基于STM32的現金打捆機控制系統的設計

王湘明 楊忠勝 郭雨梅

摘要：本設計研究了基于STM32的全自動現金打捆機的原理與實現，并給出了相應的硬件結構簡圖和軟件流程框圖以及控制過程中的處理方法。該系統綜合分析了現有幾種產品設計方案的優缺點，對硬件控制和機械設計部分進行重新設計，采用步進電機進行協同控制完成現金打捆，既簡化了設備的體積，又具有實時監控調整功能，真正實現了高精度的閉環可自修正控制。

關鍵詞：STM32;現金打捆機;閉環控制;步進電機

引言

現金打捆機是一款為了解決金融系統紙幣捆扎而研制的捆鈔設備，其將百張紙幣一起進行打捆，以便于清點、運輸和保存。目前國內全自動現金打捆機的硬件系統中，進收帶機構多采用光電編碼盤控制進收帶量，對控制三個壓頭的打捆機構多采用機械凸輪完成現金打捆，但是這大大增加了設備的體積和控制的復雜度;其軟件系統中，大多采用PLC控制，但是PLC成本高，保密性差，并且對現金打捆機某些控制單元有特殊要求，難以做到實時監控、自我修正的閉環控制[1]。因此，本設計基于解決以上問題，提出一種采用步進電機代替機械凸輪的新型設計方案，該系統自行開發軟硬件，具有成本低、精度高、可靠性好等優點。

1.系統硬件設計

1.1 現金打捆機工作原理

系統通過STM32芯片協同控制，對進收帶機構采用微動開關與壓力開關巧妙配合，完成進帶、收帶、緊帶;對打捆機構中的三個壓頭采用三個步進電機獨立控制，這樣當現金打捆過程中發生特殊情況時，只需調用相應的復位子程序，即可實現自我修正。其具體打捆工作流程，如圖1所示：

（1）當現鈔進入工作臺指定位置后，現金打捆機通電，進入現金打捆工作流程[2]。

（2）a為送帶過程：啟動進收帶電機正轉開始進帶，當捆扎帶自由端碰到帶道上的“進帶到位”微動開關時，進收帶電機停止工作。

（3）b為緊帶過程：固定壓頭電機正轉，壓好帶頭側后，固定壓頭電機停止工作。同時，啟動進收帶電機反轉開始緊帶，當檢測到捆扎帶被抽緊，即“收帶到位”壓力開關置位時 ，進收帶電機停止工作。

（4）c為再收緊過程：收緊壓頭電機正轉，壓好帶尾側后，收緊壓頭電機停止工作。這時，現鈔被完全捆扎緊。

（5）d為熱合剪斷過程：同時，啟動熱合剪斷壓頭電機正轉開始熱合剪斷，根據捆扎帶此時角度設計布置的熱合片比剪刀高，但在熱合剪斷壓頭上升過程中，捆扎帶先被剪斷，然后熱合片將捆扎帶加壓熔接。

（6）最后熱合剪斷壓頭電機、收緊壓頭電機、固定壓頭電機依次反轉，復位到初始位置。這時，捆扎帶加壓熔接處冷卻，得到牢固的接頭，至此完成現金打捆工作。

圖1 現金打捆機工作模型的打捆過程示意圖

1、進收帶電機，2、捆扎帶，3、帶道，4、現鈔，5、微動開關，6、固定壓頭電機，7、壓力開關，8、收緊壓頭電機，9、熱合剪斷壓頭，10、熱合板，11、剪刀，12、螺栓傳動軸

1.2控制系統硬件組成

現金打捆機的硬件控制電路主要包括STM32控制器、步進電機驅動器、熱合剪斷壓頭電機、收緊壓頭電機、固定壓頭電機、位置狀態傳感器、微動開關、壓力開關、電源管理幾大部分。其主要硬件框圖，如圖2所示：

圖2 現金打捆機主要硬件框圖

控制系統主控芯片采用基于ARM Cortex-M3內核的STM32系列32位閃存微控制器，該芯片非常適合在要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式控制領域應用。STM32具有自己獨特的優點： 在Cortex-M3架構上進行了多項改進，在提升性能的同時，所有新功能都具有較低的功耗，其內核電壓為1.8V，芯片電壓為3.3 V，可以選擇睡眠模式、待機模式，保證低功耗應用的要求;相對于ARM系列其他芯片，STM32運行速度更快; 7個TM最多可以產生28個精準的PWM信號，方便地用于步進電機控制;豐富的通信模塊便于與上位機進行通信[3]。

步進電機是機電控制中一種常用的執行機構，區別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。它具有高精度的定位、位置及速度控制、定位保持力、開回路控制不必依賴傳感器定位等特點，因而被廣泛地應用[4]。本系統要用到4臺兩相四線制42BYG102步進電機，采用L6208N驅動芯片來驅動[5]。

主控芯片接收到打捆指令并將其轉化為用于控制步進電機的PWM信號和方向信號，然后通過步進電機驅動器對步進電機進行細分驅動，細分后步進電機運行將更加平穩[6]。其中控制一臺步進電機需要STM32產生PWM信號和方向控制信號，并利用HCPL0630光電耦合器進行光耦隔離后經三極管放大輸出。通過光耦合器的隔離，電路具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。三極管放大采用開漏輸出，方便線與邏輯功能的實現，同時通過外接不同上拉電阻可以增加外圍的驅動能力。

2.系統軟件設計

2.1 控制程序流程圖

系統主要通過各個步進電機和傳感器的協調配合，實時監控位置狀態信號，當現金打捆過程中發生特殊情況時，只需調用相應的復位子程序，即可實現自我修正，真正實現了高精度的閉環可自修正控制。其整體控制流程圖，如圖3所示：

圖3 系統整體控制流程圖

步進電機的控制程序主要是通過完成STM32F10x芯片的初始化，以及RTX內核的初始化工作，設置好CLOCK、CONTROL、HALF/、CW/ 、RESET、EN的所需預定值，實現步進電機正反轉等功能。其中將TIM2的第1個通道配置成PWM模式，此模式可以產生一個由TIM2_ARR寄存器值確定頻率、TIM2_CCR1寄存器值確定占空比的信號。為使步進電機能穩定旋轉，將TIM2_CCR1 的值設置為TIM2_ARR的一半。通過修改對硬件的初始化，可改變對電機的控制策略，系統具有較好的通用性[7]。

2.2 打捆機構控制原理及實現方法

系統中通過對打捆機構中的三個壓頭的協同控制，來實現現金打捆。設計中將步進電機轉軸與螺栓傳動軸固定在一起，螺母固定在三個壓頭底部，這樣通過螺栓傳動軸的轉動就可以實現三個壓頭的升降，問題就轉化成對步進電機的協調控制。

在公制螺栓中，一般會標明，稱呼徑、牙距、長度等規格參數，這樣就可以得到螺絲直徑d、螺距p、螺紋長度l。以一臺步進電機為研究對象，設打捆機構中的一個壓頭需要升降的高度為h（h

如果42BYG102步進電機采用兩相八拍運行方式， 轉子齒數為50齒，則運行時步距角為θ=360度/（50×8）=0.9度。設驅動器細分倍數、電機運行總步數、PWM脈沖總個數分別為 n、N、P，則

這樣，就可以根據PWM脈沖總個數P在程序中的設置，從而實現給定的打捆機構中的各個壓頭需要升降的高度。

步進電機每一次目標位置的移動，都需要經過啟動、加速、高速、減速和制動過程。速度大小是由PWM脈沖信號頻率決定的，所以完成目標位置移動的過程就是不斷調整PWM脈沖信號頻率的過程。STM32定時器產生的PWM脈沖頻率是由時鐘頻率f、預分頻值M、計數周期T決定的，而時鐘頻率和計數周期通常固定不變，所以只需通過修改預分頻值來調整輸出脈沖頻率，就可以調整步進電機的轉速[8]。

3.結語

本設計改進了現有現金打捆機產品設計方案的優缺點：采用STM32F10x微處理器進行硬件控制，提高了系統的精度;同時對機械設計部分進行重新設計，采用步進電機對打捆機構中的三個壓頭進行協同控制，實現了原有凸輪的功能。經過功能調試，系統既簡化了設備的體積，又具有實時監控調整功能，真正實現了高精度的閉環可自修正控制，能夠完成現金打捆，實現預期的要求和效果。

參考文獻：

[1]丁素珍.新型捆鈔機及捆扎帶的發展趨勢[J].浙江工貿職業技術學院學報，2005（4）：13-18.

[2]陳予吒，高鋒.五點式全自動捆鈔機的原理與實現[J].電子技術應用，2003，29（11）.

[3]王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京： 北京航空航天大學出版社，2008： 22-408.

[4]庫少平，劉晶.基于STM32F10x和MDK的步進電機控制系統設計[J].武漢理工大學學報，2009，31（3）.

[5]意法半導體公司.步進電機驅動L6208N應用手冊.

[6]張 理.細分驅動技術在步進電動機中的運用與分析[J].電器工業，2008（5） ： 58-59.

[7]意法半導體公司.STM32F103 中文參考手冊.

[8]劉慧英，范寶山.基于STM32的多步進電機控制系統研究[J].測控技術，2010，29（6）.

作者簡介：楊忠勝，學生，碩士，主要研究領域：檢測技術與自動化裝置。