完整橘皮內(nèi)加工嵌入式系統(tǒng)試驗研究

張攀峰，彭見輝，吳 蕾，黃廣偉

（東莞城市學(xué)院，廣東東莞 523419）

0 引言

智慧農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展，相關(guān)的系列自動化產(chǎn)品在食品領(lǐng)域普遍使用［1-3］。普通食品加工企業(yè)，因為無法承擔(dān)過高成本的設(shè)備往往還停留在手工或半自動階段，使得一些高效的農(nóng)業(yè)自動化設(shè)備很難普及使用。

在傳統(tǒng)的食品加工中，以PLC 為控制核心的生產(chǎn)線已普遍應(yīng)用［4-5］。其中，柑普茶完整橘皮生產(chǎn)具有季節(jié)短、批量大和品種差異等特點，對自動化加工設(shè)備的效率提出更高要求。基于PLC的柑普茶完整橘皮自動化產(chǎn)線已經(jīng)研制成功，但控制系統(tǒng)硬件及其軟件特性限定了生產(chǎn)效率以及加工工藝算法的有效實現(xiàn)。主要有如下缺點：

（1）PLC 控制器相對嵌入式控制器昂貴，空間附件等間接成本高；（2）橘皮內(nèi)表面加工需要刀具進行復(fù)雜的多軸插補運動，低成本PLC 無法實現(xiàn)復(fù)雜函數(shù)運動控制；（3）PLC 控制器無法滿足大批量應(yīng)季柑普茶集中生產(chǎn)需要，主流嵌入式單片機的主頻在幾百兆赫茲以上，可有效解決加工效率低的問題；（4）完整橘皮生產(chǎn)過程中，PLC人機交互系統(tǒng)實時信息受限，嵌入式系統(tǒng)可以實現(xiàn)復(fù)雜的參數(shù)調(diào)整和實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

本文基于STM32 系列嵌入式單片機，設(shè)計柑普茶橘皮內(nèi)加工試驗平臺，結(jié)合人機交互界面，執(zhí)行更加高效的內(nèi)加工軌跡分層算法，研制出更加高效低成本的完整橘皮制取的控制系統(tǒng)。經(jīng)試驗測定，相對傳統(tǒng)PLC+多軸運動控制系統(tǒng)，加工效率更高、果皮質(zhì)量更好，成本有效降低，適合大批量橘皮生產(chǎn)使用。

1 工作原理與總體結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

完整橘皮內(nèi)加工是在3 個工位分為3 個過程完成。在柑橘上料后，經(jīng)過柑橘去芯打底孔和果皮分離階段，既保證果皮的完整性，也保證果肉與橘絲去除干凈。橘皮內(nèi)加工過程如圖1所示。

圖1 完整橘皮內(nèi)加工過程Fig.1 The internal process of intact orange peel

依據(jù)工藝過程，設(shè)計的自動化生產(chǎn)線在柑橘上料后由夾具固定，機械手驅(qū)動刀具完成開孔和去芯動作，即將柑橘從上部開圓孔，將果芯以圓柱形取出，同時下部開出小孔。在碎果肉環(huán)節(jié)，碎果肉刀具由機械手控制進入柑橘內(nèi)部，在橘皮空間內(nèi)部旋轉(zhuǎn)刀具形成切削空間，將果肉和橘絲從橘皮內(nèi)部剝離，以保留完整果皮。

1.2 機構(gòu)總體設(shè)計

通過對柑普茶橘皮生產(chǎn)工藝的分析，確定機械結(jié)構(gòu)的運動方式，根據(jù)機械結(jié)構(gòu)的傳動特點設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)與氣動系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計嵌入式控制系統(tǒng)。機構(gòu)總體設(shè)計如圖2所示。

圖2 機構(gòu)總體設(shè)計Fig.2 Overall design of the mechanism

2 控制系統(tǒng)

設(shè)計采用上位機和下位機共同配合的控制方案。控制系統(tǒng)設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)設(shè)計方案Fig.3 Control system design scheme

上位機負責(zé)發(fā)送指令給下位機，下位機負責(zé)執(zhí)行相應(yīng)的控制指令并將結(jié)果反饋回上位機，實現(xiàn)如循環(huán)運行、復(fù)位和調(diào)節(jié)原點坐標等。上位機與下位機相互配合，節(jié)約系統(tǒng)的大量資源，在保證系統(tǒng)能高速運行的同時節(jié)約開發(fā)成本。

利用上位機創(chuàng)建的人機交互界面與下位機進行實時通信。上位機在人機交互界面設(shè)定內(nèi)空間加工的函數(shù)和關(guān)鍵運動參數(shù)等，下位機負責(zé)控制電機、氣缸等執(zhí)行元件。試驗平臺的控制系統(tǒng)主要分為3 個部分：

（1）硬件電路設(shè)計。包括對單片機及其最小系統(tǒng)、電源轉(zhuǎn)換電路、信號輸入及輸出模塊和通信模塊等選型及電路設(shè)計，設(shè)計出具有完整控制功能的系統(tǒng)原理圖。

（2）PCB 板布線及制作。包括PCB 布局，各子模塊之間走線設(shè)計，以及調(diào)試及安裝合理性設(shè)計。

（3）控制軟件及人機交互設(shè)計。控制系統(tǒng)的軟件為通信模塊、上位機模塊、下位機模塊以及人機交互模塊4 個部分。

3 硬件電路設(shè)計

以STM32 為核心的下位機控制板，主要分為信號輸入與信號輸出部分。信號的輸入部分主要接收各個移動軸的傳感器信號及氣缸刀具到位信號。輸出的信號主要用于控制各個軸電機的運動，以及負責(zé)各個氣缸的動作。上位機與下位機通過串口進行通訊，上位機與人機交互系統(tǒng)的顯示屏相連可實現(xiàn)觸摸操作和鼠標操作2 種模式。上位機還配置有無線網(wǎng)卡，后期可以實現(xiàn)與外部的藍牙、互聯(lián)網(wǎng)連接，利用網(wǎng)絡(luò)或藍牙實現(xiàn)多臺設(shè)備之間的通訊及協(xié)作控制。

3.1 微控制器的選型

STM32 系列微控制器具有性能強大、高實時性、可進行數(shù)字信號處理、低功耗和低工作電壓等特點，與此同時又能保持高集成度，開發(fā)難度低。所以迅速廣泛應(yīng)用于食品加工、工業(yè)控制等嵌入式場合［6-7］。

設(shè)計涉及到的橘皮加工過程的多軸圓周插補算法對微處理器的性能有較高要求［8-9］，且需要高效大批量生產(chǎn)，因此選擇STM32H7 系列。

STM32H7 系列芯片工作主頻可達480 MHz，并擁有足夠通信接口和定時器，能夠連接CMOS照相機傳感器的8～14 位并行接口。

3.2 電源電路設(shè)計

電源輸入輸出模塊將輸入系統(tǒng)的220 V 交流電轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)所需要的24，12，5 V 直流電壓。

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要為單片機提供隔離供電，選用降壓隔離模塊將系統(tǒng)電壓降低至5 V 后再由LDO 轉(zhuǎn)為3.3 V，為單片機核心板供電。單片機電源電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 單片機電源電路設(shè)計Fig.4 Power circuit design of MCU

底層的主板選用德州儀器的TPS54360 作為降壓芯片來提供5 V 的電壓。主板電源電路設(shè)計如圖5所示。圖中VIN 為經(jīng)過處理后的輸入電壓。

圖5 主板電源電路設(shè)計Fig.5 Power circuit design of mothorboard

3.3 隔離電路設(shè)計

隔離輸入及輸出電路是提升單片機穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于電機和繼電器線圈都是感性元件，在停止或者啟動的瞬間會產(chǎn)生較大的反向電動勢，可能會使單片機出現(xiàn)誤動作甚至宕機，嚴重的還會損壞單片機，因此需設(shè)計隔離電路。

根據(jù)單片機輸出信號頻率的不同可以分成高速隔離輸出和低速隔離輸入輸出。其中高速隔離電路負責(zé)脈沖信號的隔離，低速隔離電路負責(zé)電平信號的隔離。

3.3.1 低速隔離電路設(shè)計

由于設(shè)計輸入的信號均為低速信號，因此選用EL357N 光耦來實現(xiàn)所有低速信號的輸入輸出隔離，可增加系統(tǒng)的安全性，同時減小電路干擾并優(yōu)化電路的設(shè)計。設(shè)計電路如圖6所示。

圖6 低速信號隔離電路設(shè)計Fig.6 Isolation circuit design of low speed signal

當傳感器被觸發(fā)時，輸入信號為低電平，光耦I(lǐng)C9 的1 號引腳與2 號引腳之間會產(chǎn)生一個能導(dǎo)通光耦的電壓差。當光耦導(dǎo)通時，PB5 為低電平會導(dǎo)通至隔離地，同時LED 指示燈D19 亮起。

3.3.2 高速隔離電路設(shè)計

由于輸出的脈沖需要高頻率和強穩(wěn)定性，因此選用ADI 的ADUM1201 型數(shù)字隔離器替代常規(guī)6N137 系列光耦進行隔離，其特點是帶寬比高速光耦更高、壽命更長，且不存在電流傳輸比，更加穩(wěn)定。設(shè)計電路如圖7所示，圖中Q5 和Q6 為脈沖和方向信號輸出端 。

圖7 高速信號隔離電路設(shè)計Fig.7 Isolation circuit design of high speed signal

3.4 通信電路設(shè)計

設(shè)計中保留1 個串口和1 個調(diào)試接口。其中串口負責(zé)上下位機進行通訊，調(diào)試接口則用于單片機的軟件燒寫及調(diào)試。

CP2102 是專門用于實現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)串口的芯片，外圍可以不需要任何元件即可構(gòu)成最簡單的USB-UART 方案，通信速率可達1 Mbps。

3.5 I/O 口分配規(guī)范

完整橘皮內(nèi)加工試驗平臺的電機M1～M4、傳感器和各電機氣缸開關(guān)控制端口等配件將以數(shù)字量接入控制系統(tǒng)。STM32 芯片的GPIO 口與控制元件之間連接關(guān)系如表1所示。

表1 GPIO 口分配表Tab.1 Allocation table of GPIO ports

3.6 PCB 的設(shè)計

整個系統(tǒng)分為2 個PCB 板，分別是核心板和主板，核心板通過接插件直接固定在主板上。采用該設(shè)計可以在節(jié)約成本的同時提高布線的密度，2 個雙層板上下連接可以得到與四層板相同的效果。

單片機核心板位于PCB 板的正中心。光耦和脈沖輸出端子涉及高速信號放置在單片機核心附近。繼電器模塊和電源模塊由于有感性元器件存在，遠離單片機依次分層放置。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)基于硬件進行區(qū)分，由上位機模塊完成人機交互的界面和程序設(shè)計，在下位機模塊進行STM32 的程序設(shè)計，通信模塊主要為STM32與PC 上位機之間的通信協(xié)議設(shè)計。

單片機把參數(shù)狀態(tài)發(fā)送到人機界面，通過調(diào)整參數(shù)對夾具、刀具和各坐標軸系進行回零歸位。從檢測到橘子到位開始，夾具移動到上料工位，經(jīng)過打孔去芯和碎肉流程，控制三軸上各個電機及刀具復(fù)位，機器進入待機等待指令的接收。接收到相關(guān)指令后，再執(zhí)行相關(guān)操作。軟件設(shè)計流程如圖8所示。

圖8 軟件流程圖Fig.8 Software flow chart

人機交互界面包含控制功能、參數(shù)調(diào)整功能、狀態(tài)反饋功能及基礎(chǔ)功能。具體介紹如下：

（1）控制功能?？刂乒し蛛x裝置的動作，包括橘皮生產(chǎn)全流程的循環(huán)運行、單次運行、單步運行及整體復(fù)位。對3 個方向運動及所有電機進行單獨控制，如X 軸步進及復(fù)位、X 軸單獨分度定位控制等。

（2）參數(shù)調(diào)整功能。在上位機人機交互操作界面上，用戶能夠完成對各個軸的伺服電機相應(yīng)運行參數(shù)的設(shè)置，從而改變各個軸的運行速度，讀取并修改下位機的各項關(guān)鍵參數(shù)。通過對輸入電機的脈沖頻率控制，由上位機進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和計算，實現(xiàn)對電機速度的控制。

（3）狀態(tài)反饋功能。上位機系統(tǒng)通過識別傳感器狀態(tài)實時顯示系統(tǒng)的狀態(tài)。當有1 個原點傳感器未觸發(fā)，則上位機系統(tǒng)顯示未復(fù)位，更進一步可顯示各軸未在原點位置。同時，下位機執(zhí)行程序的標志位，顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)標志位，均可通過狀態(tài)反饋系統(tǒng)顯示。如當前進行上開孔階段、碎果肉階段等，并通過計算預(yù)估剩余時間及完成所有任務(wù)的時間。

（4）人機交互界面設(shè)計。人機交互界面可大致劃分7 個區(qū)域，包括系統(tǒng)狀態(tài)、任務(wù)計劃、參數(shù)控制、行程控制、狀態(tài)匯報、操作控制以及界面切換。如圖9所示。

圖9 人機交互界面設(shè)計Fig.9 Design of human machine interaction interface

5 試驗與測試

完整橘皮內(nèi)加工嵌入式試驗平臺包括上位機、下位機、人機交互界面以及執(zhí)行裝置。如圖10 所示。

圖10 完整橘皮內(nèi)加工試驗平臺Fig.10 Experimental platform of intact orange peel internal processing

上下位機聯(lián)合調(diào)試無誤后，進行實物測試，驗證設(shè)計是否能達到預(yù)期要求。

測試選用一批果徑為43～46 mm 的柑橘，批次數(shù)量為10 個，編號為1～10。在相同的參數(shù)設(shè)置下，依次將柑橘放入夾具，進行去芯除果肉操作。

清洗后檢查果皮損傷程度、果肉清除狀況和上下開孔效果，并測量橘皮厚度驗證內(nèi)表面加工的均勻程度等。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 試驗結(jié)果統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of experimental results

6 結(jié)語

設(shè)計STM32 完整橘皮內(nèi)加工嵌入式控制系統(tǒng)試驗平臺，包括完整果皮分離系統(tǒng)機構(gòu)平臺，嵌入式控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計、軟件系統(tǒng)設(shè)計及人機交互設(shè)計。利用STM32 嵌入式單片機代替原有設(shè)備的可編程控制器，經(jīng)調(diào)試，每個完整橘皮內(nèi)加工完成時間在12 s 以內(nèi)，4 刀聯(lián)動內(nèi)加工，加工橘皮可達20 個/min。

通過試驗證明嵌入式控制系統(tǒng)相對原有PLC控制系統(tǒng)更加高效、可控性更強。