基于STM32 和椰青生物特性的开孔状态检测系统设计

2021-01-20张成

科学技术创新 2021年1期

张成

（江苏省常州技师学院智能制造学院，江苏常州213001）

1 椰青的生物特性

椰青的内部结构如图所示，主要是由椰衣纤维、椰壳、种皮、椰肉、椰汁以及胚芽组成的。其椰肉含约33%的脂肪，约4%的蛋白质以及多种维生素，鲜嫩可口，椰汁鲜甜可口，是低卡路里的酷暑佳饮。

椰青的生物特性是主要表现在硬度上：种皮＞椰壳＞椰衣纤维＞椰肉。为了正常的食用椰肉、椰汁，至少需要切割开椰青的种皮。同时，为确保椰肉不会破损、椰汁飞溅，从而影响正常的食用，必须在种皮切开的瞬间及时的停止设备的机械动作。因此，对开孔状态进行检测是椰青开孔的关键。

2 硬件设计

本系统的主控芯片采用STM32F103 系列处理器，该芯片采用Cortex-M3 内核架构，32 位处理器，最高工作频率为72MHz，内部集成了多种外设功能模块如：定时器、I2C、串口、ADC、DAC 及通用IO 口。该芯片强大的运算处理能力，足以支持椰青开孔状态的检测工作（图1）。

图1 检测系统硬件结构图

电机电流检测方案如图2 所示，本系统的采集方案为：霍尔型电流传感器工作时将采集切刀机构的电机运行时电流值，然后将电机的电流值对应转换成电压值。霍尔电流传感器OUT 接口初始电压值为2.5V，而控制单元A/D 转换接口检测电压范围在3.3V 以内。因此，为了扩大控制单元电流检测范围，在控制单元与传感器间串接一个1.8V 减法器。

图2 直流电机电流检测方案

如图3 所示，切刀电机实际上是通过一个半桥驱动电路实现控制的，切刀电机的控制原理为：CPU 将信号经过74HC245放大再传输到SELOUT，当SELOUT 为低电平时，光耦Udo5 导通，此时Qro 三极管Qro 基极为低电平，三极管导通，BJ5 的2 脚为低电平LS 端导通，OUT 与GND 构成回路，电机驱动切刀旋转。CPU 依据电流传感器采集的电流值识别椰青切削力的变化，实现椰青的自动开孔。

3 软件设计

开孔状态检测系统流程图如图4 所示。通过STM32F103 的定时器以30ms/次的频率采集切刀电机电流。

表1 中切换条件1 代表切削开孔第Ⅰ至Ⅱ阶段的切换依据，I1表示该阶段检测电流的最小值0.3A，K1表示150ms 采集到电流变化的斜率；切换条件2 代表第Ⅱ至Ⅲ阶段的切换依据，I2表示该阶段检测电流的最小值1.5A，K2A、K2B表示150ms 采集到电流变化的斜率，随着切削的进行，电流呈上升趋势，当K2B大于0.32 时，跳转到条件3；切换条件3 代表第Ⅲ至Ⅳ阶段的切换依据，K3A、K3B表示150ms 采集到电流变化的斜率，该阶段已基本完成了椰青的开孔，电流变化呈下降趋势，斜率为负值，当检测到K3B小于-0.35 时，停止各机构的动作。

图3 切刀电机电流采集原理图

图4 开孔状态检测系统流程图

表1 椰青开孔状态识别条件

4 系统测试

本系统可行性测试随机选取了20 只椰青，结果表明了检测系统的可靠性高，能够清晰的辨识椰青的开孔状态。测试过程中将切刀电机的工作电流用电流钳，电机转速用光电测速模块分别测出可得图5 电流与转速的变化情况，该图清晰的表征出椰青开孔过程中电机工作状态的变化情况，检测系统只需要抓取出切削椰壳层动态的电流变化趋势，即可实现椰青的自动化切削。