（河池學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣西 宜州 546300）

本文研究了一款基于STM32[4]的綠色環(huán)保型洗筷消毒一體機(jī)設(shè)計(jì)與制作。該設(shè)計(jì)通過濁度傳感器對(duì)結(jié)果進(jìn)行判斷，通過加長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)轉(zhuǎn)向?qū)曜拥牧飨蜻M(jìn)行控制。使用符合PI算法的控制器實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。為了使本設(shè)計(jì)能夠快速、平穩(wěn)地運(yùn)行,系統(tǒng)必須把相應(yīng)的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制以及直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制準(zhǔn)確地結(jié)合在一起。

1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

本設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)包括機(jī)械裝置和電路控制系統(tǒng)兩部分組成。機(jī)械部分由收集裝置[1-2]、一次清洗裝置、二次清洗裝置、運(yùn)送裝置[3，5]、消毒出筷裝置五部分構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，收集裝置主要利用限位機(jī)構(gòu)對(duì)筷子進(jìn)行定量收集。一次、二次清洗裝置主要由電磁閥、直流電機(jī)、濁度傳感器、超聲波發(fā)生器以及物理清洗機(jī)構(gòu)組成。運(yùn)送過程主要利用升降裝置完成。消毒出筷裝置主要由紫外線臭氧發(fā)生器，以及半自動(dòng)出筷機(jī)構(gòu)組成。在清洗過程中全程采用MG996R舵機(jī)對(duì)筷子的流向進(jìn)行輔助控制，保證清洗過程的順利進(jìn)行。電路控制系統(tǒng)為本設(shè)計(jì)的核心組成部分，它由電源電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)控制電路、直流電機(jī)調(diào)速電路、以及舵機(jī)轉(zhuǎn)向電路組成。本設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)控制整個(gè)電路，該芯片具有豐富的增強(qiáng)I/O端口運(yùn)行速度快。

圖1整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

本設(shè)計(jì)采用220 V交流電直接進(jìn)行供電，方便易得。設(shè)計(jì)電源電路如圖2所示。交流電經(jīng)整流模塊后再經(jīng)過可調(diào)電阻RH1以及穩(wěn)壓器LM7805和LM7812經(jīng)過降壓后可得到+5 V和+12 V的電壓給其余電路進(jìn)行供電。

圖2設(shè)計(jì)電源電路

2.2 信號(hào)采集電路

信號(hào)采集電路用于對(duì)工作過程中產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行采集，本設(shè)計(jì)采用I2C總線進(jìn)行信號(hào)采集，I2C總線通過上拉電阻接正電源。當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線均為高電平。連到總線上的任一器件輸出的低電平，都將使總線的信號(hào)變低，即各器件的SDA及SCL都是線“與”關(guān)系，用來對(duì)本設(shè)計(jì)中各裝置中產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行收集，再傳輸給STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。I2C總線信號(hào)采集如圖3所示。

圖3 I2C 總線信號(hào)采集電路

2.3 信號(hào)處理電路

本設(shè)計(jì)通過電流采集進(jìn)行信號(hào)處理，如圖4所示前一級(jí)運(yùn)放構(gòu)成減法電路，后一級(jí)運(yùn)放用來進(jìn)行高階濾波+5 V電流經(jīng)電阻分壓后，用來減掉電流傳感器0 A時(shí)的基值電壓。經(jīng)二階濾波電路濾波，并經(jīng)過后級(jí)運(yùn)放的2倍放大后引腳1輸出電壓2 V，引腳1與STM32的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道相連，轉(zhuǎn)換結(jié)果提供給主程序，以便進(jìn)行相關(guān)的處理。

圖4信號(hào)處理電路

2.4 直流電機(jī)調(diào)速電路

本設(shè)計(jì)采用L298對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，如圖5所示。利用該芯片可控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，同時(shí)利用轉(zhuǎn)速差用物理分離的方法將雜質(zhì)進(jìn)行分離。

圖5直流電機(jī)調(diào)速電路

2.5 舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制

本設(shè)計(jì)利用PWM信號(hào)對(duì)舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)自身硬件特性決定:在給定電壓一定時(shí)，空載和帶載時(shí)的角速度ω分別保持恒值,而線速度ν=ω·R，正比于轉(zhuǎn)臂的長(zhǎng)度R。當(dāng)舵機(jī)所需轉(zhuǎn)動(dòng)幅度一定時(shí)，長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂要比短轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度小，即響應(yīng)更快。

3 模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文控制多采用直流電機(jī)和伺服舵機(jī)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、免維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。直流電機(jī)是一個(gè)非線性、多變量、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，常規(guī)PID控制策略的參數(shù)不能隨電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的不同而變化，因此PID控制器不能提供很好的控制性能，而本文采用的模糊PID控制是模糊控制和PID控制的有效結(jié)合，可以在線調(diào)整PID控制參數(shù)，提高控制精度，獲得更好的控制效果。

如果設(shè)定的速度為Vd，而當(dāng)前的實(shí)際速度為Vr，則速度偏差：

偏差變化率：

將速度偏差 e（t）和偏差變化率 EC（t-1）作為控制器的輸入變量，而控制量KP、KI、KD為輸出變量，編碼器實(shí)時(shí)測(cè)量值c（t）為比較變量。則控制器原理圖如圖6所示。

圖6模糊PID控制原理圖

根據(jù)操作人員經(jīng)驗(yàn)以及模糊規(guī)則確定法通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比來確定模糊控制規(guī)則，使系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)、靜特性的最佳效果。根據(jù)PID參數(shù)規(guī)則建立△KP、△KI、△KD模糊分布規(guī)則。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)是基于STM32單片機(jī)進(jìn)行的，軟件開發(fā)主要包括主程序流程的設(shè)計(jì)、子模塊初始化設(shè)計(jì)、電機(jī)啟動(dòng)模塊設(shè)計(jì)、模糊PID控制模塊設(shè)計(jì)等。

控制器上電后，首先進(jìn)行的是各個(gè)子模塊的初始化，子模塊初始化完成之后，依據(jù)霍爾傳感器反饋的高低電平來判斷當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，確定需要導(dǎo)通的相，以此完成電機(jī)啟動(dòng)。程序流程如圖7所示。

圖7主程序流程圖

5 測(cè)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 消毒毒方法的菌落均數(shù)比較

[1]陳立德.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2004:236-238.

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