基于STM32的高精度薄膜寬度控制儀設(shè)計(jì)

黃 峰，周國(guó)平，仲 驥，王鑫鑫

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210037)

?

基于STM32的高精度薄膜寬度控制儀設(shè)計(jì)

黃 峰，周國(guó)平，仲 驥，王鑫鑫

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210037)

針對(duì)我國(guó)國(guó)產(chǎn)薄膜寬度控制設(shè)備精度不高，設(shè)備可靠性低的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103C的高精度薄膜寬度控制儀。利用反射式紅外光電傳感器TCRT5000控制薄膜精度并通過(guò)線陣CCD在線檢測(cè)吹膜過(guò)程的薄膜寬度，若超出設(shè)定范圍，則調(diào)節(jié)PWM波占空比，將塑料薄膜的寬度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)提高了塑料薄膜的精度以及系統(tǒng)的可靠性，精度可達(dá)0.1 mm。

薄膜寬度控制；高精度；STM32F103C；線陣CCD；可靠性

0 引言

隨著市場(chǎng)對(duì)塑料薄膜需求量的大幅提升，作為控制塑料薄膜產(chǎn)品寬度的薄膜寬度控制儀正向著精密化、模塊化和智能化方向發(fā)展。目前我國(guó)的薄膜寬度控制儀普遍采用單光電頭控制方式，屬開環(huán)控制方式，對(duì)于復(fù)雜多變的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，易受薄膜抖動(dòng)和外界光照的變化影響，薄膜精度以及穩(wěn)定性難以得到保障。一旦生產(chǎn)薄膜尺寸有所偏差，浪費(fèi)的可能是整卷的薄膜，因此傳統(tǒng)的單光電頭吹膜機(jī)需要投入大量的人力物力，才能使薄膜精度得到保障[1-2]。本設(shè)計(jì)通過(guò)提高吹膜機(jī)的精度并在線檢測(cè)整個(gè)擠出過(guò)程的薄膜寬度來(lái)保證塑料薄膜的精度，提高塑料薄膜產(chǎn)品的含金量。

1 高精度薄膜寬度控制儀工作原理

高精度薄膜寬度控制儀在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)精度可達(dá)0.1 mm，完全滿足了企業(yè)±0.5 mm的要求。在系統(tǒng)中有3個(gè)光電傳感器，減小了吹膜過(guò)程薄膜抖動(dòng)對(duì)產(chǎn)品精度的影響。

本設(shè)計(jì)采用STM32F103C作為控制器，根據(jù)反射式紅外光電傳感器感應(yīng)到的距離控制繼電器切換充氣與不充氣的狀態(tài)。并且利用CCD線陣在線檢測(cè)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的薄膜寬度，若超出設(shè)定范圍則通過(guò)調(diào)節(jié)STM32輸出PWM波的占空比調(diào)節(jié)偏差，實(shí)時(shí)控制精度，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 TCRT5000外圍電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STM32F103C作為控制器，TCRT5000作為光電傳感器。PA1～PA3分別輸出周期為240 μs，占空比為10%的PWM波，占空比可調(diào)[3]。PA1～PA3的3個(gè)PWM波上升沿相隔80 μs，并將3個(gè)PWM波整合到PA5輸出，PA4作為備用脈沖輸出端，其模塊電路如圖2所示。

圖2 TCRT5000外圍電路

圖3 多級(jí)放大電路

2.2 多級(jí)放大電路設(shè)計(jì)

STM32輸出的脈沖在光電傳感器TCRT5000感應(yīng)到塑料薄膜靠近時(shí)傳送到多級(jí)放大電路。要得到靈敏度更高的系統(tǒng)，必須通過(guò)多級(jí)放大電路放大電壓信號(hào)后再進(jìn)行處理，具體電路如圖3所示[4]。圖中所示Q1～Q6為6個(gè)NPN管8050，Q2集電極所接電阻R13較大，在電路中工作在開關(guān)狀態(tài)，Q3組成共射極放大電路，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反，RW1可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，具有調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)靈敏度的作用。Q3輸出的脈沖經(jīng)過(guò)Q4后輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反，Q5起到開關(guān)管的作用，Q6為共集電極放大電路，輸出阻抗較小，用作放大電路的輸出級(jí)，通過(guò)大電容C7充放電，輸出一個(gè)變化范圍為0～12V的電壓。在整個(gè)電路中，若輸入T1端的PWM波占空比有所變化，則T4端的等效電壓也有所變化，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)偏差的效果。T2，T3測(cè)試點(diǎn)波形如圖4所示。

圖4 T2、T3測(cè)試點(diǎn)波形

2.3 滯環(huán)控制電路設(shè)計(jì)

多級(jí)放大電路輸出的電壓信號(hào)為連續(xù)變化的電壓信號(hào)，其電壓大小受塑料薄膜與光電傳感器距離的實(shí)時(shí)變化而變化。為了得到一個(gè)跳變的電壓信號(hào)供STM32檢測(cè)并防止繼電器開關(guān)動(dòng)作過(guò)多而影響其使用壽命，在本設(shè)計(jì)中加入滯環(huán)控制電路，如圖5所示。LM358通過(guò)正反饋達(dá)到比較器的功能，當(dāng)T4測(cè)試點(diǎn)電壓較小時(shí)，

URef=12×R22/(R22+R23)

當(dāng)測(cè)試點(diǎn)電壓較大時(shí)，

URef=0

因此形成的滯環(huán)大小為，

u=(12-0)×R22/(R22+R23)

在環(huán)內(nèi)輸出電壓狀態(tài)保持不變，繼電器動(dòng)作次數(shù)減少，延長(zhǎng)使用壽命[5]。由于STM32檢測(cè)低電平范圍為0～0.8 V，高電平范圍為2～3.3 V，因此在比較器的輸出端使用2個(gè)電阻分壓，達(dá)到控制器高低電平的檢測(cè)范圍。

圖5 滯環(huán)控制電路

2.4 線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路

線陣CCD通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路提供驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘來(lái)運(yùn)行。在本系統(tǒng)中采用TCD1702作為線陣CCD，內(nèi)有7500個(gè)光敏二極管，精度較高。其驅(qū)動(dòng)頻率為1 MHz，驅(qū)動(dòng)電壓為5 V，如圖6所示。SH為脈沖轉(zhuǎn)移信號(hào)，下降沿時(shí)開始采集數(shù)據(jù)。φ1和φ2是兩路相位相反并且占空比為50%的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以定向轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)電荷。RS為復(fù)位脈沖，可以清除輸出最后一個(gè)電荷后的所有電荷。本設(shè)計(jì)采用MAX-200提供5路驅(qū)動(dòng)信號(hào)。CCD檢測(cè)到的電荷信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后經(jīng)STM32處理存儲(chǔ)到SRAM中[6～8]。

圖6 TCD1702驅(qū)動(dòng)時(shí)序

3 軟件設(shè)計(jì)

高精度薄膜寬度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是在通過(guò)線陣CCD獲得薄膜尺寸的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)STM32輸出PWM波的調(diào)節(jié)，從而減小反射式紅外光電傳感器受外界影響而產(chǎn)生的偏差。其設(shè)計(jì)主流程是：先對(duì)STM32和MAX-200初始化處理。MAX-200在驅(qū)動(dòng)線陣CCD的同時(shí)給A/D轉(zhuǎn)換提供采樣信號(hào)。通過(guò)線陣CCD采集到的信號(hào)通過(guò)處理后交由STM32通過(guò)數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)送到SRAM中存儲(chǔ)，采集完成后將數(shù)據(jù)交由STM32處理，得到薄膜相應(yīng)的寬度。如果測(cè)得的寬度在設(shè)定的范圍之內(nèi)則顯示所測(cè)的寬度，否則調(diào)節(jié)STM32輸出的PWM波占空比。若超過(guò)設(shè)定范圍則減小占空比，若低于設(shè)定范圍則增大占空比。系統(tǒng)的程序流程如圖7所示。

圖7 程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)中生產(chǎn)的薄膜寬度規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)值分別為500 mm、300 mm和200 mm。將企業(yè)原有的單光電頭薄膜寬度控制儀和基于STM32的高精度薄膜寬度控制儀置于相同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)其生產(chǎn)的3種規(guī)格的塑料薄膜進(jìn)行測(cè)試，每組規(guī)格取150組數(shù)據(jù)，計(jì)算其平均值和方差后后得到的結(jié)果如表1、表2所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，基于STM32的高精度薄膜寬度控制儀生產(chǎn)數(shù)據(jù)的平均值和方差都明顯降低，說(shuō)明其生產(chǎn)的薄膜產(chǎn)品精度相對(duì)較高，誤差可控制在0.1 mm以內(nèi)。

表1 單光電頭薄膜寬度控制儀生產(chǎn)數(shù)據(jù)

表2 高精度薄膜寬度控制儀生產(chǎn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)的薄膜寬度控制儀精度不高，穩(wěn)定性差的情況，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的高精度薄膜寬度控制儀，利用紅外光電傳感器控制薄膜尺寸并通過(guò)線陣CCD在線檢測(cè)薄膜尺寸，若有偏差則調(diào)節(jié)PWM波占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外光電傳感器處理電路的微調(diào)，通過(guò)直接控制和反饋控制方式保證了薄膜產(chǎn)品的精度，實(shí)現(xiàn)了較高的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 徐樹興，王寶光，鄭義忠.薄膜寬度在線測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006(6):2478-2480.

[2] 張興.基于紅外法的薄膜厚度測(cè)量?jī)x的研制：[學(xué)位論文].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[3] 劉軍.例說(shuō)STM32.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[4] 李新科，高潮，郭永彩，等.基于語(yǔ)音識(shí)別和紅外光電傳感器的自循跡智能小車設(shè)計(jì).傳感器與微系統(tǒng),2012(12):105-108.

[5] 段華棟，蘇成悅，周鎮(zhèn)，等.基于滯環(huán)跟蹤控制的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).現(xiàn)代電子技術(shù)，2012(16):134-136.

[6] 張洪濤，段發(fā)階，胡亮，等.線陣CCD薄膜測(cè)寬裝置關(guān)鍵技術(shù).哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012(5):110-112.

[7] 陳建平，張杰，鄧三鵬.基于CCD的腸衣在線測(cè)寬系統(tǒng)設(shè)計(jì).制造業(yè)自動(dòng)化，2013(4)：62-64.

[8] 張茂云，劉戀，劉玥良.基于線陣CCD的煙卷直徑實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng).信陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2013(7):406-409.

Design of High-accuracy Film Width Control Instrument Based on STM32

HUANG Feng ,ZHOU Guo-pin ,ZHONG Ji ,WANG Xin-xin

(College of Information Science and Technology,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China)

Aiming at the low precision and reliability of domestic film width control instrument in our country,a high-accuracy film width control instrument based on STM32F103C was designed. Using the reflected infrared photoelectric sensor TCRT5000 to control the precision of film and detect the film width of blowing process online through the linear CCD,if the width exceeds the setting range,then regulate the PWM duty cycle to control the width of plastic film within the setting range. Experimental results show that the system improves the accuracy of plastic film and the reliability of the system,and the precision can reach 0.1 mm.

film width control；high-accuracy；STM32F103C；linear CCD；reliability

2014-12-25 收修改稿日期：2015-06-30

TP23

A

1002-1841(2015)09-0038-02

黃峰(1990—)碩士研究生，主要研究方向?yàn)閮x器儀表工程、嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用。 周國(guó)平(1963—)副教授，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制裝備。