基于單片機的涼粉加工機控制系統設計

林華韜 黃志偉 宋金秋 林子阮 張洪軍

摘要：隨著科技日益發達，家電的地位越來越重要，然而現市場上的工業型涼粉加工機人工成本高且機身大，這種傳統機器仍要提升。因此需要一款小型家用的智能涼粉加工機，根據智能涼粉加工機的功能需求，選擇單片機為控制系統的核心控制器件以及確定整體設計方案，通過多次實驗和對比數據來研究控制系統的可行性，采用Proteus仿真軟件對硬件電路和軟件程序聯合調試的方法對控制系統進行分析驗證。結果表明，控制系統可以順利實現智能涼粉加工機的攪拌、加熱和切削等功能，在初攪拌階段時，攪拌槳以120 r/min的速度攪拌40 s，可以將淀粉與水攪拌均勻;在淀粉溶液被加熱時，攪拌槳轉速降低至常速90 r/min;在淀粉溶液達到100℃時，提高攪拌槳轉速至120 r/min可以防止淀粉溶液糊底，同時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提高了智能涼粉加工機的自動化水平，而且使得智能涼粉加工機具有精度高、經濟性能好、高效環保等多種優點。

關鍵詞：涼粉加工機;控制系統;單片機;Proteus

中圖分類號：TS203

文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492（ 2022）02-0113-05

0 引言

涼粉是四川著名的小吃，其口感細嫩彈爽，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在不斷成熟，智能家電控制系統已經出現在不少家庭生活中，逐漸代替傳統機器，現市場上還不存在一個能完成涼粉烹飪的智能家電，開發一款智能涼粉加工機具有遠大的前景[1]。

現市場上能制作涼粉的機器大多是工業型涼粉加工機，工業型涼粉加工機和智能涼粉加工機的涼粉制作方法是一樣的，前者主要應用于大批量生產，雖然實現了攪拌速度和溫度調節的自動化，但其混料階段和定型定量由人工完成;后者是小型家電，實現了涼粉制作和涼粉切削的自動化，其操作方便且智能環保。在現代生活節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整個中國家電企業的持續變革與創新的支點，也將帶給整個家電市場全新的面貌[2]。

智能控制技術是提高涼粉加工機智能化水平的重要因素，本文的控制系統是以單片機為核心控制器件，用按鍵、溫度傳感器、LED燈和LCD屏等硬件設計電路，用簡潔緊湊和靈活方便的C語言編寫程序，通過Proteus軟件對控制系統進行檢測分析?？刂葡到y具有高效性、可靠性、穩定性和準確性等優點，對提高智能涼粉加工機的效率、強化智能涼粉加工機的功能和提升智能涼粉加工機的質量等都有著促進作用。

1 智能涼粉加工機的結構

涼粉加工機的的核心功能是攪拌、加熱和切條，涼粉加工機的攪拌裝置是淀粉溶液的均勻攪拌以及淀粉漿攪拌的關鍵部分;加熱裝置是完成涼粉加熱和散熱最關鍵部分;切條裝置是實現涼粉切條的關鍵部分。智能涼粉加工機的整體結構如圖1所示。

智能涼粉加工機的工作原理：以攪拌槳的速度為120 r/min先對淀粉和水進行預攪拌，攪拌均勻后，將攪拌漿的速度降到90 r/min，并開始加熱，淀粉溶液達到沸騰時，攪拌槳轉速升到120 r/min，并保持淀粉溶液沸騰狀態5 min，然后停止加熱和攪拌，當鍋體溫度冷卻到室溫時，發出提示音，這時，可取出鍋體，拆卸攪拌動力模塊，安裝涼粉切條模塊，振動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到出料口，然后落到出料碗。

2 控制系統整體方案

該控制系統是以AT89C52單片機為核心控制器件，對涼粉加工機的智能控制。系統主要由電源電路、輸入電路和輸出電路組成，智能涼粉加工機控制系統結構如圖2所示。（1）電源電路將220V交流電轉換為5V直流電，作為控制系統的電源。（2） MCU的輸入電路包括按鍵輸入電路、溫度傳感器電路、復位電路和時鐘電路。（3）MCU的輸出電路包括加熱電路、LED狀態指示電路、LCD顯示電路、電機電路和報警電路。

3 控制系統電路

3.1 最小系統電路

智能涼粉加工機系統單片機最小系統電路都由單片機、電源電路、復位電路和時鐘電路組成，如圖3所示。它是單片機能正常工作的最簡單電路。

考慮到經濟和實際的需要，所以選用封裝為PDIP的AT89C52單片機作為智能涼粉加工機控制系統的核心控制芯片，它可以根據傳統的方法進行編程或在線編程。電源電路是將220 V的交流電源轉變成SV的直流電源，為單片機提供SV電源。復位電路采用的是結構簡單的阻容復位電路，是由10 μF的電容、100 Ω的電阻和按鍵組成的電路，可為AT89C52單片機提供高電平復位脈沖。時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單片機中的任何工作都按照時間順序進行。

3.2 電機電路

電機電路的設計是由AT89C52單片機控制和ULN2003芯片驅動，如圖4所示。電路首先通過AT89C52單片機加載程序，然后通過ULN2003驅動直流電機旋轉。

智能涼粉加工機內有3組電機電路，即攪拌電路、離心散熱風扇電路和切條電路。攪拌電路主要有兩個加速階段，在初攪拌淀粉和水時，攪拌電路的電機轉速升到120 r/min把淀粉與水快速攪拌均勻，持續40 s后降至平常速90 r/min，溶液沸騰時，電機轉速又升到120 r/min防止淀粉溶液在加熱時被糊底。離心散熱風扇根據電磁線圈功率，為發熱線圈散熱，同時也為鍋體散熱。切條電路用的電機是直流減速電機，可以為切條滾刀提供較低的轉速和較大的力矩，低的轉速可使切削時穩定性好且減少機震，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線圈組成。

當加熱模塊的電路中有電流通過時，繼電器將產生磁場，從而帶動開關閉合，電路導通，單層電磁感應線圈開始工作，對鍋體進行加熱，在這里采用風扇來模擬了單層線圈的功率。當線圈功率測量模塊的電路中有電流通過時，通過變化滑動變阻器的阻值，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，讓單片機控制離心散熱風扇根據電磁線圈功率實時改變轉速。

3.4 報警電路

報警電路由單片機AT89C52、電阻、蜂鳴器和三極管組成，如圖6所示。

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

3.5 LED指示電路

LED指示電路由AT89C52、電阻以及發光二極管組成，如圖7所示。LED指示電路通過發光二極管的亮滅來提示開關機以及模式轉變，D1的亮滅意味著智能涼粉加工機系統的開關機，D2的亮滅意味著涼粉制作的開始與結束，D3的亮滅意味著涼粉切條的開始與結束。

4 程序流程

智能涼粉加工機控制系統的程序編寫采用的是C語言。按下開機鍵，MCU得到SV工作電壓，首先對控制系統進行初始化工作，初始化操作包括對涼粉制作和涼粉切條等進行設置。初始化工作完成后，程序進入Main（）循環函數，當用戶按下按鈕功能鍵，主程序依次調用多個子程序，分別對系統的各項輸入輸出進行處理。

4.1 涼粉制作流程

涼粉制作系統流程如圖8所示。

按下涼粉制作按鈕之后，CPU就會給P2.3口一個導通信號，攪拌電路就會啟動，于是電機帶動攪拌槳對淀粉和水進行充分攪拌，此時攪拌槳轉速為120 r/min，同時，CPU給P3.5 一個導通信號，發光二極管D2亮，以示涼粉制作系統開始工作。

當攪拌時間到40 s時，通過程序控制電壓對電機減速，將攪拌漿的速度降為90 r/min，與此同時，CPU同時給P1.0口、P1.1口、P1.2口和P2.4口一個導通信號，加熱電路和離心散熱風扇電機電路導通，鍋體架兩側的電磁線圈開始通電工作，對鍋體進行加熱，離心散熱風扇根據電磁線圈的設定溫度范圍內進行調整。

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

保持攪拌沸騰的淀粉溶液5 min后，CPU會給P1.0、P1.1口、P1.2口和P2.3口一個斷開信號，加熱電路停止通電，攪拌電機電路停止通電。

當溫度傳感器測到鍋內溫度回到室溫時.CPU會給P3.5口和P2.4口一個斷開信號，離心散熱風扇電路停止通電，同時發光二級管D2滅，并通過單片機讓蜂鳴器發出一聲提示音，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口的啟動涼粉切條的控制信號后，即會給P2.5口和P3.2口一個導通信號，涼粉切條電路導通，發光二極管D3亮，于是電機帶動切條滾刀轉動，將涼粉凝塊切成方形條狀，切條滾刀可將切好的涼粉帶動到出料口。

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后，即會給P2.5口和P3.2口一個斷開信號，切條電路停止通電，發光二極管D3滅，以示涼粉切條的系統停止。

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檢驗了設計效果，包括以下兩點。（1）對控制系統硬件原理設計進行了仿真驗證，包括LED狀態指示電路、復位電路、報警電路、時鐘電路、按鍵輸入電路、LCD信息顯示電路、電機電路以及加熱電路的驗證。仿真結果顯示，電路的順序工作、電路之間的相互聯動以及電路的反饋都按照預期的效果進行正常運作。（2）對控制系統軟件實現功能進行了驗證，包括定時功能、涼粉制作功能以及涼粉切條功能等的驗證。仿真結果顯示，根據電路的信號反饋，程序按照順序執行每一條代碼，有效讓AT89C52控制電路去執行相應的命令。

6 結束語

傳統手工制作涼粉難以保證質量，市場上工業型涼粉加工機是適用于批量生產的半自動機器，而智能涼粉加工機是節能環保的小型家用電器，可以進入家家戶戶。

為了實現智能涼粉加工機的涼粉制作功能和涼粉切削功能，設計一種以單片機為核心的控制系統來控制機器的結構模塊運作，并用Proteus軟件對系統進行仿真驗證。結果顯示，當涼粉制作時，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，當淀粉溶液被加熱至100℃時，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，嚴格把控時間、功率和速度等參數，并將系統中的程序和電路兩者聯合，有利于系統實現智能涼粉加工機的功能需求。此控制系統使得智能涼粉加工機成為節能環保、方便實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，給人們帶來環保便捷的生活方式。

參考文獻：

[1]彭鵬，鄭志浩，江玲，等，基于移動端智能家電控制系統[J].物聯網技術，2020，10（11）：53-56.

[2] 5G為家電業注入的新動力是：從物質到物智[J].機電信息，2019（16）：53-54.

[3] huiquan ZHU.Anahsis of the Application of Electronic Engineer-ing Tech- nology in Single Chip Microcomputer[Jl.Theory andPractice of Science and Technology Science and Technology，2020，1（2）.

[4]李志東，下肢關節功能恢復器原理與故障分析[J].醫療裝備，2014，27（11）：85-88.

[5]丁銳.“超級”競賽器的設計與實現[J].電子制作，2011（10）：61-67.

[6]李大東，時鐘控制信號源的設計[J].東南傳播，2010（10）：161-164.

[7]劉穎.節能型供熱溫度控制器設計[J].電子科技，2013，26（6）：73-76.

[8]陸小敏，吳靜嫻，張志良，等.基于負離子發生的未來空調空氣凈化器[J].電聲技術，2018，42（8）：37-40.

[9]陳英芝，關于DS18820在溫度檢測系統中的應用[J].電子世界，2013（19）：95.

[10]翟佳潔.太陽能路燈控制硬件電路設計[J].綠色科技，2014（2）：261-264.

[11] Yajing Yu. Application analysis of single chip microcomputertechnology in IOT electronic intelligent products[J]. Micropro-cessors and Microsystems，2020（prepublish）.

[12]郭晉，唐經源，李博，等.一種自動化磁粉檢測系繞的研制[J].機電工程技術，2021，50（4）：63-67.

[13]費葉琦，溫健鑒，齊加勝，等.基于云連接技術的助眠床自動控制系統設計[J].機電工程技術，2021，50（3）：142-145.

[14]金愛國，吳海嘯，朱好生，等，基于STM32的嬰兒保暖臺控制系統設計[J].機電工程技術，2021，50（3）：161-163.