基于STM32的现金打捆机控制系统的设计
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摘 要：本设计研究了基于stm32的全自动现金打捆机的原理与实现，并给出了相应的硬件结构简图和软件流程框图以及控制过程中的处理方法。该系统综合分析了现有几种产品设计方案的优缺点，对硬件控制和机械设计部分进行重新设计，采用步进电机进行协同控制完成现金打捆，既简化了设备的体积，又具有实时监控调整功能，真正实现了高精度的闭环可自修正控制。
关键词：STM32;现金打捆机;闭环控制;步进电机 引言
现金打捆机是一款为了解决金融系统纸币捆扎而研制的捆钞设备，其将百张纸币一起进行打捆，以便于清点、运输和保存。目前国内全自动现金打捆机的硬件系统中，进收带机构多采用光电编码盘控制进收带量，对控制三个压头的打捆机构多采用机械凸轮完成现金打捆，但是这大大增加了设备的体积和控制的复杂度;其软件系统中，大多采用PLC控制，但是PLC成本高，保密性差，并且对现金打捆机某些控制单元有特殊要求，难以做到实时监控、自我修正的闭环控制[1]。因此，本设计基于解决以上问题，提出一种采用步进电机代替机械凸轮的新型设计方案，该系统自行开发软硬件，具有成本低、精度高、可靠性好等优点。
1.系统硬件设计
1.1 现金打捆机工作原理
系统通过STM32芯片协同控制，对进收带机构采用微动开关与压力开关巧妙配合，完成进带、收带、紧带;对打捆机构中的三个压头采用三个步进电机独立控制，这样当现金打捆过程中发生特殊情况时，只需调用相应的复位子程序，即可实现自我修正。其具体打捆工作流程，如图1所示：
（1）当现钞进入工作台指定位置后，现金打捆机通电，进入现金打捆工作流程[2]。
（2）a为送带过程：启动进收带电机正转开始进带，当捆扎带自由端碰到带道上的“进带到位”微动开关时，进收带电机停止工作。
（3）b为紧带过程：固定压头电机正转，压好带头侧后，固定压头电机停止工作。同时，启动进收带电机反转开始紧带，当检测到捆扎带被抽紧，即“收带到位”压力开关置位时 ，进收带电机停止工作。
（4）c为再收紧过程：收紧压头电机正转，压好带尾侧后，收紧压头电机停止工作。这时，现钞被完全捆扎紧。
（5）d为热合剪断过程：同时，启动热合剪断压头电机正转开始热合剪断，根据捆扎带此时角度设计布置的热合片比剪刀高，但在热合剪断压头上升过程中，捆扎带先被剪断，然后热合片将捆扎带加压熔接。
（6）最后热合剪断压头电机、收紧压头电机、固定压头电机依次反转，复位到初始位置。这时，捆扎带加压熔接处冷却，得到牢固的接头，至此完成现金打捆工作。
图1 现金打捆机工作模型的打捆过程示意图
1、进收带电机，2、捆扎带，3、带道，4、现钞，5、微动开关，6、固定压头电机，7、压力开关，8、收紧压头电机，9、热合剪断压头，10、热合板，11、剪刀，12、螺栓传动轴
1.2控制系统硬件组成
现金打捆机的硬件控制电路主要包括STM32控制器、步进电机驱动器、热合剪断压头电机、收紧压头电机、固定压头电机、位置状态传感器、微动开关、压力开关、电源管理几大部分。其主要硬件框图，如图2所示：
图2 现金打捆机主要硬件框图
控制系统主控芯片采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32系列32位闪存微控制器，该芯片非常适合在要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式控制领域应用。STM32具有自己独特的优点： 在Cortex-M3架构上进行了多项改进，在提升性能的同时，所有新功能都具有较低的功耗，其内核电压为1.8V，芯片电压为3.3 V，可以选择睡眠模式、待机模式，保证低功耗应用的要求;相对于ARM系列其他芯片，STM32运行速度更快; 7个TM最多可以产生28个精准的PWM信号，方便地用于步进电机控制;丰富的通信模块便于与上位机进行通信[3]。
步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。它具有高精度的定位、位置及速度控制、定位保持力、开回路控制不必依赖传感器定位等特点，因而被广泛地应用[4]。本系统要用到4台两相四线制42BYG102步进电机，采用L6208N驱动芯片来驱动[5]。
主控芯片接收到打捆指令并将其转化为用于控制步进电机的PWM信号和方向信号，然后通过步进电机驱动器对步进电机进行细分驱动，细分后步进电机运行将更加平稳[6]。其中控制一台步进电机需要STM32产生PWM信号和方向控制信号，并利用HCPL0630光电耦合器进行光耦隔离后经三极管放大输出。通过光耦合器的隔离，电路具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。三极管放大采用开漏输出，方便线与逻辑功能的实现，同时通过外接不同上拉电阻可以增加的驱动能力。
2.系统软件设计
2.1 控制程序流程图
系统主要通过各个步进电机和传感器的协调配合，实时监控位置状态信号，当现金打捆过程中发生特殊情况时，只需调用相应的复位子程序，即可实现自我修正，真正实现了高精度的闭环可自修正控制。其整体控制流程图，如图3所示：
图3 系统整体控制流程图
步进电机的控制程序主要是通过完成STM32F10x芯片的初始化，以及RTX内核的初始化工作，设置好CLOCK、CONTROL、HALF/ 、CW/ 、RESET、EN的所需预定值，实现步进电机正反转等功能。其中将TIM2的第1个通道配置成PWM模式，此模式可以产生一个由TIM2_ARR寄存器值确定频率、TIM2_CCR1寄存器值确定占空比的信号。为使步进电机能稳定旋转，将TIM2_CCR1 的值设置为TIM2_ARR的一半。通过修改对硬件的初始化，可改变对电机的控制策略，系统具有较好的通用性[7]。
2.2 打捆机构控制原理及实现方法
系统中通过对打捆机构中的三个压头的协同控制，来实现现金打捆。设计中将步进电机转轴与螺栓传动轴固定在一起，螺母固定在三个压头底部，这样通过螺栓传动轴的转动就可以实现三个压头的升降，问题就转化成对步进电机的协调控制。
在公制螺栓中，一般会标明，称呼径、牙距、长度等规格参数，这样就可以得到螺丝直径d、螺距p、螺纹长度l。以一台步进电机为研究对象，设打捆机构中的一个压头需要升降的高度为h（h<l），步进电机所在子系统的机械传动等装置的转化系数是常数，设为q，电机所需运行圈数设为Q，则
如果42BYG102步进电机采用两相八拍运行方式， 转子齿数为50齿，则运行时步距角为θ=360度/（50×8）=0.9度。设驱动器细分倍数、电机运行总步数、PWM脉冲总个数分别为 n、N、P，则
这样，就可以根据PWM脉冲总个数P在程序中的设置，从而实现给定的打捆机构中的各个压头需要升降的高度。
步进电机每一次目标位置的移动，都需要经过启动、加速、高速、减速和制动过程。速度大小是由PWM脉冲信号频率决定的，所以完成目标位置移动的过程就是不断调整PWM脉冲信号频率的过程。STM32定时器产生的PWM脉冲频率是由时钟频率f、预分频值M、计数周期T决定的，而时钟频率和计数周期通常固定不变，所以只需通过修改预分频值来调整输出脉冲频率，就可以调整步进电机的转速[8]。
3.结语
本设计改进了现有现金打捆机产品设计方案的优缺点：采用STM32F10x微处理器进行硬件控制，提高了系统的精度;同时对机械设计部分进行重新设计，采用步进电机对打捆机构中的三个压头进行协同控制，实现了原有凸轮的功能。经过功能调试，系统既简化了设备的体积，又具有实时监控调整功能，真正实现了高精度的闭环可自修正控制，能够完成现金打捆，实现预期的要求和效果。
参考文献：
[1]丁素珍.新型捆钞机及捆扎带的发展趋势[J].浙江工贸职业技术学院学报，2005（4）：13-18.
[2]陈予吒，高锋.五点式全自动捆钞机的原理与实现[J].电子技术应用，2003，29（11）. [3]王永虹，徐炜，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京： 北京航空航天大学出版社，2008： 22-408.
[4]库少平，刘晶.基于STM32F10x和MDK的步进电机控制系统设计[J].武汉理工大学学报，2009，31（3）.
[5]意法半导体公司.步进电机驱动L6208N应用手册.
[6]张 理.细分驱动技术在步进电动机中的运用与分析[J].电器工业，2008（5） ： 58-59.
[7]意法半导体公司.STM32F103 中文参考手册.
[8]刘慧英，范宝山.基于STM32的多步进电机控制系统研究[J].测控技术，2010，29（6）.
作者简介：杨忠胜，学生，硕士，主要研究领域：检测技术与自动化装置。