鱿鱼加工专用设备控制系统设计

曾红， 邢宏伟， 陈志涛

（哈尔滨理工大学荣成学院，山东 荣成 264300）

0 引言

随着海洋食品市场的不断发展壮大，海洋食品加工机械也在日趋完善。鱿鱼是我国东南沿海产量较大的一种海洋食品。鱿鱼制成的食品种类很多，而在我国鱿鱼的生鲜食品加工自动化的程度相对较低。鱿鱼属于软体动物类，加工时难定位，原料易变形。为解决鱿鱼加工时的难点，对鱿鱼头加工设备设计一套自动控制系统。通过自动控制系统对整个机构进行集成控制，实现了鱿鱼专用加工设备传送机构、刀具执行机构、气源控制机构的自动化运行，提高了海产品加工过程中的效率。

1 设备结构概述

鱿鱼专用加工设备是采用步进电机，带动弯板链轮，使连接在弯板链条上的五等分鱿鱼头托盘运动。当托盘到达预定位置，由空心五等分刀具将鱿鱼头切成五等分，并将鱿鱼嘴从鱿鱼头中取出。完成切割动作，托盘向前运动并将托盘中切割好的鱿鱼爪送至出料口，由落料装置将鱿鱼爪从托盘取出。

图1 Pro/E的机构运动模拟图

2 步态、驱动系统设计

鱿鱼专用加工设备主要动作循环为：开启启动开关后，由1号工位检测敏感元件［1］检测刀杆限位开关是否到达指定位置。若刀杆不到达指定位置，气缸将刀杆向上顶起送到指定位置。刀杆到达预定位置后，步进电机开始运转，通过弯板链条将动托盘送至指定位置。2号工位检测敏感元件检测到托盘上定位基准块，步进电机停止运转。此时电磁阀通电，使气缸带动刀具及精确定位装置一起运动，完成鱿鱼头的切割及鱿鱼嘴的取出动作。切割动作的同时3号工位检测敏感元件检测刀具是否完成切割动作。完成切割动作发出信号，使电磁阀断电，气缸带动刀具向上运动。刀具回程至1号工位处，步进电机重新运转，带动托盘继续向前运动，从而实现其动作的循环。

图2 工作流程图

驱动系统由传送系统与执行系统两部分组成，由MCU进行集成控制。传送系统由MCU控制步进电机驱动［2］，带动弯板链条运动，使托盘在导轨上能够平稳运动。步进电机由单独外部供电系统进行供电，并安装与其配套的电机驱动器模块进行驱动。其工作电压要稳定在35～40 V之间，就可提供转动力矩为4 N·m的工作扭力。调节驱动器的细分与输出电流大小来改变电机的运转速度，以及电机的输出转矩。执行系统由检测敏感元件与MCU配合使用，对气缸的往复运动及刀具运动行程进行检测与控制。

3 控制系统设计

3.1 电路设计

机械执行机构的动作需由电气系统进行控制［3］。设备采用模块化的设计，主控芯片采用STC89C52，使用MCU最小系统作为核心。设备采用0～50 V可调直流稳压电源，MCU的I/O输出口与3个金属感应检测敏感元件进行连接。可控电磁阀占用2个I/O输出口，一对启保停控制开关占用2个I/O输出口，电机驱动器控制口占用4个I/O输出口，电源占用2个I/O输入口。

图3 最小系统电路图

3.2 控制原理

电气控制原理是针对MCU控制系统算法［4］，检测敏感元件在不同工位进行读取信号，并传递到MCU完成计算过程，使设备按照规定流程完成相应动作。

3.2.1 控制系统算法

电机转速由单位时间内获取的脉冲数决定，单位脉冲乘以周期即可获得一次工作循环中电机接收到的总脉冲数，电机以步进角形式转动［5］。操作人员根据现场实际生产情况调节电机的运转速度，以此满足不同生产要求。

3.2.2 protues仿真

开发过程中使用Protues软件进行仿真，主要由MCU最小系统、实验样机、OSC三个部分组成，根据OSC的波形周期及占空比来修改程序，同时检测设备在不同波形下的工作状态。

图4 protues仿真

3.2.3 检测模块

设备采用LJ12A3-4-Z/EX检测敏感元件，安装到设备的刀具执行位置。检测敏感元件共有VCC与OUT2个引脚。VCC引脚连接4.5～5 V电压，OUT引脚为输出信号端，常态为+5 V高电平，检测到定位基准块后产生低电平。MCU不断地检测I/O口的状态来判断执行机构是否到达指定位置，选择不同输出，实现电磁阀通断电。

3.2.4 串口通信模块

串口通信采用PL2303模块，模块为一种高度集成的RS232接口转换器，将上位机的指令由COM端口输出信号转换为TTL电平，使MCU能够接收到PC机传输的数据。

图5 串口通信模块电路图

3.2.5 MCU接收数据模块

上位机与MCU的通讯，采用串口通讯方式［6］。上位机将程序通过串口植入MCU，这个过程叫烧路。计算机只能识别自身的机器语言，即二进制数（只含0、1），MCU将接收到的程序间隔放入其程序存储器中，通过调用不同数据，MCU做出不同响应。

4 程序编制

图6 串口中断流程图

设置端口属性：

打开串口

serialPort1.Open()；

设置串口号，波特率，校验位，数据位，停止位：

serialPort1.PortName="COM1";

serialPort1.BaudRate=9600;

serialPort1.DataBits=8;

serialPort1.Parity=System.IO.Ports.Parit.None;

图7 串口的打开与关闭流程图

serialPort1.StopBits=System.IO.Ports.StopBits.One;

运用write函数发送数据：

Write（Convert.ToChar（0x03）,

Convert.ToChar（0x05），

Convert.ToChar（0x05））;

5 结语

本文论述的鱿鱼专用加工设备的控制系统，基于MCU控制系统，利用智能节点采集原始数据并与上位机进行通讯，针对鱿鱼专用加工设备进行控制。对步态动作进行优化，同时使用OSC进行可靠的通信实时性监测，保证控制系统能够可靠运转，从而实现鱿鱼生鲜食品的自动化生产。

［1］ 向丹.传感器原理及应用教改新探［J］.广东技术师范学院学报，2008（6）：89-91.

［2］ 董晓庆.步进电机驱动器的关键技术研究［J］.单片机与嵌入式系统应用，2008（6）：14-17.

［3］ 曾方.构建“机械制造电气技术”课高职模式的尝试［J］.辽宁教育学院学报，2001（4）：93-95.

［4］ 刘国永，陈杰平.单片机控制步进电机系统设计［J］.安徽技术师范学院学报，2002（4）：61-63.

［5］ 刘心刚.直流稳压电源失效机理及实验的研究［D］.北京：北京化工大学，2007.

［6］ 王翠珍，唐金元.可调直流稳压电源电路的设计［J］.中国测试技术，2006（5）：113-115.