佟向坤，沈洪銳，李燁

（1.廣東東軟學(xué)院，廣東佛山，528225；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東廣州，510225）

0 引言

2020年1月，國家發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)塑料污染治理的意見》[1]，其中 “禁塑令”的頒布意味著包裝行業(yè)和造紙行業(yè)將迎來更加快速的發(fā)展，“以紙代塑,以紙代木”將成為“禁塑令”下的發(fā)展趨勢。僅以快遞業(yè)為例，2020年我國的快遞量已超過700億件，人均快件從 2000年的0.01件增長到2020年的約50件[2]。根據(jù)全球性環(huán)保組織綠色和平發(fā)布數(shù)據(jù)，按照材質(zhì)類型，快遞包裝可分為紙質(zhì)類和塑料類。2018年我國共消耗紙質(zhì)類快遞包裝材料856.05萬噸，占總快遞包裝材料的90.95%。為了滿足包裝的需求，造紙行業(yè)和包裝行業(yè)對紙張的質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格。彎曲挺度[3-7]是衡量紙和紙板的抗彎曲能力，與耐破、張力、壓縮等特性一樣，是用于評定紙和紙板使用性能的指標(biāo)之一。造紙行業(yè)和包裝行業(yè)勢必追求在滿足彎曲挺度指標(biāo)的前提下，讓定量和費(fèi)用達(dá)到最優(yōu)。研究基于STM32的紙和紙板彎曲挺度測定系統(tǒng)，能夠自動測定待測紙和紙板的彎曲挺度，反饋紙和紙板的使用性能，為紙和紙板的制造提供理論依據(jù)，制造出更合適的紙和紙板。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示，系統(tǒng)包括輸入、最小系統(tǒng)以及輸出三部分，彎曲挺度儀示意圖如圖2所示，當(dāng)系統(tǒng)測定紙和紙板彎曲挺度時(shí)，將試樣放入夾頭（圖2標(biāo)識5），系統(tǒng)通過繼電器控制氣動閥門夾緊待測紙和紙板，依據(jù)參考文獻(xiàn)3的國家標(biāo)準(zhǔn)確保試樣位置準(zhǔn)確，通過力矩電機(jī)設(shè)定測定力矩（圖2標(biāo)識l的長度），通過旋轉(zhuǎn)軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸（圖2標(biāo)識4）改變彎曲角度，通過ADC采集模塊采集彎曲力測量裝置（圖2標(biāo)識1）中傳感器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析計(jì)算最終轉(zhuǎn)換成彎曲挺度值，實(shí)時(shí)顯示在屏幕上或通過打印機(jī)進(jìn)行打印。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖2 中：標(biāo)識1表示彎曲力測量裝置，標(biāo)識2表示刀口，標(biāo)識3表示試樣，標(biāo)識4表示旋轉(zhuǎn)軸，標(biāo)識5標(biāo)識夾頭，標(biāo)識l表示彎曲長度，標(biāo)識L表示自由長度。

圖2 彎曲挺度儀示意圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 輸入

系統(tǒng)要求測量的彎曲挺度范圍為（0～500）mN.m，準(zhǔn)確度為50mN以下±0.6mN，其余±1%。為了滿足需求，彎曲力測量裝置（圖2標(biāo)示1）中選用2.0+0.004 mV/V靈敏度，3Kg量程的ST2拉壓力傳感器，ADC采集模塊采用國內(nèi)芯?？萍迹–HIPSEA）有限公司的CS1232芯片。CS1232是一款低成本，高精度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，適用于衡器儀表類小信號測量，并且兼具低噪聲和低功耗，無需外置放大電路，高達(dá)23.5位的高精度分辨率以及139nV-298nV的P-P噪聲能夠很好的滿足本系統(tǒng)的精確要求。ADC采集模塊[8,9]電路原理圖如圖3所示。

圖3 ADC模塊

2.2 最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)測定環(huán)境的控制以及彎曲挺度的測量，包括電源電路，STM32主控芯片，存儲電路，時(shí)鐘以及按鍵等幾部分組成。

2.2.1 電源電路

系統(tǒng)中各功能模塊需不同電壓供電，其中STM32的供電電壓為3.3V，壓力傳感器的供電電壓為5V，繼電器、電機(jī)驅(qū)動電路、大彩屏屏幕的供電電壓為24V，系統(tǒng)的輸入電壓為24V，采用減壓法設(shè)計(jì)需要的各級電壓，如圖4所示。

圖4 電源電路

U7為線性穩(wěn)壓器（LDO）芯片KIA78D09F，實(shí)現(xiàn)24V轉(zhuǎn)9V的固定輸出。該芯片紋波抑制好，可實(shí)現(xiàn)最大25V電壓輸入，最大1A電流輸出，因?yàn)樵撔酒妮敵鰧⒆鳛楹蠹壗祲盒酒妮斎?，所以?yīng)選用大功率輸出的穩(wěn)壓器。U8和U9為AMS1117系列穩(wěn)壓器，分別實(shí)現(xiàn)5V和3.3V的固定電壓輸出。AMS1117系列穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)是其內(nèi)部提供過流保護(hù)和過熱保護(hù)，以確保電源輸出的穩(wěn)定性。另外，該系列芯片提供先進(jìn)的修正技術(shù)，以確保精度高達(dá)1%的穩(wěn)定電壓輸出。U10為TI公司的高精度基準(zhǔn)電壓源芯片REF5050，其作用是用于維持恒定的輸出電壓，即輸出電壓在環(huán)境溫度或輸入電壓等參數(shù)變化的情況下也能保持穩(wěn)定。

在該模塊的layout設(shè)計(jì)中特別需要注意各電源模塊間的地線處理，否則會帶來嚴(yán)重的噪聲干擾，影響電源穩(wěn)定性。本系統(tǒng)采取將各電源模塊及其負(fù)載分布在不同的區(qū)域，最后通過多電感并聯(lián)方式將地線連接。

2.2.2 中央控制芯片

中央控制芯片。本系統(tǒng)采用STM32F429IGT6芯片作為中央控制芯片，STM32F429IGT6是STM32[10]的高端產(chǎn)品，采用意法半導(dǎo)體先進(jìn)的90納米制程和新的設(shè)計(jì)方法，為增強(qiáng)型 ARM Cortex-M4內(nèi)核，內(nèi)置1MB閃存和256KB SRAM，具備運(yùn)行模式性能優(yōu)異而停止模式功耗低的特點(diǎn)，能很好的滿足本系統(tǒng)的功能需求。

2.2.3 Flash存儲器

Flash存儲器。本系統(tǒng)采用W25Q128FV(128Mbit)型串行Flash存儲器，該存儲器面向受限于空間、引腳和功耗的系統(tǒng)，提供了一種存儲解決方案。它們是代碼存儲、代碼直接通過雙線/四線SPI運(yùn)行、文本和數(shù)據(jù)的理想選擇。雙線/四線IO模式SPI，SPI時(shí)鐘頻率最高可達(dá)104MHz，因此在雙IO SPI模式下等效于208MHz，四IO SPI/QPI模式下等效于416MHz。此外，本存儲器還具備高效的“連續(xù)讀”和QPI模式，低電流消耗，寬溫度范圍以及高安全性等特點(diǎn)，因此選擇此款存儲器作為本系統(tǒng)的存儲芯片。

2.3 輸出

輸出部分包括數(shù)據(jù)顯示和測定環(huán)境控制部分，數(shù)據(jù)顯示通過屏幕或者打印機(jī)，控制部分包括力矩電機(jī)、旋轉(zhuǎn)軸電機(jī)（圖2標(biāo)識2所示）以及繼電器的控制，主要是保證測定環(huán)境符合測定標(biāo)準(zhǔn)。

系統(tǒng)采用大彩屏屏幕作為數(shù)據(jù)的顯示終端，大彩屏采用32位雙核處理器，內(nèi)嵌嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，集成了SDR顯存、圖片解碼、GUI操作等功能，使用2D加速引擎，配合各種特效效果，STM32只需通過串口指令便可輕松實(shí)現(xiàn)各種文本、圖片以及曲線的顯示，滿足本系統(tǒng)對顯示的要求。

系統(tǒng)要求提供6檔力臂，（50/25/20/15/10/5mm）精度精確到±0.1mm，因此力矩電機(jī)采用型號57J1854-828的電機(jī)，其步距角1.8°，靜力距0.9N.cm，電機(jī)驅(qū)動采用DM420數(shù)字式兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，采用PI控制算法，低噪聲，低震動，性能優(yōu)越，能平穩(wěn)的驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。系統(tǒng)要求彎曲時(shí)間在5～35s范圍內(nèi)，彎曲角度（±7.5°或±15°）±0.3°（1～90°可調(diào)），因此旋轉(zhuǎn)軸電機(jī)采用型號57J1880-450的電機(jī)，其步距角1.8°，步距角誤差±0.09°，靜力距2.2N.cm，電機(jī)驅(qū)動采用2DM542驅(qū)動，2DM542采用最新的 32 位 ARM處理器進(jìn)行控制，用戶可根據(jù)需要自由配置，內(nèi)部編寫先進(jìn)驅(qū)動控制算法，能保證步進(jìn)電機(jī)在各速度段精準(zhǔn)、穩(wěn)定運(yùn)行，內(nèi)置細(xì)分算法能使電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)平穩(wěn)運(yùn)行；中高速力矩補(bǔ)償算法，能最大限度的提高電機(jī)中高轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩[11]。電機(jī)控制部分原理圖如圖5所示。

圖5 電機(jī)控制電路

3 軟件流程

測定彎曲挺度的流程如圖6所示。

圖6 測定流程圖

在恒速彎曲法中，彎曲挺度表示紙和紙板在彈性變形范圍內(nèi)受力彎曲時(shí)所需要的力。

式中：B1為彎曲挺度指數(shù)，單位為牛頓六次方米每三次方克(N·m6/g3)，B為彎曲挺度，單位為牛頓(N)，g為試樣的定量，單位為克每平方米(g/m2)。只要計(jì)算彎曲挺度，便可通過式（1）求得彎曲挺度指數(shù)。

4 測定步驟及結(jié)果

4.1 試驗(yàn)步驟

本系統(tǒng)要求測定的彎曲挺度范圍為（0～500）mN.m，因此選用恒速彎曲法，該方法適用于彎曲挺度為20nN.m～10000mN.m的紙和紙板，測定原理是在50mm或10mm彎曲長度下，將一端被夾持的試樣彎曲到規(guī)定角度所需的彎曲力的平均值表示彎曲挺度。試驗(yàn)步驟如下：

（1）按GB/T451.2紙和紙板定量的測定標(biāo)準(zhǔn)[12]選定測定試樣的定量。

（2）如圖2所示，自由長度（L）選擇（57±3）mm，彎曲長度（l）精確到（50.0±0.1）mm，將試樣放入夾頭，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22364-2018對齊試樣并以規(guī)定的自由長度伸出夾頭。

（3）夾持壓力應(yīng)足以保證牢固的夾持住試樣，并確保所測得的彎曲力不受夾持壓力的影響。

（4）將儀器的彎曲角度設(shè)定為15°，測試前，確保試驗(yàn)不受任何彎曲，確保刀口線與試樣表面接觸但不對試樣施加任何力，每個(gè)試樣只測定一次。

（5）如果在彎曲角度15°之前出現(xiàn)最大彎曲力，或在測試過程中出現(xiàn)斷裂、扭結(jié)或褶皺，該結(jié)果舍棄。如果超過10%的試樣出現(xiàn)這種情況，按標(biāo)準(zhǔn)將15°改為7.5°。

（6）測定時(shí)試樣正反面彎曲試驗(yàn)的數(shù)目應(yīng)相同。每個(gè)測定方向，至少測試10個(gè)試驗(yàn)并得到10組有效數(shù)據(jù)。

4.2 測定結(jié)果

試驗(yàn)對1mm、1.5mm、2mm以及2.5mm等四種紙板進(jìn)行測定，彎曲挺度值準(zhǔn)確度均在1%以內(nèi)，彎曲角度±15°以內(nèi)誤差＜0.3°，力矩50mm以內(nèi)誤差＜0.1mm。試驗(yàn)過程部分界面如圖7所示，測定過程中橫縱坐標(biāo)范圍會根據(jù)測量數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

圖7 試驗(yàn)過程

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)以STM32為主控芯片，設(shè)計(jì)了一種高精度的彎曲挺度測定系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)的測定過程以及結(jié)果均符合紙和紙板彎曲挺度測定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能提供紙和紙板彎曲挺度的精準(zhǔn)測量。系統(tǒng)不僅可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和動作控制，還能提供自動復(fù)位、過載保護(hù)，另外系統(tǒng)設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)串行RS232接口，可擴(kuò)展上位機(jī)的綜合報(bào)表系統(tǒng)。通過對彎曲挺度的測定，能客觀反映紙和紙板的剛度和強(qiáng)度，側(cè)面展示抗凸出能力，保護(hù)程度。能夠更好的研究紙和紙板的生產(chǎn)，提高制紙用品的使用范圍，生產(chǎn)出更加適合特定場合的紙和紙板，有廣泛的應(yīng)用前景。