大米分拣控制系统设计*

贾艺豪，刘忠富，贾梦雨，刘 冉，李伟豪

(大连民族大学信息与通信工程学院，辽宁 大连 116600)

0 引言

传统工艺中，对大米的分拣主要采用过风筛法，方法繁琐并且分级粗糙，工作效率低。由此可见，国内采用的传统分拣方式难以提升大米品质，不利于占领国际高端市场。对大米从感官品质、物理品质、生理生化品质的综合高效分拣成为目前一项亟待解决的难题[1]。为解决现有技术存在的上述问题，本设计论述了一种大米分拣系统。

本文基于蓝牙模块HC-05，采用低功耗单片机STM32F103C8T6为核心，高速Python算法，设计了基于无线传输的大米分拣系统。主要用途为筛选大米中的垩白粒，该装置结构简单，自动化程度高，大幅度节省了人工分拣的时间和劳动力。

1 系统总体方案

底层传感器信息采集系统以摄像头为核心，采集等待被分类的大米样品图片等现场信息，并实时发送回数据处理中心。数据处理中心以上位机为处理器，接收数据后进行分析处理，通过蓝牙发送控制指令给控制模块执行操作。系统总体框图如图1所示。

2 系统硬件电路设计

系统硬件电路的设计包括电压转换电路、STM32F103RBT6最小系统电路、蓝牙传输电路以及步进电机驱动控制电路。

图1 系统硬件框图

2.1 电源转换电路

电源模块主要采用MP2359 DC_DC芯片实现稳压，将系统的12 V电压稳压至5 V[2]。电压转换电路如图2所示，电路具有过电压保护，过电流保护以及温度过高保护。其中，电容C24和C25用来滤波，可以确保反馈电路的稳定性。D2为自举二极管可以提高电路的工作效率。D1可以防止外部输入电源接反造成短路。

图2 电压转换电路

本设计采用DC-DC开关稳压结构。因为开关电源具有功耗小，效率高。在开关电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50 kHz左右。这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。

STM32单片机需要3.3 V电压，系统采用AMS1117-3.3 V稳压芯片将5 V电源稳压到3.3 V。

2.2 STM32F103RBT6最小系统电路图

本系统选用意法半导体公司的STM32F1系列单片机作为控制芯片。STM32单片机融高性能、实时性、数字信号处理、低功耗、低电压于一身，同时保持高集成度和开发简易的特点。是目前业内最强大的产品阵容，拥有基于工业标准的处理器，和大量的软硬件开发工具，STM32单片机成为各类中小项目和完整平台解决方案的理想选择。STM32F103RBT6是一种嵌入式-微控制器的集成电路(IC)，处理器采用32位的ARM Contex_M3构架，运行速度可达72 MHz，程序存储器容量是256 KB，程序存储器类型是FLASH，RAM容量是48 K[3]。

图3 STM32F103RBT6最小系统电路图

A4988是一款完全的微步电动机驱动器，带有内置转换器，易于操作[4]。该产品可在全、半、1/4、1/8及1/16步进模式时操作双极步进电动机，输出驱动性能可达35 V及±2 A。A4988包括一个固定关断时间电流稳压器，该稳压器可在慢或混合衰减模式下工作。转换器是A4988易于实施的关键。只要在“步进“输入中输入一个脉冲，即可驱动电动机产生微步。无须进行相位顺序表、高频率控制行或复杂的界面编程。A4988界面非常适合复杂的微处理器不可用或过载的应用。

3 系统软件设计

系统采用的C语言编程，程序的编写重点在于传送结构工作与上位机工作建立联系。系统首先对单片机的串口和中断进行初始化。传送带控制电机持续工作，传送大米至摄像头下方时延时等待并向上位机发送信号。上位机接收信号后控制摄像头采集并处理图像，反馈0(负样本信息)或1(正样本信息)至STM32单片机，单片机接收信号后控制拨片分拣，结构左边放置负样本收集框，结构右边放置正样本收集框。此处，为方便控制分拣拨片角度，分拣电机采用伺服电机。主程序流程图如图5所示。

图4 电机驱动电路图

图5 系统主程序流程图

3.1 步进电机程序设计

步进电机的运行需要各相电流满足一定的时序要求，而电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关。步进电机的步距角由步进电机的机械结构确定，一般的驱动模式下，步进电机运行时的步距角的大小有两种，即工作在四拍方式下的整步，和工作在八拍方式下的半步，如一台电机的整步为1.80°，当工作在双四拍和八拍方式下时，每改变一次通电状态，转子分别转过1.80°和0.90°。

A4988是一款完全的微步电动机驱动器，带有内置转换器，易于操作。该产品可在全、半、1/4、1/8及1/16步进模式时操作双极步进电动机，输出驱动性能可达35 V及±2 A。A4988包括一个固定关断时间电流稳压器，该稳压器可在慢或混合衰减模式下工作。转换器是A4988易于实施的关键。只要在“步进“输入中输入一个脉冲，即可驱动电动机产生微步。无须进行相位顺序表、高频率控制行或复杂的界面编程。A4988界面非常适合复杂的微处理器不可用或过载的应用。该种连接模式和驱动芯片与单片机和步进电机之间的串联模式相符合，使电路控制和操作更加简单和便利。

3.2 伺服电机程序设计

本设计采用的舵机是一个微型的伺服控制系统，工作原理是舵机的控制电路接收STM32单片机输出的PWM脉冲，然后驱动电机转动，舵机里各种轴承和齿轮组对电机的速度多倍缩小，对于电机的输出扭矩响应倍数增大，然后输出，齿轮组的末级和电位器一起转动，测量舵机轴转动角度，电路板根据电位器的值检测判断舵机转动角度，最后控制舵机达到目标角度。模拟舵机需要一个外部控制器产生脉宽调制信号来告诉舵机转动角度，脉冲宽度是舵机控制器所需的编码信息。舵机的控制脉冲周期20 ms，脉宽从0.5 ms～2.5 ms，分别对应-90°到+90°的位置。

4 结论

本文将STM32单片机、上位机与各种传感器结合在一起设计出了一套大米分拣系统，该系统能对大米样本进行实时而有效的图片采集，并通过数据中心的处理与分析进行不同品质的分类操作。该系统扩展性强、性能可靠，能有效地实现大米分类功能，具有一定的实用价值。

[1] 张海顺.CCD色选机控制系统研究[D].天津:天津大学,2010.

[2] 刘忠鹏.提高自由感应加热效率的软控制技术[D].成都:电子科技大学,2017.

[3] 李宗卿,刘忠富,吴学富，等.无线智能家居舒适度测控系统[J].国外电子测量技术,2016,35(11):103-107.

[4] 蓝杰，张浩然.基于STM32的微型步进电机驱动控制器设计[J].微型机与应用,2015,34(1):43-46.