基于嵌入式系統(tǒng)的壓痕強(qiáng)度測(cè)定儀的設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)

蘇紅波　寧凡

摘 要：基于STM32F407V系列單片機(jī)系統(tǒng)，以C語言為設(shè)計(jì)平臺(tái)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種瓦楞紙的壓痕強(qiáng)度測(cè)試儀器。該儀器具有多種功能，主要用于各類大型尺寸瓦楞紙箱的環(huán)、壓痕等參數(shù)的檢測(cè)與測(cè)試。該儀器用途廣泛，是紙板、瓦楞紙板生產(chǎn)廠家、科研院校、檢測(cè)機(jī)構(gòu)等不可缺少的重要測(cè)試儀器。測(cè)試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；瓦楞紙； 強(qiáng)度測(cè)定；壓痕

中圖分類號(hào)：TS02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

近幾年，中國的經(jīng)濟(jì)日益繁榮，各個(gè)行業(yè)對(duì)物品的包裝和質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格。紙質(zhì)品包裝需求量與日俱增，對(duì)包裝印刷材料的印刷適性的測(cè)試需求越來越高。國外在包裝用紙方面的發(fā)展比較早，技術(shù)也比較成熟，而我國的這項(xiàng)技術(shù)整體落后，不能適應(yīng)我國目前造紙及印刷行業(yè)面向國際的需要。因而，研制開發(fā)智能化、多樣化的類儀器儀表顯得非常重要。

壓痕強(qiáng)度測(cè)定儀主要用于紙板的環(huán)壓強(qiáng)度、邊壓強(qiáng)度、黏合剝離強(qiáng)度、瓦楞紙芯平壓強(qiáng)度、單面單層瓦楞紙板平壓強(qiáng)度等物理性能的測(cè)定，是紙板和瓦楞紙板生產(chǎn)廠家以及有關(guān)科研院校、檢測(cè)機(jī)構(gòu)不可缺少的重要測(cè)試儀器。

本文以嵌入式系統(tǒng)為核心，采用先進(jìn)高速ARM[1]處理器，精心合理的設(shè)計(jì)一款設(shè)計(jì)新穎、使用方便、性能優(yōu)異、美觀大方的壓痕強(qiáng)度測(cè)定儀。該儀器為采用機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)相結(jié)合的技術(shù)，主要用于單瓦楞紙板和雙瓦楞紙板的壓痕測(cè)定。通過帶壓痕試樣和無壓痕試樣的壓力值[2，3]的百分比來表示。這款儀器的推出，對(duì)評(píng)估瓦楞紙板的質(zhì)量具有重要的意義，比如對(duì)于瓦楞紙板箱的有效裝配和密封等技術(shù)方面都將起到推動(dòng)作用。

2 整機(jī)組成（System components）

2.1 整機(jī)組成

整機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 整機(jī)的模塊圖

Fig.1 System block diagram

該儀器采用嵌入式STM32系列單片機(jī)，該芯片為測(cè)試儀的控制核心，控制系統(tǒng)中所有模塊的工作。人機(jī)界面采用觸摸屏，簡(jiǎn)單方便操作。打印機(jī)采用智能型設(shè)備，實(shí)時(shí)跟蹤打印測(cè)試結(jié)果。壓力傳感器用于檢測(cè)試樣的壓力。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的工作，限位檢測(cè)模塊用于設(shè)定樣品的位置，并進(jìn)行不同程度的壓縮。

2.2 工作原理說明

論文設(shè)計(jì)的瓦楞紙壓痕強(qiáng)度測(cè)定儀[4-8]利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使測(cè)定儀的動(dòng)夾頭以設(shè)定的壓縮速度擠壓被測(cè)試樣，利用壓力傳感器檢測(cè)試樣在被壓時(shí)所承受的最大壓力值并記錄試樣被拉伸的變形量，直到試樣被壓斷為止。同時(shí)，系統(tǒng)將采樣得到的壓力值和變形量以曲線和數(shù)字的形式在顯示屏上顯示出來，讓用戶了解試樣的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)。

3 主要硬件設(shè)計(jì)（The main hardware design）

3.1 主控芯片

主控芯片是具有32位FLASH的嵌入式微控制器，是專為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而開發(fā)的內(nèi)核，該內(nèi)核內(nèi)部資源豐富，具有多種功能，有利于智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在壓痕強(qiáng)度測(cè)定儀的設(shè)計(jì)過程中，該芯片起到總體控制作用，完成壓力信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換、控制電機(jī)模塊的驅(qū)動(dòng)人際觸摸屏的顯示控制以及限位檢測(cè)的控制作用。

3.2 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊即壓力傳感器，壓力傳感器是該儀器的重要模塊，傳感器性能及準(zhǔn)確度直接影響到整個(gè)測(cè)力儀的性能及指標(biāo)。壓力傳感器的種類很多，根據(jù)試驗(yàn)，筆者選擇了CHLBU型輪輻式拉壓力傳感器，采用十字剪切梁結(jié)構(gòu)，具有良好的自然線性、抗偏載能力強(qiáng)、精度高、外形高度低、安裝方便穩(wěn)定，在料斗稱、汽車衡、軌道衡等電子稱中廣泛應(yīng)用，在各種工業(yè)稱重系統(tǒng)中做力的分析與測(cè)量。受力圖如2所示。

圖2 壓力傳感器受壓示例圖

Fig.2 Pressure sensor pressed the example of figure

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N。該芯片是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)作。驅(qū)動(dòng)電路形式如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

Fig.3 Servo motor running curve

4 軟件構(gòu)成（Software system）

該軟件程序主要由電機(jī)控制軟件、數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、參數(shù)設(shè)置軟件、調(diào)零軟件、顯示和打印模塊、試樣設(shè)置軟件等模塊構(gòu)成等?？刂栖浖慕Y(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

Fig.4 System software

壓痕強(qiáng)度測(cè)定儀控制軟件[9]具備電機(jī)控制、參數(shù)設(shè)置、刪除無效數(shù)據(jù)、參數(shù)校準(zhǔn)、參數(shù)調(diào)零、壓板距離設(shè)置、試樣參數(shù)設(shè)置、結(jié)果查詢、顯示打印等功能，能自動(dòng)完成對(duì)瓦楞紙的壓痕測(cè)定。該測(cè)試儀的控制軟件平臺(tái)具有多種功能，客戶操作簡(jiǎn)單、使用便捷。該控制軟件的主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

Fig.5 Main processes

5 測(cè)量結(jié)果（Measurement results）

本系統(tǒng)以嵌入式的單片機(jī)為核心控件，采用立式結(jié)構(gòu)，下端U形支架，將試樣放在上面，由上端的壓力對(duì)U形支架上

的試樣進(jìn)行施加壓力，具有超量程報(bào)警功能，實(shí)時(shí)顯示壓力值或變形量曲線，測(cè)試結(jié)果顯示最大值、最小值、平均值、比率等。另外可連接計(jì)算機(jī)軟件，具有實(shí)時(shí)顯示抗壓曲線功能以及數(shù)據(jù)分析管理、保存、打印等功能。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 壓痕強(qiáng)度測(cè)定儀測(cè)量結(jié)果

Fig.6 Measurement results of score quality tester

6 結(jié)論（Conclusion）

基于STM32F407嵌入式單片機(jī)、以C語言為設(shè)計(jì)平臺(tái)研制開發(fā)了紙箱壓痕測(cè)試儀以及軟件系統(tǒng)。該儀器具有多種測(cè)試功能，主要用于紙板的環(huán)壓強(qiáng)度、邊壓強(qiáng)度、黏合剝離強(qiáng)度、瓦楞芯平壓強(qiáng)度、單面單層瓦楞紙板平壓強(qiáng)度等物理性能的測(cè)定。測(cè)試范圍可達(dá)3000N，示值精度為±1%，液晶顯示有效值位為4位，打印結(jié)果可以顯示4位有效數(shù)字，壓縮速度為12.5±2.5mm/min，分辨率為1N。該儀器的成功推出對(duì)紙板和瓦楞紙板生產(chǎn)廠家提供的便利，可節(jié)約成本，提高企業(yè)的利潤(rùn)。

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作者簡(jiǎn)介：

蘇紅波（1976-），男，本科，工程師.研究領(lǐng)域：智能儀器

儀表.

寧 凡（1978-），女，本科，副教授.研究領(lǐng)域：離散系統(tǒng)及算

法研究.