曾雄梅 樊军庆 张燕 马延

摘要：海南香蕉秸秆当前绝大部分没有得到充分利用，处于被废弃的状态，针对这一现状，提出了一种基于STM32控制的香蕉秸秆压缩成型机的自动控制系统。该压缩成型机在STM32的控制下通过步进电机系统、液压控制系统的有效配合将秸秆切割，然后通过压缩成型系统将其压缩成颗粒或板状。系统采用全自动化监控，实用性强、效率较高，为香蕉秸秆转化为高级能源替代煤炭、石油等化学能源提供了很好的条件，同时也为香蕉秸秆向生物质能源的转化过程节省了人力和物力。

关键词：香蕉秸秆；STM32；步进电机；压缩成型机；液压系统

中图分类号：S226 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）11-2758-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.053

Studies on Automatic Straw Compacting Shape Machine of Banana based on STM32

ZENG Xiong-mei1， FAN Jun-qing1， ZHANG Yan1， MA Yan2

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Hainan University， HaiKou 570228， China；

2.College of Mechanical and Electrical Engineering， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266001， Shandong， China）

Abstract： The banana stalks in Hainan province were underutilized in a state of abandonment currently， aiming at the status quo， an automatic control system of banana straw compacting shape machine controlled by STM32 was proposed. Under the control of STM32， the compacting shape machine cut stalks through the effective cooperation of stepping motor system and the hydraulic control system， and then compressed it into granules or plates through the compacting shape system. The compressor adopted the automatic monitoring， possessed the advantages of strong practicability and high efficiency， providing favorable condition for turning banana stalks into senior energy to replace chemical energy such as coal， oil， etc and saving manpower and material resources in the process of turning banana stalks into biomass energy.

Key words：banana stalks；STM32；stepping motor；compacting shape machine；liquefaction system

中国作为香蕉生产国之一，2008年香蕉收获面积居世界第六位，为31.78万m2，香蕉总产量约占世界总产量的8.9%，为804.27万t，居世界第三位，仅次于香蕉生产主导国印度与菲律宾[1]。香蕉的盛产即伴随着大量香蕉秸秆的处理问题，目前普遍使用的处理方法是人工砍伐并将其搬至田边堆积发酵或焚烧，这些处理方法不但劳动力强度高、人力资源耗费大，而且占用土地面积大，污染环境、容易加剧病虫害的滋生[2]。将香蕉秸秆转化为新型能源用作养殖业的饲料、生产食用菌的基料以及代替部分煤炭、石油等化学能源不但能避免香蕉秸秆因处理不当带来的各种问题，还能充分发挥香蕉秸秆的作用。为此，设计了基于STM32的全自动香蕉秸秆压缩成型机，该压缩成型机将香蕉秸秆最终压缩成颗粒或板状，为香蕉秸秆用作化学能源或生物质能源迈开了第一步，同时也促进了整个香蕉产业链的发展。

1 自动香蕉秸秆压缩成型机总体方案设计

压缩成型机主要包括负责送料过程的步进电机、负责将香蕉秸秆切割成块的液压系统、完成香蕉秸秆成型的压缩成型系统及STM32控制系统四大部分。通过四大系统之间的协调工作从而完成香蕉秸秆的切割及压缩成型过程。香蕉秸秆压缩成型机的总体框图如图1。

压缩成型机主要工作原理为：人工上料到传送带上并打开电源开关，同时启动总控制开关，光电传感器1检测到秸秆的存在，发出信号至STM32，随即STM32发出脉冲信号驱动步进电机，步进电机转动带动传送带运送秸秆；超声波传感器3检测秸秆的高度后将信号送至STM32，STM32根据秸秆高度控制液压系统实现对闸刀位置的上下移动，从而使闸刀到达刚好接触秸秆的位置；此后当指定位置处的光电传感器4检测到秸秆的存在时，便发出信号送至STM32，STM32接收到传感器4的信号后发出指令控制步进电机停转，同时液压控制系统控制闸刀切割香蕉秸秆，经切割的秸秆片即为设定的长度。待香蕉秸秆被切断后（此时闸刀应接触到工作台），闸刀自动恢复初始位置，光电传感器2同时检测到信号，STM32再次发出脉冲驱动步进电机。同时被切断的香蕉秸秆片自动落入压缩成型机的喂料斗中，压力传感器5检测到压力后发出信号给STM32，STM32接收到压力传感器5的信号后发出指令驱动液压驱动式压缩成型机的工作，从而完成香蕉秸秆的压缩成型。此后压缩成型机以上述过程为周期不断工作直至总电源断开。整个压缩成型机工作原理图如图2。

2 系统模块组成

2.1 步进电机系统

步进电机是一种输入电信号而输出对应角位移或线位移的电磁机械设备。它的显著特点之一是能实现快速的启动和停止，只要在规定的动态转矩值范围内，步进电机能在一瞬间内实现启动和停止[3]。同时，步进电机输出的步矩角和转速大小不受环境、输入电压波动和负载的影响，仅仅与脉冲信号的频率和脉冲数有关，当驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机的执行机构按设定的方向转过固定的角度，步进电机的转动速度和加速度是由脉冲频率控制的，从而通过控制脉冲的数量和频率就能实现对步进电机的准确调速[4]。

控制步进电机工作的电路如图3。系统采用两相六线式步进电机YK42HB60-01A，其通过结合各种传感器的检测，并在STM32的控制下完成送料工作。当光电传感器1检测到信号后送至STM32，STM32接收信号后发出脉冲驱动步进电机从而带动传送带运输香蕉秸秆，当指定位置处的光电传感器4检测到香蕉秸秆时输出信号至STM32，STM32输出控制信号使步进电机停转，当传感器2检测到闸刀回到初始位置后输出信号给STM32，STM32输出控制信号再次驱动步进电机从而带动传送带运输香蕉秸秆。当超声波传感器6和超声波传感器7均检测到料斗口处秸秆片的存在后，把信号送至STM32，STM32接收到信号后控制步进电机停转。

2.2 液压控制系统

液压控制系统工作原理为：电动机提供的动力作用于液压泵，液压泵将机械能转换为压力推动液压油运动，同时控制各种阀门的开闭从而改变液压油的流向，通过液压油不同的流向进一步推动液压缸做出不同方向、不同路径的动作，最终完成各种设备不同的动作需要[5]。此系统中，当步进电机将香蕉秸秆送至指定位置使光电传感器4发出信号作用于STM32后，STM32发出命令控制与液压泵相连的电动机转动，电动机的转动带动整个液压装置运作，最终通过控制与液压缸相连的闸刀完成香蕉秸秆的切割任务，切割完成后闸刀自动回到初始位置。液压控制系统部分结构图如图4。

2.3 压缩成型机系统

目前比较成熟的压缩成型机有螺旋挤压式成型机、活塞冲击式成型机及压辊式成型机三大类。根据驱动力的不同，活塞冲击式成型机又可分为机械驱动式活塞成型机和液压驱动式成型机两种[6]。液压驱动式压缩成型机具有运行稳定、无噪音且成型部件损耗小等优点[7]，因此此系统设计液压驱动式压缩成型机作为压缩香蕉秸秆成型的主要装置。

经切割后的香蕉秸秆自动落入液压驱动式成型机的喂料斗中，启动控制液压驱动式成型机的电源开关后，压力传感器5检测到压力并发出脉冲，STM32接收到压力传感器5的信号后，输出信号控制压缩成型机的液压控制系统工作，其余各个部件也开始协调工作，成型的物料最终从保形筒中送出。压缩成型机的结构简图如图5。

3 系统软件设计

系统是以STM32为控制核心实现的香蕉秸秆压缩成型系统，通过编写运行于STM32上的程序来控制步进电机、液压装置及压缩成型装置的协调工作，并通过人机交互界面实时显示运行过程。此压缩成型机是一套全自动控制的工作装置，它通过前后步骤之间的精确分工及紧密联系来完成各项任务。系统的总体流程图如图6所示。

STM32单片机是ST公司推出的基于ARM Cortex-M3内核的微控制器，它具有高性能、低成本、低功耗等众多优点，其内置大容量的Flash和SRAM，具有丰富的通信接口，如USART、CAN、USB、SPI等[8]。以STM32为核心结合驱动芯片L298N及与非门芯片74LS20的控制电路为本系统的主要电路部分，同时增加液晶、按键、蓝牙等辅助模块实现方便的操作及显示。在控制过程中，STM32利用其强大的逻辑运算、定时、计数、顺序控制及算术运算等功能将各个传感器送来的信号进行处理后继而控制步进电机、液晶等各个功能模块的协调工作。以STM32为核心的主控电路如图7。

控制步进电机的部分代码如下：

If（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOB，GPIO_Pin_1

3））//控制开关启动

{if（BH1_DQ_OUT>2000）//传感器1检测到信号

{GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）：

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）：

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；/*驱动步进电机*/ }

if（WeiZhi4_OUT）//传感器4检测到信号

{GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；/*步进电机停转*/}

if（WeiYi6_OUT&&WeiYi7_OUT）//传感器6和7均检测到信号

{GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；/*步进电机停转*/}

else { GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_6）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_7）；

GPIO_ResetBits（GPIOC，GPIO_Pin_8）；

GPIO_SetBits（GPIOC，GPIO_Pin_9）；

Delay_ms（5）；/*驱动步进电机*/

}}

4 试验效果

通过试验，该系统能全自动地完成香蕉秸秆的压缩成型过程，达到预期的效果，将设计的全自动控制压缩成型机与传统的人工监控压缩成型机相比，提高的效率高达50%，同时自动控制的压缩成型机均匀有序的运行状态避免了人工送料不均匀造成压缩成型机的空载或超载运行状态，使得自动压缩成型机的寿命比普通的压缩成型机长2～3年。

5 小结

系统以步进电机、液压控制装置、压缩成型装置及STM32微处理器为基础，结合控制程序研发了一种香蕉秸秆压缩成型机。此香蕉秸秆压缩成型机的诞生可大大减少秸秆的废弃，为香蕉秸秆通过成型后转化为煤、石油等其他的高级能源奠定了基础；将促进海南香蕉产业的发展，同时将使海南生物质能源得到更好的利用，一定程度上缓解如今资源短缺的问题。

参考文献：

[1] 邱优辉，李 会，徐贞贞，等.我国香蕉产业现状与发展的科技措施[J]. 农业现代化研究，2011，32（2）：200-203.

[2] 杨白冰，张 燕，曾小英，等.脱水香蕉秸秆破碎机的设计[J].农机化研究，2015（2）：10-13.

[3] 董桂菊.步进电机控制系统的研究[J].农机化研究，2002（3）：57-59.

[4] 刘雄斌.受控五杆机构的运动误差补偿[D].湖南衡阳：南华大学，2013.

[5] 李思奇.冷摆辗机工作台液压系统的设计与研究[D].北京：机械科学研究总院，2013.

[6] 何万良.户用秸秆燃料成型技术及燃烧试验研究[D].西安：西安建筑科技大学，2013.

[7] 何继龙，朱典想.新型生物质块状燃料常温成型机的设计[J].林产工业，2010，37（5）：47-49.

[8] 彭 刚，徐庆江，张崇金，等.基于STM32单片机的RS485总线分布式数据采集系统设计[J].伺服控制，2011（2）：64-67，84.