一種塑封收集控制系統的設計和實現

陳細武

廈門華聯電子股份有限公司，福建，廈門，361000

關鍵字：分溫區控制；電流細分控制；電流檢測；語音播報

0 引言

本文為一種排泄物收集的塑封收集控制系統，該收集控制系統的執行動作完成了從自動送袋、夾緊塑膠袋、加熱、撤袋到收集這一系列的過程。塑膠袋的塑封由加熱電阻絲、夾緊裝置、自動送袋-取袋、溫度檢測傳感器、步進電機、電機位置檢測器、塑膠袋檢測器、報警器、人機交互和主控制板等組成，系統執行步驟簡單、一鍵式操作、可快速完成糞便的收集工作。本控制系統可以在90秒內實現從封口開始到完成關聯的動作，并形成效果穩定、良好的封口。

1 控制系統總體設計

本塑封收集系統的運動執行結構包含夾緊電機、送袋電機、撤袋電機和三個對應的位置光電開關。塑膠袋加熱、保溫結構為良好的塑封效果提供了保障，塑膠袋處于加熱絲和保溫棉之間，溫度采樣傳感器為圓形溫度傳感器，貼緊加熱絲并處于保溫棉之外。系統的結構傳動示意圖如圖1所示。

圖1 結構傳動示意圖

三個步進電機的編號為STEP1、STEP2、STEP3，三個檢測STEP3驅動的傳送帶位置的光電對射管編號為GD1、GD2、GD3。GD1用來檢測壓緊裝置的初始位置，GD2和GD3用來檢測壓緊裝置是否在封口位置。

結合傳動系統的結構，控制系統完成了對電機的控制以及位置判斷，從而實現塑封收集系統自動送袋、撤袋、夾緊袋口的模塊動作功能，同時控制加熱系統完成塑膠袋的塑封加熱控制功能，從而實現良好的塑封效果。

1.1 系統結構

塑封收集系統整體框架如圖2所示，由顯示板和主控板組成本系統關鍵的智能控制模塊，主顯板采用UART串口通信，人機交互采用輕觸按鍵實現。主控板對顯示板的指令進行響應、傳遞系統工作狀態信息；由步進電機和位置光電傳感器組成的運動控制模塊，對裝置結構實現送塑膠袋，夾緊和拉袋的動作功能；溫度控制由加熱管、溫度傳感器、電流檢測電路組成，完成塑膠袋溶解定性的加熱要求；系統實現了有無塑膠袋子檢測功能；控制語音智能播報任務[2]。

圖2 控制系統框圖

系統工作流程：控制步進電機壓緊塑料袋封口，控制加熱絲加熱到一定溫度，后進行一定的保溫，對塑料袋封口并切斷，將排泄物封入塑料袋中，并自動準備下一次使用的塑料袋。

1.2 塑封控制設計

主控板接收到收集指令后開始執行相關的封口動作：夾緊、封口加熱、撤袋、送袋以及回位，由此完成最終的收集任務。

（1）封口動作。當主控板接收到運行指令后先控制STEP3反轉確定初始位置GD1，運行STEP1電機正轉使袋子下沉一段距離，運行STEP2電機向下扯袋4.5秒，為確保袋子處于寬松狀態，將袋口往下拉到加熱管以下。運行STEP3電機正轉至封口位置（GD2、GD3感應位置）,當STEP3電機處于封口位置后，STEP1電機反轉，STEP2電機正轉，使袋子產生一定的拉扯保持封口位置袋子的垂直平齊無褶皺。STEP3電機正轉700ms使夾緊裝置上的保溫棉與加熱絲充分的壓緊，將袋子中的空氣排除，隨后開始對塑膠袋進行封口加熱。

（2）塑膠加熱。閉環溫度控制系統算法基于塑膠袋的最佳封口溫度、持續時間、降溫要求，使加熱絲溫度控制算法可達成表面光滑、塑膠重新成型并緊密封口的效果。

（3）冷卻塑封成型分離。加熱保溫完成后，關閉加熱絲加熱功能輸出，采用自然冷卻方式，將塑膠袋進行分離，排泄物收集到塑封完成的塑膠袋中。排泄物運送至收集盤內，完成排泄物的自動收集功能。

（4）送袋。完成一次收集后，將存儲袋拉出送至托盤位置，為下一次使用做準備。

1.3 語音智能提示

當系統在運行過程中時，檢測到各種輸入輸出信號故障，將會用語音的方式提示用戶，并提供幫助指引。系統開始運行時，系統將語音提示，為用戶提供操作指導。當系統完成收集后，提示用戶已完成收集。

2 硬件電路設計

本控制系統主要模塊單元包括電機控制單元、塑封加熱控制單元、加熱絲電流檢測單元和語音播放單元。

對于電機驅動的方案選擇，由于電流細分驅動方式相對于恒壓驅動電機方式，具有電機扭矩控制恒定，對系統的電源沖擊更小，確保系統供電穩定，故選用電流細分控制方案，實現對步進電機及傳動模塊的控制，完成塑膠的夾緊及塑膠袋的傳送。

利用加熱絲控制使用MOS管方案，同時對加熱絲電流進行采樣，可快速實時地檢測確認加熱絲的電阻狀態，對異常加熱絲及時地報警和安全保護[3]。

使用語言專業芯片加功放驅動的方案，解決清晰洪亮的語音播報功能，為用戶使用提供應用指引。

2.1 電機驅動控制單元

系統使用的電機為4線2相式步進電機。對電機控制的要求步進電機運行過程平穩，具有足夠的扭力，電流細分驅動方式不僅可以提高電機的步進角度分辨率而且可以減緩步進電機運轉過程的震動和噪聲，使得電機的力矩輸出更平穩。故電機驅動方案選用電流細分方式較為合適。

電機驅動電路選用ROHM電機驅動芯片。通過硬件端口配置細分方式為1/4細分。電流衰減根據不同的電流工作狀態做平滑處理。電路圖如圖3所示。

圖3 電機驅動原理圖

當接收到電機轉動命令后，使能芯片的PS口，電機的轉動方向由CW_CCW端口控制，高電平逆時針旋轉，低電平順時針旋轉。CLK輸出固定頻率的時鐘控制信號驅動電機以一定轉速轉動。CLK輸出固定頻率的時鐘控制信號驅動電機以一定轉速轉動。實現對系統電機的控制。

2.2 封口加熱系統電路

封口加熱系統是由加熱絲控制電路、NTC溫度采集和電流采樣電路組成的閉環系統。加熱絲的控制原理圖如圖4所示。

圖4 加熱絲控制原理圖

加熱絲工作的驅動電路中的電壓隔離由第一級三極管Q8負責對后級電路開關作用，第二級三極管Q5主要負責對電平與后級MOS管匹配。電路工作過程如下：

①當JRQ信號為低時，第一、二級三極管截止，MOS的GS電壓為0V，MOS管關閉；

②當JQR為高電平時，三極管打開，MOS管驅動電壓為12V，MOS管驅動打開，加載12V電源各加熱絲工作。

③采樣電阻選用0.05Ω/2W/2512封裝的精密電阻，采樣電阻最大功耗小于1.5W，小于的采樣電阻額定功率。

④流經采樣電阻電壓較小，容易受到環境干擾信號干擾，單片機容易出錯產生誤報警，因此需要對采集信號通過運放電路進行放大。

對于加熱絲的溫度采用NTC傳感器，通過分壓濾波采樣原理實現對控制溫度采樣，為控制系統監控塑膠袋的溫度狀態，控制加熱塑封提供溫度反饋。

封口加熱系統溫度控制采用溫度閉環控制，基于塑膠袋的最佳封口溫度、持續時間、降溫要求等，設計的加熱絲溫度控制算法可達成表面光滑、塑膠重新成型并緊密封口的效果。在完成模塊對塑膠袋的夾緊后，開始對塑膠袋進行加熱融化成型。首先采集當前溫度傳感器值，設定為初始溫度值。加熱開始3S全速開啟加熱絲功率；隨后以3S為時間單位，加熱絲溫度值與目標溫度的溫度差Δt，開啟時間利用Δt線性算法得出。直到達到目標溫度值后，維持10S的目標溫度使塑膠袋充分的溶解[4]。

在加熱至目標溫度值之前，通過不同的占空比將溫度緩慢提高至121℃；然后進行自然冷卻降溫，將溫度降至80℃，塑料袋成型；最后，通過控制電機運動將塑膠袋進行分離。

2.3 語音播報電路

（1）設計原理及分析。語音播報功能模塊由語音芯片和功放芯片組成。其中語音芯片用于存儲預定播放的語音內容，功放芯片將語音芯片輸出信號進行放大提供給揚聲器進行播放。選用九芯的音視頻電路和富滿電子的功放驅動。語言播報過程如下：

①將所需的詞條寫入語音芯片中；

②MCU通過I2C通訊串口將指令發送給語音芯片，語音芯片根據接收的命令執行相對應的詞條，由DAC口輸出；

③由功放芯片將DAC輸出信號進行放大供揚聲器播放。

語音播報電路的應用電路圖如圖5所示。

圖5 語音播報電路

使用語音+功放設計的語音電路方案存在語音播放的開始和結尾會出現POP音，因此接下來對這個技術點提供詳細的解決方案。

（2）POP聲處理。POP聲是由于音頻器件在上電、斷電瞬間以及上電穩定后，各種操作帶來的瞬態沖擊所產生的爆破聲。本項目使用語音芯片+功放產生的原因如下：在語音芯片提供語音信號后，功放電路SCB8002B需要進行充電，IN+端產生沖擊尖峰，形成上電爆破音；在語音播放完成后，語音DAC端停止信號輸出，對運放內部形成瞬間下拉信號，運放識別為正常的語音信號而產生語音播放結尾爆破音。揚聲器兩端輸出的波形如圖6所示。

圖6 揚聲器輸出波形

為了消除在語音播放開始和結束位置的POP音，可以通過設計以下步驟實現POP聲的消除。

①在語音芯片端對語音詞條進行處理，在每個詞條前增加延時，避免消音時消除有效音源。

②設置運放的濾波電容，濾除噪聲干擾，穩定上電充電的時間；

③軟件處理上，在語音播放開始前，ShutDown信號，關閉功放輸出；在語音播放時，當檢測到BUSY信號后，延時100ms再開啟ShutDown信號，使其能功放輸出播放語音，從而消除播放開始的POP音[5]；

④在語音播放結束后，檢測到BUSY信號的同時關閉ShutDown信號，從而消除語音尾部產生的POP音。

經過處理后，POP音被完全消除的語音波形如圖7所示。

圖7 消除POP音后波形

其中，黃色為語音輸出信號，為揚聲器接收的音頻信號；藍色為BUSY信號，指示語音芯片播放的開始；綠色為功放ShutDown信號，控制功放是否輸出。

根據波形測試以及實際揚聲器聲音表明已將POP音消除。

3 總結

本塑封收集系統的設計滿足塑封收集傳動控制要求，包括封口、封口加熱、切袋及送袋等整個糞便收集運行過程。電機驅動方案選用電流細分驅動，提高電機運行過程的平穩性，且具有穩定的驅動力矩。塑封采用的是分溫區控制方法，解決了塑封存在的一些不良問題，且封口飽滿平滑、密閉性高，切口位置平整無毛刺。通過實時電流監測有效保證了系統工作的安全穩定，語音播報采用語音芯片+功放方案，對于存在POP問題，通過本方案實現了將語音播報的POP音有效地消除。