基于STM32 的低功耗整箱自動(dòng)檢重設(shè)備

王思澤，劉為國(guó)

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）

0 引 言

在21 世紀(jì)的今天，中國(guó)的制造業(yè)經(jīng)濟(jì)正在快速繁榮發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)成為世界第一的產(chǎn)品出口大國(guó)和最具發(fā)展?jié)摿Φ闹圃齑髧?guó)之一。隨著“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”等新概念逐步深入人心，工業(yè)領(lǐng)域朝著智能化這個(gè)方向邁進(jìn)的時(shí)代趨勢(shì)已經(jīng)變得越來越明顯。考慮到目前市場(chǎng)上車架箱的稱重和記錄設(shè)備性能和功能仍不完善，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)成本低、功能齊全、有較好的穩(wěn)定性與可維修性的低功耗整箱自動(dòng)檢重設(shè)備。先使用該設(shè)備對(duì)車架箱進(jìn)行稱重，當(dāng)一個(gè)車架箱運(yùn)輸過來，由光電傳感器感知車箱的位置；然后傳送信號(hào)給壓力傳感器測(cè)量。在此過程中當(dāng)稱重?cái)?shù)據(jù)與預(yù)設(shè)數(shù)值不符時(shí)，則蜂鳴器報(bào)警并伴隨警報(bào)指示燈亮起；對(duì)合格的車架箱稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行記錄并上傳到PC 端。除此之外，該設(shè)備可進(jìn)行自身工作狀態(tài)檢測(cè)，當(dāng)連續(xù)檢測(cè)3 個(gè)車架箱不合格時(shí)，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間報(bào)警，提醒操作人員檢查設(shè)備。該設(shè)備能夠?qū)嚰芎凶舆M(jìn)行稱重、異常報(bào)警、資料記錄和打印等，有效減少產(chǎn)品稱重記錄環(huán)節(jié)的人工成本，提高稱重記錄環(huán)節(jié)的工作效率。

1 設(shè)備工作原理和實(shí)現(xiàn)方案

1.1 控制器

選用較為普遍的STM32 系列單片機(jī)，其體積小，便于移動(dòng)，可以適用于許多工作場(chǎng)地；其次單片機(jī)的使用相對(duì)簡(jiǎn)單，開源方便，對(duì)使用者沒有過多的要求。該模塊是整個(gè)機(jī)器的核心部件，各個(gè)模塊之間的連接控制、設(shè)備功能的完整運(yùn)行與它密不可分。

1.2 傳送裝置

選用市面常見的帶式傳動(dòng)輸送方式，如圖1 所示，傳送帶是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)稱重過程中的重要設(shè)備，讓車箱按照傳送帶所設(shè)定的速度并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)相應(yīng)的位置[1-3]。稱重過程中，如果有車箱重量不合格時(shí)，要配合推桿結(jié)構(gòu)將其從傳送帶上剔除，此操作過程不但可以提高工作效率，而且也在一定程度上減少了人為因素的影響。除此之外，要確保稱重過程中不出現(xiàn)非正常的停滯狀態(tài)，各功能部件和傳送帶的長(zhǎng)度以及運(yùn)行的速度都需要準(zhǔn)確定位衡量。

圖1 傳送帶

1.3 HX711 A/D 轉(zhuǎn)換模塊

HX711 是一個(gè)24 位A/D 轉(zhuǎn)換器芯片，主要是為高精度電子秤設(shè)計(jì)的，該芯片與其他同類型的芯片相比，具有集成度高、抗干擾性強(qiáng)、響應(yīng)速度快以及包含穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等外圍電路等優(yōu)點(diǎn)[4]。在提高整體性能和可靠性的同時(shí)，整機(jī)的成本也較低。

1.4 推桿

本文自主設(shè)計(jì)的剔除裝置在蜂鳴器與指示燈裝置分別報(bào)警并亮起時(shí)將不合格的車箱從主流水線上踢走，這樣一來也不會(huì)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流水線造成影響，無須流水線停止運(yùn)行，使自動(dòng)化程度更加完善。

將如圖2 所示的推桿與步進(jìn)電機(jī)結(jié)合，形成設(shè)備的剔除裝置。使剔除裝置與傳送裝置進(jìn)行較好地貼合，則不會(huì)影響車箱在稱重區(qū)域的稱重狀態(tài)與路徑。設(shè)備會(huì)在不合格車箱稱重完成后完全離開稱重區(qū)域時(shí)對(duì)其進(jìn)行剔除，這里將結(jié)合光電開關(guān)（觸發(fā)推桿工作），共同實(shí)現(xiàn)設(shè)備的剔除功能。對(duì)于傳感器，采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器，其穩(wěn)定性較好，易購(gòu)買；采用光電傳感器，其檢測(cè)距離長(zhǎng)、響應(yīng)速度快[5]。

圖2 推桿

1.5 串口通信助手軟件

為了保證一個(gè)RS 232 能夠與一臺(tái)移動(dòng)計(jì)算機(jī)的兩個(gè)TTL 端口相互連接，需要盡量實(shí)現(xiàn)它們之間的輸出邏輯和輸入輸出高低電平的相互關(guān)系轉(zhuǎn)化[6]。在一臺(tái)上位機(jī)（移動(dòng)計(jì)算機(jī)）上，安裝了一個(gè)與所有單片機(jī)接口相連且可以進(jìn)行單機(jī)串口通信數(shù)據(jù)包的接收與信號(hào)傳輸?shù)耐ㄐ跑浖鐖D3 所示，通過它可以自動(dòng)調(diào)節(jié)一個(gè)串口的各種通信處理參數(shù)，包括對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位、波特率、停止位和奇偶校驗(yàn)，進(jìn)而進(jìn)行對(duì)接通信，接收符合要求的數(shù)據(jù)。

圖3 串口通信助手軟件

1.6 數(shù)據(jù)采集軟件

如圖4 所示，與串口通信助手軟件相結(jié)合，由串口通信助手獲取單片機(jī)程序中所得到的重量數(shù)據(jù)，緊接著由串口助手將所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理生成文本文件。

圖4 數(shù)據(jù)采集軟件

2 設(shè)備功能導(dǎo)圖描述

本文設(shè)備是在全自動(dòng)化下完成作業(yè)的。首先，把車架箱放在傳送帶上，當(dāng)車架箱被第一個(gè)光電傳感器檢測(cè)到時(shí)（此時(shí)紙箱的重量相對(duì)穩(wěn)定），帶式輸送裝置下面安裝的應(yīng)變式壓力傳感器可以檢測(cè)到壓力信號(hào)，然后由數(shù)據(jù)采集模塊將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，得到的數(shù)字則為車架箱的重量。針對(duì)單片機(jī)記錄的連續(xù)3 組重量數(shù)據(jù)，取平均值確定最終的紙箱重量。通過單片機(jī)將此重量值與操作面板上所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)重量和標(biāo)準(zhǔn)誤差比較，判斷紙箱是否符合要求。將符合要求的紙箱數(shù)據(jù)上傳到PC 端，而不符合要求的紙箱在被第二個(gè)光電傳感器檢測(cè)到后，設(shè)備啟動(dòng)分揀裝置將紙箱剔除并通過短時(shí)間的報(bào)警提醒工作人員。此外，考慮到企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的完善性，當(dāng)連續(xù)3 個(gè)紙箱被判定為不合格時(shí)，設(shè)備發(fā)出長(zhǎng)時(shí)間的報(bào)警，提醒操作人員是否存在預(yù)設(shè)值設(shè)置錯(cuò)誤或其他原因?qū)е碌腻e(cuò)誤，從而減少企業(yè)因此造成的損失。將記錄的數(shù)據(jù)傳到PC 端，通過PC 端上的上位機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)按企業(yè)要求繪制表格，方便打印機(jī)打印。

2.1 邏輯流程

設(shè)備邏輯流程如圖5 所示。

圖5 設(shè)備邏輯流程

2.2 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

設(shè)備結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 設(shè)備結(jié)構(gòu)模型

3 自動(dòng)稱重系統(tǒng)的精度

平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差是自動(dòng)稱重系統(tǒng)測(cè)量精度的兩個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。平均值是一組連續(xù)測(cè)得的數(shù)據(jù)的總和除以所測(cè)個(gè)數(shù)的數(shù)值；標(biāo)準(zhǔn)誤差是一種量度數(shù)據(jù)分布分散程度的標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)本設(shè)備的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度，可以采取±3 倍的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量偏差作為計(jì)算公式，并用來對(duì)其進(jìn)行精確定義[7]。

通過保證被檢測(cè)產(chǎn)品的狀態(tài)來保證其精度，同時(shí)改善設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境，例如工作中環(huán)境的氣候、濕度、地面震動(dòng)、空氣的流通情況等[7]。做好器件的接地，降低靜電傳感器的敏銳度；遠(yuǎn)離弱輻射，避免受到無線電磁波的干擾。另外，空氣的流動(dòng)對(duì)于自動(dòng)稱重機(jī)的工作精度也是會(huì)產(chǎn)生一定的影響，最好把設(shè)備直接安裝到避風(fēng)的制造車間內(nèi)，并且在稱重的位置上再添加一個(gè)防風(fēng)蓋，可以有效地改善設(shè)備正常運(yùn)行的穩(wěn)定性[8]。

3.1 自動(dòng)化篩選

剔除部件是自動(dòng)稱重器機(jī)構(gòu)的重要部件。在線上進(jìn)行操作的同時(shí)，檢測(cè)到不合格產(chǎn)品就需要在最短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地做出反應(yīng)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)過快或者用力太多都可能會(huì)使車輛產(chǎn)生振動(dòng)，影響檢重設(shè)備的稱量精度[9]。我們可以通過對(duì)獲得的重量進(jìn)行長(zhǎng)期延時(shí)，在確保所獲得的重量相對(duì)準(zhǔn)確時(shí)，由機(jī)械運(yùn)動(dòng)的沖擊而帶來的振動(dòng)對(duì)精度不會(huì)有任何影響。剔除部分主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了使推桿的推力相對(duì)較大，應(yīng)盡可能縮短推桿的長(zhǎng)度。

3.2 設(shè)備的可靠性

可靠性是衡量設(shè)備質(zhì)量的一項(xiàng)十分重要的技術(shù)指標(biāo)，只有這種設(shè)備的質(zhì)量和可靠性很好，安全性才能得到保障，它的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力也會(huì)很強(qiáng)，所以在設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)謹(jǐn)記可靠性的重要性。此外還應(yīng)兼顧到環(huán)境適應(yīng)性、監(jiān)控防護(hù)設(shè)計(jì)、可維修性等[10]。

4 設(shè)備調(diào)試

針對(duì)此設(shè)備進(jìn)行技術(shù)測(cè)試時(shí)，對(duì)以下四大模塊進(jìn)行了調(diào)試：

（1）傳送帶的速度調(diào)試：為了讓物體在傳送帶上有序地運(yùn)輸，在稱重時(shí)確保質(zhì)量的精確度同時(shí)滿足稱重時(shí)有且只有一個(gè)物體在上面。

（2）動(dòng)態(tài)稱重精確度的調(diào)試：將外界因素或者系統(tǒng)因素對(duì)它的影響降到最低，能夠準(zhǔn)確地稱量物體的重量。

（3）不合格物體剔除的調(diào)試：在光電傳感器接收到信號(hào)后并準(zhǔn)確傳遞給推桿時(shí)，需要確保推桿能準(zhǔn)確地把物體推向另一個(gè)傳送帶，這樣就能幫助企業(yè)提高工作效率。

（4）異常報(bào)警的調(diào)試：當(dāng)稱重傳感器稱量到重量后，與單片機(jī)中所定義的質(zhì)量范圍不符合時(shí)，單片機(jī)板控制的蜂鳴器響起，同時(shí)LED 燈亮起，這樣能夠讓作業(yè)人員很好地了解到產(chǎn)品的情況。

設(shè)備功能的指標(biāo)驗(yàn)證及測(cè)試結(jié)果分別見表1 和表2所列。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 功能指標(biāo)驗(yàn)證和測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)稱重設(shè)備是一種動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，它不同于天平的靜態(tài)稱重，是對(duì)生產(chǎn)線上通過的產(chǎn)品進(jìn)行在線稱重，同時(shí)根據(jù)預(yù)設(shè)值對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行篩選或剔除。設(shè)備在結(jié)構(gòu)上可分為：輸入部分、稱重部分、輸出部分、顯示部分、剔除部分和計(jì)算控制系統(tǒng)。為了適應(yīng)社會(huì)的趨勢(shì)，需要不斷地更新機(jī)器的功能，使其能夠滿足未來的制造需求。