基于嵌入式控制技術的拉絲機研制

山東勞動職業技術學院 孫憲良 孫常華 尹四倍 郝 濤

1 引言

傳統的棉花糖機多為天然氣燃燒加熱化 糖及人力驅動離心器制作棉花糖，傳統的棉花糖機器采用天然氣加熱的模式和人力控制出糖的模式存在安全隱患且出糖效率底。針對這一現象本文設計了基于嵌入控制技術的拉絲機——棉花糖機。

2 系統總體設計

基于嵌入式控制技術的拉絲機主要由控制器控制加熱絲和電機協同工作，是固體的蔗糖融化做離心運動把液體的蔗糖拉絲纏繞到糖竿上。

圖1 棉花糖機機械結構圖

如圖1所示為整個棉花糖機的整體機械機構，主要由機[備注]械支架、控制器、電機、加熱絲、傳感器、出糖器、棉花糖收集器等組成。控制器電路設計了基于嵌入式STC89C52RC單片機為控制核心，輔助以4位LED數碼管作為顯示，松樂DC5V-AV250V的固態繼電器作為加熱絲驅動單元，L298作為直流電機12V電機的驅動單元，熱電偶傳感器作為溫度采集單元構成了整個棉花糖機的控制器。在控制器的控制下完成溫度的采集與控制，電機速度的調節實現棉花糖機的纏繞出糖拉絲。

圖2 棉花糖控制系統設計組成框圖

3 棉花糖機控制系統硬件設計

基于嵌入控制技術的棉花糖機采用STC89C52RC單片機作為整個控制系統的主控核心，系統主要包含溫度傳感器部分、驅動部分、執行單元、顯示部分、供電部分組成。控制系統設計組成框圖如圖2所示。以STC89C52RC單片機為控制核心的棉花糖機，利用熱電偶式溫度傳感器采集溫度參數，配合固態繼電器調節加熱絲溫度和電機驅動器驅動直流電機調節轉速，實現了對棉花糖機出糖率關鍵參數的直接控制。

拉絲式棉花糖制作工藝流程為將固態蔗糖高溫熔化，采用高速旋轉離心器將糖絲纏繞到糖竿上。

3.1 電源電路實現

從安全環保的節能角度設計，該棉花糖機能源供給電路采用了交流220V供電方式，根據應用場合的不同輔助以太陽能供電。整個供電電路主要分三部分分別為主電路220V加熱電路、直流12V電機驅動電路、主控器DC5V供電電路。

加熱絲直接通過固態繼電器接入AC220V電路，直流12V電機驅動電路為整流器整流降壓后12V電路，主控器DC5V 通過電源轉化芯片LM2940把DC12V降壓獲得如圖3所示。

圖3 主控器DC5V電源供電電路

3.2 蔗糖融化實現

蔗糖的融化主要是由加熱絲加熱升溫實現的。如圖4所示為基于嵌入式單片機驅動的松樂固態繼電器加熱電路。加熱絲選用蚊香式2000W熱電阻絲，使之均勻分布在于離心器底部，通過熱傳遞控制離心器達到使蔗糖融化的合適溫度。

圖4 加熱絲驅動電路

3.3 離心器拉絲實現

融化后蔗糖的拉絲主要是采用直流12V轉速可調電機帶動離心器旋轉運動實現的。棉花糖機的拉絲主要由主控器器通過電機驅動電路驅動12V電機通過傳動軸帶動離心器做離心運動實現拉絲。如圖5所示，本設計采用了L298N芯片作為直流12V電機驅動電路。拉絲機拉絲成環的好壞取與固態糖的融化程度和離心器轉速的高低有直接關系。因此本系統選用轉速可調驅動能力強L298N芯片，通過控制器輸出PWM信號可以實現轉速可調。實踐證明對于蔗糖在溫度為86℃，轉速為1400轉時，拉絲成線率最佳。

圖5 L298電機控制驅動電路

圖6 嵌入式控制器主控電路

3.4 嵌入式控制器主控與顯示電路

從拉絲機功能的實現和性價比的角度綜合考量，本系統采用了宏晶公司的STC8952作為整個主控制系統的控制核心。嵌入式控制器主控電路如圖6所示，開放式的接口電路設計便于后期功能擴展。溫度與轉速的顯示電路采用了基于8位七段數碼管三極管式驅動設計模式如圖7所示。該模式可在合理利用STC89C52控制引腳的前提下，簡化電路設計。

圖7 溫度與轉速顯示電路

4 拉絲式棉花糖機實現

基于嵌入式控制技術的拉絲機，通過熱電偶傳感器實現采集離心式出糖器中蔗糖的溫度，將溫度信號傳輸給主控器STC89C52，控制器根據蔗糖熔點設定溫度值，通過繼電器驅動加熱絲工作，使蔗糖處于熔融狀態；同時主控器STC89C52輸出PWM信號給L298N控制電機帶動出糖器做離心運動，將熔融狀態蔗糖拉絲纏繞到糖竿上完成整個棉花糖制作。設計創新點如下：（1）基于PWM 控制方式的無級調速保證了變速的平滑性減少斷絲率；（2）采用了鑄鋁出糖器內鑲嵌高硬度鋼結構加強件，更持久耐用，導熱效果更好，使用壽命更長；（3）引入熱電偶式的溫度傳感器的嵌入式控制技術閉環控制，是整個系統運行更加穩定可靠最大限度的提高出糖率減少浪費。