何 穎，張榮飛，覃 飛

（1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500；2.西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都 610500）

0 引言

作為攪拌固體和液體的常用設(shè)備，攪拌裝置廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生中。現(xiàn)有的混合系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要分為兩種：一種為在軸式的傳動(dòng)軸上安裝攪拌葉片，利用葉片來(lái)攪拌物料；另一類則是通過(guò)鋼齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)某一形狀的筒體的自身旋轉(zhuǎn)而使物料產(chǎn)生攪拌效果。文獻(xiàn)[1～3]中提出將混合桶的旋轉(zhuǎn)與混合桶中攪拌軸的旋轉(zhuǎn)結(jié)合起來(lái),以提高了混料的精度和效率,但在攪拌速度以及液體與固體的混合比例等方面沒(méi)有實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，使最終的攪拌物均勻程度得不到保障。文獻(xiàn)[4～6]提出一種雙軸攪拌器，其攪拌部件由兩個(gè)對(duì)稱的帶有攪拌刀的螺旋旋轉(zhuǎn)體組成，兩個(gè)攪拌軸以相同的速度旋轉(zhuǎn)并向相反的方向旋轉(zhuǎn)。針對(duì)不同環(huán)境，其提出采用不同供能方式以及調(diào)節(jié)減速機(jī)來(lái)減少攪拌過(guò)程中存在的不均勻現(xiàn)象。

上述兩種攪拌原理的攪拌裝置都實(shí)現(xiàn)了固體與液體的混合，提出了對(duì)攪拌不均勻現(xiàn)象的優(yōu)化，已被廣泛用于一些對(duì)均勻性和精度要求不高的工業(yè)生產(chǎn)中。然而，對(duì)于如食品加工、藥物萃取等對(duì)攪拌均勻程度要求高的方面，上述兩種攪拌系統(tǒng)可靠性大大下降。同時(shí)，針對(duì)目前市場(chǎng)上的攪拌設(shè)備須人工加水，人工控制水和材料比例等造成的攪拌誤差率較大現(xiàn)象，以及存在的攪拌系統(tǒng)自動(dòng)化程度較低的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)攪拌系統(tǒng)，采用AT89C51為主控制器，集成了壓力傳感器模塊，電磁閥模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，LCD顯示模塊，操控板模塊等，實(shí)現(xiàn)了均勻攪拌、高攪拌精度以及較高程度的自動(dòng)化。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

全自動(dòng)攪拌系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1所示，主要包塊主控制器模塊，壓力傳感器模塊，電磁閥模塊，電機(jī)模塊，LCD顯示模塊和操控板模塊等。

本系統(tǒng)核心采用的是AT89C51單片機(jī),使用者可以通過(guò)操控板為系統(tǒng)挑選攪拌模式，壓力傳感器感應(yīng)攪拌缸中注入材料的重量，將數(shù)據(jù)通過(guò)A/D通道傳輸給控制器，控制器的程序系統(tǒng)根據(jù)用戶的模式選擇做出判斷，計(jì)算出系統(tǒng)需要的注水量，A/D通道控制電磁閥的開(kāi)斷，為系統(tǒng)注水。通過(guò)壓力傳感器的數(shù)據(jù)反饋，當(dāng)系統(tǒng)注水完成后，AT89C51單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，LCD顯示屏顯示整個(gè)攪拌過(guò)程的所需數(shù)據(jù)，為用戶提供攪拌信息。電路板自帶的ISP/JTAG接口可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序的燒寫與調(diào)試，為不同功用的材料設(shè)定最佳的水材比和攪拌時(shí)間。

圖1 以AT89C51為基礎(chǔ)的全自動(dòng)攪拌系統(tǒng)總框圖

2 系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)全自動(dòng)攪拌系統(tǒng)的采用的是一種翻蓋開(kāi)合式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)所示，由于攪拌過(guò)程中系統(tǒng)將會(huì)受到較大的沖擊力，為保證整個(gè)裝置的安全性與穩(wěn)定性，整套系統(tǒng)的制作材料選用的是鐵材。翻蓋開(kāi)合式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)翻蓋1的合上或是翻開(kāi)，便于攪拌過(guò)程中加入或是取出材料。翻蓋1與支座13通過(guò)合頁(yè)連接，合頁(yè)的使用幫助翻蓋實(shí)現(xiàn)開(kāi)合。

電路箱14內(nèi)放控制電路，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，打開(kāi)總開(kāi)關(guān)6啟動(dòng)整個(gè)攪拌系統(tǒng)，用戶根據(jù)按鈕7和顯示屏5自行操控整個(gè)系統(tǒng)，選定攪拌模式。攪拌缸2盛放攪拌材料，壓力傳感器3置于攪拌缸下方，感應(yīng)整個(gè)攪拌缸的重量。軟管12一頭接水源，一頭放在攪拌缸內(nèi)，與電磁閥4的組合控制水的注入或是停止。電源10為電機(jī)9提供電源，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)由8和15構(gòu)成的齒輪減速傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)攪拌爪11的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)攪拌動(dòng)作。

圖2 全自動(dòng)攪拌系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 系統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì)

3.1 功能電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，為全自動(dòng)攪拌系統(tǒng)的控制電路圖，其主要包括AT84C51單片機(jī)、電機(jī)電路、電磁閥控制電路、傳感器反饋電路、LCD12864顯示屏電路、按鍵選擇電路、儲(chǔ)存電路等部分。

AT84C51的I/O口外接各個(gè)模塊驅(qū)動(dòng)電路，接受外電路信號(hào)，然后控制各個(gè)模塊的運(yùn)行狀態(tài)；電機(jī)電路包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)，其中驅(qū)動(dòng)電路一端與電機(jī)M1連接，一端與AT84C51的P3.5、P3.6、P3.7三個(gè)I/O口相連，a、b端口實(shí)現(xiàn)PSW控制策略下電機(jī)速度的改變，c、d端口實(shí)現(xiàn)電機(jī)在攪拌過(guò)程中的方向；電磁閥控制電路，IGBT與電磁閥Y1串聯(lián)接入P3.3I/O口，同時(shí)加入保護(hù)電阻R1、R2以保證電磁閥電路的穩(wěn)定性；傳感器反饋電路作為本系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生電路，其由壓力傳感器和型號(hào)為HX711的A/D轉(zhuǎn)換電路組成，與I/O口P2.0和P2.1相連；LCD12864顯示屏電路能顯示出當(dāng)前攪拌系統(tǒng)的運(yùn)行工作狀態(tài)，其由LCD12864顯示屏及其驅(qū)動(dòng)電路組成，PB0-PB7與P03I/O口連接，PSB、RS、RW、EN功能端口分別與P2.2、P2.3、P2.4、P2.5 I/O口連接；按鍵選擇模塊實(shí)現(xiàn)攪拌物與注水量之間的比例調(diào)節(jié)，K1、K2、K3、K4四個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)與P1.3、P1.4、P1.5、P1.6 I/O口連接；儲(chǔ)存電路由24C02與P1.0、P1.1 I/O口連接，儲(chǔ)存攪拌系統(tǒng)狀態(tài)信息。

結(jié)合全自動(dòng)攪拌系統(tǒng)機(jī)械裝置，其控制電路的運(yùn)行狀態(tài)為：K1、K2、K3、K4為攪拌注水量可調(diào)比例按鈕，按下按鈕K1表示攪拌物與注水量的比例為1:1，以K1為參考，按鈕K2每閉合一次，注水比例增加0.2；K3每閉合一次注水量按比例減少0.2，K4為用戶可微調(diào)按鈕，攪拌前用戶根據(jù)不同的攪拌物選擇不同的注水比例按鈕；如圖所示RP2為壓力傳感器，接受來(lái)自攪拌物的信息，經(jīng)HX711芯片的A/D轉(zhuǎn)換電路，接入AT84C51中結(jié)合按鍵選擇電路，計(jì)算出所需注水量的質(zhì)量和體積；AT84C51控制流經(jīng)電磁閥閥門的開(kāi)關(guān)，斷續(xù)注入適量清水；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)攪拌爪旋轉(zhuǎn)，由預(yù)先設(shè)定的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方式配合分時(shí)段注水最終完成攪拌過(guò)程；此過(guò)程中，LCD12864會(huì)顯示當(dāng)前注水比例以及基于時(shí)間的攪拌完成情況，以方便檢測(cè)攪拌系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)攪拌完成后，用戶可通過(guò)按鍵K4對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)可自定義保存當(dāng)前模式數(shù)據(jù)到24C02中，供用戶下次調(diào)用。

3.2 壓力傳感器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖3 控制電路圖

圖4 壓力傳感器轉(zhuǎn)換原理圖

如圖4所示，為壓力傳感器模塊的電路原理圖。壓力傳感器與傳感器A/D轉(zhuǎn)換器芯片相連接，考慮到對(duì)攪拌系統(tǒng)高精度的要求，傳感器A/D轉(zhuǎn)換器芯片選用具有抗干擾能力強(qiáng)、快速響應(yīng)、穩(wěn)定性高特點(diǎn)的型號(hào)為HX711的轉(zhuǎn)換芯片[7]。HX711具有A，B兩個(gè)通道，A通道的信號(hào)增益為128或64，B通道的信號(hào)增益為32。在信號(hào)輸出時(shí)，24位A/D轉(zhuǎn)化信號(hào)以串口傳輸形式，多位數(shù)據(jù)傳輸接入AT89C51單片機(jī)，串口的通信線為PD_SCK和DOUT兩條線路，他們分別與AT89C51的P2.0和2.1相連。A通道128的增益倍數(shù)可以使傳感器感應(yīng)到攪拌缸里物質(zhì)重量細(xì)微的變化，提高整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度和精度。如圖所示為采用0～10kg的橋式傳感器逆變電路與HX711相連形成的壓力傳感器信號(hào)采集及轉(zhuǎn)換電路。

3.3 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

全自動(dòng)攪拌系統(tǒng)的注水軟管負(fù)責(zé)注水工作，需要在注水軟管上安裝一個(gè)水用電磁閥負(fù)責(zé)進(jìn)水口的開(kāi)斷，控制系統(tǒng)的注水量[8]。控制器接受來(lái)自AT89C51的指令信號(hào)，來(lái)控制電磁閥內(nèi)線圈電氣回路的開(kāi)關(guān)，通過(guò)電磁力的作用，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閥門的功能[3]。電磁閥的型號(hào)多樣，有2W160-10、2W160-15、2W200-20、2W250-25、2W350-35、2W400-40、2W500-50等，根據(jù)使用環(huán)境與攪拌物特性選擇不同型號(hào)的電磁閥。電磁閥進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制主要由單片機(jī)輸出引腳的脈沖信號(hào)來(lái)控制電磁閥驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，電磁閥驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)給VCC加入+12V工作電壓，發(fā)光二極管D2所在支路與電位器R5支路并聯(lián)，驅(qū)動(dòng)電路工作，發(fā)光二極管D2被點(diǎn)亮，R4作為保護(hù)電阻，為防止D2兩端瞬時(shí)電壓過(guò)大被擊穿而與D2相串聯(lián)；同時(shí)電磁閥兩端加上電壓，通過(guò)改變R5的大小來(lái)控制電磁閥兩端電壓，最終確定流經(jīng)電磁閥水的流量。同時(shí)，為減小電壓瞬時(shí)變化對(duì)電磁閥精度的影響，二極管D1與電磁閥形成回流回路來(lái)消弱逆流電流的沖擊。

4 結(jié)論

1）本文提出了一種全自動(dòng)攪拌裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)，傳動(dòng)比恒定，速度均勻，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上確保了對(duì)攪拌精度的要求；同時(shí)，通過(guò)齒輪結(jié)構(gòu)，將電機(jī)的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為低轉(zhuǎn)速，保證了攪拌物的均與程度。

2）本文設(shè)計(jì)的與攪拌機(jī)械裝置配合的控制電路，實(shí)現(xiàn)了將攪拌過(guò)程自動(dòng)化與功能選擇的功能。

3）對(duì)控制電路中的核心驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，確保了硬件與控制電路之間的高可靠性。