基于STM32的數(shù)控切條機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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夏辰超，周建華，杭小宇
（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）
摘要：設(shè)計(jì)了一套以STM32為核心控制器的數(shù)控切條機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)STM32控制器完成系統(tǒng)控制、信號(hào)采集以及脈沖運(yùn)動(dòng)控制等。根據(jù)人機(jī)交互的要求，選用LED顯示加4×4鍵盤(pán)輸入實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警和遠(yuǎn)程控制等功能。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：與傳統(tǒng)的繼電器控制方式相比，采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心的數(shù)控切條機(jī)在精度和安全可靠性方面更具優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞：數(shù)控切條機(jī)；STM32；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)中圖分類(lèi)號(hào)：TP273
0 引言
橡膠切條機(jī)是近十幾年出現(xiàn)的一種小型設(shè)備，應(yīng)用廣泛、安全可靠、節(jié)省人力，主要功能是對(duì)橡膠、硅膠、丁腈、丁基膠、三元乙丙天然膠等各種混煉膠片的預(yù)成型進(jìn)行處理，以及對(duì)特種橡膠板、海棉、玻纖、PU膜、斑馬條、紙板等具有一定硬度的非金屬精密切條、切絲、切塊等，也能對(duì)不干膠背覆的軟性材料進(jìn)行切割。此設(shè)備可自由設(shè)定切割模式（包括半切斷模式、全切割模式），切口整齊，尺寸精確。
傳統(tǒng)的切條機(jī)采用繼電器控制技術(shù)，由于繼電器的性能限制，導(dǎo)致在控制方面出現(xiàn)了許多問(wèn)題，因此急需對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。針對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了一套以STM32為核心控制器的數(shù)控切條機(jī)控制系統(tǒng)。
1 數(shù)控切條機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
數(shù)控切條機(jī)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分組成，其控制系統(tǒng)既要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理，并要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析從而對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。單片機(jī)的功能十分強(qiáng)大，性能穩(wěn)定可靠，本文采用STM32控制器作為數(shù)控切條機(jī)控制系統(tǒng)核心，用戶只需對(duì)切條距離進(jìn)行設(shè)定，其他切割所需的參數(shù)控制系統(tǒng)能夠自行計(jì)算，因此操作更靈活、更簡(jiǎn)單。數(shù)控切條機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2數(shù)控切條機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1控制器型號(hào)的選擇
本控制系統(tǒng)選擇STM32系列的單片機(jī)。STM32系列單片機(jī)是一種嵌入式ARM Cortex-M內(nèi)核，它具有高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。此次選用ALIENTEKMinlSTM32，其工作可靠、使用靈活、功能強(qiáng)，外置大容量存儲(chǔ)卡，功耗低，可以外接驅(qū)動(dòng)各種模塊，滿足不同要求，因此，能夠滿足本控制系統(tǒng)要求。
2.2 人機(jī)交互的選擇
HMI是Human Machine Interface的縮寫(xiě)，即“人機(jī)接口”，通常也叫人機(jī)界面。用戶和系統(tǒng)可以通過(guò)HMI進(jìn)行數(shù)據(jù)上的交流，人機(jī)界面采用4×4鍵盤(pán)加八段數(shù)碼管的人機(jī)交互方式，此種交互方式成本極低，較為可靠；采用TM16 38芯片作為驅(qū)動(dòng)，其是帶鍵盤(pán)掃描接口的LED（發(fā)光二極管顯示器）驅(qū)動(dòng)控制專用電路，內(nèi)部集成有MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED高壓驅(qū)動(dòng)和鍵盤(pán)掃描等電路。
2.3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電氣控制系統(tǒng)主要由主電路、控制電路、保護(hù)電路及供給電源組成。主電源為AC 380 V和220 V;控制電源為DC 24 V;單片機(jī)電源為DC 5 V。三相電機(jī)由三相380 V、50 Hz的電源供電；開(kāi)關(guān)電源、系統(tǒng)照明、電柜風(fēng)扇等采用普通的220 V電源供電；中間繼電器輸出端、晶體管輸出電路輸出端、變頻器控制端采用DC 24 V電源。
在電氣控制原理圖中，三相五線交流電源相線經(jīng)過(guò)漏電開(kāi)關(guān)接人，漏電開(kāi)關(guān)具有線路保護(hù)和接地保護(hù)的作用，使用漏電開(kāi)關(guān)作為總開(kāi)關(guān)既安全又可靠。電氣控制系統(tǒng)主電路接線圖如圖2所示。
2.4 STM32開(kāi)發(fā)板的外部接線設(shè)計(jì)
STM32開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控切條機(jī)整個(gè)流程的控制，如送料距離、送料速度和輸送帶控制等。開(kāi)發(fā)板的輸出端不能與強(qiáng)電輸入的外圍電路直接連接，所以必須通過(guò)DC24 V中間繼電器或者其他驅(qū)動(dòng)電路與外圍設(shè)備進(jìn)行連接。開(kāi)發(fā)板接收的必須是弱電信號(hào)，需要將外圍電路的強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可接收的弱電信號(hào)。STM32開(kāi)發(fā)板外部接線圖如圖3所示。
3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 控制程序的編寫(xiě)
由于軟件設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)有很大的影響，因此軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循以下幾個(gè)的原則：編寫(xiě)的程序應(yīng)該具有可靠性、高效性、實(shí)時(shí)響應(yīng)性、可模塊化。本文采用Keil uVision5編程工具，首先確定所有的輸入信號(hào)和輸出控制對(duì)象，并分配輸入、輸出端口，然后根據(jù)工藝過(guò)程畫(huà)出控制流程圖，最后根據(jù)控制流程圖來(lái)確定如何編寫(xiě)程序。
3.2 操作界面設(shè)定
4×4鍵盤(pán)按鍵功能的設(shè)定如圖4所示。
LED八段數(shù)碼管功能參數(shù)設(shè)定如圖5所示。
以連切模式為例，其參數(shù)設(shè)定演示如圖6所示。其中，A代表的是連切模式，后面的1代表的是送料距離設(shè)定，最后面的1. 500代表送料的距離為1.5 m。
4 總結(jié)
本文設(shè)計(jì)的橡膠切條機(jī)控制系統(tǒng)有連續(xù)切、單切以及手動(dòng)等多種模式，在LED顯示和4×4鍵盤(pán)上可以控制切條速度的遞增與遞減，輸入送料距離后可自動(dòng)調(diào)節(jié)速度、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的正反轉(zhuǎn)。該控制系統(tǒng)價(jià)格低廉，工作可靠，在單片機(jī)上還可以擴(kuò)展更多功能以滿足不同的需求。
