基于STM 32的籽棉水雜快速檢測設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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〔鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南 鄭州 450004〕

隨著機(jī)采棉技術(shù)的發(fā)展，我國新疆棉區(qū)普遍采用機(jī)械化采收方式，棉花采收過于粗放，籽棉含雜率高、回潮率一致性差；現(xiàn)行的籽棉回潮率與含雜率檢測仍然采用人工方式，檢測速度慢、效率低、檢驗(yàn)結(jié)果易受人為因素影響，不僅不利于提高籽棉收購效率，而且難以保證公平交易。

研究籽棉回潮率與含雜率快速檢測技術(shù)，開發(fā)籽棉回潮率與含雜率的快速檢測設(shè)備，有利于提升機(jī)采棉收購智能化技術(shù)水平，提高棉花加工質(zhì)量，保障新疆棉花產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，對促進(jìn)棉花產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義。

一、控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

籽棉水雜快速檢測設(shè)備主要完成籽棉回潮率和含雜率的快速檢測，通過圖像分析來完成含雜率的快速檢測，通過接觸式電阻法完成回潮率的快速檢測。

籽棉水雜快速檢測設(shè)備控制系統(tǒng)主要完成整個(gè)檢測設(shè)備的運(yùn)動及圖像檢測控制、與上位機(jī)的通信及回潮數(shù)據(jù)傳輸?？刂葡到y(tǒng)主要由回潮采集、物位檢測、操作面板、電源電路、上位機(jī)通訊、運(yùn)動控制、圖像檢測控制等模塊組成。其總體方案如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體方案

控制系統(tǒng)以STM32F103VET6為主處理器，通過操作面板上三個(gè)按鍵的狀態(tài)來判斷需要進(jìn)行的操作：對稱重推桿和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，來完成待測棉樣的稱重和輸送；待棉樣輸送到指定位置后，控制壓棉機(jī)構(gòu)對棉樣進(jìn)行壓縮后，觸發(fā)工業(yè)相機(jī)拍照來實(shí)現(xiàn)圖像檢測控制；同時(shí)對回潮率進(jìn)行采集，并將回潮率數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。

二、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）主控電路

主控電路是硬件系統(tǒng)中的核心部分，本控制系統(tǒng)采用STMicroelectronics公司生產(chǎn)的STM32F103VET6作為控制芯片，該芯片采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72 MHz。芯片內(nèi)部集成了4個(gè)通用定時(shí)器，兩個(gè)高級定時(shí)器，兩個(gè)基本定時(shí)器、兩個(gè)SPI、兩個(gè)I2C、五個(gè)USART、一個(gè)USB、一個(gè)CAN通信等資源，以供控制系統(tǒng)使用。

（二）電源電路

控制系統(tǒng)總電源為直流24 V，其電源電路包括兩部分：相機(jī)供電和控制電路供電。相機(jī)供電為直流12 V，控制電路供電為直流5 V和直流3.3 V。

相機(jī)直流12 V供電采用德州儀器生產(chǎn)的LM2596S-12電源芯片。該芯片可提供3A的電流輸出，具有完善的保護(hù)電路、電流限制、熱關(guān)斷電路，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。相機(jī)供電電路如圖2所示。

圖2 相機(jī)供電電路

控制電路直流5 V供電采用德州儀器生產(chǎn)的DC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片TPS5430，該芯片性能優(yōu)越，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95%，同時(shí)具有過流保護(hù)及熱關(guān)斷功能。控制電路5 V供電電路如圖3所示。

圖3 控制電路5 V供電電路

控制電路3.3 V供電采用正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117，該芯片內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路?？刂齐娐?.3 V供電電路如圖4所示。

圖4 控制電路3.3 V供電電路

（三）回潮采集及上位機(jī)通信

控制系統(tǒng)通過RS232接口采用Modbus協(xié)議與回潮采集模塊及上位機(jī)進(jìn)行串口通信，將采集到的回潮數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，同時(shí)，將設(shè)備工作狀態(tài)實(shí)時(shí)同步給上位機(jī)。接口芯片選用美信公司的MAX3232，其專有的低壓差發(fā)送器輸出級，利用雙電荷泵在3.0 V～5.5 V電源下實(shí)現(xiàn)真正的RS232性能，僅需要四個(gè)外部0.1μF電荷泵電容器，可確保120 kbps的數(shù)據(jù)速率，同時(shí)保持RS232輸出電平?；爻辈杉吧衔粰C(jī)通信接口電路如圖5所示。

圖5 回潮采集及上位機(jī)通信接口電路

（四）棉樣稱重、壓縮控制

檢測設(shè)備需要對棉樣進(jìn)行稱重及壓縮，棉樣稱重通過控制抬起電子稱重模塊來實(shí)現(xiàn)，棉樣壓縮通過控制壓棉機(jī)構(gòu)下壓來實(shí)現(xiàn)。電子稱重模塊的升、降和壓棉機(jī)構(gòu)的下壓、抬起都是通過控制直線型電動推桿來實(shí)現(xiàn)。該推桿是由直流24 V電源供電，通過改變電源的極性來控制推桿的運(yùn)動方向。推桿控制電路通過控制兩個(gè)繼電器來實(shí)現(xiàn)推桿電源極性的切換。

繼電器控制電路與主控芯片通過光耦PC817進(jìn)行隔離，兩個(gè)繼電器常閉端接推桿電源的負(fù)極，常開端接推桿電源的正極，兩個(gè)公共端接推桿電機(jī)線圈。主控芯片控制繼電器的吸合以實(shí)現(xiàn)推桿電源正負(fù)極的切換。推桿控制電路如圖6所示。

圖6 推桿控制電路

（五）棉樣輸送控制

檢測設(shè)備需要將待測棉樣輸送到暗箱中進(jìn)行圖像采集來實(shí)現(xiàn)含雜率的檢測，棉樣的輸送通過配有同步帶的步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)配有雷賽智能帶RS485接口的DM2C系列驅(qū)控一體型步進(jìn)驅(qū)動器，該驅(qū)動器基于Modbus RTU總線協(xié)議?？刂葡到y(tǒng)需要通過RS485接口與電機(jī)驅(qū)動器通信，來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。

RS485芯片選用亞德諾半導(dǎo)體（Analog Devices）生產(chǎn)的ADM2587E芯片，該芯片采用isoPower?技術(shù)，集成隔離式帶DC/DC轉(zhuǎn)換器的RS485/RS422收發(fā)器，具有開路和短路故障保護(hù)。電機(jī)控制接口電路如圖7所示。

圖7 電機(jī)控制接口電路

（六）物位檢測

物位檢測主要通過接近開關(guān)來完成各運(yùn)動部件是否到位的判斷，接近開關(guān)選用型號為比杜克直流24 V供電的BB-M1204N-C11P2 NPN常開型接近開關(guān)。接近開關(guān)與主控芯片電平不同，需要在接近開關(guān)和主控芯片中間增加光耦隔離電路，隔離電路如圖8所示。

圖8 接近開關(guān)隔離電路

（七）圖像檢測控制

檢測設(shè)備通過對棉樣圖像的分析來完成含雜率的檢測，控制系統(tǒng)通過對相機(jī)的控制來完成圖像檢測的控制。棉樣圖像采集選用的?？低暪I(yè)相機(jī)，輸入邏輯高電平為1.5 V～24 V，低電平為0 V～1 V，控制系統(tǒng)通過相機(jī)的I/O接口對相機(jī)進(jìn)行控制，觸發(fā)信號由主控芯片STM32F103VET6直接給到相機(jī)進(jìn)行采圖，觸發(fā)信號配置為上升沿觸發(fā)，相機(jī)接收觸發(fā)信號開始采圖，其觸發(fā)拍照時(shí)序圖如圖9所示。

圖9 相機(jī)觸發(fā)拍照時(shí)序圖

三、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求，軟件流程圖如圖10所示。

圖10 控制系統(tǒng)軟件流程圖

控制系統(tǒng)通過操作面板上三個(gè)按鍵的狀態(tài)來判斷需要進(jìn)行的下一步操作：

1.當(dāng)稱重按鍵被按下時(shí)，系統(tǒng)控制稱重推桿推出，將電子稱重模塊推出檢測設(shè)備臺面，對待測棉樣進(jìn)行重量檢測，推桿推出并斷電后，系統(tǒng)進(jìn)入按鍵掃描程序；

2.當(dāng)檢測按鍵被按下時(shí)，系統(tǒng)控制稱重推桿反轉(zhuǎn)，待稱重推桿復(fù)位后，控制步進(jìn)電機(jī)，將棉樣盒送至暗箱，進(jìn)行回潮率和含雜率的檢測，待檢測完成，棉樣盒自動退出并運(yùn)送至初始位置，系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)入按鍵掃描程序；

3.當(dāng)復(fù)位按鍵被按下時(shí)，控制系統(tǒng)先對兩個(gè)推桿進(jìn)行復(fù)位操作，待推桿全部復(fù)位后，步進(jìn)電機(jī)開始復(fù)位，直到系統(tǒng)全部復(fù)位至初始狀態(tài)，繼續(xù)進(jìn)入按鍵掃描程序。

4.當(dāng)系統(tǒng)工作出現(xiàn)異常時(shí)，控制系統(tǒng)進(jìn)入故障報(bào)警狀態(tài)，待故障報(bào)警解除后，需按下復(fù)位按鍵對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位后，才能進(jìn)行其他操作。

四、結(jié)語

本文詳盡介紹了基于STM32F103VET6的籽棉水雜快速檢測設(shè)備控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)，通過電源電路、通訊電路、物位檢測電路、棉樣稱重及壓縮控制電路等硬件電路的設(shè)計(jì)以及嵌入式軟件的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)穩(wěn)定、可靠的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的應(yīng)用，為籽棉水雜快速檢測設(shè)備的穩(wěn)定工作提供有力保障。☆