戴麗華，金馬，夏郅

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州，215104）

0 引言

全自動(dòng)割橡膠機(jī)硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架，全自動(dòng)割橡膠機(jī)硬件控制系統(tǒng)是以W806 作為控制系統(tǒng)的核心控制芯片，其中包含有W806單片機(jī)主控電路、OLED 顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、串口Wi-Fi 模塊等。

降低切割橡膠工作強(qiáng)度和減少人工成本的同時(shí)，以高效地工作能力去解放和發(fā)展生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)橡膠產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益顯著增長(zhǎng)。

1 控制系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

如圖1 為系統(tǒng)的框圖設(shè)計(jì)。W806 單片機(jī)主控電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的中央處理器，控制整個(gè)割橡膠機(jī)的邏輯運(yùn)行。SHT20 溫濕度傳感器可以獲取現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度，顯示在OLED 顯示模塊上；電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片用的是A3909GLNTR，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，計(jì)算運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間并在OLED 顯示模塊上同步顯示當(dāng)前電機(jī)狀態(tài)等參數(shù)，通過(guò)串口Wi-Fi 模塊，將所有獲取參數(shù)通過(guò)阿里云服務(wù)器連接至手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)要滿足是高質(zhì)量、安全性、簡(jiǎn)略性等。W806 主控系統(tǒng)主要由W806 主控、晶振電路、MP1584EN 降壓電路、復(fù)位電路、ESP8266串口電路、溫濕度傳感器、行程開關(guān)接口電路、WAKE UP 電路、按鍵電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成。

■2.1 W806 主控

如圖2 所示，W806 芯片是一款安全I(xiàn)oT MCU 芯片。芯片集成32 位CPU 處理器，內(nèi)置UART、GPIO、SPI、SDIO、I2C、I2S、PSRAM、7816、ADC、LCD、TouchSensor 等數(shù)字接口；支持 TEE 安全引擎，支持多種硬件加解密算法，內(nèi)置DSP、浮點(diǎn)運(yùn)算單元與安全引擎，支持代碼安全權(quán)限設(shè)置，內(nèi)置1MB Flash 存儲(chǔ)器。

圖2 W806 引腳圖

■2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

如圖3 所示，A3909 是雙全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，專為12V中等功率應(yīng)用。輸出額定工作通過(guò)電源范圍4～18V，并能夠高達(dá)1A 每相。并聯(lián)輸出是可能的更高安培單直流電機(jī)的應(yīng)用。四個(gè)輸入(IN1 到IN4)可以控制正向，反向，制動(dòng)和滑行模式的直流電機(jī)，或在全步進(jìn)和半步進(jìn)模式的雙極步進(jìn)電機(jī)。具有 PWM（IN/IN)輸入接口，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件兼容，并具有過(guò)溫保護(hù)，欠壓保護(hù)，短路保護(hù)，過(guò)流保護(hù)等功能，芯片內(nèi)置 LDO，不需要邏輯電源，輸入兼容 3.3V 與5V。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

■2.3 MP1584EN 降壓電路設(shè)計(jì)

如圖4 所示，在12V 轉(zhuǎn)3.3V 降壓電路單元，U2 芯片型號(hào)采用的是MP1584EN，MP1584EN 芯片是一個(gè)高頻率的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，芯片的內(nèi)部含有一個(gè)集成高端高壓功率MOSFET 功能。它提供3A 的輸出電流模式，控制快速支路響應(yīng)，易于補(bǔ)償。芯片數(shù)據(jù)的標(biāo)稱耐壓值只有28V，標(biāo)稱的輸出電流有3A 輸出電流，但是實(shí)際測(cè)量只有2A，而且發(fā)熱，但是沒有太大的影響。鑒于芯片工作時(shí)的溫度過(guò)高，所以在PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意底部裸銅進(jìn)行打過(guò)孔進(jìn)行散熱處理，本電路的電流在實(shí)測(cè)在2A 以內(nèi)，所以設(shè)計(jì)時(shí)不另做其他處理。MP1584EN 空載時(shí)電流很小，僅有0.37mA，電路正在空載或輕負(fù)載的時(shí)候，輸出波形為鋸齒波。

圖4 MP1584EN 降壓電路

輸出電壓關(guān)系式：VOUT=VFB*[(R1+R2)/R2]（其中VFB為0.8V)，R1=50.25*(Vout-0.8)kΩ。

■2.4 溫濕度傳感器

如圖5 所示，硬件電源引腳+3.3V、DGND。+3.3V 是供電電壓（2.1～3.6V)（一般為3V)DGND 是接地。串行SDA 雙向 SDA 引腳用于傳感器的數(shù)據(jù)輸入和輸出，當(dāng)向傳感器發(fā)送命令時(shí)，SDA 在SCL 上升沿有效，且SCL 為高電平的時(shí)候，SDA 必須保持穩(wěn)定。當(dāng)SCL 下降沿之后，DSDA 的值可以改變。

圖5 溫濕度傳感器

3 軟件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

雙模式全自動(dòng)割橡膠機(jī)系統(tǒng)主要由上位機(jī)和W806 嵌入式底層驅(qū)動(dòng)共同構(gòu)成，雙模式全自動(dòng)割橡膠機(jī)系統(tǒng)靠嵌入式底層程序完成基礎(chǔ)的割膠、顯示和設(shè)置參數(shù)等功能，依靠阿里云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

■3.1 全自動(dòng)割橡膠機(jī)的軟件程序設(shè)計(jì)

如圖6 所示，本雙模式全自動(dòng)割橡膠機(jī)系統(tǒng)主要由上位機(jī)和W806 嵌入式底層驅(qū)動(dòng)共同構(gòu)成，雙模式全自動(dòng)割橡膠機(jī)系統(tǒng)靠嵌入式底層程序完成基礎(chǔ)的割膠、顯示和設(shè)置參數(shù)等功能，依靠阿里云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。在現(xiàn)場(chǎng)模式下，自動(dòng)割橡膠機(jī)是通過(guò)觸摸串口屏按鍵，設(shè)定自動(dòng)割橡膠機(jī)電機(jī)的工作狀態(tài)，單片機(jī)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)開始工作，利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)。使用溫度采集電路，采集工作環(huán)境溫度，并顯示在串口屏上。同時(shí)，還可根據(jù)需求，通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)電機(jī)，靈活地設(shè)置工作狀態(tài)、工作時(shí)間等。

圖6 全自動(dòng)割橡膠機(jī)的軟件程序設(shè)計(jì)圖

■3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

如圖7 所示，全自動(dòng)割橡膠機(jī)上電后，進(jìn)入工作狀態(tài)，需要對(duì)自身程序初始化。底層程序會(huì)根據(jù)觸摸按鍵的輸入信號(hào)，或通過(guò)WiFi 模塊接收到Android 端與阿里云平臺(tái)的下發(fā)的控制指令，根據(jù)比較控制指令和標(biāo)志位狀態(tài)，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)流程圖

■3.3 雙模式軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)割橡膠機(jī)擁有兩種工作模式，雙模式功能示意圖如圖8 所示，在現(xiàn)場(chǎng)模式下，自動(dòng)割橡膠機(jī)是通過(guò)觸摸串口屏按鍵，設(shè)定自動(dòng)割橡膠機(jī)電機(jī)的工作狀態(tài)，單片機(jī)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)開始工作，利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)。使用溫度采集電路，采集工作環(huán)境溫度，并顯示在串口屏上。同時(shí)，還可根據(jù)需求，通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)電機(jī)，靈活地設(shè)置工作狀態(tài)、工作時(shí)間等。如圖9 所示。

圖8 雙模式功能示意圖

圖9 現(xiàn)場(chǎng)模式原理圖

如圖10 所示，在遠(yuǎn)程操作模式下，W806 主控系統(tǒng)，需要通過(guò)串口，與WiFi 模塊建立通訊，MCU 發(fā)送的指令，經(jīng)過(guò)串口通過(guò)WiFi 模塊發(fā)送至阿里云服務(wù)器，再通過(guò)服務(wù)器下發(fā)至Android 端。用戶能通過(guò)Android 端控制自動(dòng)割橡膠機(jī)，使用阿里云平臺(tái)的提供的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，完成構(gòu)建遠(yuǎn)程連接。

圖10 遠(yuǎn)程模式原理圖

■3.4 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

如圖11 所示，在全自動(dòng)割橡膠機(jī)的底層驅(qū)動(dòng)程序中，數(shù)據(jù)的采集包括對(duì)環(huán)境溫濕度的采集。通過(guò)計(jì)算溫度，返回溫度值；計(jì)算濕度，返回濕度值。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。每個(gè)傳感器模塊通過(guò)單獨(dú)的子文件配置和驅(qū)動(dòng)。

圖11 溫濕度采集數(shù)據(jù)流程圖

圖12 WiFi 通信流程圖

■3.5 WiFi 通信程序設(shè)計(jì)

設(shè)備上電以后，ESP8266首先會(huì)自檢各功能，當(dāng)檢查無(wú)誤后會(huì)對(duì)程序所設(shè)定的WiFi 進(jìn)行連接，ESP8266 連接到與程序所設(shè)定的同一網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接成功后會(huì)自動(dòng)與阿里云服務(wù)器進(jìn)行握手，發(fā)送用戶ID 與用戶Key 后，等待服務(wù)器驗(yàn)證后握手，驗(yàn)證成功后會(huì)持續(xù)檢測(cè)串口數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到ESP8266 串口數(shù)據(jù)不為零時(shí)延時(shí)100ms 后對(duì)串口數(shù)據(jù)全部讀取，后進(jìn)行解析出有效數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)APP。如圖13，14 所示。

圖13 APP 登錄界面

圖14 APP 操作界面

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文研究結(jié)合機(jī)械割橡膠理論、自動(dòng)控制等技術(shù)研制一種能夠快速簡(jiǎn)便且可以代替人工進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的全自動(dòng)割橡膠機(jī)器，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上去實(shí)現(xiàn)仿形的驅(qū)動(dòng)和柔性導(dǎo)向的螺旋上下切割運(yùn)動(dòng)，從而滿足機(jī)械割橡膠的精準(zhǔn)定位。切割橡膠的軌跡運(yùn)動(dòng)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遠(yuǎn)程控制的功能需求，降低切割橡膠工作強(qiáng)度和減少人工，通過(guò)自上而下設(shè)計(jì)理念，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)的可移植性和可拓展性，降低系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的成本。

5 結(jié)語(yǔ)

全自動(dòng)割橡膠機(jī)設(shè)計(jì)從人們的工作需求出發(fā)，設(shè)計(jì)出的全自動(dòng)機(jī)械絲桿切割裝置，有效地解決了工人們無(wú)法控制割橡膠的力度問題和無(wú)法在割橡膠的最佳時(shí)間進(jìn)行割橡膠等問題。解決了割橡膠工作強(qiáng)度高，技術(shù)難度大及割橡膠工緊缺等問題。

后續(xù)通過(guò)對(duì)電路及結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，更好地實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的橡膠切割。自動(dòng)割橡膠機(jī)未來(lái)的發(fā)展方向是專業(yè)性強(qiáng)、精準(zhǔn)性好、速度要快的一種膠乳收獲技術(shù)。