基于STM32煎餅機控制器的開發(fā)

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，但是長期以來多以手工作坊式手工加工生產為主，存在生產效率低下，勞動強度大，生產環(huán)境惡劣等問題。本課題意在開發(fā)一種專用控制器，在配合相應機械動作下，完成煎餅這種食品的自動化生產。

關鍵詞

煎餅機控制器;過零點檢測;高頻脈沖檢測電路

中圖分類號： TP332 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： 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)的加工方式生產效率低，勞動強度大，不適合批量生產。現(xiàn)在已有的自動化生產設備使用PLC控制，成本高，體積大，并且為了控制成本多采用定速控制。基于以上幾點我們就希望在傳統(tǒng)的方法上對控制器，傳感器，顯示器，進行更改和優(yōu)化。

1 系統(tǒng)的設計方案

使用型號為STM32f103VGT6的單片機作為主控制器，傳感器有E3F-DS30C4/C1紅外傳感器，ACBS712霍爾傳感器，DS18B2溫度檢測模塊組成。通過驅動電路控制4V210-08電磁閥和220V單相交流電機，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。控制器工作分為三個過程，首先主控制器與人機接口通信，實時采集傳感器數(shù)據，并將傳感器數(shù)據發(fā)送給人機接口STM8，讓其顯示溫度，轉速等參數(shù)。在不同的溫度下使用不同的轉速，轉速通過電機上的霍爾傳感器得到。并且通過PID算法計算目標轉速和當前轉速偏差，進行實時修正，以實現(xiàn)宏觀狀態(tài)下電機的勻速轉動。

系統(tǒng)的工作過程為：系統(tǒng)開啟，傳感器參數(shù)賦初值，檢測單片機通信，通信，關閉電磁閥，啟動電機。系統(tǒng)啟動不正常，蜂鳴器報警，關閉設備檢查。系統(tǒng)正常延時60s，開啟4V210-08電磁閥，讀取DS18B2溫度傳感器數(shù)據，發(fā)送至STM8顯示，得到該溫度下電機轉速，電機轉速調制，延時10s，關閉電磁閥。延時60s后，轉至1，循環(huán)。

顯示模塊使用了STM8S103作為人機接口完成對紅外傳感器，霍爾傳感器等信號的采集。通過輸出接口電路，完成對氣缸電磁閥驅動。控制脈沖輸出，來完成對單相交流電機轉速的控制。單片機之間相互通信，完成溫度傳感器數(shù)據采集，人機對話模塊通訊接入。人機對話裝置使用了STM8S103顯示，通過5位數(shù)碼管數(shù)據顯示功能和系統(tǒng)狀態(tài)。

測頻測速模塊：為減小主程序的復雜度，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)程序跑飛，卡死等情況，對系統(tǒng)進行模塊化設置。使用STM8S103作為檢測模塊的芯片，需要使用STM8的1個定時器和兩個計數(shù)器。工作方式都為方式1，兩個計數(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，定時器開始定時，當定時器滿溢出時，將兩個計數(shù)器的數(shù)值送至速度檢測函數(shù)，清空計數(shù)器的值，定時器賦初值。兩個定時器周期向主控制器發(fā)送速度值。單片機之間通信方式為同步I2C通信。

2 基本原理與技術路線

2.1 硬件部分

2.1.1 交流調壓電路

單相交流電機調速方法與三相異步電機調速因為內部結構在調速方法上也有不同，即不能通過調節(jié)頻率來實現(xiàn)電機的無級調速，單相電機的調速方法有，變極調速、降壓調速、調節(jié)抽頭來調節(jié)轉速，對于控制方法而言，降壓調速相較于其他方式調速范圍廣，方便控制。

（1）主電路

圖2為單相交流調壓電路，兩個晶閘管反并聯(lián)來分別控制正弦交流電的上下半個周波，電動機視為阻感負載，通過控制晶閘管的導通的關斷，就可以控制輸出電壓，輸出電壓大小和導通角α就可以控制輸出電壓的有效值從而控制電機轉速。因為電動機負載是阻感負載，所以回路會發(fā)生續(xù)流晶閘管不會立即在電壓過零點關斷，所以只能采用滯后控制的方法，即導通角α>ψ（ψ=arctan（wL / R））。如果電機轉速過低可能出現(xiàn)抖動屬于正常現(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構，導通方式有兩種，①當晶閘管承受正向電壓時在門級施加觸發(fā)脈沖，形成正反饋晶閘管導通。②陽極電壓升高達到可以形成雪崩效應，晶閘管也會導通。

由于第二種情況不可控，只能通過控制門級觸發(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，然后延時以控制觸發(fā)角。采用單片機的外部中斷檢測零點，觸發(fā)方式為脈沖觸發(fā)，當檢測到電壓為0是開啟定時器，發(fā)出寬脈沖觸發(fā)晶閘管，防止續(xù)流未結束晶閘管無法開通。

2.1.2 測頻調速電路

基于STM8的測頻控制單項電機調壓調速模塊，主控制器通過脈沖輸出接口與該模塊相連接，該模塊通過測量脈沖頻率去對應控制單項電機的轉速，以零點檢測電路，通過控制觸發(fā)角來完成單項電機調壓調速。模塊具備多路控制使能端，具備轉速鎖存功能，控制多個電機時，通過使能端循環(huán)刷新轉速數(shù)據。同時電機安裝有光電編碼器，通過PID算法來循環(huán)刷新PWM值，使轉速恒定。

2.2 軟件部分

2.2.1 人機通信接口

該裝置使用STM8S103作為主控制器，通過5位數(shù)碼管數(shù)據顯示功能，相應狀態(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。軟件部分應完成與主控制器的通訊，按鍵的譯碼，通訊數(shù)據譯碼，數(shù)碼管顯示，指示燈指示等功能

2.2.2 程序流程

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

3 總結

本系統(tǒng)的優(yōu)點在于（1）各個功能模塊獨立設計，可移植性強，方便與其他設備交互。（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，較其他控制器設計無同質化設計問題。（4）自動化程度高，顯著降低工作勞動強度，降低人工用量，產品質量好。（5）控制器應具備較低生產成本，與當前使用PLC作為主控制器的自動化控制系統(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：

在產品設計過程中，感謝張新帥老師給予幫助和鼓勵。本論文有臨沂大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目資助項目編號（S201910452039）。

參考文獻

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

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

[3]《傳感器與單片機接口及實例》來清民著.北京航空航天大學出版社，2008.1.