在PC 機的功能和性能已經得到了極大的增強，因此，基于PC 機二次開發的上位機控制系統， 可以方便的實現飼料生產機械管理控制系統的人機交互功能（游達章等，2015；石毅壯，2014）。

1 飼料生產控制系統概述

1.1 飼料生產過程簡述 一般來說，飼料的加工生產過程可以分為以下幾個部分，如圖1 所示。

首先，粉料從圖中的下料口（圖中101 處）送入，隨后被提升機提升至頂端，通過傳送帶，粉料被送至粉抖篩（圖中201 處）用以篩掉粉料中較大的顆粒，篩選完成后就被送至配料倉；接著篩選后的粒料被送至下料口后提升（圖中103 處），再經過粒料篩（圖中105 處）和永磁體（圖中106 處），用以再次去除較大的顆粒和鐵削等雜質， 隨后粒料經過粉碎機被粉碎成粉末，并再次被送入配料倉；其次，各種經過處理的粉料，按照一定的比例在混合機中 （圖中215 處） 進行充分的混合；最后，混合好后的飼料通過氣動三通（圖中301 處）開關來控制混合料流向，經過下料倉（圖中302處）進行稱重打包等流程（ 何武林，2019；李軍國等，2013）。

1.2 控制系統簡述 一般控制系統都采用工業PC 計算機作為控制主機， 配以高分辨率的顯示器，采用多任務控制算法，將飼料加工全過程的每一個流程以及各種數據給予詳細的顯示。采用單片機以及各種電路的配合，來支持飼料加工過程中細粒度的控制。整個控制系統具有良好的人機交互界面，可以高效而科學地監測和控制飼料加工系統的全流程。飼料加工控制系統主要有硬件系統和軟件系統組成。

1.2.1 硬件系統 硬件系統采用雙秤以及各種傳感器進行數據的采集，并通過單片機系統進行數據的處理和數據與上位機的交互，采用同步電機來驅動放料門。該系統的主要作用是各種開關信號的度量，包括模擬信號的輸入、輸出以及各種接口卡信號的輸入、輸出，這樣可以保證主機穩定與持續的運行，還可以通過光電隔離裝置與接口板相聯接。 同時為了減少輸出工程中的干擾，還可以采用固態繼電器來減少干擾（鄭海英，2018；楊強等，2018）。

1.2.2 軟件系統 在正常運行狀態下，軟件系統不僅要做到能夠實時的反映現場的各種狀態，同時還要實現配料過程的實時監控與測量，以及對粉碎機電流大小的控制與調節，同時要在屏幕上實時動態顯示各個監測點的電流大小，以及對鍵盤的響應做出回應。 一般在實際使用當中，還需要設計三個定時器對時間進行有效的控制，為了實現測控過程中事件的同步，信號燈控制管理和事件管理控制是必不可少的 （曹康等， 2014；呂德臣等，2013）。

軟件系統流程如圖2 所示。 首先，以整個屏幕作為考量，對配方庫、原料庫、生產計劃等進行科學的編輯和管理；其次，粒料進倉電路和粒料進倉監控電路同時運行，并且運用動態模擬的方式，來顯示該過程的工藝流程，例如動態更新粉碎機的電流信息；接著，粉料進倉電路系統和粉料進倉監控電路同時運行，并且運用動態模擬的方式，來顯示該過程的工藝流程，例如對總電流量進行動態更新；最后，通過雙秤配料監控程序、制粒監控程序、 飼料生產管理模塊等的協同使用，使得各部分的管理和控制穩步進行。

2 飼料生產控制硬件系統中單片機的應用

2.1 基于單片機的控制系統 飼料加工總的控制系統如圖3 所示。

單片機就位于下位機工作站當中，其主要有兩方面的功能。 一是重量傳感器收集到的信號，經過A／D 轉換后，將信號輸送至單片機內；這樣一方面，可以用數碼管來顯示該重量數據；另一方面，經過單片機處理后的重量數據還需要輸送至工業PC 機中， 并且作為PC 機下發控制命令的根據。二是溫度傳感器可以探測出飼料中油脂的溫度， 該溫度數據同樣經過A／D 轉換后被輸送至單片機中， 經單片機處理后輸出控制信號，用以控制電路中的加熱模塊，以此來控制飼料中油脂的溫度。

在整個系統中， 工業PC 機也是非常重要的一部分，但這里不做詳細的介紹。

2.2 基于單片機的下位機工作站 下位機工作站主要由單片機組成， 主要用于數據的采集、處理、傳輸、顯示等。其具體過程如圖4 所示，這里采用MCS51 單片機作為示例，從以下幾個方面闡述單片機在下位機工作站中的應用。

2.2.1 供橋電源 供橋電源對傳感器起著至關重要的作用，故供橋電源的精度要求很高。為了保證系統的正常運行， 并且可以在一定程度上抵抗外界的干擾，供橋電源電路被設計成如圖5 所示。考慮到兩部分重量不能受到相互的影響， 所以還采用了兩個分開獨立的供橋電源電路。

2.2.2 雙通道重量檢測 雙通道重量檢測原理如圖6 所示，其中A 的重量用X1、Y1 檢測，B 的重量用X2、Y2 檢測， 誤差修正用X3、Y3 實現，公共通道通過X、Y 實現，通道選路通過A、B 實現。

2.2.3 A/D 轉換電路 A/D 轉換電路將直接為單片機進行供電，這里以ICL7135 作為A/D 轉換芯片作為示例。 該芯片的各個引腳如下。 POL：極性輸出端。當輸入為正電平時，POL 極也會輸出正電平， 當輸入為負電平時，POL 極也會輸出負電平。OVERRANGE：過量程標志輸出端。當輸入信號的值大于轉換器的計數范圍即20000 時，OVERRANGE 輸出的為高電平。 RUN/HOLD：啟動A/D轉換。當該端口為高電平時，就會進行連續的A/D轉換，當該端口為低電平時，在轉換結束后就保持轉換結果不改變， 并且在輸入一個大于300 納秒的正脈沖后，就會啟動7135 開始做另一次的轉換過程。B8、B4、B2、B1：BCD 碼數據輸出線。D5、D4、D3、D2、D1：BCD 碼的數據位輸出信號，可以用來進行萬、千、百、十、個位的選通。

2.2.4 ICL7135 與MCS-51 的接口 A/D 轉換結果， 在ICL7135 中是采用一種動態的狀態進行輸出的，這是通過74LS157 的4 位2 選1 開關來實現的； 當74LS157 中的SEL 端為低電平時，1Y、2Y、3Y 三個端口輸出的是1A、2A、3A 的信號；當SEL 為高電平時，1Y、2Y、3Y 三個端口輸出的為1B、2B、3B 信號。這也就使得MCS-51 的接口必須為平行接口。

2.2.5 通信電路 一般來說， 實際的飼料加工過程中必然會存在著干擾、 噪聲等一系列環境的變化， 并且國際上采用的上位機接口標準為RS-232C，以及RS-423A 電氣接口標準（RS-423A 是美國電氣工業協會公布的“非平衡電壓數字接口電路的電氣特性”標準）。 所以可以設計如圖7 所示的通信電路。

3 結論

從二十世紀九十年代開始， 單片機技術就已經發展起來，隨著時代的進步與科技的發展，目前該技術的實踐應用日漸成熟， 單片機被廣泛應用于各個領域。現如今，人們越來越重視單片機在智能電子技術方面的開發和應用， 單片機的發展進入到新的時期， 無論是自動測量還是智能儀表的實踐，都能看到單片機技術的身影。作為計算機技術中的一個分支， 單片機技術在各個產品領域的應用，既豐富了產品的功能，也為智能化設備的開發和應用提供了新的出路， 實現了智能化設備的創新與發展。在本課題中，單片機在飼料生產的監測控制系統中起著重要的作用，對數據的傳輸、處理、分析至關重要。 主要有以下幾個方面的優點。 一是精度高，運行可靠，配料靈活，操作方便，能滿足飼料加工的各種技術要求。 二是通過單片機的系統設計可以引入多方面的抗干擾技術和容錯技術，大大提高了可靠性。 三是基于單片機的飼料加工控制系統性能價格比高， 適應性強，利于推廣。

Application of single chip microcomputer control system in feed processing machinery

CUI Jinjuan
（Shanxi Institute of Mechanical&Electrical Engineering，Changzhi，Shanxi Province 046011，China）