專利名稱：可預(yù)編程的人機(jī)交互食品加工控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可用于食品加工過程的人機(jī)交互控制裝置，尤其涉及一種基于 USB通訊和跟蹤控制技術(shù)的可預(yù)編程人機(jī)交互控制裝置。
背景技術(shù)：
具有粉碎、攪拌和加熱功能的食品加工裝置在日常生活和農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域有很多應(yīng) 用。目前市場上這樣的加工裝置，主要采用的控制方法是“因材施教”，即針對不同的加工食 品，以人工或固定順序控制加工過程，用戶不能或僅能根據(jù)自己的需求在加工過程開始前 做簡單的參數(shù)選擇，如加工時(shí)間，加熱結(jié)束溫度等，無法滿足任意設(shè)定加工過程的需求。這 使得在某些特定的場合，如豆?jié){的緩慢加溫過程、精確的食品培養(yǎng)過程等，目前的加工系統(tǒng) 無法滿足其要求，不能達(dá)到所需的精確過程控制。由于目前市場上的加工系統(tǒng)均無人機(jī)交互部分，用戶無法獲得加工過程中食品的 加工信息，也無法跟蹤了解加工過程，更無法自動(dòng)保存過程中的加工參數(shù)等，使得很多食品 實(shí)驗(yàn)難以獲得具體精確的數(shù)據(jù)信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于USB通訊和跟蹤控制技術(shù)的可預(yù)編程食品加工控制裝置，根 據(jù)需求預(yù)編程食品加工過程并存儲(chǔ)過程參數(shù)，使用戶可以通過人機(jī)交互終端程序?qū)崟r(shí)觀測 并記錄加工過程。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用技術(shù)方案主要如下本發(fā)明采用模塊化設(shè)計(jì)方法。整個(gè)系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩大模塊，兩者間采 用USB連接線連接。本發(fā)明利用規(guī)范的USB通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)加工過程的有效控制與管理。上位機(jī)采用普通PC機(jī)作為控制核心，開發(fā)有人機(jī)交互終端程序，提供給用戶以下 控制指令原料粉碎控制、原料攪拌控制、食品加熱過程控制、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、食品加工控制 裝置的特性參數(shù)設(shè)置和加工過程中的過程指令控制。用戶在上位機(jī)上選擇控制指令，該控制指令經(jīng)USB連接線輸出到下位機(jī)，下位機(jī) 接收上位機(jī)發(fā)送的控制指令，控制相應(yīng)硬件完成預(yù)期的功能，并實(shí)時(shí)采集食品加工過程的 溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)接收并以圖形方式顯示溫度數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)加熱過程參數(shù)。所述下位機(jī)包括USB接口模塊、電源管理模塊、參數(shù)采集模塊、加熱執(zhí)行模塊、電 機(jī)執(zhí)行模塊、單片機(jī)模塊以及基板；基板為雙面印刷電路板，連接了 USB接口模塊、電源管 理模塊、參數(shù)采集模塊、加熱執(zhí)行模塊、電機(jī)執(zhí)行模塊及單片機(jī)模塊；USB接口模塊包括B型 USB接頭及外圍匹配電路，通過USB連接線連接上位機(jī)USB通訊接口和下位機(jī)單片機(jī)模塊 中的USB通訊接口，接收上位機(jī)傳送的控制指令；電源管理模塊由穩(wěn)壓芯片、整流橋、變壓 器及外圍匹配電路組成，將外接的220V交流電供給下位機(jī)中電機(jī)執(zhí)行模塊和加熱執(zhí)行模 塊，并將外接220V交流電處理為5V直流電供給下位機(jī)中電機(jī)執(zhí)行模塊、參數(shù)采集模塊和單 片機(jī)模塊；參數(shù)采集模塊包括K型熱電偶和溫度電壓轉(zhuǎn)換芯片，將測量的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出給單片機(jī)模塊；加熱執(zhí)行模塊包括固態(tài)繼電器、外接加熱管，接收單片機(jī)給出的PWM波形信號(hào)，以一定頻率關(guān)斷/接通外接加熱管上的220V電壓；電 機(jī)執(zhí)行模塊由包含繼電器、晶體管、三端雙向可控硅以及外圍輔助元件的電機(jī)調(diào)速電路組 成，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度調(diào)節(jié)；單片機(jī)模塊包括單片機(jī)、獨(dú)立的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、編程電路、指 示電路、電源處理電路，并內(nèi)嵌USB管理單元，帶有USB通訊接口，根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的控制指 令向加熱執(zhí)行模塊和電機(jī)執(zhí)行模塊分別發(fā)送食品加熱過程的期望溫度對應(yīng)的PWM波形信 號(hào)和原料粉碎控制指令、原料攪拌控制指令，控制加熱執(zhí)行模塊和電機(jī)執(zhí)行模塊完成期望 硬件動(dòng)作，將參數(shù)采集模塊傳送來的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)；其中，PWM表示脈沖寬度調(diào)制。與現(xiàn)有食品加工裝置相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)上位機(jī)使用通用PC機(jī)進(jìn)行程序開發(fā)。具有資源豐富，程序開發(fā)相對獨(dú)立的優(yōu)點(diǎn)， 避免了程序設(shè)計(jì)中過多考慮系統(tǒng)硬件配置等問題，可與下位機(jī)并行開發(fā)，提高了開發(fā)效率。上位機(jī)可遠(yuǎn)離工業(yè)現(xiàn)場，使用方便。下位機(jī)重點(diǎn)考慮硬件實(shí)現(xiàn)問題，不必考慮顯示界面和信息處理等問題，軟硬件開 發(fā)效率大大提高。軟件缺陷和硬件錯(cuò)誤界限清晰，為系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)提供方便。具有人機(jī)交互界面，使得用戶可觀測并記錄加工過程，對加工過程中的情況進(jìn)行 處理，發(fā)送控制命令。具有加熱過程預(yù)編程功能，可根據(jù)實(shí)際使用的需要，由用戶預(yù)先設(shè)定加工過程的 控制指令。具有跟蹤控制的功能，可實(shí)現(xiàn)加工過程的精確控制。通過USB通訊，下位機(jī)可與任意具有USB通訊接口的PC機(jī)相連，組成本控制裝置， 使用方便。


圖1是本發(fā)明的食品加工控制裝置的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明的食品加工控制裝置的上位機(jī)人機(jī)交互終端程序流程圖；圖3是本發(fā)明的食品加工控制裝置的下位機(jī)的程序流程圖；圖4是本發(fā)明的食品加工控制裝置的下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)電路圖；圖4a是下位機(jī)中USB接口模塊的硬件設(shè)計(jì)電路圖；圖4b是下位機(jī)中電源管理模塊的硬件設(shè)計(jì)電路圖；圖4c是下位機(jī)中參數(shù)采集模塊的硬件設(shè)計(jì)電路圖；圖4d是下位機(jī)中加熱執(zhí)行模塊的硬件設(shè)計(jì)電路圖；圖4e是下位機(jī)中電機(jī)執(zhí)行模塊的硬件設(shè)計(jì)電路圖；圖4f是下位機(jī)中單片機(jī)模塊的硬件設(shè)計(jì)電路圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明的特點(diǎn)。如圖1所示，本發(fā)明是一種可預(yù)編程的人機(jī)交互食品加工控制裝置，包括上位機(jī) Ml、USB連接線M2和下位機(jī)。上位機(jī)Ml為帶有USB通訊接口的普通PC機(jī)；下位機(jī)包括下位機(jī)基板M9及下位機(jī)基板M9上嵌入的USB接口模塊M3、電源管理模塊M4、參數(shù)采集模塊 M5、加熱執(zhí)行模塊M6、電機(jī)執(zhí)行模塊M7和單片機(jī)模塊M8。電源管理模塊M4將裝置外接的 220V交流電供給下位機(jī)中的電機(jī)執(zhí)行模塊M7和加熱執(zhí)行模塊M6 ；同時(shí)將外接220V交流電 處理為5V直流電，供給下位機(jī)中的參數(shù)采集模塊M5、電機(jī)執(zhí)行模塊M7和單片機(jī)模塊M8使 用。單片機(jī)模塊M8是下位機(jī)的控制核心，其根據(jù)上位機(jī)Ml的控制指令向加熱執(zhí)行模塊M6 和電機(jī)執(zhí)行模塊M7分別發(fā)送食品加熱過程的期望溫度對應(yīng)的PWM波形信號(hào)和原料粉碎控 制指令、原料攪拌控制指令，控制加熱執(zhí)行模塊M6和電機(jī)執(zhí)行模塊M7完成期望硬件動(dòng)作。 參數(shù)采集模塊M5實(shí)時(shí)采集食品加工溫度數(shù)據(jù)，傳送給單片機(jī)模塊M8，并由單片機(jī)模塊M8傳 送給上位機(jī)M1，以圖形方式顯示于上位機(jī)Ml的人機(jī)交互終端程序界面中。USB接口模塊M3 通過USB連接線M2連接上位機(jī)Ml的USB通訊接口和下位機(jī)單片機(jī)模塊M8中的USB通訊 接口，完成通訊。
上位機(jī)M 1為普通PC機(jī)，用于開發(fā)人機(jī)交互終端程序并運(yùn)行之，該程序根據(jù)用戶 指令，按照預(yù)定通訊協(xié)議，向下位機(jī)發(fā)送符合USB2. 0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的控制指令。USB連接線M2 —端為A型USB接口，另一端為B型USB接口，分別連接上位機(jī)M 1 與下位機(jī)，傳遞遵循USB2. 0通訊協(xié)議的通訊信號(hào)。圖4是本發(fā)明的下位機(jī)整體的硬件設(shè)計(jì)電路圖，如圖4所示，下位機(jī)基板M9上嵌 入U(xiǎn)SB接口模塊M3、電源管理模塊M4、參數(shù)采集模塊M5、加熱執(zhí)行模塊M6、電機(jī)執(zhí)行模塊7 和單片機(jī)模塊M8。圖4a中，USB接口模塊M3包括B型USB接頭301和匹配電路。接收上位機(jī)Ml所 給的控制信號(hào)。根據(jù)USB通訊協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)以及本發(fā)明所采用單片機(jī)AT90USB1287的工作要 求，在B型USB接頭301的數(shù)據(jù)線D+和D-上串聯(lián)匹配電阻R9和R8，并分別和AT90USB1287 的管腳5和管腳4相連。為防止數(shù)據(jù)線D+和D-上的信號(hào)電壓過高，燒毀器件，在數(shù)據(jù)線和 系統(tǒng)地之間均連接了穩(wěn)壓二級(jí)管Dl和D2。圖4b中，電源管理模塊M4包括穩(wěn)壓芯片401、整流橋402、變壓器403及外圍輔助 電路。變壓器403將系統(tǒng)輸入220V交流電壓降為約30V交流電壓，通過整流橋402整流后 經(jīng)由穩(wěn)壓芯片401，將電壓穩(wěn)定在直流5V，供本發(fā)明提供的食品加工裝置使用。為提高電源 的紋波性質(zhì)，在穩(wěn)壓芯片401前后，電壓分別經(jīng)過電容C16、C17和電容C14、C15完成濾波處 理。同時(shí)，電源管理模塊M4還向本發(fā)明的食品加工裝置提供220V交流電壓。圖4c中，參數(shù)采集模塊M5包括K型熱電偶和溫度電壓轉(zhuǎn)換芯片501。K型熱電偶 將測量的實(shí)際溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓，溫度轉(zhuǎn)換芯片501則將該電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字信號(hào)。 本發(fā)明中采用MAX6675溫度轉(zhuǎn)換芯片。單片機(jī)AT90USB1287的管腳49和MAX6675的管腳7 相連，獲取MAX6675的轉(zhuǎn)換結(jié)果；單片機(jī)AT90USB1287的管腳50和MAX6675的管腳5相連， 提供MAX6675工作所需的時(shí)鐘；單片機(jī)AT90USB1287的管腳51和MAX6675的管腳6相連， 提供MAX6675的片選信號(hào)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，單片機(jī)AT90USB1287提供片選信號(hào)，使MAX6675鎖 存目前的溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果，并根據(jù)單片機(jī)AT90USB1287產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)，將轉(zhuǎn)換結(jié)果以“高位 在前、低位在后”的順序輸出在管腳7上。圖4d中，加熱執(zhí)行模塊M6包括固態(tài)繼電器601、外接加熱管602。固態(tài)繼電器601 選擇光隔離式固態(tài)繼電器K0DAK-D2440，以減小加熱現(xiàn)場電磁干擾的影響，其接收單片機(jī) AT90USB 1287管腳15給出的脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制信號(hào)，以一定頻率關(guān)斷/接通外接加熱管602上的220V電壓，從而實(shí)現(xiàn)加熱功率可控。由于220V交流電為50Hz，且固態(tài)繼電器601有所需關(guān)斷時(shí)間。為使PWM波形 能有效地控制開關(guān)，其工作頻率應(yīng)大于50Hz。本下位機(jī)控制程序中選擇PWM波形周期為 65. 536毫秒，系統(tǒng)時(shí)鐘1024分頻，PWM周期為512個(gè)指令周期，PWM工作模型選擇為相位修 正P麗(Phase Correct P麗)，計(jì)數(shù)方向?yàn)殡p向，頂端參數(shù)為256個(gè)指令周期，P麗占空比控 制指令通過比例微分積分(PID)控制率計(jì)算。在本發(fā)明中，為提供一定冗余裕度，單片機(jī)AT90USB1287的管腳16、管腳17為PWM 輸出波形的備份管腳，當(dāng)管腳15出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可啟用管腳16或管腳17。圖4e中，電機(jī)執(zhí)行模塊M7中采用220V交流電機(jī)，具有3檔速度低速、中速、高 速。通過由晶體管、繼電器、三相雙端可控硅以及外圍器件組成的電機(jī)調(diào)速電路實(shí)現(xiàn)食品粉 碎和食品攪拌的電機(jī)速度調(diào)節(jié)。單片機(jī)AT90USB1287管腳39和管腳40根據(jù)上位機(jī)1選定的轉(zhuǎn)速指令輸出高電 平或低電平，控制晶體管Ql和Q2的導(dǎo)通、關(guān)斷，從而控制繼電器Kl和K2的吸合或者關(guān) 斷。繼電器不同的吸合狀態(tài)使得接入電路的電阻值(R6/R7)不同，從而電容C7經(jīng)交流電 充電獲得不同電壓，使得三端雙向可控硅BTA08管腳3上的電流不同，獲得不同的導(dǎo)通角。 反應(yīng)到實(shí)際效果中，即加在電機(jī)兩端的電壓不同，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。在本電路中，低速時(shí) AT90USB1287管腳39為高電平，管腳40為低電平；中速時(shí)AT90USB1287管腳39為低電平， 管腳40為高電平；高速時(shí)AT90USB1287管腳39為高電平，管腳40為高電平。圖4f中，單片機(jī)模塊M8是整個(gè)下位機(jī)的控制部分，采用單片機(jī)AT90USB1287作為 下位機(jī)的控制核心，此外還包括獨(dú)立的復(fù)位電路801、時(shí)鐘電路802、編程電路803、指示電 路804、電源處理電路805，并自帶USB管理單元，包含USB通訊接口。單片機(jī)AT90USB1287 管腳20連接復(fù)位電路801，斷電后管腳值為低電平，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)AT90USB1287的 管腳23和管腳24連接時(shí)鐘電路802。本發(fā)明采用8M直插式無源時(shí)鐘，電容C9和ClO為 18皮法，保證時(shí)鐘有效振動(dòng)。單片機(jī)AT90USB1287管腳4連接USB接口模塊M3的管腳2 ； 管腳5連接USB接口模塊M3的管腳3 ；管腳6連接USB接口模塊M3的管腳4 ；管腳8連接 USB接口模塊M3的管腳1，為USB通訊提供有效的硬件保障。單片機(jī)AT90USB1287管腳11、 12、13、20分別連接編程電路803的管腳3、4、1、5，完成對AT90USB1287的編程工作。單片 機(jī)AT90USB1287管腳29、30、31、32分別連接指示電路804中的指示燈D6、D7、D8、D9，指示 系統(tǒng)工作狀態(tài)。單片機(jī)AT90USB1287管腳3、21、52、64連接電源管理電路805，為單片機(jī)模 塊8提供工作電源。單片機(jī)AT90USB1287通過USB接口及內(nèi)部USB管理單元接收上位機(jī)所 發(fā)送的控制信號(hào)，經(jīng)由單片機(jī)內(nèi)部處理后得到底層控制指令，控制參數(shù)采集模塊M5、加熱執(zhí) 行模塊M6和電機(jī)執(zhí)行模塊M7動(dòng)作?；錗9為雙面印刷電路板(PCB)，為下位機(jī)的載體。利用板上所布導(dǎo)線，基板M9 連接了 USB接口模塊M3、電源管理模塊M4、參數(shù)采集模塊M5、加熱執(zhí)行模塊M6、電機(jī)執(zhí)行模 塊M7及單片機(jī)模塊M8，使下位機(jī)緊湊并有效工作。本發(fā)明的食品加工控制裝置在上位機(jī)上基于標(biāo)準(zhǔn)C開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI開 發(fā)上位機(jī)人機(jī)交互終端程序，加電后，上位機(jī)人機(jī)交互終端程序開始運(yùn)行，如圖2所示，首 先上位機(jī)Ml通過USB連接線M2連接下位機(jī)，上位機(jī)終端程序檢測設(shè)備連接是否成功，若連 接失敗，則退出上位機(jī)終端程序，結(jié)束控制；若連接成功，則出現(xiàn)交互終端界面，等待用戶輸入控制指令。本發(fā)明的食品加工控制裝置主要向用戶提供了三類食品加工過程的控制指令原料粉碎控制、原料攪拌控制、食品加熱過程控制，此外，還提供電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、食品加 工控制裝置的特性參數(shù)設(shè)置和加工過程中的過程指令控制。用戶輸入控制指令后，本發(fā)明 的食品加工控制裝置根據(jù)輸入的指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，等待下一次控制指令的到來。電機(jī)轉(zhuǎn)速控制有低速、中速、高速三種速度可以選擇，控制在原料粉碎控制和原 料攪拌控制操作中的電機(jī)轉(zhuǎn)速。原料粉碎控制主要包括開始粉碎與停止粉碎兩個(gè)操作，首先本發(fā)明的食品加工 控制裝置按照設(shè)定的食品粉碎電機(jī)轉(zhuǎn)速執(zhí)行開始粉碎操作，原料粉碎過程中，食品粉碎電 機(jī)轉(zhuǎn)速可重新設(shè)定。當(dāng)用戶停止粉碎時(shí)，本裝置執(zhí)行停止粉碎操作，停止粉碎過程，繼續(xù)等 待其他控制指令。原料攪拌控制根據(jù)攪拌參數(shù)的設(shè)置，具有手動(dòng)攪拌和自動(dòng)攪拌兩種工作模式，主 要包括開始攪拌與停止攪拌兩種操作。默認(rèn)手動(dòng)攪拌模式，此時(shí)攪拌參數(shù)全為0。手動(dòng)攪拌 模式下，裝置按照預(yù)設(shè)定的食品攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速執(zhí)行開始攪拌操作。原料攪拌過程中，食品攪 拌電機(jī)轉(zhuǎn)速可重新設(shè)定。當(dāng)用戶停止攪拌時(shí)，本發(fā)明的食品加工控制裝置執(zhí)行停止攪拌操 作，停止攪拌過程，并繼續(xù)等待其他控制指令。當(dāng)設(shè)置了原料攪拌時(shí)間間隔和間隔持續(xù)時(shí)間 兩個(gè)攪拌參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)攪拌模式，自動(dòng)攪拌只針對食品溫度加熱過程。自動(dòng)攪拌模 式下，裝置按照預(yù)設(shè)定的食品攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速，在原料攪拌時(shí)間間隔自動(dòng)執(zhí)行開始攪拌操作， 當(dāng)滿足攪拌間隔持續(xù)時(shí)間后自動(dòng)執(zhí)行停止攪拌操作。如設(shè)定原料攪拌時(shí)間間隔為3分鐘， 間隔持續(xù)時(shí)間為10秒鐘，表示系統(tǒng)選擇自動(dòng)攪拌模式，裝置加熱過程開始后，電機(jī)將以預(yù) 設(shè)轉(zhuǎn)速每隔3分鐘開始攪拌原料，持續(xù)10秒鐘后停止攪拌。自動(dòng)攪拌過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速可 重新設(shè)定。加熱過程結(jié)束后，自動(dòng)攪拌過程結(jié)束，本發(fā)明的食品加工控制裝置繼續(xù)等待其他 控制指令。食品加熱過程控制加熱控制開始前，本發(fā)明的食品加工控制裝置接收用戶設(shè)定 的加熱過程的期望溫度。該溫度為期望時(shí)間點(diǎn)的期望溫度值，相鄰期望溫度點(diǎn)間隔時(shí)間單 位為1分鐘。為使加熱控制過程精確平穩(wěn)，需選定曲線擬合方式，將設(shè)定的少量期望溫度點(diǎn) 擬合為含有100個(gè)控制溫度值的加熱過程的期望溫度曲線。加熱控制過程開始前，本過程 可不斷重復(fù)，直至所擬合的加熱過程期望溫度曲線滿足要求。當(dāng)本食品加工控制裝置的PID 控制率無法實(shí)現(xiàn)所設(shè)加熱過程的期望溫度曲線時(shí)，上位機(jī)終端程序提示重設(shè)期望溫度并給 出溫度設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)。上位機(jī)M 1將期望溫度發(fā)送給下位機(jī)，由下位機(jī)計(jì)算相對應(yīng)的PWM占空 比控制指令，向加熱執(zhí)行模塊6發(fā)送相應(yīng)PWM波形信號(hào)。期望溫度對應(yīng)的PWM占空比由當(dāng) 前的溫度誤差和100% PWM占空比控制指令對應(yīng)的溫度誤差相除所得。加熱過程開始后，上 位機(jī)終端程序根據(jù)下位機(jī)傳送的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)繪制對應(yīng)曲線，并顯示給用戶。加熱過程結(jié) 束后，上位機(jī)終端程序提示加熱過程結(jié)束，存儲(chǔ)本次加熱過程參數(shù)，這些參數(shù)包括執(zhí)行持續(xù) 時(shí)間、溫度采樣時(shí)間點(diǎn)(如第10秒，第20秒)、實(shí)際食品溫度、及當(dāng)前日期等。食品加工控 制裝置繼續(xù)等待其他控制命令的輸入。上述食品加熱過程控制填補(bǔ)了目前市場上食品加工 裝置無法對加工過程預(yù)編程的空缺，尤其是精確地食品加熱過程。同時(shí)，上位機(jī)的實(shí)時(shí)溫度 信息顯示功能和過程參數(shù)存儲(chǔ)功能讓加工過程更便于監(jiān)測和記錄，方便實(shí)驗(yàn)人員使用本裝 置獲得食品加工過程中的具體性能參數(shù)，尤其是溫度參數(shù)期望溫度、實(shí)際食品溫度。特性參數(shù)設(shè)置為使本發(fā)明針對不同加熱功率的加熱器件以及不同數(shù)量的加熱對象均有較好的控制特性，本發(fā)明可設(shè)定裝置控制參數(shù)當(dāng)前加熱功率和食品體積，并傳送給 下位機(jī)。下位機(jī)根據(jù)當(dāng)前加熱功率和食品體積以及預(yù)先計(jì)算的PID控制率的PWM歸一化參 數(shù)、當(dāng)前采樣間隔時(shí)間，計(jì)算本次加工控制的100% PWM占空比控制指令對應(yīng)的溫度誤差。過程指令控制包括急停和退出系統(tǒng)兩個(gè)指令操作，加工過程中，若發(fā)生緊急事 件，則執(zhí)行急停操作，本裝置將停止所有加工過程并存儲(chǔ)此次加工數(shù)據(jù)，然后結(jié)束控制。當(dāng) 獲得退出系統(tǒng)指令時(shí)，本裝置將斷開USB連接，退出系統(tǒng)，結(jié)束控制。
圖3所示為下位機(jī)運(yùn)行流程圖。下位機(jī)接收上位機(jī)Ml發(fā)送的控制指令，控制相應(yīng) 硬件完成預(yù)期的功能，下位機(jī)上設(shè)有共用寄存器，用于存儲(chǔ)上位機(jī)Ml與下位機(jī)之間的交互 數(shù)據(jù)。如圖3中所示，本發(fā)明的下位機(jī)運(yùn)行流程包含下面六個(gè)步驟。步驟一系統(tǒng)初始化。本步驟初始化單片機(jī)AT90USB1287管腳方向、管腳初始值、 指示燈初始狀態(tài)及第一定時(shí)器和第二定時(shí)器。第一定時(shí)器、第二定時(shí)器是由下位機(jī)程序設(shè) 定，第一定時(shí)器用于定時(shí)數(shù)據(jù)采集，第二定時(shí)器控制PWM波形。步驟二 :USB器件枚舉。本步驟中，下位機(jī)將不斷向上位機(jī)發(fā)送USB器件枚舉信息， 直至USB器件枚舉成功或裝置斷電。步驟三接收上位機(jī)數(shù)據(jù)。下位機(jī)循環(huán)運(yùn)行，及時(shí)將下位機(jī)緩存中接收的上位機(jī) Ml數(shù)據(jù)讀出，根據(jù)讀取的通訊字頭，下位機(jī)將數(shù)據(jù)存入共用寄存器的相應(yīng)變量中。步驟四發(fā)送下位機(jī)數(shù)據(jù)。下位機(jī)將存于下位機(jī)緩存中的溫度數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送給上 位機(jī)M1，該數(shù)據(jù)發(fā)送僅在加熱過程中數(shù)據(jù)刷新后執(zhí)行。步驟五相應(yīng)硬件動(dòng)作。在本步驟中，下位機(jī)判定粉碎、攪拌和加熱的工作狀態(tài)，相 應(yīng)硬件根據(jù)工作狀態(tài)，并置相應(yīng)位，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。根據(jù)當(dāng)前加熱功率、食品體積、采樣間隔 時(shí)間和PID控制率的PWM歸一化參數(shù)，計(jì)算本次加工過程的100% PWM占空比控制指令對應(yīng) 的溫度誤差；按照原料粉碎控制指令或原料攪拌控制指令控制電機(jī)動(dòng)作；按照加熱控制指 令控制加熱管工作。步驟六數(shù)據(jù)采集。加熱過程開始后，定時(shí)采集食品溫度數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于下位機(jī)共用 寄存器中。該下位機(jī)程序采用循環(huán)順序結(jié)構(gòu)，當(dāng)加電初始化成功時(shí)，即下位機(jī)和上位機(jī)Ml成 功連接后，下位機(jī)進(jìn)入循環(huán)結(jié)構(gòu)，不斷順序執(zhí)行上述步驟三、步驟四、步驟五和步驟六這四 個(gè)步驟，直到該食品加工設(shè)備斷電。各執(zhí)行步驟所用參數(shù)將實(shí)時(shí)調(diào)用共用寄存器中的數(shù)值； 運(yùn)行后，將執(zhí)行結(jié)果存放在共用寄存器相應(yīng)變量中，實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)的執(zhí)行狀況，供后續(xù)步驟 使用。本發(fā)明中，該下位機(jī)程序采用PID控制率跟蹤控制用戶所設(shè)的期望溫度。把采樣 間隔時(shí)間作為單位時(shí)間，將PID控制率離散化。在每一個(gè)采樣間隔時(shí)間中計(jì)算溫度誤差的 微分、積分值，根據(jù)PID控制率獲得溫度誤差，將該溫度誤差對應(yīng)為PWM占空比控制指令。 由于數(shù)據(jù)采樣間隔時(shí)間的不同，則不同采樣間隔時(shí)間中100% PWM占空比控制指令對應(yīng)的 溫度誤差數(shù)值不同。同時(shí)，不同的加熱功率和食品體積對應(yīng)的溫度上升效率也不同，反應(yīng)在 單位采樣間隔時(shí)間內(nèi)，100% PWM波形占空比對應(yīng)的溫度誤差也不同。為了使控制更有效， 本發(fā)明中下位機(jī)程序根據(jù)單位采樣間隔時(shí)間、單位加熱功率和單位食品體積的質(zhì)量計(jì)算了 PID控制率中PWM的歸一化參數(shù)。其意義為，單位體積的水(IML)在單位時(shí)間內(nèi)(IS)完全 吸收單位功率(IW)時(shí)上升的溫度值CC )。其計(jì)算原理為加熱管釋放的功等于水溫度上升時(shí)所吸收的能量(比熱容)，如下<formula>formula see original document page 10</formula>其中，P為單位加熱管功率(W)，t為單位采樣時(shí)間間隔(s)，Q為水的比熱容(J/ (g * °C ))，C為上升的溫度(°C )，m為單位食品體積的質(zhì)量(g)。算得的C即為本裝置PID 控制率中PWM的歸一化參數(shù)。在本裝置中，根據(jù)當(dāng)前采樣間隔時(shí)間、加熱功率和食品體積和歸一化參數(shù)C即能 算出此次加工控制100% PWM占空比控制指令對應(yīng)的溫度誤差，如下Temp parameter = CXPXT/L其中，C代表PID控制率的PWM歸一化參數(shù)，P代表用戶設(shè)定的當(dāng)前加熱功率，L代 表用戶設(shè)定的當(dāng)前食品體積，T代表當(dāng)前采樣間隔時(shí)間，計(jì)算所得的Temp—parameter就是 當(dāng)前100% PWM占空比控制指令對應(yīng)的溫度誤差。期望溫度對應(yīng)的PWM占空比控制指令，由當(dāng)前的溫度誤差和100% PWM占空比控 制指令對應(yīng)的溫度誤差相除所得，由上述就可計(jì)算出當(dāng)前溫度誤差下的PWM占空比控制指 令，實(shí)現(xiàn)加熱溫度的精確控制。
權(quán)利要求
一種可預(yù)編程的人機(jī)交互食品加工控制裝置，包括上位機(jī)、USB連接線，上位機(jī)為帶有USB通訊接口的PC機(jī)，其特征在于，還包括下位機(jī)，上位機(jī)與下位機(jī)通過USB連接線連接；上位機(jī)提供給用戶控制指令，控制指令包括原料粉碎控制、原料攪拌控制、食品加熱過程控制、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、食品加工控制裝置的特性參數(shù)設(shè)置和加工過程中的過程指令控制；用戶在上位機(jī)上選擇控制指令，該控制指令經(jīng)USB連接線輸出到下位機(jī)，下位機(jī)接收上位機(jī)發(fā)送的控制指令，控制相應(yīng)硬件完成預(yù)期的功能，并實(shí)時(shí)采集食品加工過程的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)接收并以圖形方式顯示溫度數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)加熱過程參數(shù)；所述下位機(jī)包括USB接口模塊、電源管理模塊、參數(shù)采集模塊、加熱執(zhí)行模塊、電機(jī)執(zhí)行模塊、單片機(jī)模塊以及基板；基板為雙面印刷電路板，連接了USB接口模塊、電源管理模塊、參數(shù)采集模塊、加熱執(zhí)行模塊、電機(jī)執(zhí)行模塊及單片機(jī)模塊；USB接口模塊包括B型USB接頭及外圍匹配電路，通過USB連接線連接上位機(jī)USB通訊接口和下位機(jī)單片機(jī)模塊中的USB通訊接口，接收上位機(jī)傳送的控制指令；電源管理模塊由穩(wěn)壓芯片、整流橋、變壓器及外圍匹配電路組成，將外接的220V交流電供給下位機(jī)中電機(jī)執(zhí)行模塊和加熱執(zhí)行模塊，并將外接220V交流電處理為5V直流電供給下位機(jī)中電機(jī)執(zhí)行模塊、參數(shù)采集模塊和單片機(jī)模塊；參數(shù)采集模塊包括K型熱電偶和溫度電壓轉(zhuǎn)換芯片，將測量的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出給單片機(jī)模塊；加熱執(zhí)行模塊包括固態(tài)繼電器、外接加熱管，接收單片機(jī)給出的PWM波形信號(hào)，以一定頻率關(guān)斷/接通外接加熱管上的220V電壓；電機(jī)執(zhí)行模塊由包含繼電器、晶體管、三端雙向可控硅以及外圍輔助元件的電機(jī)調(diào)速電路組成，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度調(diào)節(jié)；單片機(jī)模塊包括單片機(jī)、獨(dú)立的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、編程電路、指示電路、電源處理電路，并內(nèi)嵌USB管理單元，帶有USB通訊接口，根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的控制指令向加熱執(zhí)行模塊和電機(jī)執(zhí)行模塊分別發(fā)送食品加熱過程的期望溫度對應(yīng)的PWM波形信號(hào)和原料粉碎控制指令、原料攪拌控制指令，控制加熱執(zhí)行模塊和電機(jī)執(zhí)行模塊完成期望硬件動(dòng)作，將參數(shù)采集模塊傳送來的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)；其中，PWM表示脈沖寬度調(diào)制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可預(yù)編程的人機(jī)交互食品加工控制裝置，其特征在于， 所述單片機(jī)采用AT90USB1287型號(hào)單片機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可預(yù)編程的人機(jī)交互食品加工控制裝置，其特征在于， 所述電機(jī)轉(zhuǎn)速控制有低速、中速、高速三種速度，在原料粉碎、原料攪拌過程中能任意設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可預(yù)編程的人機(jī)交互食品加工控制裝置，其特征在于， 所述原料攪拌控制具有手動(dòng)攪拌和自動(dòng)攪拌兩種工作模式，用戶通過設(shè)置原料攪拌時(shí)間間 隔和間隔持續(xù)時(shí)間的兩個(gè)攪拌參數(shù)選擇期望的攪拌工作模式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可預(yù)編程的人機(jī)交互食品加工控制裝置，其特征在于， 所述的期望溫度，由用戶設(shè)定，并選擇曲線擬合形式，擬合出食品加熱控制的期望溫度曲 線，若本食品加工控制裝置的PID控制率無法實(shí)現(xiàn)所設(shè)食品加熱控制的期望溫度曲線，則 上位機(jī)終端程序提示用戶重設(shè)期望溫度，其中，PID表示比例積分微分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可預(yù)編程的人機(jī)交互食品加工控制裝置，其特征在于， 所述的食品加熱過程的期望溫度對應(yīng)的PWM波形信號(hào)是指，根據(jù)期望溫度對應(yīng)的PWM占空 比控制指令產(chǎn)生的PWM波形；期望溫度對應(yīng)的PWM占空比控制指令，由當(dāng)前的溫度誤差和 100% PWM占空比控制指令對應(yīng)的溫度誤差相除所得；期望溫度采用PID控制率跟蹤控制， 把采樣間隔時(shí)間作為單位時(shí)間，將PID控制率離散化，在每一個(gè)采樣間隔時(shí)間中計(jì)算溫度 誤差的微分、積分值，根據(jù)PID控制率獲得當(dāng)前的溫度誤差；100% PWM占空比控制指令對應(yīng)的溫度誤差根據(jù)PID控制率的PWM歸一化參數(shù)、用戶設(shè) 定的當(dāng)前加熱功率和食品體積，以及當(dāng)前采樣間隔時(shí)間計(jì)算所得，如下Temp—parameter = CXPXT/L其中，c代表PID控制率的PWM歸一化參數(shù)，P代表用戶設(shè)定的當(dāng)前加熱功率，L代表用 戶設(shè)定的當(dāng)前食品體積，T代表當(dāng)前采樣間隔時(shí)間，計(jì)算所得的Temp—parameter就是當(dāng)前 100% PWM占空比控制指令對應(yīng)的溫度誤差。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種可預(yù)編程的人機(jī)交互食品加工控制裝置，其特征在于， 所述PID控制率的PWM歸一化參數(shù)，根據(jù)單位采樣間隔時(shí)間、單位加熱功率和單位食品體積 的質(zhì)量計(jì)算所得，如下PXt = QXCXm其中，P代表單位加熱管功率，t代表單位采樣間隔時(shí)間，Q代表水的比熱容，C代表上 升的溫度，m代表單位食品體積的質(zhì)量，C就是PID控制率中PWM的歸一化參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可預(yù)編程的人機(jī)交互食品加工控制裝置，由上位機(jī)、USB連接線和下位機(jī)組成，可由用戶在上位機(jī)上預(yù)先設(shè)定期望的加工過程，由上位機(jī)通過USB接口，遵循USB通訊協(xié)議向下位機(jī)發(fā)送加工過程控制指令，下位機(jī)根據(jù)所預(yù)設(shè)期望值完成加工溫度跟蹤控制、食品粉碎或攪拌控制以及在食品加熱過程實(shí)時(shí)采集食品溫度參數(shù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)人機(jī)交互終端程序顯示并繪制實(shí)時(shí)采集的食品加工溫度參數(shù)，并存儲(chǔ)加工過程參數(shù)，使得用戶可觀測加工過程，并對加工過程中的情況進(jìn)行處理。
文檔編號(hào)G05B19/042GK101833294SQ20101014272
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月7日
發(fā)明者張冰雪, 徐旭丹, 王震, 郭順堂 申請人:北京航空航天大學(xué)