基于STM32的紙和紙板彎曲挺度測定系統設計

佟向坤，沈洪銳，李燁

（1.廣東東軟學院，廣東佛山，528225；2.仲愷農業工程學院，廣東廣州，510225）

0 引言

2020年1月，國家發改委、生態環境部發布《關于進一步加強塑料污染治理的意見》[1]，其中 “禁塑令”的頒布意味著包裝行業和造紙行業將迎來更加快速的發展，“以紙代塑,以紙代木”將成為“禁塑令”下的發展趨勢。僅以快遞業為例，2020年我國的快遞量已超過700億件，人均快件從 2000年的0.01件增長到2020年的約50件[2]。根據全球性環保組織綠色和平發布數據，按照材質類型，快遞包裝可分為紙質類和塑料類。2018年我國共消耗紙質類快遞包裝材料856.05萬噸，占總快遞包裝材料的90.95%。為了滿足包裝的需求，造紙行業和包裝行業對紙張的質量要求越來越嚴格。彎曲挺度[3-7]是衡量紙和紙板的抗彎曲能力，與耐破、張力、壓縮等特性一樣，是用于評定紙和紙板使用性能的指標之一。造紙行業和包裝行業勢必追求在滿足彎曲挺度指標的前提下，讓定量和費用達到最優。研究基于STM32的紙和紙板彎曲挺度測定系統，能夠自動測定待測紙和紙板的彎曲挺度，反饋紙和紙板的使用性能，為紙和紙板的制造提供理論依據，制造出更合適的紙和紙板。

1 系統設計方案

系統設計方案如圖1所示，系統包括輸入、最小系統以及輸出三部分，彎曲挺度儀示意圖如圖2所示，當系統測定紙和紙板彎曲挺度時，將試樣放入夾頭（圖2標識5），系統通過繼電器控制氣動閥門夾緊待測紙和紙板，依據參考文獻3的國家標準確保試樣位置準確，通過力矩電機設定測定力矩（圖2標識l的長度），通過旋轉軸電機旋轉旋轉軸（圖2標識4）改變彎曲角度，通過ADC采集模塊采集彎曲力測量裝置（圖2標識1）中傳感器的數據，并進行數據的分析計算最終轉換成彎曲挺度值，實時顯示在屏幕上或通過打印機進行打印。

圖1 系統設計方案

圖2 中：標識1表示彎曲力測量裝置，標識2表示刀口，標識3表示試樣，標識4表示旋轉軸，標識5標識夾頭，標識l表示彎曲長度，標識L表示自由長度。

圖2 彎曲挺度儀示意圖

2 硬件設計

2.1 輸入

系統要求測量的彎曲挺度范圍為（0～500）mN.m，準確度為50mN以下±0.6mN，其余±1%。為了滿足需求，彎曲力測量裝置（圖2標示1）中選用2.0+0.004 mV/V靈敏度，3Kg量程的ST2拉壓力傳感器，ADC采集模塊采用國內芯海科技（CHIPSEA）有限公司的CS1232芯片。CS1232是一款低成本，高精度的數據轉換器，適用于衡器儀表類小信號測量，并且兼具低噪聲和低功耗，無需外置放大電路，高達23.5位的高精度分辨率以及139nV-298nV的P-P噪聲能夠很好的滿足本系統的精確要求。ADC采集模塊[8,9]電路原理圖如圖3所示。

圖3 ADC模塊

2.2 最小系統

最小系統主要負責測定環境的控制以及彎曲挺度的測量，包括電源電路，STM32主控芯片，存儲電路，時鐘以及按鍵等幾部分組成。

2.2.1 電源電路

系統中各功能模塊需不同電壓供電，其中STM32的供電電壓為3.3V，壓力傳感器的供電電壓為5V，繼電器、電機驅動電路、大彩屏屏幕的供電電壓為24V，系統的輸入電壓為24V，采用減壓法設計需要的各級電壓，如圖4所示。

圖4 電源電路

U7為線性穩壓器（LDO）芯片KIA78D09F，實現24V轉9V的固定輸出。該芯片紋波抑制好，可實現最大25V電壓輸入，最大1A電流輸出，因為該芯片的輸出將作為后級降壓芯片的輸入，所以應選用大功率輸出的穩壓器。U8和U9為AMS1117系列穩壓器，分別實現5V和3.3V的固定電壓輸出。AMS1117系列穩壓器的優點是其內部提供過流保護和過熱保護，以確保電源輸出的穩定性。另外，該系列芯片提供先進的修正技術，以確保精度高達1%的穩定電壓輸出。U10為TI公司的高精度基準電壓源芯片REF5050，其作用是用于維持恒定的輸出電壓，即輸出電壓在環境溫度或輸入電壓等參數變化的情況下也能保持穩定。

在該模塊的layout設計中特別需要注意各電源模塊間的地線處理，否則會帶來嚴重的噪聲干擾，影響電源穩定性。本系統采取將各電源模塊及其負載分布在不同的區域，最后通過多電感并聯方式將地線連接。

2.2.2 中央控制芯片

中央控制芯片。本系統采用STM32F429IGT6芯片作為中央控制芯片，STM32F429IGT6是STM32[10]的高端產品，采用意法半導體先進的90納米制程和新的設計方法，為增強型 ARM Cortex-M4內核，內置1MB閃存和256KB SRAM，具備運行模式性能優異而停止模式功耗低的特點，能很好的滿足本系統的功能需求。

2.2.3 Flash存儲器

Flash存儲器。本系統采用W25Q128FV(128Mbit)型串行Flash存儲器，該存儲器面向受限于空間、引腳和功耗的系統，提供了一種存儲解決方案。它們是代碼存儲、代碼直接通過雙線/四線SPI運行、文本和數據的理想選擇。雙線/四線IO模式SPI，SPI時鐘頻率最高可達104MHz，因此在雙IO SPI模式下等效于208MHz，四IO SPI/QPI模式下等效于416MHz。此外，本存儲器還具備高效的“連續讀”和QPI模式，低電流消耗，寬溫度范圍以及高安全性等特點，因此選擇此款存儲器作為本系統的存儲芯片。

2.3 輸出

輸出部分包括數據顯示和測定環境控制部分，數據顯示通過屏幕或者打印機，控制部分包括力矩電機、旋轉軸電機（圖2標識2所示）以及繼電器的控制，主要是保證測定環境符合測定標準。

系統采用大彩屏屏幕作為數據的顯示終端，大彩屏采用32位雙核處理器，內嵌嵌入式實時操作系統，集成了SDR顯存、圖片解碼、GUI操作等功能，使用2D加速引擎，配合各種特效效果，STM32只需通過串口指令便可輕松實現各種文本、圖片以及曲線的顯示，滿足本系統對顯示的要求。

系統要求提供6檔力臂，（50/25/20/15/10/5mm）精度精確到±0.1mm，因此力矩電機采用型號57J1854-828的電機，其步距角1.8°，靜力距0.9N.cm，電機驅動采用DM420數字式兩相步進電機驅動器，采用PI控制算法，低噪聲，低震動，性能優越，能平穩的驅動步進電機。系統要求彎曲時間在5～35s范圍內，彎曲角度（±7.5°或±15°）±0.3°（1～90°可調），因此旋轉軸電機采用型號57J1880-450的電機，其步距角1.8°，步距角誤差±0.09°，靜力距2.2N.cm，電機驅動采用2DM542驅動，2DM542采用最新的 32 位 ARM處理器進行控制，用戶可根據需要自由配置，內部編寫先進驅動控制算法，能保證步進電機在各速度段精準、穩定運行，內置細分算法能使電機在低轉速時平穩運行；中高速力矩補償算法，能最大限度的提高電機中高轉速時的轉矩[11]。電機控制部分原理圖如圖5所示。

圖5 電機控制電路

3 軟件流程

測定彎曲挺度的流程如圖6所示。

圖6 測定流程圖

在恒速彎曲法中，彎曲挺度表示紙和紙板在彈性變形范圍內受力彎曲時所需要的力。

式中：B1為彎曲挺度指數，單位為牛頓六次方米每三次方克(N·m6/g3)，B為彎曲挺度，單位為牛頓(N)，g為試樣的定量，單位為克每平方米(g/m2)。只要計算彎曲挺度，便可通過式（1）求得彎曲挺度指數。

4 測定步驟及結果

4.1 試驗步驟

本系統要求測定的彎曲挺度范圍為（0～500）mN.m，因此選用恒速彎曲法，該方法適用于彎曲挺度為20nN.m～10000mN.m的紙和紙板，測定原理是在50mm或10mm彎曲長度下，將一端被夾持的試樣彎曲到規定角度所需的彎曲力的平均值表示彎曲挺度。試驗步驟如下：

（1）按GB/T451.2紙和紙板定量的測定標準[12]選定測定試樣的定量。

（2）如圖2所示，自由長度（L）選擇（57±3）mm，彎曲長度（l）精確到（50.0±0.1）mm，將試樣放入夾頭，按標準GB/T 22364-2018對齊試樣并以規定的自由長度伸出夾頭。

（3）夾持壓力應足以保證牢固的夾持住試樣，并確保所測得的彎曲力不受夾持壓力的影響。

（4）將儀器的彎曲角度設定為15°，測試前，確保試驗不受任何彎曲，確保刀口線與試樣表面接觸但不對試樣施加任何力，每個試樣只測定一次。

（5）如果在彎曲角度15°之前出現最大彎曲力，或在測試過程中出現斷裂、扭結或褶皺，該結果舍棄。如果超過10%的試樣出現這種情況，按標準將15°改為7.5°。

（6）測定時試樣正反面彎曲試驗的數目應相同。每個測定方向，至少測試10個試驗并得到10組有效數據。

4.2 測定結果

試驗對1mm、1.5mm、2mm以及2.5mm等四種紙板進行測定，彎曲挺度值準確度均在1%以內，彎曲角度±15°以內誤差＜0.3°，力矩50mm以內誤差＜0.1mm。試驗過程部分界面如圖7所示，測定過程中橫縱坐標范圍會根據測量數據范圍進行適當的調整。

圖7 試驗過程

5 結束語

本系統以STM32為主控芯片，設計了一種高精度的彎曲挺度測定系統。實驗結果表明該系統的測定過程以及結果均符合紙和紙板彎曲挺度測定的相關標準，能提供紙和紙板彎曲挺度的精準測量。系統不僅可進行數據處理和動作控制，還能提供自動復位、過載保護，另外系統設有標準串行RS232接口，可擴展上位機的綜合報表系統。通過對彎曲挺度的測定，能客觀反映紙和紙板的剛度和強度，側面展示抗凸出能力，保護程度。能夠更好的研究紙和紙板的生產，提高制紙用品的使用范圍，生產出更加適合特定場合的紙和紙板，有廣泛的應用前景。