基于STM32 和椰青生物特性的開孔狀態檢測系統設計

張成

（江蘇省常州技師學院智能制造學院，江蘇 常州213001）

1 椰青的生物特性

椰青的內部結構如圖所示，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，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的停止設備的機械動作。因此，對開孔狀態進行檢測是椰青開孔的關鍵。

2 硬件設計

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

圖1 檢測系統硬件結構圖

電機電流檢測方案如圖2 所示，本系統的采集方案為：霍爾型電流傳感器工作時將采集切刀機構的電機運行時電流值，然后將電機的電流值對應轉換成電壓值。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 轉換接口檢測電壓范圍在3.3V 以內。因此，為了擴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1.8V 減法器。

圖2 直流電機電流檢測方案

如圖3 所示，切刀電機實際上是通過一個半橋驅動電路實現控制的，切刀電機的控制原理為：CPU 將信號經過74HC245放大再傳輸到SELOUT，當SELOUT 為低電平時，光耦Udo5 導通，此時Qro 三極管Qro 基極為低電平，三極管導通，BJ5 的2 腳為低電平LS 端導通，OUT 與GND 構成回路，電機驅動切刀旋轉。CPU 依據電流傳感器采集的電流值識別椰青切削力的變化，實現椰青的自動開孔。

3 軟件設計

開孔狀態檢測系統流程圖如圖4 所示。通過STM32F103 的定時器以30ms/次的頻率采集切刀電機電流。

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，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，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，隨著切削的進行，電流呈上升趨勢，當K2B大于0.32 時，跳轉到條件3；切換條件3 代表第Ⅲ至Ⅳ階段的切換依據，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，斜率為負值，當檢測到K3B小于-0.35 時，停止各機構的動作。

圖3 切刀電機電流采集原理圖

圖4 開孔狀態檢測系統流程圖

表1 椰青開孔狀態識別條件

4 系統測試

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

圖5 切刀電機切削時，電流與轉速的變化情況

5 結論

本文設計了一種基于霍爾電流效應的椰青開孔狀態檢測系統，通過辨識切削過程中電流的變化情況，實現了椰青開孔的自動化作業。該檢測系統高效便捷，在開孔過程中對椰汁及椰肉沒有污染，且識別過程準確高效，開孔的有效率高，適用于水果商超。