多功能絞肉機(jī)智能控制系統(tǒng)

李蘭忖

（邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，河北 邯鄲 056014）

多功能絞肉機(jī)智能控制系統(tǒng)

李蘭忖

（邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，河北 邯鄲 056014）

多功能絞肉機(jī)控制系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52控制技術(shù)為核心，實現(xiàn)了出骨、絞肉、乳化3種功能的有機(jī)結(jié)合。該系統(tǒng)通過硬件電路和編程軟件，對不同乳化細(xì)度要求的乳化產(chǎn)品有程序預(yù)選功能，能夠根據(jù)乳化細(xì)度要求，采用模糊PID控制技術(shù)和步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分控制技術(shù)，自動調(diào)節(jié)各臺電動機(jī)的速度，并保證它們之間的聯(lián)鎖要求，從而使系統(tǒng)反應(yīng)快、運(yùn)行平穩(wěn)，對乳化粒度實現(xiàn)高精度控制。

多功能；絞肉機(jī)；單片機(jī)；細(xì)分控制技術(shù)；智能控制

近年來，肉制品工業(yè)實現(xiàn)了高速發(fā)展，火腿腸、灌腸等肉深加工產(chǎn)品品種日益增多，魚肉、雞肉、豬肉等各種肉乳化粒度的精確度直接影響著火腿腸、灌腸等產(chǎn)品質(zhì)量，傳統(tǒng)的絞肉機(jī)只能實現(xiàn)單一絞肉功能或即使能乳化，乳化粒度大小單一且肉乳化粒度的精確度低。低功耗、控制功能日益增強(qiáng)，品種日益增多的單片機(jī)控制技術(shù)和智能儀表技術(shù)的飛速發(fā)展為控制系統(tǒng)的改造提供了有利的條件，為此本試驗應(yīng)用單片機(jī)控制技術(shù)，在單片機(jī)的輸入端增添溫度檢測、乳化粒度檢測的模擬量信號，通過這些模擬量實時檢測信號與給定的要求信號進(jìn)行比較，實現(xiàn)了絞肉機(jī)溫度、速度、粒度的自動化與智能化控制，保證設(shè)備精準(zhǔn)、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，實現(xiàn)多種大小不同粒度的要求。該系統(tǒng)不僅具有生產(chǎn)過程高度自動化控制功能，按照加工產(chǎn)品的要求，自動控制執(zhí)行對象的動作，而且具有實時監(jiān)測功能和現(xiàn)代化管理功能，多媒體實時顯示各對象的工作狀態(tài)和運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)，并依據(jù)用戶的要求對生產(chǎn)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和生產(chǎn)數(shù)據(jù)表格等等管理功能。經(jīng)過近兩年的運(yùn)行實踐，表明該系統(tǒng)性能可靠、自動化程度高、操作方便、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。

1 設(shè)備組成及工藝控制流程

1.1 設(shè)備組成

本試驗設(shè)計的多功能絞肉機(jī)實現(xiàn)了出骨、絞肉、乳化3種功能的有機(jī)結(jié)合，采用模糊PID控制技術(shù)和步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分控制技術(shù)，實現(xiàn)多種大小不同粒度高精度的要求。多功能絞肉機(jī)設(shè)備簡圖見 圖1。

圖1 多功能絞肉機(jī)設(shè)備簡圖Figure 1 Multifunctional meat grinder equipment diagram

多功能絞肉機(jī)由料斗、絞龍、絞龍缸套、碗杯和絞肉乳化頭組成。絞龍缸套的前段的篩孔依據(jù)加工不同種類的帶骨肉塊選取不同的孔徑，絞肉乳化頭園柱段內(nèi)表面銑削加出多頭螺旋，形成螺旋切割刀，對從孔中擠出的肉實施切割，乳化頭園錐內(nèi)表面和碗杯外表面各分3段，分別開有與軸線成200°傾角的矩形槽，但中間槽的方向與首尾槽的方向相反，右端槽的尺寸與螺旋刀尺寸匹配，從右至左3段槽的尺寸依次減小，且乳化頭與碗杯槽的傾向相反。絞肉乳化頭與碗杯間隙通過驅(qū)動螺桿帶動固定在絞肉乳化頭止推軸承座上的螺母作水平直線運(yùn)動來調(diào)節(jié)，其間隙的大小控制乳化粒度的大小。動力設(shè)備絞龍電機(jī)、絞肉乳化電機(jī)、乳化間隙調(diào)節(jié)電機(jī)和調(diào)節(jié)閥門開度電機(jī)分別完成絞肉、乳化、調(diào)節(jié)間隙、控制閥門開度。

1.2 工藝控制流程

首先根據(jù)加工肉塊的種類，人工選取合適篩孔直徑的絞龍?zhí)?，安裝固定好后啟動系統(tǒng)，小塊帶骨肉由絞龍輸送并擠壓，肉從絞龍缸套的篩孔中擠出，絞肉乳化電機(jī)帶動絞肉乳化頭內(nèi)壁螺旋刀旋轉(zhuǎn)切斷肉絲，被傳送至錐形乳化頭與碗杯間隙后，受高剪切作用而乳化，調(diào)節(jié)乳化間隙大小控制乳化粒度，乳化間隙調(diào)到最大時可實現(xiàn)單一絞肉功能。絞肉乳化過程中，防止肉高溫變質(zhì)，在絞龍空心與碗杯內(nèi)通入冷卻水，循環(huán)水排出管處的溫度傳感器實時檢測溫度，當(dāng)溫度高時，則調(diào)大進(jìn)水閥的開度；溫度低時，則減小進(jìn)水閥的開度［1］。

2 控制系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件組成，如圖2所示。系統(tǒng)以美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能、低功耗、價格低廉的8位CMOS單片機(jī)AT89C52為核心，為了擴(kuò)展I/O口，擴(kuò)展一片可編程的鍵盤顯示接口芯片8279、一片A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809、一片可擦除編寫的EPROM2716、多片D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832和一片可編程并行接口芯片8155。根據(jù)要訪問的地址，芯片的片選信號為低電平則選中相應(yīng)的芯片［2］。

圖2 多功能絞肉機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成Figure 2 Multifunctional meat grinder control system hardware composition

為提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證乳化精度，4臺動力設(shè)備均采用了步進(jìn)電動機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，定位精度高、無位置累積誤差。步進(jìn)電動機(jī)區(qū)別于其它電機(jī)的最大特點(diǎn)通過脈沖信號來控制，是數(shù)字電機(jī)，即有脈沖時只要置相應(yīng)的輸出端為1；無脈沖時只要置相應(yīng)的輸出端為0，由此可見脈沖分配很容易通過軟件來實現(xiàn)。由于步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電流較大，單片機(jī)的I/O驅(qū)動能力有限，為此步進(jìn)電動機(jī)與單片機(jī)之間要增加驅(qū)動電路。為防止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時振蕩，在此采用了細(xì)分電路電源，縮小步進(jìn)電機(jī)步距角的脈寬調(diào)制（PWM）式細(xì)分驅(qū)動電路，見圖3。該驅(qū)動電路由光電耦合電路、功放電路和脈寬調(diào)制電路3部分組成。脈寬調(diào)制電路是把單片機(jī)D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832輸出的模擬電流信號，經(jīng)運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號，此電壓作為脈寬調(diào)制電路中電壓比較器同相輸入端參考電壓。功放電路中采樣電阻上測得的電壓信號和同相輸入端參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)檢測電壓大于參考電壓時，電壓比較器輸出為低電平，使D觸發(fā)器輸出端為低電平，將使功放管截止，反之，使功放管導(dǎo)通。脈寬調(diào)制電路的目的是在采樣電阻上得到與D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓一致的電壓，這樣保證電機(jī)繞組上的平均電流滿足要求。通過對功放管通斷時間的控制，即電機(jī)繞組上的平均電流要求大時，就要增加功放管的導(dǎo)通時間；電機(jī)繞組上的平均電流要求小時，就要縮短功放管的導(dǎo)通時間。由于電機(jī)繞組是一個感性負(fù)載，電感性負(fù)載的特點(diǎn)電流不能突變，阻礙電流的變化，而且脈寬調(diào)制電路的調(diào)制頻率較高，一般大于20kHz，因此，雖然不是連續(xù)通電，即時通時斷的脈沖工作方式，但電機(jī)繞組中的電流還是較平穩(wěn)的。脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動電路的控制精度高，工作頻率穩(wěn)定，多用于綜合驅(qū)動性能要求較高的場合。

圖3 脈寬調(diào)制（PWM）細(xì)分驅(qū)動電路Figure 3 Pulse width modulation（PWM）subdivision drive circuit

3 主要控制內(nèi)容

多功能絞肉機(jī)智能控制的目標(biāo)：在確保生產(chǎn)過程安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，按照乳化細(xì)度的要求生產(chǎn)出多種合格的高精度的乳化產(chǎn)品，同時保證系統(tǒng)具有較快的速度、設(shè)備效率高，降低勞動強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。該控制系統(tǒng)的主要控制內(nèi)容如下。

3.1 程序預(yù)選功能

鍵盤操作畫面，如圖4所示。畫面上，各矩形方框都相當(dāng)于一個按鍵，如按下系統(tǒng)運(yùn)行后，單片機(jī)循環(huán)掃描各按鍵，當(dāng)檢測到某鍵按下時，并把鍵值存入8279芯片F(xiàn)IFORAM中，并保護(hù)現(xiàn)場，讀鍵值，執(zhí)行已編好了鍵盤處理程序。即用手觸摸“肉”這個方框后，執(zhí)行“肉”這個按鍵的鍵盤處理程序，即肉加工程序。系統(tǒng)程序包括公共程序和肉、粗、較粗等多種乳化細(xì)度要求的加工程序。通過跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行相應(yīng)程序，如選擇肉，就會跳過其它乳化細(xì)度等級加工程序只執(zhí)行肉加工程序。依此類推。

圖4 鍵盤操作畫面圖Figure 4 Keyboard screen graph

3.2 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制技術(shù)

細(xì)分控制技術(shù)通過細(xì)分電路電源的軟件編程和脈寬調(diào)制（PWM）式細(xì)分驅(qū)動電路的硬件設(shè)備來實現(xiàn)［3］。脈寬調(diào)制（PWM）式細(xì)分驅(qū)動電路的工作原理已介紹，細(xì)分控制技術(shù)關(guān)鍵是如何提供給細(xì)分驅(qū)動電路不同大小的參考電壓，也就是如何把合適的數(shù)據(jù)傳送給D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832的數(shù)據(jù)輸入端，下面就重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)的確定過程。

細(xì)分電源的目的是給步進(jìn)電動機(jī)繞組提供階梯電流，階梯等級由細(xì)分?jǐn)?shù)來確定，在此采用了16細(xì)分，即將原來的一步分成了16步來完成，如圖5所示。三相步進(jìn)電機(jī)有三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種工作方式，在此選擇穩(wěn)定性高的三相六拍的運(yùn)行方式，其通電順序為A→AB→B→BC→CA→A……，為保證步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、振動小和噪音低，將原來的一步分成了16步，矩形波的上升沿和下降沿用階梯電流，階梯電流的大小應(yīng)與步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性相吻合，為此階梯電流采用線性和正弦組合的方式。額定電流值對應(yīng)數(shù)字量最大值255，電流為0時對數(shù)字量最小值0，階梯電流對應(yīng)數(shù)字按式（1）、（2）計算。

圖5 三相六拍式步進(jìn)電機(jī)各相繞組電流波形Figure 5 Six beat three－phase stepping motor phase winding current waveform

式中：

n——在該拍中的步數(shù)。

將上述數(shù)據(jù)存在于一個EPROM中，各相在一周期六拍內(nèi)所需數(shù)據(jù)96個，三相六拍所需數(shù)據(jù)96×3＝288個，本系統(tǒng)中4臺步進(jìn)電機(jī)共需數(shù)據(jù)288×4＝1 152個，選用容量為2k×8即2048B的EPROM芯片2716。EPROM中數(shù)據(jù)存放順序為3組數(shù)據(jù)依次交疊存入，即EPROM中的數(shù)據(jù)依次為A相第1個數(shù)據(jù)，B相第1個數(shù)據(jù)，C相第1個數(shù)據(jù)，A相第2個數(shù)據(jù)，B相第2個數(shù)據(jù)，C相第2個數(shù)據(jù)，……直到A、B、C三相的第96個數(shù)據(jù)，如圖6所示?？刂齐姍C(jī)運(yùn)行時，將三相的數(shù)據(jù)1同時傳送到各自的D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832中轉(zhuǎn)換，軟件判斷三相的數(shù)據(jù)只要不為零，就將相應(yīng)的驅(qū)動口置1。由圖6可知，A相數(shù)據(jù)和C相數(shù)據(jù)不為零，將驅(qū)動A相繞組的PA0和C相繞組的PA2置1，只要為零就將相應(yīng)的驅(qū)動口復(fù)位；B相數(shù)據(jù)為零，將驅(qū)動B相繞組的PA1復(fù)位。隔一定的時間，通過定時器來實現(xiàn)，將三相的數(shù)據(jù)2同時傳送到各自的D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832中轉(zhuǎn)換，……直到將三相的第96個數(shù)據(jù)，接著傳送三相的數(shù)據(jù)1、2，這樣周而復(fù)始地進(jìn)行［4］。

圖6 EPROM中存放的數(shù)據(jù)Figure 6 The data stored in EPROM

3.3 溫度控制

防止高溫肉變質(zhì)，實時檢測溫度。為保持恒溫，采用了智能PID模糊控制［5］，以溫度偏差值（溫度檢測值與給定值之差）e和溫度偏差變化率△e為智能PID模糊控制的輸入變量。根據(jù)e和△e的大小將其值進(jìn)行模糊化，均分成負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大共7個模糊狀態(tài)，然后采用模糊推理方法對比例系數(shù)kp、積分系數(shù)kI和微分系數(shù)kD這些PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，根據(jù)調(diào)整后的參數(shù)計算出錐形閥開啟度的變化量，從而確定調(diào)節(jié)閥門開度的步進(jìn)電機(jī)的速度與轉(zhuǎn)動步數(shù)。軟件編程中已存儲上不同大小的開啟度變化量所對應(yīng)的步進(jìn)電動機(jī)的速度與轉(zhuǎn)動步數(shù)，通過查表程序查到的該電機(jī)的速度，再依據(jù)它計算每拍的時間，從而改變定時器的初始值，即改變了向D/A轉(zhuǎn)換芯片傳送不同數(shù)據(jù)的間隔時間。

3.4 乳化細(xì)度控制

對某一細(xì)度要求的乳化產(chǎn)品，為保證精度和提高效率，剛開始加工時錐形乳化頭與碗杯間隙調(diào)到最大（細(xì)度不同，最大值不同），絞龍電機(jī)和絞肉乳化電機(jī)速度由慢到快，沿一定的曲線調(diào)節(jié)，到一定的時間（轉(zhuǎn)動一定步數(shù)）時，自動調(diào)節(jié)錐形乳化頭與碗杯間隙調(diào)到中間值，絞龍電機(jī)和絞肉乳化電機(jī)速度調(diào)快的幅度增大，并沿某一曲線速度由慢到快，到一定的時間（轉(zhuǎn)動一定步數(shù)）時，自動調(diào)節(jié)錐形乳化頭與碗杯間隙調(diào)到最小，絞龍電機(jī)和絞肉乳化電機(jī)速度跟隨調(diào)快，直至滿足細(xì)度要求。各電動機(jī)的速度主要取決于每拍的時間，每拍的時間靠定時器的軟件編程來改變，只要改變定時器的初始值，就可以方便地控制每拍的時間。

除此之外，鑒于錐形乳化頭與碗杯間隙大小是影響乳化精度的一個重要參數(shù)，筆者根據(jù)多年經(jīng)驗，編制了多種乳化產(chǎn)品對應(yīng)的最大、中間、最小間隙值的對應(yīng)表和查表程序，當(dāng)發(fā)現(xiàn)乳化精度不滿足要求時，隨時變更該表數(shù)值。

4 結(jié)束語

本控制系統(tǒng)以單片機(jī)控制技術(shù)為核心，實現(xiàn)了出骨、絞肉、乳化3種功能的有機(jī)結(jié)合，綜合應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)的自動化技術(shù)進(jìn)行設(shè)計［6］，在硬件中增加脈寬調(diào)制式細(xì)分驅(qū)動電路，并配合軟件提供細(xì)分電源，從而使步進(jìn)電動機(jī)步矩角減小，運(yùn)行平穩(wěn)，振動小，精度高。軟件設(shè)計可根據(jù)需要方便地改變定時器的初始值，就可以方便地控制每拍的時間和改變各步進(jìn)電動機(jī)的速度。該系統(tǒng)較好地控制了各臺電動機(jī)速度之間的聯(lián)鎖要求，實現(xiàn)了溫度、速度的智能化控制，實現(xiàn)了多種乳化細(xì)度的高精度控制。除此之外，當(dāng)乳化品種需增多時，可方便地改變軟件來實現(xiàn)，系統(tǒng)靈活性和擴(kuò)展性強(qiáng)。

1 曹樂平.多功能自動絞肉機(jī)設(shè)計［J］.食品與機(jī)械，2006，22（2）：77～80.

2 房小翠，王金風(fēng).單片機(jī)實用系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999：145～148.

3 徐志躍，文招金，陳偉海.基于FPGA的兩相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動電路設(shè)計［J］.電氣傳動，2008，38（4）：98～102.

4 曹嘉偉.基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)［J］.電子世界，2011（7）：104～108.

5 李可軍，趙建國，瑪忠才.可控串補(bǔ)（TCSC）模糊變結(jié)構(gòu)控制器［J］.山東大學(xué)學(xué)報，2003（1）：115～119.

6 曹曉泉，岳文聞.一種新型無壓力控制系統(tǒng)［J］.食品與機(jī)械，2011，27（2）：80～84.

Multifunctional meat grinder control system based on grey forecast

LI Lan－cun

（Handan College of Profession and Technology，Handan，Hebei056014，China）

The multifunctional meat grinder control system is in the center of microcontroller AT89C52control technology，has realized the organic combination of three kind of functions of boning，grinding and emulsifying.The system pre－selects the program for different degrees emulsifying product by the programming software and hardware circuit，and can automatically adjust each motor’s speed to ensure their interlocking requirements by applying the fuzzy PID control technology and stepping motor subdivision technology according to emulsion fineness requirements.So the system responds quickly and runs smooth，and has realized the high accuracy control of the emulsifying granularity.

multifunctional；meat grinder；microcontroller；subdivision technology；intelligent control

10.3969 /j.issn.1003－5788.2012.04.043

李蘭忖（1968－），女，邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士。E－mail：llc0186＠163.com

2012－02－20