饲料加工机械中单片机控制系统的应用

崔瑾娟

（山西机电职业技术学院，山西长治046011）

饲料生产机械的管理控制系统经过多年的发展，经历了各个发展时期（张力文等，2015）。从最初的模拟电路，到小规模集成电路，到单片机系统，再到现如今的结合PC 机、各种总线以及单片机的复杂控制系统（吴志刚等，2014；曹康，2014；房子敬等，2006）。现如今的饲料生产机械的管理控制系统已经可以称为一个复杂的电子系统，并且其在实际应用中也取得了良好的效果（胡凯飞，2018； 曹康等，2014；张吉鹍等，2014）。

一般来说， 饲料生产机械的管理控制系统由三部分组成，即单片机控制系统、总线系统以及上位机系统。单片机是一种大规模的集成电路芯片，并且现在大多数厂商的单片机产品均带有RAM、PROM 等存贮单元、多种I/O 接口和中断系统；单片机经过多年的发展，从最初的4 位，发展到现在百兆高速单片机，功能也有了极大的丰富，可以适应各种控制系统中的应用场景（王开宇，2018；黄启锋等，2016；杨昆，2016）。 总线系统是一种用来传输信息的系统， 其可以负责CPU 和单片机之间、单片机和其他电路或传感器之间的信息传输，一般来说其具有体积小、可靠性高、与机械以及各种仪表结合性好的优点 （周金芝等， 2016； 段云强，2016）。 上位机系统就是基于PC 机的控制系统，随着半导体技术的发展，现在PC 机的功能和性能已经得到了极大的增强，因此，基于PC 机二次开发的上位机控制系统， 可以方便的实现饲料生产机械管理控制系统的人机交互功能（游达章等，2015；石毅壮，2014）。

1 饲料生产控制系统概述

1.1 饲料生产过程简述 一般来说，饲料的加工生产过程可以分为以下几个部分，如图1 所示。

首先，粉料从图中的下料口（图中101 处）送入，随后被提升机提升至顶端，通过传送带，粉料被送至粉抖筛（图中201 处）用以筛掉粉料中较大的颗粒，筛选完成后就被送至配料仓；接着筛选后的粒料被送至下料口后提升（图中103 处），再经过粒料筛（图中105 处）和永磁体（图中106 处），用以再次去除较大的颗粒和铁削等杂质， 随后粒料经过粉碎机被粉碎成粉末，并再次被送入配料仓；其次，各种经过处理的粉料，按照一定的比例在混合机中 （图中215 处） 进行充分的混合；最后，混合好后的饲料通过气动三通（图中301 处）开关来控制混合料流向，经过下料仓（图中302处）进行称重打包等流程（ 何武林，2019；李军国等，2013）。

1.2 控制系统简述 一般控制系统都采用工业PC 计算机作为控制主机， 配以高分辨率的显示器，采用多任务控制算法，将饲料加工全过程的每一个流程以及各种数据给予详细的显示。采用单片机以及各种电路的配合，来支持饲料加工过程中细粒度的控制。整个控制系统具有良好的人机交互界面，可以高效而科学地监测和控制饲料加工系统的全流程。饲料加工控制系统主要有硬件系统和软件系统组成。

1.2.1 硬件系统 硬件系统采用双秤以及各种传感器进行数据的采集，并通过单片机系统进行数据的处理和数据与上位机的交互，采用同步电机来驱动放料门。该系统的主要作用是各种开关信号的度量，包括模拟信号的输入、输出以及各种接口卡信号的输入、输出，这样可以保证主机稳定与持续的运行，还可以通过光电隔离装置与接口板相联接。 同时为了减少输出工程中的干扰，还可以采用固态继电器来减少干扰（郑海英，2018；杨强等，2018）。

1.2.2 软件系统 在正常运行状态下，软件系统不仅要做到能够实时的反映现场的各种状态，同时还要实现配料过程的实时监控与测量，以及对粉碎机电流大小的控制与调节，同时要在屏幕上实时动态显示各个监测点的电流大小，以及对键盘的响应做出回应。 一般在实际使用当中，还需要设计三个定时器对时间进行有效的控制，为了实现测控过程中事件的同步，信号灯控制管理和事件管理控制是必不可少的 （曹康等， 2014；吕德臣等，2013）。

软件系统流程如图2 所示。 首先，以整个屏幕作为考量，对配方库、原料库、生产计划等进行科学的编辑和管理；其次，粒料进仓电路和粒料进仓监控电路同时运行，并且运用动态模拟的方式，来显示该过程的工艺流程，例如动态更新粉碎机的电流信息；接着，粉料进仓电路系统和粉料进仓监控电路同时运行，并且运用动态模拟的方式，来显示该过程的工艺流程，例如对总电流量进行动态更新；最后，通过双秤配料监控程序、制粒监控程序、 饲料生产管理模块等的协同使用，使得各部分的管理和控制稳步进行。

2 饲料生产控制硬件系统中单片机的应用

2.1 基于单片机的控制系统 饲料加工总的控制系统如图3 所示。

单片机就位于下位机工作站当中，其主要有两方面的功能。 一是重量传感器收集到的信号，经过A／D 转换后，将信号输送至单片机内；这样一方面，可以用数码管来显示该重量数据；另一方面，经过单片机处理后的重量数据还需要输送至工业PC 机中， 并且作为PC 机下发控制命令的根据。二是温度传感器可以探测出饲料中油脂的温度， 该温度数据同样经过A／D 转换后被输送至单片机中， 经单片机处理后输出控制信号，用以控制电路中的加热模块，以此来控制饲料中油脂的温度。

在整个系统中， 工业PC 机也是非常重要的一部分，但这里不做详细的介绍。

2.2 基于单片机的下位机工作站 下位机工作站主要由单片机组成， 主要用于数据的采集、处理、传输、显示等。其具体过程如图4 所示，这里采用MCS51 单片机作为示例，从以下几个方面阐述单片机在下位机工作站中的应用。

2.2.1 供桥电源 供桥电源对传感器起着至关重要的作用，故供桥电源的精度要求很高。为了保证系统的正常运行， 并且可以在一定程度上抵抗外界的干扰，供桥电源电路被设计成如图5 所示。考虑到两部分重量不能受到相互的影响， 所以还采用了两个分开独立的供桥电源电路。

2.2.2 双通道重量检测 双通道重量检测原理如图6 所示，其中A 的重量用X1、Y1 检测，B 的重量用X2、Y2 检测， 误差修正用X3、Y3 实现，公共通道通过X、Y 实现，通道选路通过A、B 实现。

2.2.3 A/D 转换电路 A/D 转换电路将直接为单片机进行供电，这里以ICL7135 作为A/D 转换芯片作为示例。 该芯片的各个引脚如下。 POL：极性输出端。当输入为正电平时，POL 极也会输出正电平， 当输入为负电平时，POL 极也会输出负电平。OVERRANGE：过量程标志输出端。当输入信号的值大于转换器的计数范围即20000 时，OVERRANGE 输出的为高电平。 RUN/HOLD：启动A/D转换。当该端口为高电平时，就会进行连续的A/D转换，当该端口为低电平时，在转换结束后就保持转换结果不改变， 并且在输入一个大于300 纳秒的正脉冲后，就会启动7135 开始做另一次的转换过程。B8、B4、B2、B1：BCD 码数据输出线。D5、D4、D3、D2、D1：BCD 码的数据位输出信号，可以用来进行万、千、百、十、个位的选通。

2.2.4 ICL7135 与MCS-51 的接口 A/D 转换结果， 在ICL7135 中是采用一种动态的状态进行输出的，这是通过74LS157 的4 位2 选1 开关来实现的； 当74LS157 中的SEL 端为低电平时，1Y、2Y、3Y 三个端口输出的是1A、2A、3A 的信号；当SEL 为高电平时，1Y、2Y、3Y 三个端口输出的为1B、2B、3B 信号。这也就使得MCS-51 的接口必须为平行接口。

2.2.5 通信电路 一般来说， 实际的饲料加工过程中必然会存在着干扰、 噪声等一系列环境的变化， 并且国际上采用的上位机接口标准为RS-232C，以及RS-423A 电气接口标准（RS-423A 是美国电气工业协会公布的“非平衡电压数字接口电路的电气特性”标准）。 所以可以设计如图7 所示的通信电路。

3 结论

从二十世纪九十年代开始， 单片机技术就已经发展起来，随着时代的进步与科技的发展，目前该技术的实践应用日渐成熟， 单片机被广泛应用于各个领域。现如今，人们越来越重视单片机在智能电子技术方面的开发和应用， 单片机的发展进入到新的时期， 无论是自动测量还是智能仪表的实践，都能看到单片机技术的身影。作为计算机技术中的一个分支， 单片机技术在各个产品领域的应用，既丰富了产品的功能，也为智能化设备的开发和应用提供了新的出路， 实现了智能化设备的创新与发展。在本课题中，单片机在饲料生产的监测控制系统中起着重要的作用，对数据的传输、处理、分析至关重要。 主要有以下几个方面的优点。 一是精度高，运行可靠，配料灵活，操作方便，能满足饲料加工的各种技术要求。 二是通过单片机的系统设计可以引入多方面的抗干扰技术和容错技术，大大提高了可靠性。 三是基于单片机的饲料加工控制系统性能价格比高， 适应性强，利于推广。

Application of single chip microcomputer control system in feed processing machinery

CUI Jinjuan
（Shanxi Institute of Mechanical&Electrical Engineering，Changzhi，Shanxi Province 046011，China）