基于嵌入式控制技術(shù)的拉絲機(jī)研制

山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 孫憲良 孫常華 尹四倍 郝 濤

1 引言

傳統(tǒng)的棉花糖機(jī)多為天然氣燃燒加熱化 糖及人力驅(qū)動(dòng)離心器制作棉花糖，傳統(tǒng)的棉花糖機(jī)器采用天然氣加熱的模式和人力控制出糖的模式存在安全隱患且出糖效率底。針對(duì)這一現(xiàn)象本文設(shè)計(jì)了基于嵌入控制技術(shù)的拉絲機(jī)——棉花糖機(jī)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于嵌入式控制技術(shù)的拉絲機(jī)主要由控制器控制加熱絲和電機(jī)協(xié)同工作，是固體的蔗糖融化做離心運(yùn)動(dòng)把液體的蔗糖拉絲纏繞到糖竿上。

圖1 棉花糖機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示為整個(gè)棉花糖機(jī)的整體機(jī)械機(jī)構(gòu)，主要由機(jī)[備注]械支架、控制器、電機(jī)、加熱絲、傳感器、出糖器、棉花糖收集器等組成?？刂破麟娐吩O(shè)計(jì)了基于嵌入式STC89C52RC單片機(jī)為控制核心，輔助以4位LED數(shù)碼管作為顯示，松樂DC5V-AV250V的固態(tài)繼電器作為加熱絲驅(qū)動(dòng)單元，L298作為直流電機(jī)12V電機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元，熱電偶傳感器作為溫度采集單元構(gòu)成了整個(gè)棉花糖機(jī)的控制器。在控制器的控制下完成溫度的采集與控制，電機(jī)速度的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)棉花糖機(jī)的纏繞出糖拉絲。

圖2 棉花糖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成框圖

3 棉花糖機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于嵌入控制技術(shù)的棉花糖機(jī)采用STC89C52RC單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的主控核心，系統(tǒng)主要包含溫度傳感器部分、驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行單元、顯示部分、供電部分組成?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)組成框圖如圖2所示。以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心的棉花糖機(jī)，利用熱電偶式溫度傳感器采集溫度參數(shù)，配合固態(tài)繼電器調(diào)節(jié)加熱絲溫度和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了對(duì)棉花糖機(jī)出糖率關(guān)鍵參數(shù)的直接控制。

拉絲式棉花糖制作工藝流程為將固態(tài)蔗糖高溫熔化，采用高速旋轉(zhuǎn)離心器將糖絲纏繞到糖竿上。

3.1 電源電路實(shí)現(xiàn)

從安全環(huán)保的節(jié)能角度設(shè)計(jì)，該棉花糖機(jī)能源供給電路采用了交流220V供電方式，根據(jù)應(yīng)用場合的不同輔助以太陽能供電。整個(gè)供電電路主要分三部分分別為主電路220V加熱電路、直流12V電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、主控器DC5V供電電路。

加熱絲直接通過固態(tài)繼電器接入AC220V電路，直流12V電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為整流器整流降壓后12V電路，主控器DC5V 通過電源轉(zhuǎn)化芯片LM2940把DC12V降壓獲得如圖3所示。

圖3 主控器DC5V電源供電電路

3.2 蔗糖融化實(shí)現(xiàn)

蔗糖的融化主要是由加熱絲加熱升溫實(shí)現(xiàn)的。如圖4所示為基于嵌入式單片機(jī)驅(qū)動(dòng)的松樂固態(tài)繼電器加熱電路。加熱絲選用蚊香式2000W熱電阻絲，使之均勻分布在于離心器底部，通過熱傳遞控制離心器達(dá)到使蔗糖融化的合適溫度。

圖4 加熱絲驅(qū)動(dòng)電路

3.3 離心器拉絲實(shí)現(xiàn)

融化后蔗糖的拉絲主要是采用直流12V轉(zhuǎn)速可調(diào)電機(jī)帶動(dòng)離心器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。棉花糖機(jī)的拉絲主要由主控器器通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)12V電機(jī)通過傳動(dòng)軸帶動(dòng)離心器做離心運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)拉絲。如圖5所示，本設(shè)計(jì)采用了L298N芯片作為直流12V電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。拉絲機(jī)拉絲成環(huán)的好壞取與固態(tài)糖的融化程度和離心器轉(zhuǎn)速的高低有直接關(guān)系。因此本系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)速可調(diào)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)L298N芯片，通過控制器輸出PWM信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)。實(shí)踐證明對(duì)于蔗糖在溫度為86℃，轉(zhuǎn)速為1400轉(zhuǎn)時(shí)，拉絲成線率最佳。

圖5 L298電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路

圖6 嵌入式控制器主控電路

3.4 嵌入式控制器主控與顯示電路

從拉絲機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)和性價(jià)比的角度綜合考量，本系統(tǒng)采用了宏晶公司的STC8952作為整個(gè)主控制系統(tǒng)的控制核心。嵌入式控制器主控電路如圖6所示，開放式的接口電路設(shè)計(jì)便于后期功能擴(kuò)展。溫度與轉(zhuǎn)速的顯示電路采用了基于8位七段數(shù)碼管三極管式驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)模式如圖7所示。該模式可在合理利用STC89C52控制引腳的前提下，簡化電路設(shè)計(jì)。

圖7 溫度與轉(zhuǎn)速顯示電路

4 拉絲式棉花糖機(jī)實(shí)現(xiàn)

基于嵌入式控制技術(shù)的拉絲機(jī)，通過熱電偶傳感器實(shí)現(xiàn)采集離心式出糖器中蔗糖的溫度，將溫度信號(hào)傳輸給主控器STC89C52，控制器根據(jù)蔗糖熔點(diǎn)設(shè)定溫度值，通過繼電器驅(qū)動(dòng)加熱絲工作，使蔗糖處于熔融狀態(tài)；同時(shí)主控器STC89C52輸出PWM信號(hào)給L298N控制電機(jī)帶動(dòng)出糖器做離心運(yùn)動(dòng)，將熔融狀態(tài)蔗糖拉絲纏繞到糖竿上完成整個(gè)棉花糖制作。設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)如下：（1）基于PWM 控制方式的無級(jí)調(diào)速保證了變速的平滑性減少斷絲率；（2）采用了鑄鋁出糖器內(nèi)鑲嵌高硬度鋼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)件，更持久耐用，導(dǎo)熱效果更好，使用壽命更長；（3）引入熱電偶式的溫度傳感器的嵌入式控制技術(shù)閉環(huán)控制，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠最大限度的提高出糖率減少浪費(fèi)。