基于STM32煎饼机控制器的开发
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摘 要
煎饼作为较为有特色的一种食品，在山东南部地区以及江苏北部地区广泛作为一种主食食用，但是长期以来多以手工作坊式手工加工生产为主，存在生产效率低下，劳动强度大，生产环境恶劣等问题。本课题意在开发一种专用控制器，在配合相应机械动作下，完成煎饼这种食品的自动化生产。
关键词
煎饼机控制器;过零点检测;高频脉冲检测电路
中图分类号： TP332 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.006
0 引言
煎饼作为较为有特色的一种食品，现在的加工方式或多或少存在一定的缺陷。传统的加工方式生产效率低，劳动强度大，不适合批量生产。现在已有的自动化生产设备使用PLC控制，成本高，体积大，并且为了控制成本多采用定速控制。基于以上几点我们就希望在传统的方法上对控制器，传感器，显示器，进行更改和优化。
1 系统的设计方案
使用型号为STM32f103VGT6的单片机作为主控制器，传感器有E3F-DS30C4/C1红外传感器，ACBS712霍尔传感器，DS18B2温度检测模块组成。通过驱动电路控制4V210-08电磁阀和220V单相交流电机，输入输出隔离采用了光电耦合隔离增加系统抗干扰能力。控制器工作分为三个过程，首先主控制器与人机接口通信，实时采集传感器数据，并将传感器数据发送给人机接口STM8，让其显示温度，转速等参数。在不同的温度下使用不同的转速，转速通过电机上的霍尔传感器得到。并且通过PID算法计算目标转速和当前转速偏差，进行实时修正，以实现宏观状态下电机的匀速转动。
系统的工作过程为：系统开启，传感器参数赋初值，检测单片机通信，通信，关闭电磁阀，启动电机。系统启动不正常，蜂鸣器报警，关闭设备检查。系统正常延时60s，开启4V210-08电磁阀，读取DS18B2温度传感器数据，发送至STM8显示，得到该温度下电机转速，电机转速调制，延时10s，关闭电磁阀。延时60s后，转至1，循环。
显示模块使用了STM8S103作为人机接口完成对红外传感器，霍尔传感器等信号的采集。通过输出接口电路，完成对气缸电磁阀驱动。控制脉冲输出，来完成对单相交流电机转速的控制。单片机之间相互通信，完成温度传感器数据采集，人机对话模块通讯接入。人机对话装置使用了STM8S103显示，通过5位数码管数据显示功能和系统状态。
测频测速模块：为减小主程序的复杂度，增加系统稳定性，防止出现程序跑飞，卡死等情况，对系统进行模块化设置。使用STM8S103作为检测模块的芯片，需要使用STM8的1个定时器和两个计数器。工作方式都为方式1，两个计数器引脚分别外接ACBS712编码器的A和B相，A相与B相是相位相差180度的脉冲波，定时器开始定时，当定时器满溢出时，将两个计数器的数值送至速度检测函数，清空计数器的值，定时器赋初值。两个定时器周期向主控制器发送速度值。单片机之间通信方式为同步I2C通信。
2 基本原理与技术路线
2.1 硬件部分
2.1.1 交流调压电路
单相交流电机调速方法与三相异步电机调速因为内部结构在调速方法上也有不同，即不能通过调节频率来实现电机的无级调速，单相电机的调速方法有，变极调速、降压调速、调节抽头来调节转速，对于控制方法而言，降压调速相较于其他方式调速范围广，方便控制。
（1）主电路
图2为单相交流调压电路，两个晶闸管反并联来分别控制正弦交流电的上下半个周波，电动机视为阻感负载，通过控制晶闸管的导通的关断，就可以控制输出电压，输出电压大小和导通角α就可以控制输出电压的有效值从而控制电机转速。因为电动机负载是阻感负载，所以回路会发生续流晶闸管不会立即在电压过零点关断，所以只能采用滞后控制的方法，即导通角α>ψ（ψ=arctan（wL / R））。如果电机转速过低可能出现抖动属于正常现象，可以增加滤波电路来优化。
（2）触发电路
晶闸管因其特有的结构，导通方式有两种，①当晶闸管承受正向电压时在门级施加触发脉冲，形成正反馈晶闸管导通。②阳极电压升高达到可以形成雪崩效应，晶闸管也会导通。
由于第二种情况不可控，只能通过控制门级触发脉冲来控制电压。触發电路控制触发角需要找到交流电的零点，然后延时以控制触发角。采用单片机的外部中断检测零点，触发方式为脉冲触发，当检测到电压为0是开启定时器，发出宽脉冲触发晶闸管，防止续流未结束晶闸管无法开通。
2.1.2 测频调速电路
基于STM8的测频控制单项电机调压调速模块，主控制器通过脉冲输出接口与该模块相连接，该模块通过测量脉冲频率去对应控制单项电机的转速，以零点检测电路，通过控制触发角来完成单项电机调压调速。模块具备多路控制使能端，具备转速锁存功能，控制多个电机时，通过使能端循环刷新转速数据。同时电机安装有光电编码器，通过PID算法来循环刷新PWM值，使转速恒定。
2.2 软件部分
2.2.1 人机通信接口
该装置使用STM8S103作为主控制器，通过5位数码管数据显示功能，相应状态指示灯电路，按键扫描电路，与中控制器通讯的接口电路等。软件部分应完成与主控制器的通讯，按键的译码，通讯数据译码，数码管显示，指示灯指示等功能
2.2.2 程序流程
32位单片机等待指令开启电磁阀，获得传感器和外部人机接口数据，延时，关闭电磁阀，如果外部有转速要求按照外部转速，若没有这按照正常转速旋转。转速通过PID完成闭环控制。程序流程图附图3。
3 总结
本系统的优点在于（1）各个功能模块独立设计，可移植性强，方便与其他设备交互。（2）隔离式输入输（3）控制器拟解决问题为地方性特色食品加工，较其他控制器设计无同质化设计问题。（4）自动化程度高，显著降低工作劳动强度，降低人工用量，产品质量好。（5）控制器应具备较低生产成本，与当前使用PLC作为主控制器的自动化控制系统相比较，可以使成本降低百分之五十，体积缩小百分之七十。
致谢：
在产品设计过程中，感谢张新帅老师给予帮助和鼓励。本论文有临沂大学大学生创新创业训练计划项目资助项目编号（S201910452039）。
参考文献
[1]《电力电子技术》王兆安，刘进军主编.第五版，机械工业出版社，2009.5.
[2]《常用晶闸管触发器集成电路及应用》李宏编著.科学出版社，2011.1.
[3]《传感器与单片机接口及实例》来清民著.北京航空航天大学出版社，2008.1.
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