基于嵌入式控制技术的拉丝机研制

山东劳动职业技术学院 孙宪良 孙常华 尹四倍 郝 涛

1 引言

传统的棉花糖机多为天然气燃烧加热化 糖及人力驱动离心器制作棉花糖，传统的棉花糖机器采用天然气加热的模式和人力控制出糖的模式存在安全隐患且出糖效率底。针对这一现象本文设计了基于嵌入控制技术的拉丝机——棉花糖机。

2 系统总体设计

基于嵌入式控制技术的拉丝机主要由控制器控制加热丝和电机协同工作，是固体的蔗糖融化做离心运动把液体的蔗糖拉丝缠绕到糖竿上。

图1 棉花糖机机械结构图

如图1所示为整个棉花糖机的整体机械机构，主要由机[备注]械支架、控制器、电机、加热丝、传感器、出糖器、棉花糖收集器等组成。控制器电路设计了基于嵌入式STC89C52RC单片机为控制核心，辅助以4位LED数码管作为显示，松乐DC5V-AV250V的固态继电器作为加热丝驱动单元，L298作为直流电机12V电机的驱动单元，热电偶传感器作为温度采集单元构成了整个棉花糖机的控制器。在控制器的控制下完成温度的采集与控制，电机速度的调节实现棉花糖机的缠绕出糖拉丝。

图2 棉花糖控制系统设计组成框图

3 棉花糖机控制系统硬件设计

基于嵌入控制技术的棉花糖机采用STC89C52RC单片机作为整个控制系统的主控核心，系统主要包含温度传感器部分、驱动部分、执行单元、显示部分、供电部分组成。控制系统设计组成框图如图2所示。以STC89C52RC单片机为控制核心的棉花糖机，利用热电偶式温度传感器采集温度参数，配合固态继电器调节加热丝温度和电机驱动器驱动直流电机调节转速，实现了对棉花糖机出糖率关键参数的直接控制。

拉丝式棉花糖制作工艺流程为将固态蔗糖高温熔化，采用高速旋转离心器将糖丝缠绕到糖竿上。

3.1 电源电路实现

从安全环保的节能角度设计，该棉花糖机能源供给电路采用了交流220V供电方式，根据应用场合的不同辅助以太阳能供电。整个供电电路主要分三部分分别为主电路220V加热电路、直流12V电机驱动电路、主控器DC5V供电电路。

加热丝直接通过固态继电器接入AC220V电路，直流12V电机驱动电路为整流器整流降压后12V电路，主控器DC5V 通过电源转化芯片LM2940把DC12V降压获得如图3所示。

图3 主控器DC5V电源供电电路

3.2 蔗糖融化实现

蔗糖的融化主要是由加热丝加热升温实现的。如图4所示为基于嵌入式单片机驱动的松乐固态继电器加热电路。加热丝选用蚊香式2000W热电阻丝，使之均匀分布在于离心器底部，通过热传递控制离心器达到使蔗糖融化的合适温度。

图4 加热丝驱动电路

3.3 离心器拉丝实现

融化后蔗糖的拉丝主要是采用直流12V转速可调电机带动离心器旋转运动实现的。棉花糖机的拉丝主要由主控器器通过电机驱动电路驱动12V电机通过传动轴带动离心器做离心运动实现拉丝。如图5所示，本设计采用了L298N芯片作为直流12V电机驱动电路。拉丝机拉丝成环的好坏取与固态糖的融化程度和离心器转速的高低有直接关系。因此本系统选用转速可调驱动能力强L298N芯片，通过控制器输出PWM信号可以实现转速可调。实践证明对于蔗糖在温度为86℃，转速为1400转时，拉丝成线率最佳。

图5 L298电机控制驱动电路

图6 嵌入式控制器主控电路

3.4 嵌入式控制器主控与显示电路

从拉丝机功能的实现和性价比的角度综合考量，本系统采用了宏晶公司的STC8952作为整个主控制系统的控制核心。嵌入式控制器主控电路如图6所示，开放式的接口电路设计便于后期功能扩展。温度与转速的显示电路采用了基于8位七段数码管三极管式驱动设计模式如图7所示。该模式可在合理利用STC89C52控制引脚的前提下，简化电路设计。

图7 温度与转速显示电路

4 拉丝式棉花糖机实现

基于嵌入式控制技术的拉丝机，通过热电偶传感器实现采集离心式出糖器中蔗糖的温度，将温度信号传输给主控器STC89C52，控制器根据蔗糖熔点设定温度值，通过继电器驱动加热丝工作，使蔗糖处于熔融状态；同时主控器STC89C52输出PWM信号给L298N控制电机带动出糖器做离心运动，将熔融状态蔗糖拉丝缠绕到糖竿上完成整个棉花糖制作。设计创新点如下：（1）基于PWM 控制方式的无级调速保证了变速的平滑性减少断丝率；（2）采用了铸铝出糖器内镶嵌高硬度钢结构加强件，更持久耐用，导热效果更好，使用寿命更长；（3）引入热电偶式的温度传感器的嵌入式控制技术闭环控制，是整个系统运行更加稳定可靠最大限度的提高出糖率减少浪费。