多功能絞肉機智能控制系統

李蘭忖

（邯鄲職業技術學院機電系，河北 邯鄲 056014）

多功能絞肉機智能控制系統

李蘭忖

（邯鄲職業技術學院機電系，河北 邯鄲 056014）

多功能絞肉機控制系統以單片機AT89C52控制技術為核心，實現了出骨、絞肉、乳化3種功能的有機結合。該系統通過硬件電路和編程軟件，對不同乳化細度要求的乳化產品有程序預選功能，能夠根據乳化細度要求，采用模糊PID控制技術和步進電動機細分控制技術，自動調節各臺電動機的速度，并保證它們之間的聯鎖要求，從而使系統反應快、運行平穩，對乳化粒度實現高精度控制。

多功能；絞肉機；單片機；細分控制技術；智能控制

近年來，肉制品工業實現了高速發展，火腿腸、灌腸等肉深加工產品品種日益增多，魚肉、雞肉、豬肉等各種肉乳化粒度的精確度直接影響著火腿腸、灌腸等產品質量，傳統的絞肉機只能實現單一絞肉功能或即使能乳化，乳化粒度大小單一且肉乳化粒度的精確度低。低功耗、控制功能日益增強，品種日益增多的單片機控制技術和智能儀表技術的飛速發展為控制系統的改造提供了有利的條件，為此本試驗應用單片機控制技術，在單片機的輸入端增添溫度檢測、乳化粒度檢測的模擬量信號，通過這些模擬量實時檢測信號與給定的要求信號進行比較，實現了絞肉機溫度、速度、粒度的自動化與智能化控制，保證設備精準、安全、穩定運行，實現多種大小不同粒度的要求。該系統不僅具有生產過程高度自動化控制功能，按照加工產品的要求，自動控制執行對象的動作，而且具有實時監測功能和現代化管理功能，多媒體實時顯示各對象的工作狀態和運行過程中的數據，并依據用戶的要求對生產情況進行數據統計和生產數據表格等等管理功能。經過近兩年的運行實踐，表明該系統性能可靠、自動化程度高、操作方便、經濟效益和社會效益顯著。

1 設備組成及工藝控制流程

1.1 設備組成

本試驗設計的多功能絞肉機實現了出骨、絞肉、乳化3種功能的有機結合，采用模糊PID控制技術和步進電動機細分控制技術，實現多種大小不同粒度高精度的要求。多功能絞肉機設備簡圖見 圖1。

圖1 多功能絞肉機設備簡圖Figure 1 Multifunctional meat grinder equipment diagram

多功能絞肉機由料斗、絞龍、絞龍缸套、碗杯和絞肉乳化頭組成。絞龍缸套的前段的篩孔依據加工不同種類的帶骨肉塊選取不同的孔徑，絞肉乳化頭園柱段內表面銑削加出多頭螺旋，形成螺旋切割刀，對從孔中擠出的肉實施切割，乳化頭園錐內表面和碗杯外表面各分3段，分別開有與軸線成200°傾角的矩形槽，但中間槽的方向與首尾槽的方向相反，右端槽的尺寸與螺旋刀尺寸匹配，從右至左3段槽的尺寸依次減小，且乳化頭與碗杯槽的傾向相反。絞肉乳化頭與碗杯間隙通過驅動螺桿帶動固定在絞肉乳化頭止推軸承座上的螺母作水平直線運動來調節，其間隙的大小控制乳化粒度的大小。動力設備絞龍電機、絞肉乳化電機、乳化間隙調節電機和調節閥門開度電機分別完成絞肉、乳化、調節間隙、控制閥門開度。

1.2 工藝控制流程

首先根據加工肉塊的種類，人工選取合適篩孔直徑的絞龍套，安裝固定好后啟動系統，小塊帶骨肉由絞龍輸送并擠壓，肉從絞龍缸套的篩孔中擠出，絞肉乳化電機帶動絞肉乳化頭內壁螺旋刀旋轉切斷肉絲，被傳送至錐形乳化頭與碗杯間隙后，受高剪切作用而乳化，調節乳化間隙大小控制乳化粒度，乳化間隙調到最大時可實現單一絞肉功能。絞肉乳化過程中，防止肉高溫變質，在絞龍空心與碗杯內通入冷卻水，循環水排出管處的溫度傳感器實時檢測溫度，當溫度高時，則調大進水閥的開度；溫度低時，則減小進水閥的開度［1］。

2 控制系統硬件組成

系統硬件組成，如圖2所示。系統以美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能、低功耗、價格低廉的8位CMOS單片機AT89C52為核心，為了擴展I/O口，擴展一片可編程的鍵盤顯示接口芯片8279、一片A/D轉換芯片ADC0809、一片可擦除編寫的EPROM2716、多片D/A轉換芯片DAC0832和一片可編程并行接口芯片8155。根據要訪問的地址，芯片的片選信號為低電平則選中相應的芯片［2］。

圖2 多功能絞肉機控制系統硬件組成Figure 2 Multifunctional meat grinder control system hardware composition

為提高產品質量，保證乳化精度，4臺動力設備均采用了步進電動機。步進電動機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，定位精度高、無位置累積誤差。步進電動機區別于其它電機的最大特點通過脈沖信號來控制，是數字電機，即有脈沖時只要置相應的輸出端為1；無脈沖時只要置相應的輸出端為0，由此可見脈沖分配很容易通過軟件來實現。由于步進電動機的驅動電流較大，單片機的I/O驅動能力有限，為此步進電動機與單片機之間要增加驅動電路。為防止步進電機運行時振蕩，在此采用了細分電路電源，縮小步進電機步距角的脈寬調制（PWM）式細分驅動電路，見圖3。該驅動電路由光電耦合電路、功放電路和脈寬調制電路3部分組成。脈寬調制電路是把單片機D/A轉換芯片DAC0832輸出的模擬電流信號，經運算放大器轉換成電壓信號，此電壓作為脈寬調制電路中電壓比較器同相輸入端參考電壓。功放電路中采樣電阻上測得的電壓信號和同相輸入端參考電壓進行比較，當檢測電壓大于參考電壓時，電壓比較器輸出為低電平，使D觸發器輸出端為低電平，將使功放管截止，反之，使功放管導通。脈寬調制電路的目的是在采樣電阻上得到與D/A轉換器模擬輸出電壓一致的電壓，這樣保證電機繞組上的平均電流滿足要求。通過對功放管通斷時間的控制，即電機繞組上的平均電流要求大時，就要增加功放管的導通時間；電機繞組上的平均電流要求小時，就要縮短功放管的導通時間。由于電機繞組是一個感性負載，電感性負載的特點電流不能突變，阻礙電流的變化，而且脈寬調制電路的調制頻率較高，一般大于20kHz，因此，雖然不是連續通電，即時通時斷的脈沖工作方式，但電機繞組中的電流還是較平穩的。脈寬調制式細分驅動電路的控制精度高，工作頻率穩定，多用于綜合驅動性能要求較高的場合。

圖3 脈寬調制（PWM）細分驅動電路Figure 3 Pulse width modulation（PWM）subdivision drive circuit

3 主要控制內容

多功能絞肉機智能控制的目標：在確保生產過程安全穩定運行的前提下，按照乳化細度的要求生產出多種合格的高精度的乳化產品，同時保證系統具有較快的速度、設備效率高，降低勞動強度和生產成本。該控制系統的主要控制內容如下。

3.1 程序預選功能

鍵盤操作畫面，如圖4所示。畫面上，各矩形方框都相當于一個按鍵，如按下系統運行后，單片機循環掃描各按鍵，當檢測到某鍵按下時，并把鍵值存入8279芯片FIFORAM中，并保護現場，讀鍵值，執行已編好了鍵盤處理程序。即用手觸摸“肉”這個方框后，執行“肉”這個按鍵的鍵盤處理程序，即肉加工程序。系統程序包括公共程序和肉、粗、較粗等多種乳化細度要求的加工程序。通過跳轉指令執行相應程序，如選擇肉，就會跳過其它乳化細度等級加工程序只執行肉加工程序。依此類推。

圖4 鍵盤操作畫面圖Figure 4 Keyboard screen graph

3.2 步進電機細分控制技術

細分控制技術通過細分電路電源的軟件編程和脈寬調制（PWM）式細分驅動電路的硬件設備來實現［3］。脈寬調制（PWM）式細分驅動電路的工作原理已介紹，細分控制技術關鍵是如何提供給細分驅動電路不同大小的參考電壓，也就是如何把合適的數據傳送給D/A轉換芯片DAC0832的數據輸入端，下面就重點介紹數據的確定過程。

細分電源的目的是給步進電動機繞組提供階梯電流，階梯等級由細分數來確定，在此采用了16細分，即將原來的一步分成了16步來完成，如圖5所示。三相步進電機有三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種工作方式，在此選擇穩定性高的三相六拍的運行方式，其通電順序為A→AB→B→BC→CA→A……，為保證步進電機運行平穩、振動小和噪音低，將原來的一步分成了16步，矩形波的上升沿和下降沿用階梯電流，階梯電流的大小應與步進電機的矩頻特性相吻合，為此階梯電流采用線性和正弦組合的方式。額定電流值對應數字量最大值255，電流為0時對數字量最小值0，階梯電流對應數字按式（1）、（2）計算。

圖5 三相六拍式步進電機各相繞組電流波形Figure 5 Six beat three－phase stepping motor phase winding current waveform

式中：

n——在該拍中的步數。

將上述數據存在于一個EPROM中，各相在一周期六拍內所需數據96個，三相六拍所需數據96×3＝288個，本系統中4臺步進電機共需數據288×4＝1 152個，選用容量為2k×8即2048B的EPROM芯片2716。EPROM中數據存放順序為3組數據依次交疊存入，即EPROM中的數據依次為A相第1個數據，B相第1個數據，C相第1個數據，A相第2個數據，B相第2個數據，C相第2個數據，……直到A、B、C三相的第96個數據，如圖6所示。控制電機運行時，將三相的數據1同時傳送到各自的D/A轉換芯片DAC0832中轉換，軟件判斷三相的數據只要不為零，就將相應的驅動口置1。由圖6可知，A相數據和C相數據不為零，將驅動A相繞組的PA0和C相繞組的PA2置1，只要為零就將相應的驅動口復位；B相數據為零，將驅動B相繞組的PA1復位。隔一定的時間，通過定時器來實現，將三相的數據2同時傳送到各自的D/A轉換芯片DAC0832中轉換，……直到將三相的第96個數據，接著傳送三相的數據1、2，這樣周而復始地進行［4］。

圖6 EPROM中存放的數據Figure 6 The data stored in EPROM

3.3 溫度控制

防止高溫肉變質，實時檢測溫度。為保持恒溫，采用了智能PID模糊控制［5］，以溫度偏差值（溫度檢測值與給定值之差）e和溫度偏差變化率△e為智能PID模糊控制的輸入變量。根據e和△e的大小將其值進行模糊化，均分成負大、負中、負小、零、正小、正中、正大共7個模糊狀態，然后采用模糊推理方法對比例系數kp、積分系數kI和微分系數kD這些PID參數進行在線調整，根據調整后的參數計算出錐形閥開啟度的變化量，從而確定調節閥門開度的步進電機的速度與轉動步數。軟件編程中已存儲上不同大小的開啟度變化量所對應的步進電動機的速度與轉動步數，通過查表程序查到的該電機的速度，再依據它計算每拍的時間，從而改變定時器的初始值，即改變了向D/A轉換芯片傳送不同數據的間隔時間。

3.4 乳化細度控制

對某一細度要求的乳化產品，為保證精度和提高效率，剛開始加工時錐形乳化頭與碗杯間隙調到最大（細度不同，最大值不同），絞龍電機和絞肉乳化電機速度由慢到快，沿一定的曲線調節，到一定的時間（轉動一定步數）時，自動調節錐形乳化頭與碗杯間隙調到中間值，絞龍電機和絞肉乳化電機速度調快的幅度增大，并沿某一曲線速度由慢到快，到一定的時間（轉動一定步數）時，自動調節錐形乳化頭與碗杯間隙調到最小，絞龍電機和絞肉乳化電機速度跟隨調快，直至滿足細度要求。各電動機的速度主要取決于每拍的時間，每拍的時間靠定時器的軟件編程來改變，只要改變定時器的初始值，就可以方便地控制每拍的時間。

除此之外，鑒于錐形乳化頭與碗杯間隙大小是影響乳化精度的一個重要參數，筆者根據多年經驗，編制了多種乳化產品對應的最大、中間、最小間隙值的對應表和查表程序，當發現乳化精度不滿足要求時，隨時變更該表數值。

4 結束語

本控制系統以單片機控制技術為核心，實現了出骨、絞肉、乳化3種功能的有機結合，綜合應用現代先進的自動化技術進行設計［6］，在硬件中增加脈寬調制式細分驅動電路，并配合軟件提供細分電源，從而使步進電動機步矩角減小，運行平穩，振動小，精度高。軟件設計可根據需要方便地改變定時器的初始值，就可以方便地控制每拍的時間和改變各步進電動機的速度。該系統較好地控制了各臺電動機速度之間的聯鎖要求，實現了溫度、速度的智能化控制，實現了多種乳化細度的高精度控制。除此之外，當乳化品種需增多時，可方便地改變軟件來實現，系統靈活性和擴展性強。

1 曹樂平.多功能自動絞肉機設計［J］.食品與機械，2006，22（2）：77～80.

2 房小翠，王金風.單片機實用系統設計技術［M］.北京：國防工業出版社，1999：145～148.

3 徐志躍，文招金，陳偉海.基于FPGA的兩相步進電機細分驅動電路設計［J］.電氣傳動，2008，38（4）：98～102.

4 曹嘉偉.基于單片機控制的步進電機調速系統［J］.電子世界，2011（7）：104～108.

5 李可軍，趙建國，瑪忠才.可控串補（TCSC）模糊變結構控制器［J］.山東大學學報，2003（1）：115～119.

6 曹曉泉，岳文聞.一種新型無壓力控制系統［J］.食品與機械，2011，27（2）：80～84.

Multifunctional meat grinder control system based on grey forecast

LI Lan－cun

（Handan College of Profession and Technology，Handan，Hebei056014，China）

The multifunctional meat grinder control system is in the center of microcontroller AT89C52control technology，has realized the organic combination of three kind of functions of boning，grinding and emulsifying.The system pre－selects the program for different degrees emulsifying product by the programming software and hardware circuit，and can automatically adjust each motor’s speed to ensure their interlocking requirements by applying the fuzzy PID control technology and stepping motor subdivision technology according to emulsion fineness requirements.So the system responds quickly and runs smooth，and has realized the high accuracy control of the emulsifying granularity.

multifunctional；meat grinder；microcontroller；subdivision technology；intelligent control

10.3969 /j.issn.1003－5788.2012.04.043

李蘭忖（1968－），女，邯鄲職業技術學院副教授，碩士。E－mail：llc0186＠163.com

2012－02－20