蘇紅波　寧凡

摘 要：基于STM32F407V系列單片機系統(tǒng)，以C語言為設(shè)計平臺，設(shè)計開發(fā)了一種瓦楞紙的壓痕強度測試儀器。該儀器具有多種功能，主要用于各類大型尺寸瓦楞紙箱的環(huán)、壓痕等參數(shù)的檢測與測試。該儀器用途廣泛，是紙板、瓦楞紙板生產(chǎn)廠家、科研院校、檢測機構(gòu)等不可缺少的重要測試儀器。測試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有較高的測量精度。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；瓦楞紙； 強度測定；壓痕

中圖分類號：TS02 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

近幾年，中國的經(jīng)濟(jì)日益繁榮，各個行業(yè)對物品的包裝和質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格。紙質(zhì)品包裝需求量與日俱增，對包裝印刷材料的印刷適性的測試需求越來越高。國外在包裝用紙方面的發(fā)展比較早，技術(shù)也比較成熟，而我國的這項技術(shù)整體落后，不能適應(yīng)我國目前造紙及印刷行業(yè)面向國際的需要。因而，研制開發(fā)智能化、多樣化的類儀器儀表顯得非常重要。

壓痕強度測定儀主要用于紙板的環(huán)壓強度、邊壓強度、黏合剝離強度、瓦楞紙芯平壓強度、單面單層瓦楞紙板平壓強度等物理性能的測定，是紙板和瓦楞紙板生產(chǎn)廠家以及有關(guān)科研院校、檢測機構(gòu)不可缺少的重要測試儀器。

本文以嵌入式系統(tǒng)為核心，采用先進(jìn)高速ARM[1]處理器，精心合理的設(shè)計一款設(shè)計新穎、使用方便、性能優(yōu)異、美觀大方的壓痕強度測定儀。該儀器為采用機械、電子、計算機相結(jié)合的技術(shù)，主要用于單瓦楞紙板和雙瓦楞紙板的壓痕測定。通過帶壓痕試樣和無壓痕試樣的壓力值[2，3]的百分比來表示。這款儀器的推出，對評估瓦楞紙板的質(zhì)量具有重要的意義，比如對于瓦楞紙板箱的有效裝配和密封等技術(shù)方面都將起到推動作用。

2 整機組成（System components）

2.1 整機組成

整機的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 整機的模塊圖

Fig.1 System block diagram

該儀器采用嵌入式STM32系列單片機，該芯片為測試儀的控制核心，控制系統(tǒng)中所有模塊的工作。人機界面采用觸摸屏，簡單方便操作。打印機采用智能型設(shè)備，實時跟蹤打印測試結(jié)果。壓力傳感器用于檢測試樣的壓力。電機驅(qū)動模塊用于驅(qū)動伺服電機的工作，限位檢測模塊用于設(shè)定樣品的位置，并進(jìn)行不同程度的壓縮。

2.2 工作原理說明

論文設(shè)計的瓦楞紙壓痕強度測定儀[4-8]利用步進(jìn)電機驅(qū)動傳動機構(gòu)，使測定儀的動夾頭以設(shè)定的壓縮速度擠壓被測試樣，利用壓力傳感器檢測試樣在被壓時所承受的最大壓力值并記錄試樣被拉伸的變形量，直到試樣被壓斷為止。同時，系統(tǒng)將采樣得到的壓力值和變形量以曲線和數(shù)字的形式在顯示屏上顯示出來，讓用戶了解試樣的動態(tài)性能參數(shù)。

3 主要硬件設(shè)計（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，是專為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而開發(fā)的內(nèi)核，該內(nèi)核內(nèi)部資源豐富，具有多種功能，有利于智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計。在壓痕強度測定儀的設(shè)計過程中，該芯片起到總體控制作用，完成壓力信號的采集和轉(zhuǎn)換、控制電機模塊的驅(qū)動人際觸摸屏的顯示控制以及限位檢測的控制作用。

3.2 信號采集模塊

信號采集模塊即壓力傳感器，壓力傳感器是該儀器的重要模塊，傳感器性能及準(zhǔn)確度直接影響到整個測力儀的性能及指標(biāo)。壓力傳感器的種類很多，根據(jù)試驗，筆者選擇了CHLBU型輪輻式拉壓力傳感器，采用十字剪切梁結(jié)構(gòu)，具有良好的自然線性、抗偏載能力強、精度高、外形高度低、安裝方便穩(wěn)定，在料斗稱、汽車衡、軌道衡等電子稱中廣泛應(yīng)用，在各種工業(yè)稱重系統(tǒng)中做力的分析與測量。受力圖如2所示。

圖2 壓力傳感器受壓示例圖

Fig.2 Pressure sensor pressed the example of figure

3.3 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動采用L298N。該芯片是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進(jìn)電動機、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機的運作。驅(qū)動電路形式如圖3所示。

圖3 電機驅(qū)動電路

Fig.3 Servo motor running curve

4 軟件構(gòu)成（Software system）

該軟件程序主要由電機控制軟件、數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、參數(shù)設(shè)置軟件、調(diào)零軟件、顯示和打印模塊、試樣設(shè)置軟件等模塊構(gòu)成等?？刂栖浖慕Y(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

Fig.4 System software

壓痕強度測定儀控制軟件[9]具備電機控制、參數(shù)設(shè)置、刪除無效數(shù)據(jù)、參數(shù)校準(zhǔn)、參數(shù)調(diào)零、壓板距離設(shè)置、試樣參數(shù)設(shè)置、結(jié)果查詢、顯示打印等功能，能自動完成對瓦楞紙的壓痕測定。該測試儀的控制軟件平臺具有多種功能，客戶操作簡單、使用便捷。該控制軟件的主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

Fig.5 Main processes

5 測量結(jié)果（Measurement results）

本系統(tǒng)以嵌入式的單片機為核心控件，采用立式結(jié)構(gòu)，下端U形支架，將試樣放在上面，由上端的壓力對U形支架上

的試樣進(jìn)行施加壓力，具有超量程報警功能，實時顯示壓力值或變形量曲線，測試結(jié)果顯示最大值、最小值、平均值、比率等。另外可連接計算機軟件，具有實時顯示抗壓曲線功能以及數(shù)據(jù)分析管理、保存、打印等功能。測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 壓痕強度測定儀測量結(jié)果

Fig.6 Measurement results of score quality tester

6 結(jié)論（Conclusion）

基于STM32F407嵌入式單片機、以C語言為設(shè)計平臺研制開發(fā)了紙箱壓痕測試儀以及軟件系統(tǒng)。該儀器具有多種測試功能，主要用于紙板的環(huán)壓強度、邊壓強度、黏合剝離強度、瓦楞芯平壓強度、單面單層瓦楞紙板平壓強度等物理性能的測定。測試范圍可達(dá)3000N，示值精度為±1%，液晶顯示有效值位為4位，打印結(jié)果可以顯示4位有效數(shù)字，壓縮速度為12.5±2.5mm/min，分辨率為1N。該儀器的成功推出對紙板和瓦楞紙板生產(chǎn)廠家提供的便利，可節(jié)約成本，提高企業(yè)的利潤。

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作者簡介：

蘇紅波（1976-），男，本科，工程師.研究領(lǐng)域：智能儀器

儀表.

寧 凡（1978-），女，本科，副教授.研究領(lǐng)域：離散系統(tǒng)及算

法研究.