隨著包裝產品需求量日益增加，自動包裝機速度和精度都需要進行相應提高，但是在提高係統運行速度過程中係統噪聲越來越強烈影響到了采集信號，造成包裝袋內產品質量誤差變大，需要設計濾波效果和檢測精度更好的稱量包裝係統 [1] 。
一般高速包裝機控製係統實時性和精度都不是很高，應用單片機等低端芯片都不能很好地保證係統運算速度，為提高包裝機檢測精度和響應速度設計硬件和軟件平台。硬件平台利用 STM32 作為最小係統並設計雙應變片稱量結構、雙路 AD 快速轉換電路和電機驅動電路等嵌入式模塊，保證硬件平台穩定的基礎上把小波分解法融入到采集係統中，並通過包裝機稱量程序完成快速檢測的任務，最後通過實時采集稱量信號進行不同方法效率和精確度對比。結果表明小波分析的包裝係統可以快速穩定完成稱量任務。

1 袋式自動包裝機工藝

袋裝自動包裝機主要由稱量機構和包裝機構 2個部分組成，而控製係統主要依靠機械結構進行執行，因此在進行控製係統設計之前必須對機械結構即被控對象流程作詳細說明 [2] 。重要結構包括對稱的應變片、檢測電路、上料機構和包裝機構，稱量部分采用雙應變傳感器的橋式結構可以有效降低係統檢測誤差。機械係統中輸入機構包括電阻式應變片和傳送電機轉速等，因此在設計包裝控製係統時需要設計高精度電壓采集和電機驅動電路等 [3] 

由於工廠嘈雜環境和機械高速運行振動會嚴重影響采集的稱量信號，需要采用小波算法對電壓信號進行分解，現存電壓提取方法有 EMD（經驗模態分解）、小波變換等，在非線性濾波方法中小波變換表現出了巨大優勢。小波變換也可以分為不同種類例如單小波、多小波、分解法等 [4] ，經對比發現基本的小波變換在提取稱量信號時計算速度快且濾波效果好，因此采用小波分解變換法對應變電壓信號進行提取 。首先確定係統要采用的小波基函數類型並確定分解層數，然後用用戶函數對多層小波進行選取。

2 包裝機硬件係統設計

嵌入式控製係統由於執行效率高、成本低、擴展能力強等優點被廣泛應用到各種設備中，在自動包裝控製係統中電阻應變片、多 AD 快速采集、電機驅動等控製技術在嵌入式電路中已經被廣泛應用了，因此開發自動包裝機儀表控製係統的周期和可靠性都可以滿足自動控製要求。

2.1 應變片橋式檢測模塊

根據夾帶裝置、稱量儀表、傳送帶、縫紉機和蹲袋等機械裝置構建硬件電路整體結構組成。控製係統的硬件電路主要以 STM32 最小係統為計算核心，擴展±5 V 內稱量傳感器電壓輸入采集電路 [6] ，采集電路包括稱量傳感器信號雙橋電路和雙路 A/D 轉換電路。通過 3 V 的紐扣電池供電應變片輸出電流，在應變片中間接入滑動變阻器可以實現傳感器電路的快速校準，輸出電路接入10 倍的放大器跟隨電路，並且設計 2 個一階濾波器濾除信號中的高頻噪聲，最後稱量電壓信號以差分形式傳輸到後續電路。

2.2 雙通高速 AD 采集電路

信號采集轉換電路在整個硬件係統中非常重要，此電路主要任務是把雙路應變片傳感器輸出的電壓信號轉換為數字量信號，可以提供給 MCU 進行讀取和計算 [7] 。作為一個 14 位 A/D 快速轉換芯片，它可以對信號實現 128 倍的低噪聲編程放大 [8] 。芯片使用過程完全通過編程方式實現，它內部沒有複雜的寄存器，芯片上電後會自動進行初始化等操作。稱量傳感器通過差分方式接入 V−和 V+，芯片內工作通道和放大倍數通過 SPI 引腳發送脈衝完成控製，芯片通過外部 75M 高速時鍾可以保證芯片的轉化效率。電路設計圖中隻接入了一個應變傳感器，另一個通道接法完全相同。
 

2.3 電機驅動電路

設備驅動電路是為了控製自動包裝機執行結構，比如電機、蹲袋氣缸、縫紉電機等都帶有強磁幹擾信號，而控製核心 MCU 最怕接收到外接受強電磁信號 [9] ，因此必須在 STM32 控製接口處設置外圍驅動電路。在處理器上可以使用的最大電壓是 5 V，而被控對象控製引腳最低電壓為 12 V，兩者之間的電壓差會造成額外灌電流現象，L298N 可以實現 3 A 大電流輸出，電源引腳 VSS 上麵接入大小 2 個電容濾波和指示燈 [10] ，可以控製四相步進電機，電機輸出信號線都采用±12 V 電源鉗製傳輸信號 [11] 。

3 包裝機軟件係統設計

在包裝機主要硬件係統搭建完成後，需要根據控製流程在硬件平台中開發對應控製程序，從包裝工藝流程、稱量信號采集驅動和小波特征提取等部分開發，軟件程序設計以高可靠性和精度為準進行開發。

3.1 稱量係統流程

自動包裝結構需要一次流程就可以完成包裝過程，係統主要參數通過人為設置。包裝流程開始過程中先要進行 MCU 自檢、輸入傳感器和電磁閥複位等初始化 [12] ，確認係統無誤後再執行 A/D 信號采集過程中，把采集完的電壓信號轉換成質量數值，通過計算設定和讀取差值把包裝質量控製在可控範圍內，稱量過程采用電機閉環控製方式來提高精度。質量滿足要求後再進行輸出信號控製，主要包括氣缸伸縮蹲袋、傳送帶輸送和縫紉機封袋等過程，在經過最後一步封袋後就完成了一次包裝過程。

3.2 AD 采集驅動程序

在自動包裝控製係統中，驅動程序開發主要包括被控對象和信號采集 2 部分驅動，控製部分信號驅動以輸出精準控製為主，而信號采集部分以 A/D轉換芯片為主，需要完成數據輸入、通道選擇和編程增益等控製，因此重點介紹傳感器采集信號的驅動程序 [13] 。信號采集核心驅動程序見圖 7，程序主要完成 A 通道在 128 倍放大下轉換結果的讀取，並把數據保存到寄存器中並通過函數返回。首先要讀取DOUT 引腳狀態，判斷芯片是否處於數據讀取過程中，在收到低電平信後通過控製 PD 脈衝引腳讀取芯片輸入引腳信號。數據讀入過程采用脈衝移位原理即 SCK 引腳每接收到 1 個時鍾上升沿信號就移位保存 1 位數據。

3.3 小波分解提取稱量特征

在包裝過程中核心環節就是稱量質量和速度，包裝質量涉及到產品質量和成本，為了提高稱量快速響應過程已經采用了閉環和高速AD采集電路進行信號提取，把采集到的電壓信號實時轉為質量信號可以大幅度提高係統響應速度，因此該係統采用小波分解電壓信號快速精準提取電壓信號的方法 [14] ，具體實施過程步驟如下所述。

1）多次采集稱量電壓信號並取平均值，利用平均值得出均值矩陣[X, Y]，對信號進行分類並取出低 X類中的抽樣 Y，計算公式為：

公式)式中：n 為樣本總數；y 為稱量信號中的樣本分類信號平均值。

2）依據電壓振動特征對信號進行分解，濾除掉小波分量中的高頻樣本和低頻樣本，利用小波基函數選取出最有效的稱量信號。

3）利用預測值與檢測值方差判斷檢測結果是否符合要求，不符合條件的還有再次電壓采集判斷。

4 自動包裝機稱量性能實驗
為驗證自動包裝係統的可靠性，搭建成型的自動包裝生產線並進行驗證，包裝過程中比較重要的檢測過程是稱量信號，其中控製過程是動作執行不再說明，采用包裝機對比較重的麵粉進行稱量測試 [15] 。選擇 0.4 kg 麵粉進行包裝測試，一次成型整體流程運行時間在 0.5 s 左右，加入物料用時 0.1 s，稱量過程見8。在導入物料過程中，係統在逐漸加入麵粉稱量直到 400 g，但是稱量信號中還有麵粉振動產生的高斯白噪聲，因此采集的電壓會有尾貨微弱波動，稱量與采集電壓經過擬合後呈現出線性的關係證明了稱量係統精度根據實際測試的稱量電壓信號判斷稱量結構能否滿足係統要求，提前稱量出來 300 g 的麵粉包裝，

控製 2 個麵粉同時放入到普通稱量設備和小波分析的包裝係統中，經過閾度值濾波後稱量電壓中的噪聲信號已經被濾除掉了 [16] ，2 種係統在檢測精度上幾乎沒有差異，因為檢測精度主要與係統硬件相關，但是在特征提取速度上，小波變換明顯更有優勢，可以提前 0.05 s 識別出稱量信號。

5 結語

設計了一種可以實現快速裝袋要求的自動包裝機係統，采用高精度硬件和稱量特征快速提取軟件，根據機械工藝設計全橋應變片稱量結構、雙路高速A/D 采集電路和不僅電機電機驅動電路等模塊，並進行包裝主流程、信號采集驅動、小波分解等程序的開發，最後通過袋封麵粉的過程驗證係統精度。結果表明，該控製係統可以適用於不同自動袋裝係統，且可以高效穩定地完成控製任務

本文源於網絡轉載，如有侵權，請聯係刪除