基于STM 32的籽棉水雜快速檢測設備控制系統設計

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〔鄭州棉麻工程技術設計研究所，河南 鄭州 450004〕

隨著機采棉技術的發展，我國新疆棉區普遍采用機械化采收方式，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、檢驗結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，開發籽棉回潮率與含雜率的快速檢測設備，有利于提升機采棉收購智能化技術水平，提高棉花加工質量，保障新疆棉花產業高質量發展，對促進棉花產業提質增效與產業化發展具有重要意義。

一、控制系統總體方案設計

籽棉水雜快速檢測設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備控制系統主要完成整個檢測設備的運動及圖像檢測控制、與上位機的通信及回潮數據傳輸。控制系統主要由回潮采集、物位檢測、操作面板、電源電路、上位機通訊、運動控制、圖像檢測控制等模塊組成。其總體方案如圖1所示。

圖1 控制系統總體方案

控制系統以STM32F103VET6為主處理器，通過操作面板上三個按鍵的狀態來判斷需要進行的操作：對稱重推桿和步進電機進行控制，來完成待測棉樣的稱重和輸送；待棉樣輸送到指定位置后，控制壓棉機構對棉樣進行壓縮后，觸發工業相機拍照來實現圖像檢測控制；同時對回潮率進行采集，并將回潮率數據上傳給上位機。

二、控制系統硬件設計

（一）主控電路

主控電路是硬件系統中的核心部分，本控制系統采用STMicroelectronics公司生產的STM32F103VET6作為控制芯片，該芯片采用Cortex-M3內核，CPU最高速度達72 MHz。芯片內部集成了4個通用定時器，兩個高級定時器，兩個基本定時器、兩個SPI、兩個I2C、五個USART、一個USB、一個CAN通信等資源，以供控制系統使用。

（二）電源電路

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

相機直流12 V供電采用德州儀器生產的LM2596S-12電源芯片。該芯片可提供3A的電流輸出，具有完善的保護電路、電流限制、熱關斷電路，同時具有很好的線性和負載調節特性。相機供電電路如圖2所示。

圖2 相機供電電路

控制電路直流5 V供電采用德州儀器生產的DC/DC開關電源轉換芯片TPS5430，該芯片性能優越，轉換效率可達95%，同時具有過流保護及熱關斷功能。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壓器AMS1117，該芯片內部集成過熱保護和限流電路。控制電路3.3 V供電電路如圖4所示。

圖4 控制電路3.3 V供電電路

（三）回潮采集及上位機通信

控制系統通過RS232接口采用Modbus協議與回潮采集模塊及上位機進行串口通信，將采集到的回潮數據傳輸給上位機，同時，將設備工作狀態實時同步給上位機。接口芯片選用美信公司的MAX3232，其專有的低壓差發送器輸出級，利用雙電荷泵在3.0 V～5.5 V電源下實現真正的RS232性能，僅需要四個外部0.1μF電荷泵電容器，可確保120 kbps的數據速率，同時保持RS232輸出電平。回潮采集及上位機通信接口電路如圖5所示。

圖5 回潮采集及上位機通信接口電路

（四）棉樣稱重、壓縮控制

檢測設備需要對棉樣進行稱重及壓縮，棉樣稱重通過控制抬起電子稱重模塊來實現，棉樣壓縮通過控制壓棉機構下壓來實現。電子稱重模塊的升、降和壓棉機構的下壓、抬起都是通過控制直線型電動推桿來實現。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動方向。推桿控制電路通過控制兩個繼電器來實現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進行隔離，兩個繼電器常閉端接推桿電源的負極，常開端接推桿電源的正極，兩個公共端接推桿電機線圈。主控芯片控制繼電器的吸合以實現推桿電源正負極的切換。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

檢測設備需要將待測棉樣輸送到暗箱中進行圖像采集來實現含雜率的檢測，棉樣的輸送通過配有同步帶的步進電機來實現。電機配有雷賽智能帶RS485接口的DM2C系列驅控一體型步進驅動器，該驅動器基于Modbus RTU總線協議。控制系統需要通過RS485接口與電機驅動器通信，來實現對電機的控制。

RS485芯片選用亞德諾半導體（Analog Devices）生產的ADM2587E芯片，該芯片采用isoPower?技術，集成隔離式帶DC/DC轉換器的RS485/RS422收發器，具有開路和短路故障保護。電機控制接口電路如圖7所示。

圖7 電機控制接口電路

（六）物位檢測

物位檢測主要通過接近開關來完成各運動部件是否到位的判斷，接近開關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。接近開關與主控芯片電平不同，需要在接近開關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 接近開關隔離電路

（七）圖像檢測控制

檢測設備通過對棉樣圖像的分析來完成含雜率的檢測，控制系統通過對相機的控制來完成圖像檢測的控制。棉樣圖像采集選用的海康威視工業相機，輸入邏輯高電平為1.5 V～24 V，低電平為0 V～1 V，控制系統通過相機的I/O接口對相機進行控制，觸發信號由主控芯片STM32F103VET6直接給到相機進行采圖，觸發信號配置為上升沿觸發，相機接收觸發信號開始采圖，其觸發拍照時序圖如圖9所示。

圖9 相機觸發拍照時序圖

三、控制系統軟件設計

根據控制系統功能要求，軟件流程圖如圖10所示。

圖10 控制系統軟件流程圖

控制系統通過操作面板上三個按鍵的狀態來判斷需要進行的下一步操作：

1.當稱重按鍵被按下時，系統控制稱重推桿推出，將電子稱重模塊推出檢測設備臺面，對待測棉樣進行重量檢測，推桿推出并斷電后，系統進入按鍵掃描程序；

2.當檢測按鍵被按下時，系統控制稱重推桿反轉，待稱重推桿復位后，控制步進電機，將棉樣盒送至暗箱，進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送至初始位置，系統繼續進入按鍵掃描程序；

3.當復位按鍵被按下時，控制系統先對兩個推桿進行復位操作，待推桿全部復位后，步進電機開始復位，直到系統全部復位至初始狀態，繼續進入按鍵掃描程序。

4.當系統工作出現異常時，控制系統進入故障報警狀態，待故障報警解除后，需按下復位按鍵對系統進行復位后，才能進行其他操作。

四、結語

本文詳盡介紹了基于STM32F103VET6的籽棉水雜快速檢測設備控制系統的軟、硬件設計，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計以及嵌入式軟件的開發，實現了一個穩定、可靠的控制系統。該控制系統的應用，為籽棉水雜快速檢測設備的穩定工作提供有力保障。☆