基于STM32 和椰青生物特性的開孔狀態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張成

（江蘇省常州技師學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇 常州213001）

1 椰青的生物特性

椰青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，主要是由椰衣纖維、椰殼、種皮、椰肉、椰汁以及胚芽組成的。其椰肉含約33%的脂肪，約4%的蛋白質(zhì)以及多種維生素，鮮嫩可口，椰汁鮮甜可口，是低卡路里的酷暑佳飲。

椰青的生物特性是主要表現(xiàn)在硬度上：種皮＞椰殼＞椰衣纖維＞椰肉。為了正常的食用椰肉、椰汁，至少需要切割開椰青的種皮。同時(shí)，為確保椰肉不會破損、椰汁飛濺，從而影響正常的食用，必須在種皮切開的瞬間及時(shí)的停止設(shè)備的機(jī)械動作。因此，對開孔狀態(tài)進(jìn)行檢測是椰青開孔的關(guān)鍵。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主控芯片采用STM32F103 系列處理器，該芯片采用Cortex-M3 內(nèi)核架構(gòu)，32 位處理器，最高工作頻率為72MHz，內(nèi)部集成了多種外設(shè)功能模塊如：定時(shí)器、I2C、串口、ADC、DAC 及通用IO 口。該芯片強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，足以支持椰青開孔狀態(tài)的檢測工作（圖1）。

圖1 檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)電流檢測方案如圖2 所示，本系統(tǒng)的采集方案為：霍爾型電流傳感器工作時(shí)將采集切刀機(jī)構(gòu)的電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流值，然后將電機(jī)的電流值對應(yīng)轉(zhuǎn)換成電壓值。霍爾電流傳感器OUT 接口初始電壓值為2.5V，而控制單元A/D 轉(zhuǎn)換接口檢測電壓范圍在3.3V 以內(nèi)。因此，為了擴(kuò)大控制單元電流檢測范圍，在控制單元與傳感器間串接一個(gè)1.8V 減法器。

圖2 直流電機(jī)電流檢測方案

如圖3 所示，切刀電機(jī)實(shí)際上是通過一個(gè)半橋驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)控制的，切刀電機(jī)的控制原理為：CPU 將信號經(jīng)過74HC245放大再傳輸?shù)絊ELOUT，當(dāng)SELOUT 為低電平時(shí)，光耦Udo5 導(dǎo)通，此時(shí)Qro 三極管Qro 基極為低電平，三極管導(dǎo)通，BJ5 的2 腳為低電平LS 端導(dǎo)通，OUT 與GND 構(gòu)成回路，電機(jī)驅(qū)動切刀旋轉(zhuǎn)。CPU 依據(jù)電流傳感器采集的電流值識別椰青切削力的變化，實(shí)現(xiàn)椰青的自動開孔。

3 軟件設(shè)計(jì)

開孔狀態(tài)檢測系統(tǒng)流程圖如圖4 所示。通過STM32F103 的定時(shí)器以30ms/次的頻率采集切刀電機(jī)電流。

表1 中切換條件1 代表切削開孔第Ⅰ至Ⅱ階段的切換依據(jù)，I1表示該階段檢測電流的最小值0.3A，K1表示150ms 采集到電流變化的斜率；切換條件2 代表第Ⅱ至Ⅲ階段的切換依據(jù)，I2表示該階段檢測電流的最小值1.5A，K2A、K2B表示150ms 采集到電流變化的斜率，隨著切削的進(jìn)行，電流呈上升趨勢，當(dāng)K2B大于0.32 時(shí)，跳轉(zhuǎn)到條件3；切換條件3 代表第Ⅲ至Ⅳ階段的切換依據(jù)，K3A、K3B表示150ms 采集到電流變化的斜率，該階段已基本完成了椰青的開孔，電流變化呈下降趨勢，斜率為負(fù)值，當(dāng)檢測到K3B小于-0.35 時(shí)，停止各機(jī)構(gòu)的動作。

圖3 切刀電機(jī)電流采集原理圖

圖4 開孔狀態(tài)檢測系統(tǒng)流程圖

表1 椰青開孔狀態(tài)識別條件

4 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)可行性測試隨機(jī)選取了20 只椰青，結(jié)果表明了檢測系統(tǒng)的可靠性高，能夠清晰的辨識椰青的開孔狀態(tài)。測試過程中將切刀電機(jī)的工作電流用電流鉗，電機(jī)轉(zhuǎn)速用光電測速模塊分別測出可得圖5 電流與轉(zhuǎn)速的變化情況，該圖清晰的表征出椰青開孔過程中電機(jī)工作狀態(tài)的變化情況，檢測系統(tǒng)只需要抓取出切削椰殼層動態(tài)的電流變化趨勢，即可實(shí)現(xiàn)椰青的自動化切削。

圖5 切刀電機(jī)切削時(shí)，電流與轉(zhuǎn)速的變化情況

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于霍爾電流效應(yīng)的椰青開孔狀態(tài)檢測系統(tǒng)，通過辨識切削過程中電流的變化情況，實(shí)現(xiàn)了椰青開孔的自動化作業(yè)。該檢測系統(tǒng)高效便捷，在開孔過程中對椰汁及椰肉沒有污染，且識別過程準(zhǔn)確高效，開孔的有效率高，適用于水果商超。