基于嵌入式系統的壓痕強度測定儀的設計與軟件開發

蘇紅波　寧凡

摘 要：基于STM32F407V系列單片機系統，以C語言為設計平臺，設計開發了一種瓦楞紙的壓痕強度測試儀器。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、壓痕等參數的檢測與測試。該儀器用途廣泛，是紙板、瓦楞紙板生產廠家、科研院校、檢測機構等不可缺少的重要測試儀器。測試結果表明，該控制系統具有較高的測量精度。

關鍵詞：嵌入式系統；瓦楞紙； 強度測定；壓痕

中圖分類號：TS02 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

近幾年，中國的經濟日益繁榮，各個行業對物品的包裝和質量要求越來越嚴格。紙質品包裝需求量與日俱增，對包裝印刷材料的印刷適性的測試需求越來越高。國外在包裝用紙方面的發展比較早，技術也比較成熟，而我國的這項技術整體落后，不能適應我國目前造紙及印刷行業面向國際的需要。因而，研制開發智能化、多樣化的類儀器儀表顯得非常重要。

壓痕強度測定儀主要用于紙板的環壓強度、邊壓強度、黏合剝離強度、瓦楞紙芯平壓強度、單面單層瓦楞紙板平壓強度等物理性能的測定，是紙板和瓦楞紙板生產廠家以及有關科研院校、檢測機構不可缺少的重要測試儀器。

本文以嵌入式系統為核心，采用先進高速ARM[1]處理器，精心合理的設計一款設計新穎、使用方便、性能優異、美觀大方的壓痕強度測定儀。該儀器為采用機械、電子、計算機相結合的技術，主要用于單瓦楞紙板和雙瓦楞紙板的壓痕測定。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，對評估瓦楞紙板的質量具有重要的意義，比如對于瓦楞紙板箱的有效裝配和密封等技術方面都將起到推動作用。

2 整機組成（System components）

2.1 整機組成

整機的結構圖如圖1所示。

圖1 整機的模塊圖

Fig.1 System block diagram

該儀器采用嵌入式STM32系列單片機，該芯片為測試儀的控制核心，控制系統中所有模塊的工作。人機界面采用觸摸屏，簡單方便操作。打印機采用智能型設備，實時跟蹤打印測試結果。壓力傳感器用于檢測試樣的壓力。電機驅動模塊用于驅動伺服電機的工作，限位檢測模塊用于設定樣品的位置，并進行不同程度的壓縮。

2.2 工作原理說明

論文設計的瓦楞紙壓痕強度測定儀[4-8]利用步進電機驅動傳動機構，使測定儀的動夾頭以設定的壓縮速度擠壓被測試樣，利用壓力傳感器檢測試樣在被壓時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，系統將采樣得到的壓力值和變形量以曲線和數字的形式在顯示屏上顯示出來，讓用戶了解試樣的動態性能參數。

3 主要硬件設計（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，是專為嵌入式系統應用而開發的內核，該內核內部資源豐富，具有多種功能，有利于智能化控制系統的設計。在壓痕強度測定儀的設計過程中，該芯片起到總體控制作用，完成壓力信號的采集和轉換、控制電機模塊的驅動人際觸摸屏的顯示控制以及限位檢測的控制作用。

3.2 信號采集模塊

信號采集模塊即壓力傳感器，壓力傳感器是該儀器的重要模塊，傳感器性能及準確度直接影響到整個測力儀的性能及指標。壓力傳感器的種類很多，根據試驗，筆者選擇了CHLBU型輪輻式拉壓力傳感器，采用十字剪切梁結構，具有良好的自然線性、抗偏載能力強、精度高、外形高度低、安裝方便穩定，在料斗稱、汽車衡、軌道衡等電子稱中廣泛應用，在各種工業稱重系統中做力的分析與測量。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 電機驅動模塊

電機驅動采用L298N。該芯片是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續工作電流為2A；額定功率25W。內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅動電機的運作。驅動電路形式如圖3所示。

圖3 電機驅動電路

Fig.3 Servo motor running curve

4 軟件構成（Software system）

該軟件程序主要由電機控制軟件、數據采集軟件、數據處理軟件、參數設置軟件、調零軟件、顯示和打印模塊、試樣設置軟件等模塊構成等。控制軟件的結構圖如圖4所示。

圖4 系統軟件構成

Fig.4 System software

壓痕強度測定儀控制軟件[9]具備電機控制、參數設置、刪除無效數據、參數校準、參數調零、壓板距離設置、試樣參數設置、結果查詢、顯示打印等功能，能自動完成對瓦楞紙的壓痕測定。該測試儀的控制軟件平臺具有多種功能，客戶操作簡單、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 測量結果（Measurement results）

本系統以嵌入式的單片機為核心控件，采用立式結構，下端U形支架，將試樣放在上面，由上端的壓力對U形支架上

的試樣進行施加壓力，具有超量程報警功能，實時顯示壓力值或變形量曲線，測試結果顯示最大值、最小值、平均值、比率等。另外可連接計算機軟件，具有實時顯示抗壓曲線功能以及數據分析管理、保存、打印等功能。測試結果如圖6所示。

圖6 壓痕強度測定儀測量結果

Fig.6 Measurement results of score quality tester

6 結論（Conclusion）

基于STM32F407嵌入式單片機、以C語言為設計平臺研制開發了紙箱壓痕測試儀以及軟件系統。該儀器具有多種測試功能，主要用于紙板的環壓強度、邊壓強度、黏合剝離強度、瓦楞芯平壓強度、單面單層瓦楞紙板平壓強度等物理性能的測定。測試范圍可達3000N，示值精度為±1%，液晶顯示有效值位為4位，打印結果可以顯示4位有效數字，壓縮速度為12.5±2.5mm/min，分辨率為1N。該儀器的成功推出對紙板和瓦楞紙板生產廠家提供的便利，可節約成本，提高企業的利潤。

參考文獻（References）

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作者簡介：

蘇紅波（1976-），男，本科，工程師.研究領域：智能儀器

儀表.

寧 凡（1978-），女，本科，副教授.研究領域：離散系統及算

法研究.