張攀峰，彭見(jiàn)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(dòng)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?yàn)闊o(wú)法承擔(dān)過(guò)高成本的設(shè)備往往還停留在手工或半自動(dòng)階段，使得一些高效的農(nóng)業(yè)自動(dòng)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(diǎn)，對(duì)自動(dòng)化加工設(shè)備的效率提出更高要求?；赑LC的柑普茶完整橘皮自動(dòng)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(shí)現(xiàn)。主要有如下缺點(diǎn)：

（1）PLC 控制器相對(duì)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(jìn)行復(fù)雜的多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，低成本PLC 無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜函數(shù)運(yùn)動(dòng)控制；（3）PLC 控制器無(wú)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(jī)的主頻在幾百兆赫茲以上，可有效解決加工效率低的問(wèn)題；（4）完整橘皮生產(chǎn)過(guò)程中，PLC人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息受限，嵌入式系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的參數(shù)調(diào)整和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

本文基于STM32 系列嵌入式單片機(jī)，設(shè)計(jì)柑普茶橘皮內(nèi)加工試驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合人機(jī)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(yàn)測(cè)定，相對(duì)傳統(tǒng)PLC+多軸運(yùn)動(dòng)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(gè)工位分為3 個(gè)過(guò)程完成。在柑橘上料后，經(jīng)過(guò)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(guò)程如圖1所示。

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

依據(jù)工藝過(guò)程，設(shè)計(jì)的自動(dòng)化生產(chǎn)線在柑橘上料后由夾具固定，機(jī)械手驅(qū)動(dòng)刀具完成開(kāi)孔和去芯動(dòng)作，即將柑橘?gòu)纳喜块_(kāi)圓孔，將果芯以圓柱形取出，同時(shí)下部開(kāi)出小孔。在碎果肉環(huán)節(jié)，碎果肉刀具由機(jī)械手控制進(jìn)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(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)柑普茶橘皮生產(chǎn)工藝的分析，確定機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與氣動(dòng)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)嵌入式控制系統(tǒng)。機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)Fig.2 Overall design of the mechanism

2 控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)采用上位機(jī)和下位機(jī)共同配合的控制方案?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

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

上位機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送指令給下位機(jī)，下位機(jī)負(fù)責(zé)執(zhí)行相應(yīng)的控制指令并將結(jié)果反饋回上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)如循環(huán)運(yùn)行、復(fù)位和調(diào)節(jié)原點(diǎn)坐標(biāo)等。上位機(jī)與下位機(jī)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(yùn)行的同時(shí)節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

利用上位機(jī)創(chuàng)建的人機(jī)交互界面與下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。上位機(jī)在人機(jī)交互界面設(shè)定內(nèi)空間加工的函數(shù)和關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)等，下位機(jī)負(fù)責(zé)控制電機(jī)、氣缸等執(zhí)行元件。試驗(yàn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)主要分為3 個(gè)部分：

（1）硬件電路設(shè)計(jì)。包括對(duì)單片機(jī)及其最小系統(tǒng)、電源轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)輸入及輸出模塊和通信模塊等選型及電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(jì)，以及調(diào)試及安裝合理性設(shè)計(jì)。

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

3 硬件電路設(shè)計(jì)

以STM32 為核心的下位機(jī)控制板，主要分為信號(hào)輸入與信號(hào)輸出部分。信號(hào)的輸入部分主要接收各個(gè)移動(dòng)軸的傳感器信號(hào)及氣缸刀具到位信號(hào)。輸出的信號(hào)主要用于控制各個(gè)軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，以及負(fù)責(zé)各個(gè)氣缸的動(dòng)作。上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行通訊，上位機(jī)與人機(jī)交互系統(tǒng)的顯示屏相連可實(shí)現(xiàn)觸摸操作和鼠標(biāo)操作2 種模式。上位機(jī)還配置有無(wú)線網(wǎng)卡，后期可以實(shí)現(xiàn)與外部的藍(lán)牙、互聯(lián)網(wǎng)連接，利用網(wǎng)絡(luò)或藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)多臺(tái)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(qiáng)大、高實(shí)時(shí)性、可進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理、低功耗和低工作電壓等特點(diǎn)，與此同時(shí)又能保持高集成度，開(kāi)發(fā)難度低。所以迅速?gòu)V泛應(yīng)用于食品加工、工業(yè)控制等嵌入式場(chǎng)合［6-7］。

設(shè)計(jì)涉及到的橘皮加工過(guò)程的多軸圓周插補(bǔ)算法對(duì)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(dá)480 MHz，并擁有足夠通信接口和定時(shí)器，能夠連接CMOS照相機(jī)傳感器的8～14 位并行接口。

3.2 電源電路設(shè)計(jì)

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(jī)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(jī)核心板供電。單片機(jī)電源電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 單片機(jī)電源電路設(shè)計(jì)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(lái)提供5 V 的電壓。主板電源電路設(shè)計(jì)如圖5所示。圖中VIN 為經(jīng)過(guò)處理后的輸入電壓。

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

3.3 隔離電路設(shè)計(jì)

隔離輸入及輸出電路是提升單片機(jī)穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于電機(jī)和繼電器線圈都是感性元件，在停止或者啟動(dòng)的瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì)，可能會(huì)使單片機(jī)出現(xiàn)誤動(dòng)作甚至宕機(jī)，嚴(yán)重的還會(huì)損壞單片機(jī)，因此需設(shè)計(jì)隔離電路。

根據(jù)單片機(jī)輸出信號(hào)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(fù)責(zé)脈沖信號(hào)的隔離，低速隔離電路負(fù)責(zé)電平信號(hào)的隔離。

3.3.1 低速隔離電路設(shè)計(jì)

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

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

當(dāng)傳感器被觸發(fā)時(shí)，輸入信號(hào)為低電平，光耦I(lǐng)C9 的1 號(hào)引腳與2 號(hào)引腳之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)能導(dǎo)通光耦的電壓差。當(dāng)光耦導(dǎo)通時(shí)，PB5 為低電平會(huì)導(dǎo)通至隔離地，同時(shí)LED 指示燈D19 亮起。

3.3.2 高速隔離電路設(shè)計(jì)

由于輸出的脈沖需要高頻率和強(qiáng)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(jìn)行隔離，其特點(diǎn)是帶寬比高速光耦更高、壽命更長(zhǎng)，且不存在電流傳輸比，更加穩(wěn)定。設(shè)計(jì)電路如圖7所示，圖中Q5 和Q6 為脈沖和方向信號(hào)輸出端 。

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

3.4 通信電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中保留1 個(gè)串口和1 個(gè)調(diào)試接口。其中串口負(fù)責(zé)上下位機(jī)進(jìn)行通訊，調(diào)試接口則用于單片機(jī)的軟件燒寫及調(diào)試。

CP2102 是專門用于實(shí)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(jiǎn)單的USB-UART 方案，通信速率可達(dá)1 Mbps。

3.5 I/O 口分配規(guī)范

完整橘皮內(nèi)加工試驗(yàn)平臺(tái)的電機(jī)M1～M4、傳感器和各電機(jī)氣缸開(kāi)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(jì)

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

單片機(jī)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(hào)放置在單片機(jī)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(yuǎn)離單片機(jī)依次分層放置。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

單片機(jī)把參數(shù)狀態(tài)發(fā)送到人機(jī)界面，通過(guò)調(diào)整參數(shù)對(duì)夾具、刀具和各坐標(biāo)軸系進(jìn)行回零歸位。從檢測(cè)到橘子到位開(kāi)始，夾具移動(dòng)到上料工位，經(jīng)過(guò)打孔去芯和碎肉流程，控制三軸上各個(gè)電機(jī)及刀具復(fù)位，機(jī)器進(jìn)入待機(jī)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(jì)流程如圖8所示。

圖8 軟件流程圖Fig.8 Software flow chart

人機(jī)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(dòng)作，包括橘皮生產(chǎn)全流程的循環(huán)運(yùn)行、單次運(yùn)行、單步運(yùn)行及整體復(fù)位。對(duì)3 個(gè)方向運(yùn)動(dòng)及所有電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制，如X 軸步進(jìn)及復(fù)位、X 軸單獨(dú)分度定位控制等。

（2）參數(shù)調(diào)整功能。在上位機(jī)人機(jī)交互操作界面上，用戶能夠完成對(duì)各個(gè)軸的伺服電機(jī)相應(yīng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置，從而改變各個(gè)軸的運(yùn)行速度，讀取并修改下位機(jī)的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)對(duì)輸入電機(jī)的脈沖頻率控制，由上位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。

（3）狀態(tài)反饋功能。上位機(jī)系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別傳感器狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的狀態(tài)。當(dāng)有1 個(gè)原點(diǎn)傳感器未觸發(fā)，則上位機(jī)系統(tǒng)顯示未復(fù)位，更進(jìn)一步可顯示各軸未在原點(diǎn)位置。同時(shí)，下位機(jī)執(zhí)行程序的標(biāo)志位，顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志位，均可通過(guò)狀態(tài)反饋系統(tǒng)顯示。如當(dāng)前進(jìn)行上開(kāi)孔階段、碎果肉階段等，并通過(guò)計(jì)算預(yù)估剩余時(shí)間及完成所有任務(wù)的時(shí)間。

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

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

5 試驗(yàn)與測(cè)試

完整橘皮內(nèi)加工嵌入式試驗(yàn)平臺(tái)包括上位機(jī)、下位機(jī)、人機(jī)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(yàn)平臺(tái)Fig.10 Experimental platform of intact orange peel internal processing

上下位機(jī)聯(lián)合調(diào)試無(wú)誤后，進(jìn)行實(shí)物測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否能達(dá)到預(yù)期要求。

測(cè)試選用一批果徑為43～46 mm 的柑橘，批次數(shù)量為10 個(gè)，編號(hào)為1～10。在相同的參數(shù)設(shè)置下，依次將柑橘放入夾具，進(jìn)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(kāi)孔效果，并測(cè)量橘皮厚度驗(yàn)證內(nèi)表面加工的均勻程度等。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of experimental results

6 結(jié)語(yǔ)

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

通過(guò)試驗(yàn)證明嵌入式控制系統(tǒng)相對(duì)原有PLC控制系統(tǒng)更加高效、可控性更強(qiáng)。