基于嵌入式系统的压痕强度测定仪的设计与软件开发

苏红波　宁凡

摘 要：基于STM32F407V系列单片机系统，以C语言为设计平台，设计开发了一种瓦楞纸的压痕强度测试仪器。该仪器具有多种功能，主要用于各类大型尺寸瓦楞纸箱的环、压痕等参数的检测与测试。该仪器用途广泛，是纸板、瓦楞纸板生产厂家、科研院校、检测机构等不可缺少的重要测试仪器。测试结果表明，该控制系统具有较高的测量精度。

关键词：嵌入式系统；瓦楞纸； 强度测定；压痕

中图分类号：TS02 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

近几年，中国的经济日益繁荣，各个行业对物品的包装和质量要求越来越严格。纸质品包装需求量与日俱增，对包装印刷材料的印刷适性的测试需求越来越高。国外在包装用纸方面的发展比较早，技术也比较成熟，而我国的这项技术整体落后，不能适应我国目前造纸及印刷行业面向国际的需要。因而，研制开发智能化、多样化的类仪器仪表显得非常重要。

压痕强度测定仪主要用于纸板的环压强度、边压强度、黏合剥离强度、瓦楞纸芯平压强度、单面单层瓦楞纸板平压强度等物理性能的测定，是纸板和瓦楞纸板生产厂家以及有关科研院校、检测机构不可缺少的重要测试仪器。

本文以嵌入式系统为核心，采用先进高速ARM[1]处理器，精心合理的设计一款设计新颖、使用方便、性能优异、美观大方的压痕强度测定仪。该仪器为采用机械、电子、计算机相结合的技术，主要用于单瓦楞纸板和双瓦楞纸板的压痕测定。通过带压痕试样和无压痕试样的压力值[2，3]的百分比来表示。这款仪器的推出，对评估瓦楞纸板的质量具有重要的意义，比如对于瓦楞纸板箱的有效装配和密封等技术方面都将起到推动作用。

2 整机组成（System components）

2.1 整机组成

整机的结构图如图1所示。

图1 整机的模块图

Fig.1 System block diagram

该仪器采用嵌入式STM32系列单片机，该芯片为测试仪的控制核心，控制系统中所有模块的工作。人机界面采用触摸屏，简单方便操作。打印机采用智能型设备，实时跟踪打印测试结果。压力传感器用于检测试样的压力。电机驱动模块用于驱动伺服电机的工作，限位检测模块用于设定样品的位置，并进行不同程度的压缩。

2.2 工作原理说明

论文设计的瓦楞纸压痕强度测定仪[4-8]利用步进电机驱动传动机构，使测定仪的动夹头以设定的压缩速度挤压被测试样，利用压力传感器检测试样在被压时所承受的最大压力值并记录试样被拉伸的变形量，直到试样被压断为止。同时，系统将采样得到的压力值和变形量以曲线和数字的形式在显示屏上显示出来，让用户了解试样的动态性能参数。

3 主要硬件设计（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，是专为嵌入式系统应用而开发的内核，该内核内部资源丰富，具有多种功能，有利于智能化控制系统的设计。在压痕强度测定仪的设计过程中，该芯片起到总体控制作用，完成压力信号的采集和转换、控制电机模块的驱动人际触摸屏的显示控制以及限位检测的控制作用。

3.2 信号采集模块

信号采集模块即压力传感器，压力传感器是该仪器的重要模块，传感器性能及准确度直接影响到整个测力仪的性能及指标。压力传感器的种类很多，根据试验，笔者选择了CHLBU型轮辐式拉压力传感器，采用十字剪切梁结构，具有良好的自然线性、抗偏载能力强、精度高、外形高度低、安装方便稳定，在料斗称、汽车衡、轨道衡等电子称中广泛应用，在各种工业称重系统中做力的分析与测量。受力图如2所示。

图2 压力传感器受压示例图

Fig.2 Pressure sensor pressed the example of figure

3.3 电机驱动模块

电机驱动采用L298N。该芯片是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机的运作。驱动电路形式如图3所示。

图3 电机驱动电路

Fig.3 Servo motor running curve

4 软件构成（Software system）

该软件程序主要由电机控制软件、数据采集软件、数据处理软件、参数设置软件、调零软件、显示和打印模块、试样设置软件等模块构成等。控制软件的结构图如图4所示。

图4 系统软件构成

Fig.4 System software

压痕强度测定仪控制软件[9]具备电机控制、参数设置、删除无效数据、参数校准、参数调零、压板距离设置、试样参数设置、结果查询、显示打印等功能，能自动完成对瓦楞纸的压痕测定。该测试仪的控制软件平台具有多种功能，客户操作简单、使用便捷。该控制软件的主程序流程如图5所示。

图5 主程序流程图

Fig.5 Main processes

5 测量结果（Measurement results）

本系统以嵌入式的单片机为核心控件，采用立式结构，下端U形支架，将试样放在上面，由上端的压力对U形支架上

的试样进行施加压力，具有超量程报警功能，实时显示压力值或变形量曲线，测试结果显示最大值、最小值、平均值、比率等。另外可连接计算机软件，具有实时显示抗压曲线功能以及数据分析管理、保存、打印等功能。测试结果如图6所示。

图6 压痕强度测定仪测量结果

Fig.6 Measurement results of score quality tester

6 结论（Conclusion）

基于STM32F407嵌入式单片机、以C语言为设计平台研制开发了纸箱压痕测试仪以及软件系统。该仪器具有多种测试功能，主要用于纸板的环压强度、边压强度、黏合剥离强度、瓦楞芯平压强度、单面单层瓦楞纸板平压强度等物理性能的测定。测试范围可达3000N，示值精度为±1%，液晶显示有效值位为4位，打印结果可以显示4位有效数字，压缩速度为12.5±2.5mm/min，分辨率为1N。该仪器的成功推出对纸板和瓦楞纸板生产厂家提供的便利，可节约成本，提高企业的利润。

参考文献（References）

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[2] M帕兹.结构动力学——理论与计算[M].北京：地震出版社， 1993.

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[6] 宁凡，程建国.基于ARM7的炭黑复合导电材料的电阻-温度 测量系统[J].信息化研究，2009（10）：14-17.

[7] 陈敏，邓颖.LPC2141的无刷直流电机控制系统设计[J].单片机 与嵌入式系统应用，2010（01）：21-24.

[8] 周渡海，等.ARM LPC2101的无刷直流电机控制方案[J].单片 机与嵌入式系统应用，2007（10）：31-34.

[9] 陈山，潘天红，朱进.瓦楞纸板自动横切机控制系统设计[J].林 业机械与木工设备，2005（12）：35-37.

作者简介：

苏红波（1976-），男，本科，工程师.研究领域：智能仪器

仪表.

宁 凡（1978-），女，本科，副教授.研究领域：离散系统及算

法研究.