1. 1. 課題研究背景與意義

本課題基於華僑大學與福建省某機械有限公司共同合作研發的橫向課題，對連續式分包裝機的機械結構和控製係統進行開發與研究。

福建省安溪縣是著名的鐵觀音出產地，長期以來，傳統茶葉加工以手工為主。隨著社會的快速發展，生活水平不斷提升，包括安溪鐵觀音在內的各類茶葉， 逐漸從手工轉向機器生產，從大包裝時代，轉向易於儲藏、攜帶的小包裝時代， 並在小包裝裏增加塑料薄膜內袋，為的是延長保質期，並進一步實現清潔包裝技術[1]。因此，茶葉加工對自動智能化茶機械的需求越發迫切[2]。

近幾年來，我國正加快發展農產品領域深加工，營造節約型社會，建設循環經濟和增大技術創新的力度。目前，在安溪佳友機械分包裝機已實現了單機自動化控製，它的運行主要由 PLC 控製器配合各執行機構共同控製的，這種控製係統方案的缺點是 PLC 成本比較高，控製精度比較低。且受茶葉機械技術發展相對滯後的影響，目前生產出的全自動茶葉分包裝機穩定性不高，效率低，成本高，且采用的是單台控製，控製係統未執行網絡化布局，因此，在每台分包裝機前，都必須有一個工人在操作[3]。這種控製方法一定程度上造成了人力的浪費，且隨著茶葉全自動生產線的投入使用，茶葉包裝作為茶葉生產環節機械化的“最後一道程序”，實現車間加工及遠程化控製的方向將是大勢所趨[4]。

基於市場前景和企業效益最大化的考慮，本課題提出了發展全自動分包裝機控製係統方案，即改進現有的機械執行機構，降低控製係統成本，采用 STM32 核心單元控製器，在實現單台分包裝機控製的同時，又要實現多機並網監控運行的擴展方案，為將來並入全自動生產線，實現聯網監控生產等方麵均具有十分重要的意義[5]。

1. 2. 國內外分包裝機研究現狀和水平

縱觀美、日、德和意大利四大包裝機械發達國家，其包裝控製係統主要可分為兩大類：可編程控製器 PLC 和單片機。但仍有一些落後的機器采用的是繼電器加儀表控製。隨著集機、電、氣、光、生、磁一體化的高科技產品的不斷湧現，生產高效率化、資源高利用化、產品節能化、高新技術實用化、科研成果商業化已成為世界各國包裝機械的發展趨勢[6]。

目前，國外分包裝機的控製單元多數采用 PLC 或單片機。比如：意大利某公司生產的小劑量顆粒包裝機，它采用機械轉鼓式計量，連續式封合並裁剪， 一機多工位，控製係統采用可編程控製器 PLC 和微機；日本的東洋自動機株式會社的 TT-10CR/TT-10CW 通用袋自動裝填包裝機采用計算機控製，不僅可以裝填液體，還能夠進行固液混合物的多種商品包裝，通過兩級熱封和一級冷卻壓封，能夠進行高可靠性的封口；美國某公司旗下 Foodsaver 品牌生產的家庭全自動真空包裝機，簡單的“一鍵式”按鈕和鎖扣操作係統，能輕鬆、簡單的進行真空封裝，一個非常強力的活塞抽氣泵使包裝效果能夠達到工業化級別；某公司所屬的廠生產的心軸輪多工位製袋真空包裝機，采用模塊化設計，其製袋、稱重、充填、抽真空、封口等多種功能可在一台單機上完成[7~10]。總之，他們的產品特點各異，但是控製核心都是 PLC 或單片機。

我國包裝機械起步較晚，上世紀 80 年代以前發展緩慢，隻能生產幾種水平很低的包裝機械，沒能成為一個獨立的行業，國家公布的產品目錄中也沒有分包裝機械這一類。改革開放以來，隨著社會需求的增加以及政府的重視與幫扶， 我國包裝機械產品以大於 30%的年平均速度快速增長，產品水平不斷提高、產品品種逐漸齊全，規模化、成套化、自動化的設備也開始大量湧現，使得包裝機械成為我國機械工業中十四大產業之一[11]。可以說，包裝機械在中國不僅極大的滿足了社會需求，並在國民經濟發展中發揮了重要作用。

國內包裝機械製造領域，由微機控製係統逐漸取代了笨重的電氣控製櫃和驅動裝置，開始使用更先進的技術平台——通用型 PLC 搭配 LCD 人機交互界麵代替原來的單片機專用微處理器控製。采用 PLC 控製，可自動完成計量、製袋、充填、封合、分切、計數、熱壓批號、成品輸出等工序。采用 PLC、繼電器及溫控儀表等電氣元件組成[12]。在主要功能上，我國自行研製的控製係統達到了國際同期水平，但由於製造工藝及設計方案等原因，其綜合性能指標與國外同期水平仍具有一定的差距。

回顧相關文獻可知，在國內外，包裝機均實現了自動化控製，但也有許多不足之處。基於單片機設計的控製係統麵臨運算速度慢、抗幹擾能力不佳，不便於維護等問題；基於 PLC 控製的成本高、係統集成度低、整機性能不佳，尚未聯網實現生產係統信息集成管理。因此，上述設計方案已不能滿足現代包裝機控製技術的要求。而基於 ARM 技術設計的高性價比及聯網接入的分包裝機控製係統尚未出現在相關產品中，具有較大的發展前景[13]。

1. 3. STM32 控製器應用

STM32 係列產品是由意法半導體某公司設計和生產。該產品基於 ARM 的新一代處理器內核 Cortex，充分發揮其低成本、高性能的優勢和某公司長期的技術積累，廣受市場好評。ARM 全稱 Advanced RISC Machines，一是指某公司，二是指一類處理器的通稱，也可以是一種技術的名稱。基於 ARM 技術生產的 STM32 係列產品，是一種可擴展、可移植且內部高度集成的 RISC 處理器，並提供高質量的固件庫，方便開發。其最小係統元件數最少可為 7 個，大大簡化了整個嵌入式係統的設計與生產成本，與同期其他ARM 技術的產品相比，性能更強大，產品線更齊全。在 2008 年，曾榮獲“EDN

China 創新獎最佳產品獎”。目前，STM32 控製器係列產品已經深入應用到了工業控製的多個領域[14~15]。

⑴ STM32 控製器在電氣控製係統的應用

通常伺服控製係統技術要求有係統精確度、穩定性、響應特性、工作頻率等， 因此輸出量複現輸入信號，諸如 AD 轉換等信號要求的精確度較高，同時實現控製係統的閉環調節控製。隨著 ARM 技術的出現，微控製器 STM32 的陣營逐漸應用於控製係統中，並具有優異的控製性能。其不僅保持了豐富的外圍設備連接和快速中斷處理能力，而且提供出色的計算性能和對事件的卓越係統響應， 具有低動態功耗和高性能，可以方便高性能的控製係統的設計，使得開發周期短，性價比高，體積小。對控製係統設計而言，不僅簡化了電路設計結構，同時使得係統具有可靠的抗幹擾性能等特點。

⑵ STM32 控製器在溫度控製係統的應用

現代工業控製中，在很多場合都需要對溫度進行控製，以實現對生產過程的實時監測。過去溫度采集係統大多采用 8 位或 16 位單片機，由於位數小、時鍾頻率較低、指令執行時間長、內存小，較大程序及基於多任務的m C/OS-Ⅱ係統均無法運行。具有低成本、實時性好的特點的 STM32 控製器，加上其便捷的開發工具及 JTAG 在線調試功能，使用其作為主控製器能解決以上問題，同時提高控製性能。

⑶ STM32 控製器在網絡控製係統的應用

工業控製及互聯網技術的快速發展，亟待信息整合，以期實現工業控製領域的現代化監管方式，如何實現聯網管理的要求成為當今技術的熱點話題。但是目前的單片機擴展功能有限，而 STM32 係列芯片自帶的 USART 模塊、SPI 模塊、I2C 總線模塊、CAN 總線模塊等，方便實現分布式測量和控製係統的開發和聯網通信。且基於 STM32 係列芯片運行的m C/OS-Ⅱ嵌入式係統源代碼開放， 開發周期短。可應用於大量的工控場所。

總之，STM32 係列產品目前已經覆蓋到工業控製的多領域開發，發展前景十分廣闊。

1. 4. CAN 總線應用技術

控製器局域網絡（Control Area Network，CAN）是德國某公司開發的一種高性能串行通信網絡，廣泛應用於電梯控製係統、安全監控係統、數控機床、紡織機械等各種用途，示例如下[16~17]：