基于STM 32的籽棉水杂快速检测设备控制系统设计

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〔郑州棉麻工程技术设计研究所，河南 郑州 450004〕

随着机采棉技术的发展，我国新疆棉区普遍采用机械化采收方式，棉花采收过于粗放，籽棉含杂率高、回潮率一致性差；现行的籽棉回潮率与含杂率检测仍然采用人工方式，检测速度慢、效率低、检验结果易受人为因素影响，不仅不利于提高籽棉收购效率，而且难以保证公平交易。

研究籽棉回潮率与含杂率快速检测技术，开发籽棉回潮率与含杂率的快速检测设备，有利于提升机采棉收购智能化技术水平，提高棉花加工质量，保障新疆棉花产业高质量发展，对促进棉花产业提质增效与产业化发展具有重要意义。

一、控制系统总体方案设计

籽棉水杂快速检测设备主要完成籽棉回潮率和含杂率的快速检测，通过图像分析来完成含杂率的快速检测，通过接触式电阻法完成回潮率的快速检测。

籽棉水杂快速检测设备控制系统主要完成整个检测设备的运动及图像检测控制、与上位机的通信及回潮数据传输。控制系统主要由回潮采集、物位检测、操作面板、电源电路、上位机通讯、运动控制、图像检测控制等模块组成。其总体方案如图1所示。

图1 控制系统总体方案

控制系统以STM32F103VET6为主处理器，通过操作面板上三个按键的状态来判断需要进行的操作：对称重推杆和步进电机进行控制，来完成待测棉样的称重和输送；待棉样输送到指定位置后，控制压棉机构对棉样进行压缩后，触发工业相机拍照来实现图像检测控制；同时对回潮率进行采集，并将回潮率数据上传给上位机。

二、控制系统硬件设计

（一）主控电路

主控电路是硬件系统中的核心部分，本控制系统采用STMicroelectronics公司生产的STM32F103VET6作为控制芯片，该芯片采用Cortex-M3内核，CPU最高速度达72 MHz。芯片内部集成了4个通用定时器，两个高级定时器，两个基本定时器、两个SPI、两个I2C、五个USART、一个USB、一个CAN通信等资源，以供控制系统使用。

（二）电源电路

控制系统总电源为直流24 V，其电源电路包括两部分：相机供电和控制电路供电。相机供电为直流12 V，控制电路供电为直流5 V和直流3.3 V。

相机直流12 V供电采用德州仪器生产的LM2596S-12电源芯片。该芯片可提供3A的电流输出，具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路，同时具有很好的线性和负载调节特性。相机供电电路如图2所示。

图2 相机供电电路

控制电路直流5 V供电采用德州仪器生产的DC/DC开关电源转换芯片TPS5430，该芯片性能优越，转换效率可达95%，同时具有过流保护及热关断功能。控制电路5 V供电电路如图3所示。

图3 控制电路5 V供电电路

控制电路3.3 V供电采用正向低压降稳压器AMS1117，该芯片内部集成过热保护和限流电路。控制电路3.3 V供电电路如图4所示。

图4 控制电路3.3 V供电电路

（三）回潮采集及上位机通信

控制系统通过RS232接口采用Modbus协议与回潮采集模块及上位机进行串口通信，将采集到的回潮数据传输给上位机，同时，将设备工作状态实时同步给上位机。接口芯片选用美信公司的MAX3232，其专有的低压差发送器输出级，利用双电荷泵在3.0 V～5.5 V电源下实现真正的RS232性能，仅需要四个外部0.1μF电荷泵电容器，可确保120 kbps的数据速率，同时保持RS232输出电平。回潮采集及上位机通信接口电路如图5所示。

图5 回潮采集及上位机通信接口电路

（四）棉样称重、压缩控制

检测设备需要对棉样进行称重及压缩，棉样称重通过控制抬起电子称重模块来实现，棉样压缩通过控制压棉机构下压来实现。电子称重模块的升、降和压棉机构的下压、抬起都是通过控制直线型电动推杆来实现。该推杆是由直流24 V电源供电，通过改变电源的极性来控制推杆的运动方向。推杆控制电路通过控制两个继电器来实现推杆电源极性的切换。

继电器控制电路与主控芯片通过光耦PC817进行隔离，两个继电器常闭端接推杆电源的负极，常开端接推杆电源的正极，两个公共端接推杆电机线圈。主控芯片控制继电器的吸合以实现推杆电源正负极的切换。推杆控制电路如图6所示。

图6 推杆控制电路

（五）棉样输送控制

检测设备需要将待测棉样输送到暗箱中进行图像采集来实现含杂率的检测，棉样的输送通过配有同步带的步进电机来实现。电机配有雷赛智能带RS485接口的DM2C系列驱控一体型步进驱动器，该驱动器基于Modbus RTU总线协议。控制系统需要通过RS485接口与电机驱动器通信，来实现对电机的控制。

RS485芯片选用亚德诺半导体（Analog Devices）生产的ADM2587E芯片，该芯片采用isoPower®技术，集成隔离式带DC/DC转换器的RS485/RS422收发器，具有开路和短路故障保护。电机控制接口电路如图7所示。

图7 电机控制接口电路

（六）物位检测

物位检测主要通过接近开关来完成各运动部件是否到位的判断，接近开关选用型号为比杜克直流24 V供电的BB-M1204N-C11P2 NPN常开型接近开关。接近开关与主控芯片电平不同，需要在接近开关和主控芯片中间增加光耦隔离电路，隔离电路如图8所示。

图8 接近开关隔离电路

（七）图像检测控制

检测设备通过对棉样图像的分析来完成含杂率的检测，控制系统通过对相机的控制来完成图像检测的控制。棉样图像采集选用的海康威视工业相机，输入逻辑高电平为1.5 V～24 V，低电平为0 V～1 V，控制系统通过相机的I/O接口对相机进行控制，触发信号由主控芯片STM32F103VET6直接给到相机进行采图，触发信号配置为上升沿触发，相机接收触发信号开始采图，其触发拍照时序图如图9所示。

图9 相机触发拍照时序图

三、控制系统软件设计

根据控制系统功能要求，软件流程图如图10所示。

图10 控制系统软件流程图

控制系统通过操作面板上三个按键的状态来判断需要进行的下一步操作：

1.当称重按键被按下时，系统控制称重推杆推出，将电子称重模块推出检测设备台面，对待测棉样进行重量检测，推杆推出并断电后，系统进入按键扫描程序；

2.当检测按键被按下时，系统控制称重推杆反转，待称重推杆复位后，控制步进电机，将棉样盒送至暗箱，进行回潮率和含杂率的检测，待检测完成，棉样盒自动退出并运送至初始位置，系统继续进入按键扫描程序；

3.当复位按键被按下时，控制系统先对两个推杆进行复位操作，待推杆全部复位后，步进电机开始复位，直到系统全部复位至初始状态，继续进入按键扫描程序。

4.当系统工作出现异常时，控制系统进入故障报警状态，待故障报警解除后，需按下复位按键对系统进行复位后，才能进行其他操作。

四、结语

本文详尽介绍了基于STM32F103VET6的籽棉水杂快速检测设备控制系统的软、硬件设计，通过电源电路、通讯电路、物位检测电路、棉样称重及压缩控制电路等硬件电路的设计以及嵌入式软件的开发，实现了一个稳定、可靠的控制系统。该控制系统的应用，为籽棉水杂快速检测设备的稳定工作提供有力保障。☆