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(chǎn)為主，存在生產(chǎn)效率低下，勞動強度大，生產(chǎn)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(chǎn)。

關(guān)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(chǎn)效率低，勞動強度大，不適合批量生產(chǎn)。現(xiàn)在已有的自動化生產(chǎn)設(shè)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?；谝陨蠋c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(shè)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(qū)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(jù)，并將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給人機接口STM8，讓其顯示溫度，轉(zhuǎn)速等參數(shù)。在不同的溫度下使用不同的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速和當前轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)閉電磁閥，啟動電機。系統(tǒng)啟動不正常，蜂鳴器報警，關(guān)閉設(shè)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(jù)，發(fā)送至STM8顯示，得到該溫度下電機轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)速調(diào)制，延時10s，關(guān)閉電磁閥。延時60s后，轉(zhuǎn)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(qū)動?？刂泼}沖輸出，來完成對單相交流電機轉(zhuǎn)速的控制。單片機之間相互通信，完成溫度傳感器數(shù)據(jù)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(jù)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(shè)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(shù)路線

2.1 硬件部分

2.1.1 交流調(diào)壓電路

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

（1）主電路

圖2為單相交流調(diào)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(guān)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(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)速過低可能出現(xiàn)抖動屬于正?，F(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(jié)構(gòu)，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(jié)束晶閘管無法開通。

2.1.2 測頻調(diào)速電路

基于STM8的測頻控制單項電機調(diào)壓調(diào)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(zhuǎn)速，以零點檢測電路，通過控制觸發(fā)角來完成單項電機調(diào)壓調(diào)速。模塊具備多路控制使能端，具備轉(zhuǎn)速鎖存功能，控制多個電機時，通過使能端循環(huán)刷新轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。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(zhuǎn)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(jù)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(jù)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(jù)，延時，關(guān)閉電磁閥，如果外部有轉(zhuǎn)速要求按照外部轉(zhuǎn)速，若沒有這按照正常轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速通過PID完成閉環(huán)控制。程序流程圖附圖3。

3 總結(jié)

本系統(tǒng)的優(yōu)點在于（1）各個功能模塊獨立設(shè)計，可移植性強，方便與其他設(shè)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(shè)計無同質(zhì)化設(shè)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(chǎn)品質(zhì)量好。（5）控制器應具備較低生產(chǎn)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(chǎn)品設(shè)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(shù)》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.