飼料加工機(jī)械中單片機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

崔瑾娟

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長(zhǎng)治046011）

飼料生產(chǎn)機(jī)械的管理控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，經(jīng)歷了各個(gè)發(fā)展時(shí)期（張力文等，2015）。從最初的模擬電路，到小規(guī)模集成電路，到單片機(jī)系統(tǒng)，再到現(xiàn)如今的結(jié)合PC 機(jī)、各種總線以及單片機(jī)的復(fù)雜控制系統(tǒng)（吳志剛等，2014；曹康，2014；房子敬等，2006）?，F(xiàn)如今的飼料生產(chǎn)機(jī)械的管理控制系統(tǒng)已經(jīng)可以稱(chēng)為一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)，并且其在實(shí)際應(yīng)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(lái)說(shuō)， 飼料生產(chǎn)機(jī)械的管理控制系統(tǒng)由三部分組成，即單片機(jī)控制系統(tǒng)、總線系統(tǒng)以及上位機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)是一種大規(guī)模的集成電路芯片，并且現(xiàn)在大多數(shù)廠商的單片機(jī)產(chǎn)品均帶有RAM、PROM 等存貯單元、多種I/O 接口和中斷系統(tǒng)；單片機(jī)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，從最初的4 位，發(fā)展到現(xiàn)在百兆高速單片機(jī)，功能也有了極大的豐富，可以適應(yīng)各種控制系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景（王開(kāi)宇，2018；黃啟鋒等，2016；楊昆，2016）。 總線系統(tǒng)是一種用來(lái)傳輸信息的系統(tǒng)， 其可以負(fù)責(zé)CPU 和單片機(jī)之間、單片機(jī)和其他電路或傳感器之間的信息傳輸，一般來(lái)說(shuō)其具有體積小、可靠性高、與機(jī)械以及各種儀表結(jié)合性好的優(yōu)點(diǎn) （周金芝等， 2016； 段云強(qiáng)，2016）。 上位機(jī)系統(tǒng)就是基于PC 機(jī)的控制系統(tǒng)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在PC 機(jī)的功能和性能已經(jīng)得到了極大的增強(qiáng)，因此，基于PC 機(jī)二次開(kāi)發(fā)的上位機(jī)控制系統(tǒng)， 可以方便的實(shí)現(xiàn)飼料生產(chǎn)機(jī)械管理控制系統(tǒng)的人機(jī)交互功能（游達(dá)章等，2015；石毅壯，2014）。

1 飼料生產(chǎn)控制系統(tǒng)概述

1.1 飼料生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)述 一般來(lái)說(shuō)，飼料的加工生產(chǎn)過(guò)程可以分為以下幾個(gè)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(jī)提升至頂端，通過(guò)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(cāng)；接著篩選后的粒料被送至下料口后提升（圖中103 處），再經(jīng)過(guò)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(zhì)， 隨后粒料經(jīng)過(guò)粉碎機(jī)被粉碎成粉末，并再次被送入配料倉(cāng)；其次，各種經(jīng)過(guò)處理的粉料，按照一定的比例在混合機(jī)中 （圖中215 處） 進(jìn)行充分的混合；最后，混合好后的飼料通過(guò)氣動(dòng)三通（圖中301 處）開(kāi)關(guān)來(lái)控制混合料流向，經(jīng)過(guò)下料倉(cāng)（圖中302處）進(jìn)行稱(chēng)重打包等流程（ 何武林，2019；李軍國(guó)等，2013）。

1.2 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述 一般控制系統(tǒng)都采用工業(yè)PC 計(jì)算機(jī)作為控制主機(jī)， 配以高分辨率的顯示器，采用多任務(wù)控制算法，將飼料加工全過(guò)程的每一個(gè)流程以及各種數(shù)據(jù)給予詳細(xì)的顯示。采用單片機(jī)以及各種電路的配合，來(lái)支持飼料加工過(guò)程中細(xì)粒度的控制。整個(gè)控制系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，可以高效而科學(xué)地監(jiān)測(cè)和控制飼料加工系統(tǒng)的全流程。飼料加工控制系統(tǒng)主要有硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。

1.2.1 硬件系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)采用雙秤以及各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和數(shù)據(jù)與上位機(jī)的交互，采用同步電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)放料門(mén)。該系統(tǒng)的主要作用是各種開(kāi)關(guān)信號(hào)的度量，包括模擬信號(hào)的輸入、輸出以及各種接口卡信號(hào)的輸入、輸出，這樣可以保證主機(jī)穩(wěn)定與持續(xù)的運(yùn)行，還可以通過(guò)光電隔離裝置與接口板相聯(lián)接。 同時(shí)為了減少輸出工程中的干擾，還可以采用固態(tài)繼電器來(lái)減少干擾（鄭海英，2018；楊強(qiáng)等，2018）。

1.2.2 軟件系統(tǒng) 在正常運(yùn)行狀態(tài)下，軟件系統(tǒng)不僅要做到能夠?qū)崟r(shí)的反映現(xiàn)場(chǎng)的各種狀態(tài)，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)配料過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控與測(cè)量，以及對(duì)粉碎機(jī)電流大小的控制與調(diào)節(jié)，同時(shí)要在屏幕上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電流大小，以及對(duì)鍵盤(pán)的響應(yīng)做出回應(yīng)。 一般在實(shí)際使用當(dāng)中，還需要設(shè)計(jì)三個(gè)定時(shí)器對(duì)時(shí)間進(jìn)行有效的控制，為了實(shí)現(xiàn)測(cè)控過(guò)程中事件的同步，信號(hào)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(tǒng)流程如圖2 所示。 首先，以整個(gè)屏幕作為考量，對(duì)配方庫(kù)、原料庫(kù)、生產(chǎn)計(jì)劃等進(jìn)行科學(xué)的編輯和管理；其次，粒料進(jìn)倉(cāng)電路和粒料進(jìn)倉(cāng)監(jiān)控電路同時(shí)運(yùn)行，并且運(yùn)用動(dòng)態(tài)模擬的方式，來(lái)顯示該過(guò)程的工藝流程，例如動(dòng)態(tài)更新粉碎機(jī)的電流信息；接著，粉料進(jìn)倉(cāng)電路系統(tǒng)和粉料進(jìn)倉(cāng)監(jiān)控電路同時(shí)運(yùn)行，并且運(yùn)用動(dòng)態(tài)模擬的方式，來(lái)顯示該過(guò)程的工藝流程，例如對(duì)總電流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新；最后，通過(guò)雙秤配料監(jiān)控程序、制粒監(jiān)控程序、 飼料生產(chǎn)管理模塊等的協(xié)同使用，使得各部分的管理和控制穩(wěn)步進(jìn)行。

2 飼料生產(chǎn)控制硬件系統(tǒng)中單片機(jī)的應(yīng)用

2.1 基于單片機(jī)的控制系統(tǒng) 飼料加工總的控制系統(tǒng)如圖3 所示。

單片機(jī)就位于下位機(jī)工作站當(dāng)中，其主要有兩方面的功能。 一是重量傳感器收集到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)A／D 轉(zhuǎn)換后，將信號(hào)輸送至單片機(jī)內(nèi)；這樣一方面，可以用數(shù)碼管來(lái)顯示該重量數(shù)據(jù)；另一方面，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后的重量數(shù)據(jù)還需要輸送至工業(yè)PC 機(jī)中， 并且作為PC 機(jī)下發(fā)控制命令的根據(jù)。二是溫度傳感器可以探測(cè)出飼料中油脂的溫度， 該溫度數(shù)據(jù)同樣經(jīng)過(guò)A／D 轉(zhuǎn)換后被輸送至單片機(jī)中， 經(jīng)單片機(jī)處理后輸出控制信號(hào)，用以控制電路中的加熱模塊，以此來(lái)控制飼料中油脂的溫度。

在整個(gè)系統(tǒng)中， 工業(yè)PC 機(jī)也是非常重要的一部分，但這里不做詳細(xì)的介紹。

2.2 基于單片機(jī)的下位機(jī)工作站 下位機(jī)工作站主要由單片機(jī)組成， 主要用于數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸、顯示等。其具體過(guò)程如圖4 所示，這里采用MCS51 單片機(jī)作為示例，從以下幾個(gè)方面闡述單片機(jī)在下位機(jī)工作站中的應(yīng)用。

2.2.1 供橋電源 供橋電源對(duì)傳感器起著至關(guān)重要的作用，故供橋電源的精度要求很高。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)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(shè)計(jì)成如圖5 所示?？紤]到兩部分重量不能受到相互的影響， 所以還采用了兩個(gè)分開(kāi)獨(dú)立的供橋電源電路。

2.2.2 雙通道重量檢測(cè) 雙通道重量檢測(cè)原理如圖6 所示，其中A 的重量用X1、Y1 檢測(cè)，B 的重量用X2、Y2 檢測(cè)， 誤差修正用X3、Y3 實(shí)現(xiàn)，公共通道通過(guò)X、Y 實(shí)現(xiàn)，通道選路通過(guò)A、B 實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路將直接為單片機(jī)進(jìn)行供電，這里以ICL7135 作為A/D 轉(zhuǎn)換芯片作為示例。 該芯片的各個(gè)引腳如下。 POL：極性輸出端。當(dāng)輸入為正電平時(shí)，POL 極也會(huì)輸出正電平， 當(dāng)輸入為負(fù)電平時(shí)，POL 極也會(huì)輸出負(fù)電平。OVERRANGE：過(guò)量程標(biāo)志輸出端。當(dāng)輸入信號(hào)的值大于轉(zhuǎn)換器的計(jì)數(shù)范圍即20000 時(shí)，OVERRANGE 輸出的為高電平。 RUN/HOLD：?jiǎn)?dòng)A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)該端口為高電平時(shí)，就會(huì)進(jìn)行連續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)該端口為低電平時(shí)，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后就保持轉(zhuǎn)換結(jié)果不改變， 并且在輸入一個(gè)大于300 納秒的正脈沖后，就會(huì)啟動(dòng)7135 開(kāi)始做另一次的轉(zhuǎn)換過(guò)程。B8、B4、B2、B1：BCD 碼數(shù)據(jù)輸出線。D5、D4、D3、D2、D1：BCD 碼的數(shù)據(jù)位輸出信號(hào)，可以用來(lái)進(jìn)行萬(wàn)、千、百、十、個(gè)位的選通。

2.2.4 ICL7135 與MCS-51 的接口 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果， 在ICL7135 中是采用一種動(dòng)態(tài)的狀態(tài)進(jìn)行輸出的，這是通過(guò)74LS157 的4 位2 選1 開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的； 當(dāng)74LS157 中的SEL 端為低電平時(shí)，1Y、2Y、3Y 三個(gè)端口輸出的是1A、2A、3A 的信號(hào)；當(dāng)SEL 為高電平時(shí)，1Y、2Y、3Y 三個(gè)端口輸出的為1B、2B、3B 信號(hào)。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(lái)說(shuō)， 實(shí)際的飼料加工過(guò)程中必然會(huì)存在著干擾、 噪聲等一系列環(huán)境的變化， 并且國(guó)際上采用的上位機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)為RS-232C，以及RS-423A 電氣接口標(biāo)準(zhǔn)（RS-423A 是美國(guó)電氣工業(yè)協(xié)會(huì)公布的“非平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”標(biāo)準(zhǔn)）。 所以可以設(shè)計(jì)如圖7 所示的通信電路。

3 結(jié)論

從二十世紀(jì)九十年代開(kāi)始， 單片機(jī)技術(shù)就已經(jīng)發(fā)展起來(lái)，隨著時(shí)代的進(jìn)步與科技的發(fā)展，目前該技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用日漸成熟， 單片機(jī)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)如今，人們?cè)絹?lái)越重視單片機(jī)在智能電子技術(shù)方面的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用， 單片機(jī)的發(fā)展進(jìn)入到新的時(shí)期， 無(wú)論是自動(dòng)測(cè)量還是智能儀表的實(shí)踐，都能看到單片機(jī)技術(shù)的身影。作為計(jì)算機(jī)技術(shù)中的一個(gè)分支， 單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用，既豐富了產(chǎn)品的功能，也為智能化設(shè)備的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了新的出路， 實(shí)現(xiàn)了智能化設(shè)備的創(chuàng)新與發(fā)展。在本課題中，單片機(jī)在飼料生產(chǎn)的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中起著重要的作用，對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸、處理、分析至關(guān)重要。 主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。 一是精度高，運(yùn)行可靠，配料靈活，操作方便，能滿足飼料加工的各種技術(shù)要求。 二是通過(guò)單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以引入多方面的抗干擾技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)，大大提高了可靠性。 三是基于單片機(jī)的飼料加工控制系統(tǒng)性能價(jià)格比高， 適應(yīng)性強(qiáng)，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）