基于STM32的自動(dòng)香蕉秸稈壓縮成型機(jī)

曾雄梅 樊軍慶 張燕 馬延

摘要：海南香蕉秸稈當(dāng)前絕大部分沒有得到充分利用，處于被廢棄的狀態(tài)，針對(duì)這一現(xiàn)狀，提出了一種基于STM32控制的香蕉秸稈壓縮成型機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。該壓縮成型機(jī)在STM32的控制下通過步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)的有效配合將秸稈切割，然后通過壓縮成型系統(tǒng)將其壓縮成顆粒或板狀。系統(tǒng)采用全自動(dòng)化監(jiān)控，實(shí)用性強(qiáng)、效率較高，為香蕉秸稈轉(zhuǎn)化為高級(jí)能源替代煤炭、石油等化學(xué)能源提供了很好的條件，同時(shí)也為香蕉秸稈向生物質(zhì)能源的轉(zhuǎn)化過程節(jié)省了人力和物力。

關(guān)鍵詞：香蕉秸稈；STM32；步進(jìn)電機(jī)；壓縮成型機(jī)；液壓系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S226 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）11-2758-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.053

Studies on Automatic Straw Compacting Shape Machine of Banana based on STM32

ZENG Xiong-mei1， FAN Jun-qing1， ZHANG Yan1， MA Yan2

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Hainan University， HaiKou 570228， China；

2.College of Mechanical and Electrical Engineering， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266001， Shandong， China）

Abstract： The banana stalks in Hainan province were underutilized in a state of abandonment currently， aiming at the status quo， an automatic control system of banana straw compacting shape machine controlled by STM32 was proposed. Under the control of STM32， the compacting shape machine cut stalks through the effective cooperation of stepping motor system and the hydraulic control system， and then compressed it into granules or plates through the compacting shape system. The compressor adopted the automatic monitoring， possessed the advantages of strong practicability and high efficiency， providing favorable condition for turning banana stalks into senior energy to replace chemical energy such as coal， oil， etc and saving manpower and material resources in the process of turning banana stalks into biomass energy.

Key words：banana stalks；STM32；stepping motor；compacting shape machine；liquefaction system

中國(guó)作為香蕉生產(chǎn)國(guó)之一，2008年香蕉收獲面積居世界第六位，為31.78萬(wàn)m2，香蕉總產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的8.9%，為804.27萬(wàn)t，居世界第三位，僅次于香蕉生產(chǎn)主導(dǎo)國(guó)印度與菲律賓[1]。香蕉的盛產(chǎn)即伴隨著大量香蕉秸稈的處理問題，目前普遍使用的處理方法是人工砍伐并將其搬至田邊堆積發(fā)酵或焚燒，這些處理方法不但勞動(dòng)力強(qiáng)度高、人力資源耗費(fèi)大，而且占用土地面積大，污染環(huán)境、容易加劇病蟲害的滋生[2]。將香蕉秸稈轉(zhuǎn)化為新型能源用作養(yǎng)殖業(yè)的飼料、生產(chǎn)食用菌的基料以及代替部分煤炭、石油等化學(xué)能源不但能避免香蕉秸稈因處理不當(dāng)帶來(lái)的各種問題，還能充分發(fā)揮香蕉秸稈的作用。為此，設(shè)計(jì)了基于STM32的全自動(dòng)香蕉秸稈壓縮成型機(jī)，該壓縮成型機(jī)將香蕉秸稈最終壓縮成顆?；虬鍫?，為香蕉秸稈用作化學(xué)能源或生物質(zhì)能源邁開了第一步，同時(shí)也促進(jìn)了整個(gè)香蕉產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

1 自動(dòng)香蕉秸稈壓縮成型機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

壓縮成型機(jī)主要包括負(fù)責(zé)送料過程的步進(jìn)電機(jī)、負(fù)責(zé)將香蕉秸稈切割成塊的液壓系統(tǒng)、完成香蕉秸稈成型的壓縮成型系統(tǒng)及STM32控制系統(tǒng)四大部分。通過四大系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作從而完成香蕉秸稈的切割及壓縮成型過程。香蕉秸稈壓縮成型機(jī)的總體框圖如圖1。

壓縮成型機(jī)主要工作原理為：人工上料到傳送帶上并打開電源開關(guān)，同時(shí)啟動(dòng)總控制開關(guān)，光電傳感器1檢測(cè)到秸稈的存在，發(fā)出信號(hào)至STM32，隨即STM32發(fā)出脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)傳送帶運(yùn)送秸稈；超聲波傳感器3檢測(cè)秸稈的高度后將信號(hào)送至STM32，STM32根據(jù)秸稈高度控制液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)閘刀位置的上下移動(dòng)，從而使閘刀到達(dá)剛好接觸秸稈的位置；此后當(dāng)指定位置處的光電傳感器4檢測(cè)到秸稈的存在時(shí)，便發(fā)出信號(hào)送至STM32，STM32接收到傳感器4的信號(hào)后發(fā)出指令控制步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，同時(shí)液壓控制系統(tǒng)控制閘刀切割香蕉秸稈，經(jīng)切割的秸稈片即為設(shè)定的長(zhǎng)度。待香蕉秸稈被切斷后（此時(shí)閘刀應(yīng)接觸到工作臺(tái)），閘刀自動(dòng)恢復(fù)初始位置，光電傳感器2同時(shí)檢測(cè)到信號(hào)，STM32再次發(fā)出脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。同時(shí)被切斷的香蕉秸稈片自動(dòng)落入壓縮成型機(jī)的喂料斗中，壓力傳感器5檢測(cè)到壓力后發(fā)出信號(hào)給STM32，STM32接收到壓力傳感器5的信號(hào)后發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)式壓縮成型機(jī)的工作，從而完成香蕉秸稈的壓縮成型。此后壓縮成型機(jī)以上述過程為周期不斷工作直至總電源斷開。整個(gè)壓縮成型機(jī)工作原理圖如圖2。

2 系統(tǒng)模塊組成

2.1 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)是一種輸入電信號(hào)而輸出對(duì)應(yīng)角位移或線位移的電磁機(jī)械設(shè)備。它的顯著特點(diǎn)之一是能實(shí)現(xiàn)快速的啟動(dòng)和停止，只要在規(guī)定的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)能在一瞬間內(nèi)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止[3]。同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)輸出的步矩角和轉(zhuǎn)速大小不受環(huán)境、輸入電壓波動(dòng)和負(fù)載的影響，僅僅與脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)有關(guān)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)過固定的角度，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度是由脈沖頻率控制的，從而通過控制脈沖的數(shù)量和頻率就能實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確調(diào)速[4]。

控制步進(jìn)電機(jī)工作的電路如圖3。系統(tǒng)采用兩相六線式步進(jìn)電機(jī)YK42HB60-01A，其通過結(jié)合各種傳感器的檢測(cè)，并在STM32的控制下完成送料工作。當(dāng)光電傳感器1檢測(cè)到信號(hào)后送至STM32，STM32接收信號(hào)后發(fā)出脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)從而帶動(dòng)傳送帶運(yùn)輸香蕉秸稈，當(dāng)指定位置處的光電傳感器4檢測(cè)到香蕉秸稈時(shí)輸出信號(hào)至STM32，STM32輸出控制信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，當(dāng)傳感器2檢測(cè)到閘刀回到初始位置后輸出信號(hào)給STM32，STM32輸出控制信號(hào)再次驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)從而帶動(dòng)傳送帶運(yùn)輸香蕉秸稈。當(dāng)超聲波傳感器6和超聲波傳感器7均檢測(cè)到料斗口處秸稈片的存在后，把信號(hào)送至STM32，STM32接收到信號(hào)后控制步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)。

2.2 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)工作原理為：電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力作用于液壓泵，液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為壓力推動(dòng)液壓油運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制各種閥門的開閉從而改變液壓油的流向，通過液壓油不同的流向進(jìn)一步推動(dòng)液壓缸做出不同方向、不同路徑的動(dòng)作，最終完成各種設(shè)備不同的動(dòng)作需要[5]。此系統(tǒng)中，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)將香蕉秸稈送至指定位置使光電傳感器4發(fā)出信號(hào)作用于STM32后，STM32發(fā)出命令控制與液壓泵相連的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)液壓裝置運(yùn)作，最終通過控制與液壓缸相連的閘刀完成香蕉秸稈的切割任務(wù)，切割完成后閘刀自動(dòng)回到初始位置。液壓控制系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)圖如圖4。

2.3 壓縮成型機(jī)系統(tǒng)

目前比較成熟的壓縮成型機(jī)有螺旋擠壓式成型機(jī)、活塞沖擊式成型機(jī)及壓輥式成型機(jī)三大類。根據(jù)驅(qū)動(dòng)力的不同，活塞沖擊式成型機(jī)又可分為機(jī)械驅(qū)動(dòng)式活塞成型機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)式成型機(jī)兩種[6]。液壓驅(qū)動(dòng)式壓縮成型機(jī)具有運(yùn)行穩(wěn)定、無(wú)噪音且成型部件損耗小等優(yōu)點(diǎn)[7]，因此此系統(tǒng)設(shè)計(jì)液壓驅(qū)動(dòng)式壓縮成型機(jī)作為壓縮香蕉秸稈成型的主要裝置。

經(jīng)切割后的香蕉秸稈自動(dòng)落入液壓驅(qū)動(dòng)式成型機(jī)的喂料斗中，啟動(dòng)控制液壓驅(qū)動(dòng)式成型機(jī)的電源開關(guān)后，壓力傳感器5檢測(cè)到壓力并發(fā)出脈沖，STM32接收到壓力傳感器5的信號(hào)后，輸出信號(hào)控制壓縮成型機(jī)的液壓控制系統(tǒng)工作，其余各個(gè)部件也開始協(xié)調(diào)工作，成型的物料最終從保形筒中送出。壓縮成型機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是以STM32為控制核心實(shí)現(xiàn)的香蕉秸稈壓縮成型系統(tǒng)，通過編寫運(yùn)行于STM32上的程序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)、液壓裝置及壓縮成型裝置的協(xié)調(diào)工作，并通過人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行過程。此壓縮成型機(jī)是一套全自動(dòng)控制的工作裝置，它通過前后步驟之間的精確分工及緊密聯(lián)系來(lái)完成各項(xiàng)任務(wù)。系統(tǒng)的總體流程圖如圖6所示。

STM32單片機(jī)是ST公司推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，它具有高性能、低成本、低功耗等眾多優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)置大容量的Flash和SRAM，具有豐富的通信接口，如USART、CAN、USB、SPI等[8]。以STM32為核心結(jié)合驅(qū)動(dòng)芯片L298N及與非門芯片74LS20的控制電路為本系統(tǒng)的主要電路部分，同時(shí)增加液晶、按鍵、藍(lán)牙等輔助模塊實(shí)現(xiàn)方便的操作及顯示。在控制過程中，STM32利用其強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制及算術(shù)運(yùn)算等功能將各個(gè)傳感器送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理后繼而控制步進(jìn)電機(jī)、液晶等各個(gè)功能模塊的協(xié)調(diào)工作。以STM32為核心的主控電路如圖7。

控制步進(jìn)電機(jī)的部分代碼如下：

If（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOB，GPIO_Pin_1

3））//控制開關(guān)啟動(dòng)

{if（BH1_DQ_OUT>2000）//傳感器1檢測(cè)到信號(hào)

{GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）：

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）：

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；/*驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)*/ }

if（WeiZhi4_OUT）//傳感器4檢測(cè)到信號(hào)

{GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；/*步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)*/}

if（WeiYi6_OUT&&WeiYi7_OUT）//傳感器6和7均檢測(cè)到信號(hào)

{GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；/*步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)*/}

else { GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；/*驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)*/

}}

4 試驗(yàn)效果

通過試驗(yàn)，該系統(tǒng)能全自動(dòng)地完成香蕉秸稈的壓縮成型過程，達(dá)到預(yù)期的效果，將設(shè)計(jì)的全自動(dòng)控制壓縮成型機(jī)與傳統(tǒng)的人工監(jiān)控壓縮成型機(jī)相比，提高的效率高達(dá)50%，同時(shí)自動(dòng)控制的壓縮成型機(jī)均勻有序的運(yùn)行狀態(tài)避免了人工送料不均勻造成壓縮成型機(jī)的空載或超載運(yùn)行狀態(tài)，使得自動(dòng)壓縮成型機(jī)的壽命比普通的壓縮成型機(jī)長(zhǎng)2～3年。

5 小結(jié)

系統(tǒng)以步進(jìn)電機(jī)、液壓控制裝置、壓縮成型裝置及STM32微處理器為基礎(chǔ)，結(jié)合控制程序研發(fā)了一種香蕉秸稈壓縮成型機(jī)。此香蕉秸稈壓縮成型機(jī)的誕生可大大減少秸稈的廢棄，為香蕉秸稈通過成型后轉(zhuǎn)化為煤、石油等其他的高級(jí)能源奠定了基礎(chǔ)；將促進(jìn)海南香蕉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)將使海南生物質(zhì)能源得到更好的利用，一定程度上緩解如今資源短缺的問題。

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