崔艷海，舒 杰，潘天紅

（江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院 自動化系，鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

隨著我國科技水平的不斷提高，只有將智能控制合理運(yùn)用到各行各業(yè)中才真正能夠體現(xiàn)科學(xué)的進(jìn)步。本項(xiàng)研究的翻醅機(jī)智能控制系統(tǒng)使用了多種傳感模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，可以實(shí)時的對發(fā)酵過程中翻醅機(jī)的位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。使用2.4G無線通信模塊和GPRS模塊將所測的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程終端，系統(tǒng)對所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析，自動調(diào)整翻醅工藝參數(shù)，經(jīng)STM32控制器處理后發(fā)出命令給驅(qū)動電機(jī)，從而控制機(jī)械臂動作，使得翻醅朝著智能化方向發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主要是基于STM32F103ZET6單片機(jī)最小系統(tǒng)為控制核心構(gòu)成的翻醅機(jī)智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。整個控制系統(tǒng)分為：1）微控制器。系統(tǒng)選用STM32系列高性能微控制器系統(tǒng)的核心控制模塊；2）工業(yè)顯示屏模塊。主要用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間交互功能；3）接近開關(guān)傳感器模塊。主要用于測量目標(biāo)的實(shí)時位置；4）電機(jī)驅(qū)動模塊。該模塊用于驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)；5）2.4G無線通訊電路。該模塊用于將測得的數(shù)據(jù)發(fā)送到移動設(shè)備或者嵌入式系統(tǒng)；6）GPRS模塊。該模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)端和服務(wù)器端。

系統(tǒng)運(yùn)行時，STM32單片機(jī)運(yùn)行程序后產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過光電隔離后將脈沖送到電機(jī)驅(qū)動電路中，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，接近開關(guān)判斷電機(jī)是否到達(dá)極限位置。同時檢測當(dāng)前的轉(zhuǎn)速并反饋給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)通過PID算法智能調(diào)節(jié)PWM脈沖占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平滑穩(wěn)定的調(diào)速。根據(jù)工業(yè)串口屏的命令來控制電機(jī)運(yùn)作，利用傳感器反饋矯正控制，實(shí)現(xiàn)翻醅過程自動化操作[1]。

2 系統(tǒng)硬件電路

智能控制系統(tǒng)的硬件部分由STM32F103ZET6單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、接近開關(guān)模塊、2.4G通訊模塊、GPRS模塊以及工業(yè)串口屏模塊構(gòu)成。

2.1 STM32最小系統(tǒng)

STM32F103ZET6單片機(jī)是整個翻醅機(jī)智能控制系統(tǒng)的核心部分。這款單片機(jī)是ST公司生產(chǎn)的32位的增強(qiáng)型系列單片機(jī)，內(nèi)核采用Cortex-M3架構(gòu)，其資源十分豐富：64KB SRAM、512KB FLASH、2個基本定時器、2個DMA控制器（共12個通道）、3個SPI、5個串口、3個12位ADC、1個12位DAC以及112個通用IO口，完全能夠滿足實(shí)驗(yàn)需求。其特點(diǎn)是高性能、低成本、低功耗[2]。主要包括電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、啟動電路和程序下載電路。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.2 電源模塊

為滿足控制系統(tǒng)各模塊對不同電壓等級電源的需求，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了三種電壓轉(zhuǎn)換電路。電源分配示意圖如圖2所示。在圖2中，采用鋰電池作為動力源，采用SYSY20-24S12芯片輸出12V電壓供給工業(yè)串口屏使用；采用LM2576-5V芯片輸出5V電壓供給電機(jī)驅(qū)動模塊使用；由LM2576-3.3V芯片將12V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，作為主控制器STM32的供電電源。在設(shè)計(jì)電源電路時，還要考慮提供電源轉(zhuǎn)換效率，抗干擾等因素等。

圖2 電源模塊電路

2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

本次翻醅機(jī)系統(tǒng)共有6個電機(jī)，采用兩種控制器，一種是BLD-750直流無刷電機(jī)驅(qū)動器，還有一種是YPC系列大功率無刷電機(jī)控制器。無刷直流電機(jī)既具有交流電機(jī)的簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電機(jī)運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn)，而且由于不受機(jī)械換向限制，易于做到大容量、高轉(zhuǎn)速。因此，本次設(shè)計(jì)選用無刷直流電機(jī)來作為動力裝置，滿足設(shè)計(jì)的性能需求[3]。

BLD-750直流無刷電機(jī)驅(qū)動器作為電機(jī)的驅(qū)動模塊，這款驅(qū)動器具備PID電流調(diào)節(jié)，能夠利用直流無刷電機(jī)的霍爾信號，經(jīng)過放大頻率后進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)，其與單片機(jī)的連線電路如圖3(a)所示。

YPC系列大功率無刷電機(jī)驅(qū)動器,驅(qū)動電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)和停止功能必須通過黑線、灰線和棕線的連接來控制，其與單片機(jī)的連線電路如圖3(b)所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動與電機(jī)連接圖

2.4 接近開關(guān)模塊

接近開關(guān)模塊采用LJ12A3-4-Z/BX傳感器作為接近傳感器，這是一種NPN型電感式的接近開關(guān)傳感器，主要用于檢測金屬物體，接近開關(guān)電路如圖4所示。NPN是指當(dāng)有信號觸發(fā)時，信號輸出線OUT和電源線VCC連接，相當(dāng)于輸出高電平的電源線[4]。當(dāng)傳感器檢測到有物體靠近接近開關(guān)傳感器時，傳感器的開關(guān)閉合，電路導(dǎo)通，發(fā)光二極管通電發(fā)光，此時光敏三極管導(dǎo)通，PEI輸出低電平。當(dāng)傳感器未檢測到有物體靠近接近開關(guān)傳感器時，傳感器的開關(guān)常開，電路不導(dǎo)通，發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通，PEI輸出高電平。

圖4 接近開關(guān)模塊

2.5 GPRS模塊

本設(shè)計(jì)采用了SIMCom公司的SIM900A作為通信芯片，它支持TCP/IP協(xié)議。它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定，并且能夠滿足用戶的多種需求[5]。具體電路圖如圖5所示。

圖5為SIM900A與STM32連接圖。單片機(jī)與SIM900A模塊的連接和控制主要是通過串口進(jìn)行控制。采用AT指令，可以在系統(tǒng)斷線之后自動重新連接，不需手動連接。在實(shí)現(xiàn)斷線自動重連功能時，涉及到DCD、RI兩個引腳的使用。DCD引腳用來實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)模塊掉線時，會給DCD引腳一個高電平，當(dāng)這個電平被DCD引腳檢測到之后，模塊就是采取相應(yīng)的動作，來重新連接上線。RI引腳在模塊上線之后，就一直保持高電平，在有電話和短信進(jìn)來的時候，RI管腳就會有一個低電平出現(xiàn)，當(dāng)RI引腳檢測到這個低電平的時候，模塊就會采取相應(yīng)動作，進(jìn)入到短信或者電話模式。該模塊有兩種工作頻段，可以使用AT編程，能夠?qū)崿F(xiàn)不同格式的數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖5 無線通信模塊電路

2.6 工業(yè)串口屏模塊

采用北京迪文的DMT10600T102_02W作為觸摸屏，實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的交互功能。在設(shè)計(jì)中，STM32主控制器根據(jù)觸摸屏指令實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)工藝的設(shè)定和測試及運(yùn)動控制等功能，該屏通過接口電路與STM32串口相連，實(shí)現(xiàn)STM32和觸摸屏的數(shù)據(jù)通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分包括PWM波產(chǎn)生程序、機(jī)械翻醅程序設(shè)計(jì)、機(jī)械清洗程序設(shè)計(jì)、翻醅回零程序設(shè)計(jì)構(gòu)成，其系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)使用電機(jī)來控制翻醅機(jī)進(jìn)行翻醅工作，其具體工作流程如下：首先啟動命令，俯仰電機(jī)下降直到觸發(fā)角度接近傳感器四次后停止電機(jī)，然后開啟翻醅電機(jī)抖動電機(jī)并且控制水平點(diǎn)擊向前工作直到觸發(fā)水平終端接近傳感器，再然后關(guān)閉翻醅電機(jī)抖動電機(jī)并且水平電機(jī)向后工作直到觸發(fā)水平終端接近傳感器再關(guān)閉水平電機(jī)。以上述工作為一個流程改變觸發(fā)角度接近傳感器的次數(shù)，進(jìn)行循環(huán)，完成整個翻醅工作。

4 結(jié)束語

隨著工業(yè)自動化進(jìn)程的發(fā)展，中國制造業(yè)逐漸轉(zhuǎn)型升級為智能制造，因此發(fā)酵過程中同樣需要智能化、自動化。本系統(tǒng)硬件方面的合理配合使用和軟件方面細(xì)心編程都達(dá)到了工藝要求。對于整個系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行打下很好基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了翻醅過程的自動控制，并且對于不同的階段都實(shí)施了監(jiān)控。本項(xiàng)目基于STM32微控制器設(shè)計(jì)翻醅機(jī)智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)Πl(fā)酵過程進(jìn)行監(jiān)控，自動調(diào)整工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)翻醅過程的自動化。該設(shè)計(jì)易于產(chǎn)品化，具有很大發(fā)展空間和市場競爭力。該翻醅機(jī)智能控制系統(tǒng)可切實(shí)地解決發(fā)酵過程中的一些弊端，具有很大的應(yīng)用前景。

[1]朱瑤迪.鎮(zhèn)江香醋固態(tài)發(fā)酵參數(shù)的智能在線監(jiān)測及其分布研究[D].江蘇大學(xué),2016.

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