大米分揀控制系統(tǒng)設計*

賈藝豪，劉忠富，賈夢雨，劉 冉，李偉豪

(大連民族大學信息與通信工程學院，遼寧 大連 116600)

0 引言

傳統(tǒng)工藝中，對大米的分揀主要采用過風篩法，方法繁瑣并且分級粗糙，工作效率低。由此可見，國內(nèi)采用的傳統(tǒng)分揀方式難以提升大米品質(zhì)，不利于占領國際高端市場。對大米從感官品質(zhì)、物理品質(zhì)、生理生化品質(zhì)的綜合高效分揀成為目前一項亟待解決的難題[1]。為解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，本設計論述了一種大米分揀系統(tǒng)。

本文基于藍牙模塊HC-05，采用低功耗單片機STM32F103C8T6為核心，高速Python算法，設計了基于無線傳輸?shù)拇竺追謷到y(tǒng)。主要用途為篩選大米中的堊白粒，該裝置結構簡單，自動化程度高，大幅度節(jié)省了人工分揀的時間和勞動力。

1 系統(tǒng)總體方案

底層傳感器信息采集系統(tǒng)以攝像頭為核心，采集等待被分類的大米樣品圖片等現(xiàn)場信息，并實時發(fā)送回數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心以上位機為處理器，接收數(shù)據(jù)后進行分析處理，通過藍牙發(fā)送控制指令給控制模塊執(zhí)行操作。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

系統(tǒng)硬件電路的設計包括電壓轉換電路、STM32F103RBT6最小系統(tǒng)電路、藍牙傳輸電路以及步進電機驅動控制電路。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 電源轉換電路

電源模塊主要采用MP2359 DC_DC芯片實現(xiàn)穩(wěn)壓，將系統(tǒng)的12 V電壓穩(wěn)壓至5 V[2]。電壓轉換電路如圖2所示，電路具有過電壓保護，過電流保護以及溫度過高保護。其中，電容C24和C25用來濾波，可以確保反饋電路的穩(wěn)定性。D2為自舉二極管可以提高電路的工作效率。D1可以防止外部輸入電源接反造成短路。

圖2 電壓轉換電路

本設計采用DC-DC開關穩(wěn)壓結構。因為開關電源具有功耗小，效率高。在開關電源電路中，晶體管V在激勵信號的激勵下，它交替地工作在導通—截止和截止—導通的開關狀態(tài)，轉換速度很快，頻率一般為50 kHz左右。這使得開關晶體管V的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達到80%。

STM32單片機需要3.3 V電壓，系統(tǒng)采用AMS1117-3.3 V穩(wěn)壓芯片將5 V電源穩(wěn)壓到3.3 V。

2.2 STM32F103RBT6最小系統(tǒng)電路圖

本系統(tǒng)選用意法半導體公司的STM32F1系列單片機作為控制芯片。STM32單片機融高性能、實時性、數(shù)字信號處理、低功耗、低電壓于一身，同時保持高集成度和開發(fā)簡易的特點。是目前業(yè)內(nèi)最強大的產(chǎn)品陣容，擁有基于工業(yè)標準的處理器，和大量的軟硬件開發(fā)工具，STM32單片機成為各類中小項目和完整平臺解決方案的理想選擇。STM32F103RBT6是一種嵌入式-微控制器的集成電路(IC)，處理器采用32位的ARM Contex_M3構架，運行速度可達72 MHz，程序存儲器容量是256 KB，程序存儲器類型是FLASH，RAM容量是48 K[3]。

圖3 STM32F103RBT6最小系統(tǒng)電路圖

A4988是一款完全的微步電動機驅動器，帶有內(nèi)置轉換器，易于操作[4]。該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8及1/16步進模式時操作雙極步進電動機，輸出驅動性能可達35 V及±2 A。A4988包括一個固定關斷時間電流穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可在慢或混合衰減模式下工作。轉換器是A4988易于實施的關鍵。只要在“步進“輸入中輸入一個脈沖，即可驅動電動機產(chǎn)生微步。無須進行相位順序表、高頻率控制行或復雜的界面編程。A4988界面非常適合復雜的微處理器不可用或過載的應用。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)采用的C語言編程，程序的編寫重點在于傳送結構工作與上位機工作建立聯(lián)系。系統(tǒng)首先對單片機的串口和中斷進行初始化。傳送帶控制電機持續(xù)工作，傳送大米至攝像頭下方時延時等待并向上位機發(fā)送信號。上位機接收信號后控制攝像頭采集并處理圖像，反饋0(負樣本信息)或1(正樣本信息)至STM32單片機，單片機接收信號后控制撥片分揀，結構左邊放置負樣本收集框，結構右邊放置正樣本收集框。此處，為方便控制分揀撥片角度，分揀電機采用伺服電機。主程序流程圖如圖5所示。

圖4 電機驅動電路圖

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

3.1 步進電機程序設計

步進電機的運行需要各相電流滿足一定的時序要求，而電磁力的大小與繞組通電電流的大小有關。步進電機的步距角由步進電機的機械結構確定，一般的驅動模式下，步進電機運行時的步距角的大小有兩種，即工作在四拍方式下的整步，和工作在八拍方式下的半步，如一臺電機的整步為1.80°，當工作在雙四拍和八拍方式下時，每改變一次通電狀態(tài)，轉子分別轉過1.80°和0.90°。

A4988是一款完全的微步電動機驅動器，帶有內(nèi)置轉換器，易于操作。該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8及1/16步進模式時操作雙極步進電動機，輸出驅動性能可達35 V及±2 A。A4988包括一個固定關斷時間電流穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可在慢或混合衰減模式下工作。轉換器是A4988易于實施的關鍵。只要在“步進“輸入中輸入一個脈沖，即可驅動電動機產(chǎn)生微步。無須進行相位順序表、高頻率控制行或復雜的界面編程。A4988界面非常適合復雜的微處理器不可用或過載的應用。該種連接模式和驅動芯片與單片機和步進電機之間的串聯(lián)模式相符合，使電路控制和操作更加簡單和便利。

3.2 伺服電機程序設計

本設計采用的舵機是一個微型的伺服控制系統(tǒng)，工作原理是舵機的控制電路接收STM32單片機輸出的PWM脈沖，然后驅動電機轉動，舵機里各種軸承和齒輪組對電機的速度多倍縮小，對于電機的輸出扭矩響應倍數(shù)增大，然后輸出，齒輪組的末級和電位器一起轉動，測量舵機軸轉動角度，電路板根據(jù)電位器的值檢測判斷舵機轉動角度，最后控制舵機達到目標角度。模擬舵機需要一個外部控制器產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號來告訴舵機轉動角度，脈沖寬度是舵機控制器所需的編碼信息。舵機的控制脈沖周期20 ms，脈寬從0.5 ms～2.5 ms，分別對應-90°到+90°的位置。

4 結論

本文將STM32單片機、上位機與各種傳感器結合在一起設計出了一套大米分揀系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對大米樣本進行實時而有效的圖片采集，并通過數(shù)據(jù)中心的處理與分析進行不同品質(zhì)的分類操作。該系統(tǒng)擴展性強、性能可靠，能有效地實現(xiàn)大米分類功能，具有一定的實用價值。

[1] 張海順.CCD色選機控制系統(tǒng)研究[D].天津:天津大學,2010.

[2] 劉忠鵬.提高自由感應加熱效率的軟控制技術[D].成都:電子科技大學,2017.

[3] 李宗卿,劉忠富,吳學富，等.無線智能家居舒適度測控系統(tǒng)[J].國外電子測量技術,2016,35(11):103-107.

[4] 藍杰，張浩然.基于STM32的微型步進電機驅動控制器設計[J].微型機與應用,2015,34(1):43-46.