基于单片机的凉粉加工机控制系统设计

林华韬 黄志伟 宋金秋 林子阮 张洪军

摘要：随着科技日益发达，家电的地位越来越重要，然而现市场上的工业型凉粉加工机人工成本高且机身大，这种传统机器仍要提升。因此需要一款小型家用的智能凉粉加工机，根据智能凉粉加工机的功能需求，选择单片机为控制系统的核心控制器件以及确定整体设计方案，通过多次实验和对比数据来研究控制系统的可行性，采用Proteus仿真软件对硬件电路和软件程序联合调试的方法对控制系统进行分析验证。结果表明，控制系统可以顺利实现智能凉粉加工机的搅拌、加热和切削等功能，在初搅拌阶段时，搅拌桨以120 r/min的速度搅拌40 s，可以将淀粉与水搅拌均匀;在淀粉溶液被加热时，搅拌桨转速降低至常速90 r/min;在淀粉溶液达到100℃时，提高搅拌桨转速至120 r/min可以防止淀粉溶液糊底，同时降低电磁线圈功率到180W，可以防止溶液飞溅;淀粉溶液边搅拌边加热5 min后变成胶体溶液。控制系统提高了智能凉粉加工机的自动化水平，而且使得智能凉粉加工机具有精度高、经济性能好、高效环保等多种优点。

关键词：凉粉加工机;控制系统;单片机;Proteus

中图分类号：TS203

文献标志码：A

文章编号：1009-9492（ 2022）02-0113-05

0 引言

凉粉是四川著名的小吃，其口感细嫩弹爽，具有清热解暑的功效，受到人们的喜爱。随着家用电器智能控制技术在不断成熟，智能家电控制系统已经出现在不少家庭生活中，逐渐代替传统机器，现市场上还不存在一个能完成凉粉烹饪的智能家电，开发一款智能凉粉加工机具有远大的前景[1]。

现市场上能制作凉粉的机器大多是工业型凉粉加工机，工业型凉粉加工机和智能凉粉加工机的凉粉制作方法是一样的，前者主要应用于大批量生产，虽然实现了搅拌速度和温度调节的自动化，但其混料阶段和定型定量由人工完成;后者是小型家电，实现了凉粉制作和凉粉切削的自动化，其操作方便且智能环保。在现代生活节奏加快和人工成本上升的背景下，智能化家电将在未来成为撬动整个中国家电企业的持续变革与创新的支点，也将带给整个家电市场全新的面貌[2]。

智能控制技术是提高凉粉加工机智能化水平的重要因素，本文的控制系统是以单片机为核心控制器件，用按键、温度传感器、LED灯和LCD屏等硬件设计电路，用简洁紧凑和灵活方便的C语言编写程序，通过Proteus软件对控制系统进行检测分析。控制系统具有高效性、可靠性、稳定性和准确性等优点，对提高智能凉粉加工机的效率、强化智能凉粉加工机的功能和提升智能凉粉加工机的质量等都有着促进作用。

1 智能凉粉加工机的结构

凉粉加工机的的核心功能是搅拌、加热和切条，凉粉加工机的搅拌装置是淀粉溶液的均匀搅拌以及淀粉浆搅拌的关键部分;加热装置是完成凉粉加热和散热最关键部分;切条装置是实现凉粉切条的关键部分。智能凉粉加工机的整体结构如图1所示。

智能凉粉加工机的工作原理：以搅拌桨的速度为120 r/min先对淀粉和水进行预搅拌，搅拌均匀后，将搅拌浆的速度降到90 r/min，并开始加热，淀粉溶液达到沸腾时，搅拌桨转速升到120 r/min，并保持淀粉溶液沸腾状态5 min，然后停止加热和搅拌，当锅体温度冷却到室温时，发出提示音，这时，可取出锅体，拆卸搅拌动力模块，安装凉粉切条模块，振动锅体可使凉粉凝块与锅体分离，倒入凉粉凝块到锅体架，然后启动凉粉切條功能，将凉粉凝块切成方形条状，切条滚刀将切好的凉粉带动到出料口，然后落到出料碗。

2 控制系统整体方案

该控制系统是以AT89C52单片机为核心控制器件，对凉粉加工机的智能控制。系统主要由电源电路、输入电路和输出电路组成，智能凉粉加工机控制系统结构如图2所示。（1）电源电路将220V交流电转换为5V直流电，作为控制系统的电源。（2） MCU的输入电路包括按键输入电路、温度传感器电路、复位电路和时钟电路。（3）MCU的输出电路包括加热电路、LED状态指示电路、LCD显示电路、电机电路和报警电路。

3 控制系统电路

3.1 最小系统电路

智能凉粉加工机系统单片机最小系统电路都由单片机、电源电路、复位电路和时钟电路组成，如图3所示。它是单片机能正常工作的最简单电路。

考虑到经济和实际的需要，所以选用封装为PDIP的AT89C52单片机作为智能凉粉加工机控制系统的核心控制芯片，它可以根据传统的方法进行编程或在线编程。电源电路是将220 V的交流电源转变成SV的直流电源，为单片机提供SV电源。复位电路采用的是结构简单的阻容复位电路，是由10 μF的电容、100 Ω的电阻和按键组成的电路，可为AT89C52单片机提供高电平复位脉冲。时钟电路采用外接晶振方式，是由一只24M晶振和2只22 pF电容组成的振荡电路，使得AT89C52单片机中的任何工作都按照时间顺序进行。

3.2 电机电路

电机电路的设计是由AT89C52单片机控制和ULN2003芯片驱动，如图4所示。电路首先通过AT89C52单片机加载程序，然后通过ULN2003驱动直流电机旋转。

智能凉粉加工机内有3组电机电路，即搅拌电路、离心散热风扇电路和切条电路。搅拌电路主要有两个加速阶段，在初搅拌淀粉和水时，搅拌电路的电机转速升到120 r/min把淀粉与水快速搅拌均匀，持续40 s后降至平常速90 r/min，溶液沸腾时，电机转速又升到120 r/min防止淀粉溶液在加热时被糊底。离心散热风扇根据电磁线圈功率，为发热线圈散热，同时也为锅体散热。切条电路用的电机是直流减速电机，可以为切条滚刀提供较低的转速和较大的力矩，低的转速可使切削时稳定性好且减少机震，大的力矩可顺利切下整齐的凉粉条。

3.3 加热电路

电磁感应加热电路有线圈功率测量模块和加热模块，如图5所示。线圈功率测量模块由ADC0832芯片、滑动变阻器以及电压表组成，加热模块由二极管、继电器、电阻和单层电磁感应线圈组成。

当加热模块的电路中有电流通过时，继电器将产生磁场，从而带动开关闭合，电路导通，单层电磁感应线圈开始工作，对锅体进行加热，在这里采用风扇来模拟了单层线圈的功率。当线圈功率测量模块的电路中有电流通过时，通过变化滑动变阻器的阻值，用电压表来间接检测线圈功率，主要是将这些功率检测下来反馈给单片机，让单片机控制离心散热风扇根据电磁线圈功率实时改变转速。

3.4 报警电路

报警电路由单片机AT89C52、电阻、蜂鸣器和三极管组成，如图6所示。

报警电路是通过蜂鸣器发出声音信号，来提示锅体温度冷却到室温，即表示凉粉已经冷却好了。声信号电流从MCU的P3.7针脚输入到蜂鸣器，然后蜂鸣器发出声音。

3.5 LED指示电路

LED指示电路由AT89C52、电阻以及发光二极管组成，如图7所示。LED指示电路通过发光二极管的亮灭来提示开关机以及模式转变，D1的亮灭意味着智能凉粉加工机系统的开关机，D2的亮灭意味着凉粉制作的开始与结束，D3的亮灭意味着凉粉切条的开始与结束。

4 程序流程

智能凉粉加工机控制系统的程序编写采用的是C语言。按下开机键，MCU得到SV工作电压，首先对控制系统进行初始化工作，初始化操作包括对凉粉制作和凉粉切条等进行设置。初始化工作完成后，程序进入Main（）循环函数，当用户按下按钮功能键，主程序依次调用多个子程序，分别对系统的各项输入输出进行处理。

4.1 凉粉制作流程

凉粉制作系统流程如图8所示。

按下凉粉制作按钮之后，CPU就会给P2.3口一个导通信号，搅拌电路就会启动，于是电机带动搅拌桨对淀粉和水进行充分搅拌，此时搅拌桨转速为120 r/min，同时，CPU给P3.5 一个导通信号，发光二极管D2亮，以示凉粉制作系统开始工作。

当搅拌时间到40 s时，通过程序控制电压对电机减速，将搅拌浆的速度降为90 r/min，与此同时，CPU同时给P1.0口、P1.1口、P1.2口和P2.4口一个导通信号，加热电路和离心散热风扇电机电路导通，锅体架两侧的电磁线圈开始通电工作，对锅体进行加热，离心散热风扇根据电磁线圈的设定温度范围内进行调整。

锅体温度传感器检测温度并反馈给CPU，当锅体温度传感器检测到锅体为100℃时，电磁线圈的功率降到180 W，同时将搅拌桨的转速升到120 r/min。

保持搅拌沸腾的淀粉溶液5 min后，CPU会给P1.0、P1.1口、P1.2口和P2.3口一个断开信号，加热电路停止通电，搅拌电机电路停止通电。

当温度传感器测到锅内温度回到室温时.CPU会给P3.5口和P2.4口一个断开信号，离心散热风扇电路停止通电，同时发光二级管D2灭，并通过单片机让蜂鸣器发出一声提示音，以示凉粉制作已完成。

4.2 凉粉切条流程

按下凉粉切条按钮后，CPU接受来自P1.7口的启动凉粉切条的控制信号后，即会给P2.5口和P3.2口一个导通信号，凉粉切条电路导通，发光二极管D3亮，于是电机带动切条滚刀转动，将凉粉凝块切成方形条状，切条滚刀可将切好的凉粉带动到出料口。

再次按下凉粉切条按钮后，CPU接受来自P1.7口的停止切削的控制信号后，即会给P2.5口和P3.2口一个断开信号，切条电路停止通电，发光二极管D3灭，以示凉粉切条的系统停止。

凉粉切条流程如图9所示。

5 硬软件仿真

仿真效果如图10所示。利用PROTEUS检验了设计效果，包括以下两点。（1）对控制系统硬件原理设计进行了仿真验证，包括LED状态指示电路、复位电路、报警电路、时钟电路、按键输入电路、LCD信息显示电路、电机电路以及加热电路的验证。仿真结果显示，电路的顺序工作、电路之间的相互联动以及电路的反馈都按照预期的效果进行正常运作。（2）对控制系统软件实现功能进行了验证，包括定时功能、凉粉制作功能以及凉粉切条功能等的验证。仿真结果显示，根据电路的信号反馈，程序按照顺序执行每一条代码，有效让AT89C52控制电路去执行相应的命令。

6 结束语

传统手工制作凉粉难以保证质量，市场上工业型凉粉加工机是适用于批量生产的半自动机器，而智能凉粉加工机是节能环保的小型家用电器，可以进入家家户户。

为了實现智能凉粉加工机的凉粉制作功能和凉粉切削功能，设计一种以单片机为核心的控制系统来控制机器的结构模块运作，并用Proteus软件对系统进行仿真验证。结果显示，当凉粉制作时，搅拌桨以120 r/min的速度搅拌40 s后可以将淀粉溶液搅拌均匀，当淀粉溶液被加热至100℃时，降低线圈功率至180 W，防止溶液飞溅，边搅拌边加热5 min后再冷却，最后形成淀粉凝胶。由此可知，严格把控时间、功率和速度等参数，并将系统中的程序和电路两者联合，有利于系统实现智能凉粉加工机的功能需求。此控制系统使得智能凉粉加工机成为节能环保、方便实用且成本低廉的小型家用电器，也满足了人民对美好生活日益增长的需求，给人们带来环保便捷的生活方式。

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