基于單片機(jī)的涼粉加工機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林華韜 黃志偉 宋金秋 林子阮 張洪軍

摘要：隨著科技日益發(fā)達(dá)，家電的地位越來越重要，然而現(xiàn)市場上的工業(yè)型涼粉加工機(jī)人工成本高且機(jī)身大，這種傳統(tǒng)機(jī)器仍要提升。因此需要一款小型家用的智能涼粉加工機(jī)，根據(jù)智能涼粉加工機(jī)的功能需求，選擇單片機(jī)為控制系統(tǒng)的核心控制器件以及確定整體設(shè)計(jì)方案，通過多次實(shí)驗(yàn)和對比數(shù)據(jù)來研究控制系統(tǒng)的可行性，采用Proteus仿真軟件對硬件電路和軟件程序聯(lián)合調(diào)試的方法對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析驗(yàn)證。結(jié)果表明，控制系統(tǒng)可以順利實(shí)現(xiàn)智能涼粉加工機(jī)的攪拌、加熱和切削等功能，在初攪拌階段時(shí)，攪拌槳以120 r/min的速度攪拌40 s，可以將淀粉與水?dāng)嚢杈鶆?在淀粉溶液被加熱時(shí)，攪拌槳轉(zhuǎn)速降低至常速90 r/min;在淀粉溶液達(dá)到100℃時(shí)，提高攪拌槳轉(zhuǎn)速至120 r/min可以防止淀粉溶液糊底，同時(shí)降低電磁線圈功率到180W，可以防止溶液飛濺;淀粉溶液邊攪拌邊加熱5 min后變成膠體溶液?？刂葡到y(tǒng)提高了智能涼粉加工機(jī)的自動(dòng)化水平，而且使得智能涼粉加工機(jī)具有精度高、經(jīng)濟(jì)性能好、高效環(huán)保等多種優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：涼粉加工機(jī);控制系統(tǒng);單片機(jī);Proteus

中圖分類號(hào)：TS203

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492（ 2022）02-0113-05

0 引言

涼粉是四川著名的小吃，其口感細(xì)嫩彈爽，具有清熱解暑的功效，受到人們的喜愛。隨著家用電器智能控制技術(shù)在不斷成熟，智能家電控制系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)在不少家庭生活中，逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)器，現(xiàn)市場上還不存在一個(gè)能完成涼粉烹飪的智能家電，開發(fā)一款智能涼粉加工機(jī)具有遠(yuǎn)大的前景[1]。

現(xiàn)市場上能制作涼粉的機(jī)器大多是工業(yè)型涼粉加工機(jī)，工業(yè)型涼粉加工機(jī)和智能涼粉加工機(jī)的涼粉制作方法是一樣的，前者主要應(yīng)用于大批量生產(chǎn)，雖然實(shí)現(xiàn)了攪拌速度和溫度調(diào)節(jié)的自動(dòng)化，但其混料階段和定型定量由人工完成;后者是小型家電，實(shí)現(xiàn)了涼粉制作和涼粉切削的自動(dòng)化，其操作方便且智能環(huán)保。在現(xiàn)代生活節(jié)奏加快和人工成本上升的背景下，智能化家電將在未來成為撬動(dòng)整個(gè)中國家電企業(yè)的持續(xù)變革與創(chuàng)新的支點(diǎn)，也將帶給整個(gè)家電市場全新的面貌[2]。

智能控制技術(shù)是提高涼粉加工機(jī)智能化水平的重要因素，本文的控制系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心控制器件，用按鍵、溫度傳感器、LED燈和LCD屏等硬件設(shè)計(jì)電路，用簡潔緊湊和靈活方便的C語言編寫程序，通過Proteus軟件對控制系統(tǒng)進(jìn)行檢測分析?？刂葡到y(tǒng)具有高效性、可靠性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)，對提高智能涼粉加工機(jī)的效率、強(qiáng)化智能涼粉加工機(jī)的功能和提升智能涼粉加工機(jī)的質(zhì)量等都有著促進(jìn)作用。

1 智能涼粉加工機(jī)的結(jié)構(gòu)

涼粉加工機(jī)的的核心功能是攪拌、加熱和切條，涼粉加工機(jī)的攪拌裝置是淀粉溶液的均勻攪拌以及淀粉漿攪拌的關(guān)鍵部分;加熱裝置是完成涼粉加熱和散熱最關(guān)鍵部分;切條裝置是實(shí)現(xiàn)涼粉切條的關(guān)鍵部分。智能涼粉加工機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

智能涼粉加工機(jī)的工作原理：以攪拌槳的速度為120 r/min先對淀粉和水進(jìn)行預(yù)攪拌，攪拌均勻后，將攪拌漿的速度降到90 r/min，并開始加熱，淀粉溶液達(dá)到沸騰時(shí)，攪拌槳轉(zhuǎn)速升到120 r/min，并保持淀粉溶液沸騰狀態(tài)5 min，然后停止加熱和攪拌，當(dāng)鍋體溫度冷卻到室溫時(shí)，發(fā)出提示音，這時(shí)，可取出鍋體，拆卸攪拌動(dòng)力模塊，安裝涼粉切條模塊，振動(dòng)鍋體可使涼粉凝塊與鍋體分離，倒入涼粉凝塊到鍋體架，然后啟動(dòng)涼粉切條功能，將涼粉凝塊切成方形條狀，切條滾刀將切好的涼粉帶動(dòng)到出料口，然后落到出料碗。

2 控制系統(tǒng)整體方案

該控制系統(tǒng)是以AT89C52單片機(jī)為核心控制器件，對涼粉加工機(jī)的智能控制。系統(tǒng)主要由電源電路、輸入電路和輸出電路組成，智能涼粉加工機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。（1）電源電路將220V交流電轉(zhuǎn)換為5V直流電，作為控制系統(tǒng)的電源。（2） MCU的輸入電路包括按鍵輸入電路、溫度傳感器電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。（3）MCU的輸出電路包括加熱電路、LED狀態(tài)指示電路、LCD顯示電路、電機(jī)電路和報(bào)警電路。

3 控制系統(tǒng)電路

3.1 最小系統(tǒng)電路

智能涼粉加工機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路都由單片機(jī)、電源電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路組成，如圖3所示。它是單片機(jī)能正常工作的最簡單電路。

考慮到經(jīng)濟(jì)和實(shí)際的需要，所以選用封裝為PDIP的AT89C52單片機(jī)作為智能涼粉加工機(jī)控制系統(tǒng)的核心控制芯片，它可以根據(jù)傳統(tǒng)的方法進(jìn)行編程或在線編程。電源電路是將220 V的交流電源轉(zhuǎn)變成SV的直流電源，為單片機(jī)提供SV電源。復(fù)位電路采用的是結(jié)構(gòu)簡單的阻容復(fù)位電路，是由10 μF的電容、100 Ω的電阻和按鍵組成的電路，可為AT89C52單片機(jī)提供高電平復(fù)位脈沖。時(shí)鐘電路采用外接晶振方式，是由一只24M晶振和2只22 pF電容組成的振蕩電路，使得AT89C52單片機(jī)中的任何工作都按照時(shí)間順序進(jìn)行。

3.2 電機(jī)電路

電機(jī)電路的設(shè)計(jì)是由AT89C52單片機(jī)控制和ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)，如圖4所示。電路首先通過AT89C52單片機(jī)加載程序，然后通過ULN2003驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

智能涼粉加工機(jī)內(nèi)有3組電機(jī)電路，即攪拌電路、離心散熱風(fēng)扇電路和切條電路。攪拌電路主要有兩個(gè)加速階段，在初攪拌淀粉和水時(shí)，攪拌電路的電機(jī)轉(zhuǎn)速升到120 r/min把淀粉與水快速攪拌均勻，持續(xù)40 s后降至平常速90 r/min，溶液沸騰時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速又升到120 r/min防止淀粉溶液在加熱時(shí)被糊底。離心散熱風(fēng)扇根據(jù)電磁線圈功率，為發(fā)熱線圈散熱，同時(shí)也為鍋體散熱。切條電路用的電機(jī)是直流減速電機(jī)，可以為切條滾刀提供較低的轉(zhuǎn)速和較大的力矩，低的轉(zhuǎn)速可使切削時(shí)穩(wěn)定性好且減少機(jī)震，大的力矩可順利切下整齊的涼粉條。

3.3 加熱電路

電磁感應(yīng)加熱電路有線圈功率測量模塊和加熱模塊，如圖5所示。線圈功率測量模塊由ADC0832芯片、滑動(dòng)變阻器以及電壓表組成，加熱模塊由二極管、繼電器、電阻和單層電磁感應(yīng)線圈組成。

當(dāng)加熱模塊的電路中有電流通過時(shí)，繼電器將產(chǎn)生磁場，從而帶動(dòng)開關(guān)閉合，電路導(dǎo)通，單層電磁感應(yīng)線圈開始工作，對鍋體進(jìn)行加熱，在這里采用風(fēng)扇來模擬了單層線圈的功率。當(dāng)線圈功率測量模塊的電路中有電流通過時(shí)，通過變化滑動(dòng)變阻器的阻值，用電壓表來間接檢測線圈功率，主要是將這些功率檢測下來反饋給單片機(jī)，讓單片機(jī)控制離心散熱風(fēng)扇根據(jù)電磁線圈功率實(shí)時(shí)改變轉(zhuǎn)速。

3.4 報(bào)警電路

報(bào)警電路由單片機(jī)AT89C52、電阻、蜂鳴器和三極管組成，如圖6所示。

報(bào)警電路是通過蜂鳴器發(fā)出聲音信號(hào)，來提示鍋體溫度冷卻到室溫，即表示涼粉已經(jīng)冷卻好了。聲信號(hào)電流從MCU的P3.7針腳輸入到蜂鳴器，然后蜂鳴器發(fā)出聲音。

3.5 LED指示電路

LED指示電路由AT89C52、電阻以及發(fā)光二極管組成，如圖7所示。LED指示電路通過發(fā)光二極管的亮滅來提示開關(guān)機(jī)以及模式轉(zhuǎn)變，D1的亮滅意味著智能涼粉加工機(jī)系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)，D2的亮滅意味著涼粉制作的開始與結(jié)束，D3的亮滅意味著涼粉切條的開始與結(jié)束。

4 程序流程

智能涼粉加工機(jī)控制系統(tǒng)的程序編寫采用的是C語言。按下開機(jī)鍵，MCU得到SV工作電壓，首先對控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作，初始化操作包括對涼粉制作和涼粉切條等進(jìn)行設(shè)置。初始化工作完成后，程序進(jìn)入Main（）循環(huán)函數(shù)，當(dāng)用戶按下按鈕功能鍵，主程序依次調(diào)用多個(gè)子程序，分別對系統(tǒng)的各項(xiàng)輸入輸出進(jìn)行處理。

4.1 涼粉制作流程

涼粉制作系統(tǒng)流程如圖8所示。

按下涼粉制作按鈕之后，CPU就會(huì)給P2.3口一個(gè)導(dǎo)通信號(hào)，攪拌電路就會(huì)啟動(dòng)，于是電機(jī)帶動(dòng)攪拌槳對淀粉和水進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，此時(shí)攪拌槳轉(zhuǎn)速為120 r/min，同時(shí)，CPU給P3.5 一個(gè)導(dǎo)通信號(hào)，發(fā)光二極管D2亮，以示涼粉制作系統(tǒng)開始工作。

當(dāng)攪拌時(shí)間到40 s時(shí)，通過程序控制電壓對電機(jī)減速，將攪拌漿的速度降為90 r/min，與此同時(shí)，CPU同時(shí)給P1.0口、P1.1口、P1.2口和P2.4口一個(gè)導(dǎo)通信號(hào)，加熱電路和離心散熱風(fēng)扇電機(jī)電路導(dǎo)通，鍋體架兩側(cè)的電磁線圈開始通電工作，對鍋體進(jìn)行加熱，離心散熱風(fēng)扇根據(jù)電磁線圈的設(shè)定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。

鍋體溫度傳感器檢測溫度并反饋給CPU，當(dāng)鍋體溫度傳感器檢測到鍋體為100℃時(shí)，電磁線圈的功率降到180 W，同時(shí)將攪拌槳的轉(zhuǎn)速升到120 r/min。

保持?jǐn)嚢璺序v的淀粉溶液5 min后，CPU會(huì)給P1.0、P1.1口、P1.2口和P2.3口一個(gè)斷開信號(hào)，加熱電路停止通電，攪拌電機(jī)電路停止通電。

當(dāng)溫度傳感器測到鍋內(nèi)溫度回到室溫時(shí).CPU會(huì)給P3.5口和P2.4口一個(gè)斷開信號(hào)，離心散熱風(fēng)扇電路停止通電，同時(shí)發(fā)光二級管D2滅，并通過單片機(jī)讓蜂鳴器發(fā)出一聲提示音，以示涼粉制作已完成。

4.2 涼粉切條流程

按下涼粉切條按鈕后，CPU接受來自P1.7口的啟動(dòng)涼粉切條的控制信號(hào)后，即會(huì)給P2.5口和P3.2口一個(gè)導(dǎo)通信號(hào)，涼粉切條電路導(dǎo)通，發(fā)光二極管D3亮，于是電機(jī)帶動(dòng)切條滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)，將涼粉凝塊切成方形條狀，切條滾刀可將切好的涼粉帶動(dòng)到出料口。

再次按下涼粉切條按鈕后，CPU接受來自P1.7口的停止切削的控制信號(hào)后，即會(huì)給P2.5口和P3.2口一個(gè)斷開信號(hào)，切條電路停止通電，發(fā)光二極管D3滅，以示涼粉切條的系統(tǒng)停止。

涼粉切條流程如圖9所示。

5 硬軟件仿真

仿真效果如圖10所示。利用PROTEUS檢驗(yàn)了設(shè)計(jì)效果，包括以下兩點(diǎn)。（1）對控制系統(tǒng)硬件原理設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，包括LED狀態(tài)指示電路、復(fù)位電路、報(bào)警電路、時(shí)鐘電路、按鍵輸入電路、LCD信息顯示電路、電機(jī)電路以及加熱電路的驗(yàn)證。仿真結(jié)果顯示，電路的順序工作、電路之間的相互聯(lián)動(dòng)以及電路的反饋都按照預(yù)期的效果進(jìn)行正常運(yùn)作。（2）對控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行了驗(yàn)證，包括定時(shí)功能、涼粉制作功能以及涼粉切條功能等的驗(yàn)證。仿真結(jié)果顯示，根據(jù)電路的信號(hào)反饋，程序按照順序執(zhí)行每一條代碼，有效讓AT89C52控制電路去執(zhí)行相應(yīng)的命令。

6 結(jié)束語

傳統(tǒng)手工制作涼粉難以保證質(zhì)量，市場上工業(yè)型涼粉加工機(jī)是適用于批量生產(chǎn)的半自動(dòng)機(jī)器，而智能涼粉加工機(jī)是節(jié)能環(huán)保的小型家用電器，可以進(jìn)入家家戶戶。

為了實(shí)現(xiàn)智能涼粉加工機(jī)的涼粉制作功能和涼粉切削功能，設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)來控制機(jī)器的結(jié)構(gòu)模塊運(yùn)作，并用Proteus軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果顯示，當(dāng)涼粉制作時(shí)，攪拌槳以120 r/min的速度攪拌40 s后可以將淀粉溶液攪拌均勻，當(dāng)?shù)矸廴芤罕患訜嶂?00℃時(shí)，降低線圈功率至180 W，防止溶液飛濺，邊攪拌邊加熱5 min后再冷卻，最后形成淀粉凝膠。由此可知，嚴(yán)格把控時(shí)間、功率和速度等參數(shù)，并將系統(tǒng)中的程序和電路兩者聯(lián)合，有利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能涼粉加工機(jī)的功能需求。此控制系統(tǒng)使得智能涼粉加工機(jī)成為節(jié)能環(huán)保、方便實(shí)用且成本低廉的小型家用電器，也滿足了人民對美好生活日益增長的需求，給人們帶來環(huán)保便捷的生活方式。

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