用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)碾米拋光機(jī)的自動(dòng)控制

1 引 言
經(jīng)過多道工序的碾制之后，稻米的谷糠已被剝?nèi)?，但米粒的表面顯得比較粗糙，為保證米的質(zhì)量和外觀，需進(jìn)行稻米加工的最后一道工序：拋光。米粒的拋光是由碾米拋光機(jī)來完成的。通過拋光可使米粒表面致密光潔，既保證了米的質(zhì)量，又改善了米粒的外觀。拋光是在一定溫度和濕度條件下，經(jīng)過一定時(shí)間的研磨完成的。因此拋光過程中一些重要的工藝參數(shù)必須得到滿足。首先，加入水的溫度必須嚴(yán)格控制，溫度太低或太高都會(huì)使拋光后的米粒發(fā)黑，影響拋光的質(zhì)量；其次，加入水量的多少必須嚴(yán)格控制。加入的水量太多，拋光后的濕度太大，既影響拋光的質(zhì)量也影響將來的儲運(yùn)；加入的水量太少，拋光時(shí)的濕度太小，拋光后米粒的光潔度和致密度會(huì)達(dá)不到要求。 國產(chǎn)的中小型拋光機(jī)現(xiàn)有的拋光方法都是采用半人工的方法：用溫度控制器控制水箱的溫度，加水量由手控調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)。人工調(diào)節(jié)一方面很難保證質(zhì)量，另一方面增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

因此，采用先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)碾米拋光機(jī)控制的自動(dòng)化成了拋光機(jī)廠家的迫切需要。

2 溫、濕度自動(dòng)控制的原理及組成

在和廠家多次接觸的基礎(chǔ)上，了解到拋光機(jī)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的一些基本要求，針對廠家的一些具體要求，設(shè)計(jì)出了以89C51為核心的稻米拋光機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。 (1)實(shí)現(xiàn)水溫的自動(dòng)控制

水的溫度是此道工藝的一個(gè)重要參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制，外擴(kuò)了8位A／D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809。自行設(shè)計(jì)溫度傳感器和變送器，使0～100℃的水溫對應(yīng)AD0809輸人為0～5V。單片機(jī)通過采樣比較后控制加熱絲的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)水溫的自動(dòng)控制。

(2)實(shí)現(xiàn)加濕的均勻性

為保證拋光機(jī)加濕的效果，變原來的注水式加濕為霧化式加濕。現(xiàn)有國產(chǎn)中小型拋光機(jī)的加濕方式采用的是注水式，由于拋光機(jī)的加濕量不大，此方式很容易造成加濕的不均勻性，進(jìn)而影響拋光的質(zhì)量。采用霧化的方式注水基本上消除加濕的不均勻性，可以大大改善拋光的效果。水的霧化采用高頻振動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)，此種霧化裝置可以很容易在市場上購買到。

(3)實(shí)現(xiàn)拋光機(jī)倉內(nèi)濕度的自動(dòng)控制

我們選用廣東風(fēng)華公司的濕度傳感器，此傳感器集傳感與變送于一體，體積和重量都很小，價(jià)格適中，而且比較容易安裝。傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號送人AD0809的另一通道，單片機(jī)采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過與設(shè)定的濕度值比較，進(jìn)而控制加濕電磁閥的開合?？刂萍訚窳康碾姶砰y有大、中、小3個(gè)，此方法的應(yīng)用避免了系統(tǒng)的復(fù)雜性，又保證了系統(tǒng)的可靠性和控制的精度。

(4)保證只有水溫達(dá)到設(shè)定值，進(jìn)料門才能打開，同時(shí)霧化振動(dòng)器打開 此要求是為防止水溫還沒達(dá)到設(shè)定值的情況下，向拋光機(jī)加入不符合溫度要求的水。為滿足此要求，在進(jìn)料口處安裝一個(gè)電磁閥開關(guān)。開始工作，當(dāng)水溫低于設(shè)定值時(shí)，此開關(guān)閉鎖，禁止原料的進(jìn)入；只有當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)，才能開此電磁開關(guān)。實(shí)際中水溫不可能嚴(yán)格等于設(shè)定值，他會(huì)在設(shè)定值附近上下波動(dòng)，可以限制一定的范圍，只要溫差在限定范圍之內(nèi)，就認(rèn)為達(dá)到了要求。

3 單片機(jī)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

為降低系統(tǒng)的成本，溫度傳感器探頭采用價(jià)格便宜的熱電阻CU50，并自行設(shè)計(jì)變送器。首先經(jīng)過橋路把溫度信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電信號，此橋路輸出的電壓信號比較弱，必須進(jìn)行相應(yīng)放大。本系統(tǒng)利用普通的運(yùn)放組成一個(gè)輸入電阻比較高、共模抑制作用比較強(qiáng)的儀用測量放大器，實(shí)現(xiàn)變送器的功能，滿足了系統(tǒng)的需要。可調(diào)電阻兄可以實(shí)現(xiàn)溫度信號的調(diào)零，可調(diào)電阻Ro可以實(shí)現(xiàn)溫度信號放大倍數(shù)的調(diào)整，這2個(gè)可調(diào)電阻用于溫度信號的校準(zhǔn)。

單片機(jī)選用ATMEI。公司的89C51，此芯片自帶4kFlash存儲器，足以滿足本系統(tǒng)的需求，無需外擴(kuò)存儲器。A／D轉(zhuǎn)換器選用ADC0809，他有8路輸入通道，完全滿足本系統(tǒng)的要求。A／D轉(zhuǎn)換器與CPU采用查詢方式連接，單片機(jī)不斷采集A／D送來的數(shù)字量，進(jìn)行相應(yīng)處理后送7段LED進(jìn)行實(shí)時(shí)溫、濕度顯示。顯示電路由7段碼譯碼器4513完成LED的段選，由1413完成位選，這2個(gè)芯片由單片機(jī)外擴(kuò)一并行芯片74HC273來驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)的設(shè)定采用4個(gè)獨(dú)立式鍵盤完成：一個(gè)是設(shè)定鍵，按此鍵系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)定模式，每按一次，在溫度和濕度兩種設(shè)定模式之間來回切換；一個(gè)是工作設(shè)定鍵，按此鍵系統(tǒng)進(jìn)入工作模式；其他2個(gè)鍵實(shí)現(xiàn)加l和減1功能。加1和減l鍵只有在設(shè)定模式下才能工作，在工作模式下，按這2個(gè)鍵系統(tǒng)不響應(yīng)。系統(tǒng)另有5路開關(guān)量輸出，P1．3腳用于控制進(jìn)料電磁閥，P1．4腳用于溫度控制，P1．5，P1．6，P1．7腳用于霧氣振動(dòng)開關(guān)的控制。

考慮到此單片機(jī)沒有掉電保護(hù)存儲器，在掉電和死機(jī)的情況下系統(tǒng)的設(shè)定值會(huì)回零，而且每次開機(jī)都要進(jìn)行設(shè)定，比較煩瑣。為此系統(tǒng)外擴(kuò)了1片E2PROM存儲器，我們選用12C存儲器--CAT24C021，用于存儲系統(tǒng)的設(shè)定值。

CAT24C021是美國CATALYST公司的產(chǎn)品，他是集E2PROM存儲器、看門狗定時(shí)器、復(fù)位控制器3種功能為一體。他的應(yīng)用，一方面提供了掉電保護(hù)存儲器；另一方面大大增加了系統(tǒng)的可靠性。其內(nèi)置的看門狗定時(shí)器為微處理器提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，在超時(shí)之后，復(fù)位信號便做出響應(yīng)。另外其內(nèi)部的Vcc檢測電路可使系統(tǒng)免受低電壓的影響，當(dāng)檢測到最小工作電壓時(shí)，系統(tǒng)將復(fù)位，直到Vcc返回到正常值為止。其存儲器部分采用的是256B串行的E2PROM，具有簡單的2線I2C接口。他僅用1根雙向數(shù)據(jù)線SDA和1根時(shí)鐘控制線SCL即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，另外作為輸入口時(shí)，該引腳上的電子跳變將復(fù)位看門狗定時(shí)器。

I2C接口技術(shù)的應(yīng)用，在很大程度上降低了系統(tǒng)成本及其對電路板空間的要求，本系統(tǒng)使用P1．0，P1．1實(shí)現(xiàn)他和單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳送。

24C021的寫保護(hù)引腳WP接單片機(jī)的P3．0，WP為高電平時(shí)，E2PROM處于寫保護(hù)(只讀)狀態(tài)；為低電平時(shí)，單片機(jī)可以對E2PROM實(shí)行改寫操作。

為進(jìn)一步保證系統(tǒng)的可靠性，在單片機(jī)的輸出端口和強(qiáng)電接觸器之間采用光電隔離器和12V繼電器進(jìn)行隔離。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

(1)設(shè)置模塊

單片機(jī)首先讀取鍵盤的溫濕度設(shè)定值然后存人24C021。本模塊主要包括鍵值讀人、軟件延時(shí)消抖子程序和I2C讀寫子程序。

(2)采樣顯示模塊

此模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和顯示。根據(jù)A／D的時(shí)序要求，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，然后查詢是否轉(zhuǎn)換完畢，接著讀取A／D的轉(zhuǎn)換結(jié)果，采集到2路數(shù)字量就是溫、濕度模擬信號的對應(yīng)值。為進(jìn)一步增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對采集得到的數(shù)值進(jìn)行了平滑和中值濾波處理。最后得到與實(shí)際溫濕度對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)，通過一定的算法把二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值和濕度值，送LED顯示。

(3)控制模塊

系統(tǒng)的另一個(gè)主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)溫、濕度的自動(dòng)控制。開機(jī)運(yùn)行時(shí)，單片機(jī)采集溫度值和設(shè)定值比較，如果不在規(guī)定范圍內(nèi)，繼續(xù)加熱；達(dá)到要求，打開料位開關(guān)和霧化振動(dòng)器，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)：單片機(jī)讀取24C021中的溫、濕度設(shè)定值，同時(shí)與采樣進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行加熱、加濕控制。
5 結(jié) 語

該系統(tǒng)已于去年用于某糧機(jī)廠拋光機(jī)的自動(dòng)控制改造中，投入使用以來運(yùn)行情況良好，為廠家創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)踐表明此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功、可靠的。