河北理工大學(xué)信息學(xué)院 摘要 ix2功能與設(shè)計方案2.1系統(tǒng)功能要求大蒜精包裝系統(tǒng)功能要求中，傳送帶啟?？刂品譃閱优c停止兩個狀態(tài)，紅外傳感器1完成定位后傳送帶停止，攝像頭模塊對大蒜顏色進行識別，紫色為良品，非紫色大蒜借助電機分揀剔除。紅外傳感器2二次定位后傳送帶停止稱重，依據(jù)預(yù)設(shè)閾值將大蒜分為一級和二級，分揀電機進行分級處理，紅外傳感器3三次定位后傳送帶停止自動封裝。系統(tǒng)配備OLED顯示屏顯示參數(shù)與狀態(tài)信息，按鍵可調(diào)整分級閾值參數(shù)，系統(tǒng)需精準識別紫色大蒜，準確剔除非紫色大蒜，重量分級可靠，自動化程度高且操作簡便。2.2系統(tǒng)設(shè)計方案以STM32F103單片機為核心的大蒜精包裝系統(tǒng)設(shè)計方案整合了多種功能模塊，形成完整的自動化分裝流程。系統(tǒng)啟動后，傳送帶載著大蒜向前移動，當?shù)谝粋€紅外傳感器檢測到大蒜到位時，傳送帶立即停止，K210攝像頭啟動并基于HSV色彩空間分析捕獲的圖像，精確識別大蒜是否為紫色品種；若檢測為非紫色大蒜，第一組SG90舵機迅速轉(zhuǎn)動90°，將不合格品推離傳送帶至廢品收集區(qū)，保證后續(xù)加工的原料質(zhì)量；紫色大蒜則繼續(xù)前行直至第二個紅外傳感器處停止，HX711重量傳感器隨即啟動測量功能，以±0.5g的高精度獲取大蒜重量，并與預(yù)設(shè)閾值（默認10g，可通過系統(tǒng)按鍵調(diào)整）進行比對；重量超過閾值的大蒜被分類為一級品，低于閾值的歸為二級品，第二組舵機根據(jù)分級結(jié)果轉(zhuǎn)向相應(yīng)角度，將大蒜導(dǎo)入對應(yīng)等級的傳送通道；兩級大蒜分別沿各自通道繼續(xù)前進，當觸發(fā)第三個紅外傳感器時，傳送帶再次停止，第三組舵機控制封裝機構(gòu)將預(yù)先準備好的對應(yīng)規(guī)格包裝袋打開，同時專用導(dǎo)料裝置精確地將大蒜導(dǎo)入包裝袋中，熱封裝置隨即啟動完成密封過程，確保包裝完整性；整個過程中，OLED顯示模塊實時更新系統(tǒng)狀態(tài)、識別結(jié)果、當前重量和處理統(tǒng)計數(shù)據(jù)，為操作人員提供直觀信息；系統(tǒng)采用分層軟件架構(gòu)，底層驅(qū)動控制硬件，中間層實現(xiàn)功能模塊操作，上層管理工作流程和狀態(tài)轉(zhuǎn)換，各模塊通過明確定義的接口進行數(shù)據(jù)交換，確保信號傳輸穩(wěn)定；關(guān)鍵控制節(jié)點均增設(shè)濾波措施和保護電路，有效應(yīng)對工作環(huán)境中的電磁干擾；傳送帶速度、舵機轉(zhuǎn)動角度和分級閾值等參數(shù)可根據(jù)不同批次大蒜特性靈活調(diào)整，使系統(tǒng)適應(yīng)性強，實現(xiàn)了從原料輸入到成品包裝的全流程自動化，有效提升大蒜加工效率和產(chǎn)品品質(zhì)一致性。圖2.1系統(tǒng)硬件模塊工作框圖2.3器件方案對比2.3.1單片機的選擇方案一：STC12C5A60S2單片機的8051核心結(jié)構(gòu)成本低且易于使用，內(nèi)部芯片包含60KB的Flash程序存儲器和1280字節(jié)RAM，支持ISP/IAP功能，最高工作頻率為35MHz，其8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器能夠滿足基本模擬量采集需求，同時在I/O接口方面提供了32個I/O口和2個全雙工UART串口，可應(yīng)對一般通信需求，數(shù)據(jù)總線為8位，運算速度較慢，處理能力有限，復(fù)雜圖像識別算法的運算需求較難滿足，外設(shè)接口較少，在復(fù)雜系統(tǒng)中對多種通信接口的擴展性支持不足，部分功能受限顯著，應(yīng)用受到這些缺陷的顯著性制約[9]。方案二：STM32F103為基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，高性能與低功耗特征相當顯著，主頻最高可到72MHz，內(nèi)部包含64KB到128KBFlash存儲器，20KBRAM，運算能力遠超8位單片機，外設(shè)接口豐富，包括多達80個I/O口，3個USART，2個SPI，2個I2C，12位ADC等，復(fù)雜系統(tǒng)的連接需求能夠完全達到。STM32F103能夠支持多種總線協(xié)議，為各類傳感器模塊的連接提供了便利，該芯片支持DMA傳輸，數(shù)據(jù)處理的高效性在圖像處理等要求較高的應(yīng)用中尤為重要。開發(fā)工具逐步完善，庫函數(shù)也逐步增加，開發(fā)難度顯著降低，大蒜精包裝系統(tǒng)需要完成圖像識別與多傳感器數(shù)據(jù)融合等復(fù)雜任務(wù)，最終選擇STM32F103作為系統(tǒng)的核心控制器，開發(fā)過程逐步實現(xiàn)[10]。2.3.2顯示模塊的選型方案一：LCD12864液晶顯示模塊采用點陣形式，分辨率為128×64像素，漢字與圖形的顯示都可支持，ST7920控制器在該模塊中使用，接口方式包含8位并行，4位并行和串行等，接口靈活度較高。成本較低且顯示面積大的LCD12864適合較多文字與簡單圖形的顯示，驅(qū)動方式成熟，庫函數(shù)支持也較多，開發(fā)難度不高，對比度不高的LCD12864，在不同角度與光線條件下可讀性較差，功耗較高，刷新速度慢，頻繁更新顯示內(nèi)容的應(yīng)用不適合采用該模塊，體積較大，空間受限系統(tǒng)集成困難[11]。方案二：OLED顯示模塊借助有機發(fā)光二極管技術(shù)，自發(fā)光的特性使背光源變得可省，LCD12864分辨率同樣為128×64像素，但顯示效果更佳，高對比度，寬視角與響應(yīng)速度快的特點，使OLED在各種光線條件下都具有良好的可讀性。SSD1306控制器支持I2C，SPI通信接口，該模塊僅需2-4根信號線即可連接單片機，節(jié)省了I/O資源，低功耗，特別是在部分顯示內(nèi)容時更為省電，體積小且厚度薄，便于系統(tǒng)集成，大蒜精包裝系統(tǒng)需在不同環(huán)境下清晰顯示系統(tǒng)狀態(tài)與參數(shù)，空間受限，最終選擇OLED顯示模塊作為顯示單元[12]。2.4本章小結(jié)本章詳細說明基于單片機大蒜精包裝系統(tǒng)的功能要求與設(shè)計方案，系統(tǒng)任務(wù)包含大蒜自動定位，顏色識別，分揀，稱重，分級和封裝等，相關(guān)參數(shù)通過OLED顯示。設(shè)計方案以STM32F103單片機為核心，集成多種傳感器與執(zhí)行模塊，采用模塊化設(shè)計理念，硬件選型時對比STC12C5A60S2與STM32F103的性能特點，處理能力更強且外設(shè)接口更豐富的STM32F103作為控制核心，顯示模塊選型對比LCD12864與OLED的各項性能指標后，選擇了對比度高，視角寬，體積小的OLED顯示模塊，系統(tǒng)穩(wěn)定運行基礎(chǔ)在硬件選型中逐步生成。附錄B3系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1STM32F103C8T6單片機STM32F103單片機在系統(tǒng)中為控制單元的核心，封裝形式采用LQFP48，系統(tǒng)設(shè)計包含完整的最小系統(tǒng)，電源電路，復(fù)位電路，時鐘電路與下載電路都包含在設(shè)計中。電源部分使用XC6206線性穩(wěn)壓器，將5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V供STM32使用，多個濾波電容的配備提升了電源穩(wěn)定性，復(fù)位電路采用RC方式連接到STM32的NRST引腳，系統(tǒng)上電時可穩(wěn)定復(fù)位。時鐘電路包含8MHz主時鐘與32.768KHz低速時鐘，外部晶振提供精確的時鐘源，主時鐘經(jīng)PLL倍頻后工作頻率達到72MHz，下載電路通過SWD接口燒錄與調(diào)試程序，僅需SWDIO與SWCLK兩根信號線完成任務(wù)。STM32F103的外部接口配置豐富，所有I/O口均引至排針，為連接外部模塊提供了方便，紅外傳感器與PA5，PA6，PA7連接，物體位置檢測任務(wù)也包含在其中。SG90舵機連接PB6，PB7，PB8，分揀機構(gòu)的控制借助舵機連接實現(xiàn)，HX711重量傳感器模塊與PB12，PB13連接，OLED顯示模塊連接PB14，PB15。繼電器控制電路連接PA12，傳送帶電機的控制也借助繼電器電路連接實現(xiàn)，MOS管控制電路連接PA11，低壓控制高壓電路也借助MOS管電路連接實現(xiàn)，K210攝像頭模塊連接TX2/RX2串口，通信也借助串口連接實現(xiàn)。BOOT電路設(shè)計在系統(tǒng)中完成，BOOT0與BOOT1引腳可配置多種啟動模式，關(guān)鍵控制信號上增加上拉電阻和濾波電容，抗干擾能力的提升為系統(tǒng)可靠性提供了重要前提，STM32F103單片機低功耗模式包含多種設(shè)計，工作狀態(tài)依據(jù)實際需求進行配置，電池供電時間在系統(tǒng)中逐步延長[13]。圖3.1STM32F103C8T6單片機接線情況3.2紅外傳感器模塊紅外傳感器模塊在系統(tǒng)精確定位中為關(guān)鍵部分，采用反射式設(shè)計，系統(tǒng)包含三個結(jié)構(gòu)相同的紅外傳感器模塊，分別定位大蒜的顏色識別，重量測量和封裝位置。每個模塊都包含一個紅外發(fā)射二極管與一個紅外接收管，二者成一定角度安裝，物體反射紅外光線回接收管時，輸出電平發(fā)生變化，單片機檢測被觸發(fā)。GND連接信號輸出線后，與STM32的PA5，PA6和PA7引腳進行連接，模塊電路設(shè)計中包含比較器電路，完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，抗干擾能力也顯著強化，LM393芯片在比較器電路中使用，低功耗與高精度特征顯著，模塊上電位器可調(diào)節(jié)靈敏度，適應(yīng)不同環(huán)境和檢測距離要求，模塊工作電壓為5V，信號輸出為TTL電平，直接兼容STM32輸入電平[14]。紅外傳感器的檢測距離為2-30cm，電位器可調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度快且延遲時間小于5ms，傳送帶定位精度要求能夠達到，為提高檢測可靠性，經(jīng)過計算后安裝傳感器位置，確保能準確檢測傳送帶上的大蒜。模塊設(shè)計時考慮環(huán)境光干擾因素，采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)，發(fā)射38KHz調(diào)制的紅外信號，接收端通過帶通濾波器濾除環(huán)境光干擾，檢測準確性提升，模塊采用屏蔽設(shè)計，電磁干擾對檢測結(jié)果的影響減少[15]。圖3.2紅外檢測模塊3.3K210攝像頭模塊K210攝像頭模塊在系統(tǒng)實現(xiàn)大蒜顏色識別功能時，是重要組件，嘉楠科技的KenDryteK210AI芯片為邊緣計算AI芯片，集成機器視覺與聽覺功能，主頻400MHz，內(nèi)置64位雙核處理器，片上SRAM為8MB，可支持卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件加速，OV2640圖像傳感器為攝像頭模塊采用，分辨率高達200萬像素，能夠滿足大蒜顏色識別精度要求。K210攝像頭模塊與STM32的連接通過UART串口完成，TX2/RX2引腳為具體連接點，波特率設(shè)置為115200bps，模塊供電采用5V電源，工作電流約100mA。系統(tǒng)借助串口發(fā)送命令，控制K210執(zhí)行顏色識別算法，處理后K210返回結(jié)果，紫色大蒜與非紫色大蒜的區(qū)分任務(wù)可完成，K210攝像頭模塊獨立進行處理，STM32計算負擔減少，系統(tǒng)響應(yīng)速度提高。顏色識別算法于HSV顏色空間下進行分析時，紫色大蒜在HSV空間存在特定的色調(diào)，飽和度與亮度范圍，系統(tǒng)借助設(shè)定閾值實現(xiàn)對紫色大蒜的識別，算法的自適應(yīng)閾值調(diào)整功能可應(yīng)對實際應(yīng)用環(huán)境光線變化因素，識別魯棒性顯著提高。K210模塊預(yù)留SD卡接口，顏色識別模型與參數(shù)能夠存儲于SD卡，后期優(yōu)化與更新便于實現(xiàn)，實際測試結(jié)果為紫色大蒜識別準確率達到95%以上，精包裝系統(tǒng)要求能夠滿足[16]。圖3.3K210攝像頭模塊3.4OLED顯示模塊OLED屏幕的尺寸為0.96英寸，分辨率為128×64像素，控制芯片為SSD1306，該模塊基于有機發(fā)光二極管技術(shù)，自發(fā)光特性顯著，無需背光源，顯示效果清晰且對比度高，適合在各種光線環(huán)境使用，OLED模塊厚度僅為1.4mm，尺寸小巧，安裝于系統(tǒng)控制面板上便于處理。PB14與PB15引腳為SDA和STM32通信的連接點，工作電壓為3.3V，直接由STM32的3.3V電源供電，功耗低且工作電流小于20mA，字符，圖形和混合顯示模式可由模塊支持，系統(tǒng)多樣化顯示需求能夠借助這模塊滿足。系統(tǒng)顯示界面設(shè)計為多頁形式，包含系統(tǒng)狀態(tài)頁，參數(shù)設(shè)置頁和統(tǒng)計信息頁，在系統(tǒng)狀態(tài)頁上，能夠顯示傳送帶當前運行狀態(tài)，識別結(jié)果，重量值和封裝狀態(tài)；參數(shù)設(shè)置頁中，重量分級閾值不僅可顯示，且能夠借助按鍵進行調(diào)整；統(tǒng)計信息頁里，累計處理大蒜數(shù)量與不同等級數(shù)量的統(tǒng)計信息可以完成顯示，OLED驅(qū)動程序采用分層設(shè)計，底層實現(xiàn)基本顯示功能，上層實現(xiàn)具體界面顯示，顯示刷新按需更新，數(shù)據(jù)變化時僅更新相應(yīng)區(qū)域，顯示效率提高，OLED使用壽命延長[17]。圖3.4OLED顯示模塊3.5HX711重量傳感模塊HX711重量傳感器模塊是實現(xiàn)大蒜重量測量與分級系統(tǒng)里的關(guān)鍵部分，由HX711芯片和壓力傳感器兩部分構(gòu)成，HX711芯片為24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，專為稱重設(shè)計，模塊支持兩通道差分輸入，內(nèi)部可編程增益放大器的增益能夠達到32，64或128倍，不同稱重范圍需求可借助增益設(shè)置適應(yīng)。DT信號線和SCK信號線分別連接STM32的電源，PB12引腳與PB13引腳，工作電壓為5V，系統(tǒng)5V電源供電，HX711通信協(xié)議與SPI存在部分特征重疊，但對時序有特殊要求，SCK信號的時序關(guān)系需要精確控制，系統(tǒng)通過精確控制時序，與HX711實現(xiàn)可靠通信，高精度重量數(shù)據(jù)的獲取也變得可實現(xiàn)。重量數(shù)據(jù)采集流程中包含傳感器校準與數(shù)據(jù)讀取，系統(tǒng)上電后進行零點和滿量程校準，建立數(shù)字量與實際重量的對應(yīng)關(guān)系，測量大蒜重量時，系統(tǒng)讀取HX711輸出的數(shù)字量并轉(zhuǎn)換為實際重量值，之后與預(yù)設(shè)閾值進行比較，完成大蒜重量分級，系統(tǒng)設(shè)計的重量分級精度達到±0.5g，可滿足大蒜分級包裝的精度要求。圖3.6HX711重量傳感模塊3.6SG90舵機模塊系統(tǒng)中SG90舵機模塊是大蒜分揀的執(zhí)行組件，配置了三個SG90舵機，顏色識別后分揀，重量分級后分揀和封裝過程控制分別使用這些舵機，SG90為微型舵機，重量輕，體積小，扭矩可達到1.2kg·cm，大蒜分揀的力矩需求能夠滿足。GND與信號線分別連接STM32的電源和PB6，PB7，PB8引腳，工作電壓為5V，直接由系統(tǒng)5V電源供電，SG90舵機的控制借助PWM信號完成，PWM周期為20ms，脈寬范圍在0.5ms到2.5ms，對應(yīng)舵機轉(zhuǎn)角范圍為0°到180°。STM32的定時器生成精確的PWM信號，舵機轉(zhuǎn)動到指定角度，大蒜分揀的精確性通過舵機的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)。舵機控制策略分段進行，工作階段的轉(zhuǎn)角設(shè)定存在不同，顏色識別分揀舵機在識別到非紫色大蒜時，轉(zhuǎn)動到90°位置，使不合格大蒜移出傳送帶；重量分級舵機依據(jù)重量測量結(jié)果轉(zhuǎn)動到對應(yīng)角度，大蒜分揀到不同等級通道；封裝舵機控制封裝機構(gòu)完成大蒜封裝，系統(tǒng)設(shè)計中包含舵機緩啟動與緩?fù)Ｖ构δ?，避免機械沖擊，提高系統(tǒng)可靠性與使用壽命。圖3.7SG90舵機模塊3.7 本章小結(jié)本章詳細說明基于單片機大蒜精包裝系統(tǒng)的硬件設(shè)計，以STM32F103單片機為核心完成最小系統(tǒng)設(shè)計，電源，復(fù)位，時鐘與下載電路包含在最小系統(tǒng)中，紅外傳感器模塊實現(xiàn)精確定位，K210攝像頭模塊完成顏色識別，HX711重量傳感器模塊處理重量測量與分級，OLED顯示模塊提供交互界面，SG90舵機模塊執(zhí)行分揀操作，各模塊借助精心設(shè)計的接口電路實現(xiàn)連接，硬件系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)與功能完整設(shè)計中逐步完成，硬件設(shè)計過程特別注重可靠性與抗干擾性，電源設(shè)計，信號隔離和濾波措施都進行合理的處理，復(fù)雜環(huán)境里的運行穩(wěn)定性能也受到保證，各功能模塊精細設(shè)計與優(yōu)化之后，硬件性能達到預(yù)期要求，為軟件開發(fā)和系統(tǒng)功能實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。5系統(tǒng)的測試4系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1軟件介紹Keil5為ARM公司開發(fā)的集成環(huán)境，專為ARM處理器量身設(shè)計，本系統(tǒng)的軟件開發(fā)借助Keil5MDK工具完成，項目管理，代碼編輯，編譯，下載與調(diào)試功能在Keil5中應(yīng)俱全。主流ARM微控制器像STM32F103等同樣包含在支持中，CMSIS庫集成于開發(fā)環(huán)境，硬件抽象層的標準化使開發(fā)者訪問處理器特性與外設(shè)功能的接口愈加簡明。Keil5支持C/C++與匯編語言編程，本系統(tǒng)開發(fā)主要采用C語言，軟件架構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用分層思想，底層為硬件驅(qū)動層，包含GPIO，UART，I2C，SPI等基礎(chǔ)外設(shè)驅(qū)動內(nèi)容；中間層實現(xiàn)功能模塊層，紅外傳感器，K210攝像頭，HX711重量傳感器，OLED顯示，舵機控制等功能模塊的驅(qū)動與控制在中間層完成；上層為應(yīng)用層，系統(tǒng)狀態(tài)管理，工作流程控制與用戶交互功能在應(yīng)用層實現(xiàn)，軟件模塊間通信通過明確定義的接口進行，代碼的可維護性與可擴展性顯著提升。系統(tǒng)軟件設(shè)計中包含狀態(tài)機模式，軟件內(nèi)定義了多個工作狀態(tài)，具體包含空閑，顏色識別，重量分級，封裝和設(shè)置等狀態(tài)，傳感器觸發(fā)或用戶按鍵操作實現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，各狀態(tài)下執(zhí)行不同的處理邏輯，功能需求在這些設(shè)計中完成實現(xiàn)，項目中對STM32F103的時鐘系統(tǒng)進行配置，主頻達到72MHz，實時處理需求能夠滿足系統(tǒng)要求。圖4.1Keil_5軟件界面4.2軟件程序的設(shè)計4.2.1主程序流程圖圖4.2系統(tǒng)邏輯流程圖系統(tǒng)軟件的主程序流程是整個運行過程的核心，硬件上電后逐步進入初始化階段，完成時鐘配置，GPIO設(shè)置，外設(shè)啟動和中斷配置等任務(wù)，參數(shù)設(shè)置從Flash中讀取，例如重量分級閾值等信息，為運行做前提性配置。主循環(huán)采用狀態(tài)機結(jié)構(gòu)進行控制，空閑時檢測啟動信號，信號觸發(fā)后繼電器控制傳送帶啟動并進入運行狀態(tài)，運行狀態(tài)下，系統(tǒng)對三個紅外傳感器狀態(tài)實時監(jiān)測，依據(jù)檢測結(jié)果觸發(fā)顏色識別，重量分級或封裝操作。操作完成后，傳送帶恢復(fù)運行，進入下一輪檢測，主程序流程還包含故障檢測與處理機制，當異常情況觸發(fā)時，系統(tǒng)停止運行并顯示錯誤提示，等待人工干預(yù)處理。4.2.2按鍵函數(shù)子流程圖圖4.3按鍵程序流程圖按鍵子程序負責(zé)處理用戶輸入，實現(xiàn)人機交互功能，通過中斷檢測按鍵狀態(tài)變化，同時結(jié)合定時器完成去抖與長按檢測，按鍵按下，釋放和長按三種事件在子程序中定義，狀態(tài)機用于管理按鍵處理流程。在參數(shù)設(shè)置模式下，上鍵與下鍵調(diào)整參數(shù)值，確認鍵保存設(shè)置并切換到下一參數(shù)項，子程序?qū)?shù)有效性進行驗證，確保輸入值在有效范圍內(nèi)。按鍵響應(yīng)采用非阻塞設(shè)計，處理完成后立即返回主程序，避免對系統(tǒng)實時性造成任何不良影響，F(xiàn)lash存儲管理子程序負責(zé)保存按鍵設(shè)置的參數(shù)到Flash中，斷電后設(shè)置內(nèi)容仍可保留。4.2.3顯示函數(shù)子程序流程圖圖4.4顯示函數(shù)子程序流程圖子程序?qū)LED顯示模塊的管理為用戶界面的運行與顯示功能的分層處理，底層驅(qū)動部分完成I2C通信協(xié)議的運行，包含OLED初始化，清屏，坐標設(shè)置，字符圖形顯示等基本功能，上層界面管理定義了多個頁面，系統(tǒng)狀態(tài)頁，參數(shù)設(shè)置頁和統(tǒng)計信息頁，按鍵觸發(fā)頁面切換邏輯，每個頁面刷新頻率與邏輯特定化，狀態(tài)頁實時顯示傳送帶狀態(tài)，識別結(jié)果，當前重量與封裝狀態(tài)；參數(shù)設(shè)置頁顯示當前參數(shù)值并調(diào)整界面；統(tǒng)計頁顯示運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)更新按需進行，僅在變化時刷新相應(yīng)區(qū)域，減少I2C總線占用，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。4.3本章小結(jié)本章描述基于單片機大蒜精包裝系統(tǒng)的軟件設(shè)計，開發(fā)工作在Keil5MDK集成環(huán)境完成，使用C語言編程實現(xiàn)各項功能，軟件架構(gòu)采用分層設(shè)計，包含硬件驅(qū)動，功能模塊與應(yīng)用層，層間通過清晰定義的接口通信。系統(tǒng)設(shè)計基于狀態(tài)機模式，定義多個工作狀態(tài)，事件驅(qū)動狀態(tài)轉(zhuǎn)換，復(fù)雜控制邏輯在設(shè)計中完成，主程序流程控制整體運行，實現(xiàn)傳送帶控制，傳感器監(jiān)測與異常處理功能。按鍵子程序處理用戶輸入時，同時實現(xiàn)參數(shù)調(diào)整與模式切換功能，顯示子程序管理OLED顯示，用戶界面直觀性顯著，軟件各模塊協(xié)同工作，系統(tǒng)功能順利實現(xiàn)，精心設(shè)計的軟件完成大蒜自動識別，分揀，稱重與封裝功能，預(yù)期設(shè)計目標達到。5系統(tǒng)的測試5.1軟硬件調(diào)試5.1.1硬件調(diào)試系統(tǒng)硬件調(diào)試采用模塊化策略，首先驗證STM32F103最小系統(tǒng)的電源、時鐘和下載電路功能，隨后重點對K210視覺傳感器模塊進行深入調(diào)試：通過UART接口與計算機連接確認基礎(chǔ)功能，調(diào)整攝像頭安裝高度(15cm)和角度(略微前傾5°)以獲得最佳視場，設(shè)計四點LED輔助光源創(chuàng)建均勻照明環(huán)境(500-600lux)消除陰影干擾，收集100組紫色與非紫色大蒜樣本進行圖像采集和HSV色彩特性分析，確定最優(yōu)識別參數(shù)(H=240°-280°,S>30%,V>20%)，并在不同時段和光照條件下進行多輪測試調(diào)整自適應(yīng)閾值；紅外傳感器模塊通過調(diào)節(jié)電位器設(shè)置2-10cm的最佳檢測距離；HX711重量傳感器使用標準砝碼進行多點校準建立線性對應(yīng)關(guān)系；舵機模塊調(diào)整PWM參數(shù)(周期20ms，脈寬0.5-2.5ms)確保精確角度控制；最后進行整體聯(lián)調(diào)，檢查模塊間電氣兼容性和時序關(guān)系，增加關(guān)鍵信號路徑的屏蔽措施提高系統(tǒng)抗干擾能力，硬件調(diào)試完成后系統(tǒng)各模塊功能穩(wěn)定，為軟件開發(fā)提供可靠平臺。5.1.2軟件調(diào)試軟件調(diào)試采用自底向上的測試策略，首先驗證底層驅(qū)動(GPIO、UART、I2C、PWM)功能，隨后重點調(diào)試K210視覺識別模塊軟件：設(shè)計并驗證STM32與K210之間的通信協(xié)議(包頭0xAA、命令字節(jié)、數(shù)據(jù)長度、校驗和)，在K210上優(yōu)化HSV色彩空間轉(zhuǎn)換和閾值分割算法，通過MaixPy環(huán)境可視化中間處理結(jié)果調(diào)整參數(shù)，實現(xiàn)樣本自學(xué)習(xí)功能適應(yīng)不同批次大蒜特性，優(yōu)化代碼結(jié)構(gòu)將平均處理時間控制在200ms內(nèi)，并針對各種異常情況(光照不足、攝像頭故障、通信中斷)設(shè)計錯誤檢測和恢復(fù)機制；其他功能模塊的軟件調(diào)試包括紅外傳感器去抖動算法、HX711數(shù)據(jù)采集與過濾優(yōu)化、OLED顯示刷新策略和舵機速度控制算法；應(yīng)用層調(diào)試驗證狀態(tài)機轉(zhuǎn)換邏輯、完整工作流程、用戶界面和故障處理機制；最后進行軟硬件集成測試，使用真實大蒜樣品多批次測試并迭代優(yōu)化，系統(tǒng)最終性能達到預(yù)期目標：顏色識別準確率95%以上，重量分級誤差±0.5g以內(nèi)，處理速度30個/分鐘，確保大蒜精包裝系統(tǒng)在實際工作環(huán)境中穩(wěn)定可靠運行。5.2實物展示系統(tǒng)運行后，三個紅外傳感器安裝在傳送帶不同位置，用于物體檢測，K210攝像頭安裝于第一個檢測點上方，角度可調(diào)，能夠保證最佳識別效果。重量傳感器安裝在第二個檢測點，舵機分揀機構(gòu)安裝在檢測點后方，系統(tǒng)測試結(jié)果表明，顏色識別準確率達95%，重量分級誤差控制在±0.5g內(nèi)，系統(tǒng)處理速度可達30個/分鐘，實物運行過程流暢，各功能模塊協(xié)調(diào)工作，設(shè)計要求能夠滿足，大蒜全自動精確包裝能夠完成。圖5.1系統(tǒng)實物圖5.3本章小結(jié)本章詳細說明基于單片機大蒜精包裝系統(tǒng)的測試過程與結(jié)果，系統(tǒng)測試形式包含單元測試，集成測試和系統(tǒng)測試，全面驗證功能與性能指標。單元測試階段，硬件模塊與軟件模塊獨立完成測試，單元功能正確性實現(xiàn)驗證，集成測試階段，模塊間接口與交互功能完成驗證，集成問題逐步處理。系統(tǒng)測試階段，完整系統(tǒng)進行功能與性能測試，實際工作條件下的可靠性與性能也受到驗證，系統(tǒng)測試與優(yōu)化后，各種實際問題逐步處理，穩(wěn)定性與性能提升，實物展示部分描述系統(tǒng)實際構(gòu)建情況與測試結(jié)果，各項性能指標達到預(yù)期設(shè)計目標，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可準確識別紫色大蒜，重量精確測量并分級，自動封裝功能實現(xiàn)，實用價值顯著。結(jié)論結(jié)論結(jié)論本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于STM32F103單片機的大蒜精包裝系統(tǒng)，傳統(tǒng)大蒜包裝存在效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定和人工成本高等問題，這些在系統(tǒng)中都避免。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，紅外傳感器定位，K210攝像頭顏色識別，HX711重量傳感器，OLED顯示，SG90舵機控制與繼電器控制等模塊集成于系統(tǒng)內(nèi)，大蒜自動定位，顏色識別，分揀，稱重，分級與封裝功能也一并實現(xiàn)，硬件電路與軟件算法精心設(shè)計優(yōu)化后，系統(tǒng)顏色識別準確率達95%，重量分級誤差控制在±0.5g內(nèi)，處理速度可達30個/分鐘，預(yù)期設(shè)計目標完成。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、該系統(tǒng)操作簡便，識別準確，分級精確，實用性強，能夠推廣應(yīng)用于大蒜產(chǎn)業(yè)，農(nóng)產(chǎn)品精細化包裝因為該系統(tǒng)的成功研發(fā)提供了新思路，對提升農(nóng)產(chǎn)品包裝自動化水平，降低人工成本，提高包裝質(zhì)量都具有相當?shù)姆至?，未來系統(tǒng)優(yōu)化可進一步提高處理速度與識別準確率，擴展功能，適應(yīng)更多農(nóng)產(chǎn)品包裝需求。參考文獻參考文獻[1]曹鋒,曹永安,薛明,等.一種番茄醬用灌裝裝置:,CN216764306U[P].2022.[2]趙春雨,姜波,袁林.番茄醬灌裝控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[J].自動化儀表,2008,29(4):39-39.[3]涂曉軍,王衛(wèi)東,張新來,等.一種番茄醬生產(chǎn)用灌裝裝置:,CN216660536U[P].2022.[4]曹鋒,曹永安,曹思萌.一種番茄醬灌裝機用番茄醬內(nèi)部空氣壓排裝置:,CN114291369A[P].2022.[5]潘其華,邾路路,胡中斌.一種用于食品番茄醬加工的自動封罐機:,CN215625101U[P].2022.[6]吳文智,吳鵬.一種番茄醬灌裝輸送裝置:,CN215249513U[P].2021.[7]覃中雁,陳進廣,覃知廣,等.一種自動灌裝設(shè)備:,CN216038605U[P].2022.[8]占秋燕.一種用于香油自動灌裝設(shè)備:,CN112174079A[P].2021.[9]黃樹紅,付小強,徐理平,等.用于草甘膦生產(chǎn)線的自動灌裝機:,CN210012571U[P].2020.[10]孫國梁.油制辣椒自動灌裝機設(shè)計與研究[D].貴州大學(xué),2015.[11]段文軍,石卓棟,徐志剛,等.基于PLC的防爆全自動灌裝設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計[J].包裝工程,2014,35(5):5.[12]張詩淋.啤酒灌裝貯液缸液位控制方法研究[J].制造業(yè)自動化,2023,45(1):4.[13]龐家友,候勇.全自動負壓式液體灌裝機:CN,CN2274632Y[P].[14]毛青鐘,陳寶良,徐春顯,等.自動化控制系統(tǒng)在黃酒灌裝生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].釀酒,2022(002):049.[15]管選偉,孫國浩.一種藥液自動灌裝設(shè)備:,CN114772533A[P].2022.[16]孫瑞,陳全世,羅海濤,等.一種全自動灌裝機:,CN216837070U[P].2022.[17]李科宏,賴鏡安,何慶中,等.全自動灌裝生產(chǎn)線:,CN215711739U[P].2022.[18]梁增提,廖金團,梁家興,等.基于LabVIEW和超聲波傳感器的受電弓試驗平臺設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2022(20):4.[19]徐松,華朝鋒,田雷,等.一種超聲波換能器定位裝置及測試裝置:,CN212459536U[P].2021.[20]夏興宇,張正勇.基于STM32的超聲波物位檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].2021.附錄B附錄A原理圖：附錄B部分源程序：/*USERCODEBEGINHeader*//*********************************************************************************@file:main.c*@brief:Mainprogrambody*******************************************************************************@attention**Copyright(c)2022STMicroelectronics.*Allrightsreserved.**ThissoftwareislicensedundertermsthatcanbefoundintheLICENSEfile*intherootdirectoryofthissoftwarecomponent.*IfnoLICENSEfilecomeswiththissoftware,itisprovidedAS-IS.********************************************************************************//*USERCODEENDHeader*//*Includes*/#include"main.h"#include"tim.h"#include"usart.h"#include"gpio.h"/*Privateincludes*//*USERCODEBEGINIncludes*/#include"./HAL/key/key.h"#include"./HAL/OLED/OLED.h"#include"./HAL/HX711/hx711.h"/*USERCODEENDIncludes*//*Privatetypedef*//*USERCODEBEGINPTD*/voidKey_function(void); //按鍵函數(shù)voidMonitor_function(void); //監(jiān)測函數(shù)voidDisplay_function(void); //顯示函數(shù)voidManage_function(void); //處理函數(shù)/*USERCODEENDPTD*//*Privatedefine*//*USERCODEBEGINPD*///串口2的數(shù)據(jù)獲取/*USERCODEENDPD*//*Privatemacro*//*USERCODEBEGINPM*//*USERCODEENDPM*//*Privatevariables*//*USERCODEBEGINPV*/uint8_tkey_num,flag_display; //按鍵與顯示變量uint16_ttime_1ms; //計時變量1msuint8_ttime_500ms; //500ms標志位_BoolFlag_Key;_Boolflag_step; //步驟標志位uint32_tmaopi,weight; //毛皮、重量變量uint32_tweight_H=10;_Boollevel; //等級_BoolFlag_Level; //等級標志位uint16_tServos_1=2500; //舵機uint16_tServos_2=2500;uint8_tlevel1_num,level2_num; //數(shù)量uint8_tFlag_pack; //打包標志位uint8_tuart2_value;//串口傳的單個數(shù)據(jù)//串口的儲存數(shù)組，串口的接收時間，串口存值的數(shù)量uint8_tuart2_buf[2048],uart2_time,uart2_num;uint8_tuart2_rx_flag;//串口的獲取值的標志位/*USERCODEENDPV*//*Privatefunctionprototypes*/voidSystemClock_Config(void);/*USERCODEBEGINPFP*//*USERCODEENDPFP*//*Privateusercode*//*USERCODEBEGIN0*//***********按鍵設(shè)置函數(shù)*****/voidKey_function(void){key_num=Chiclet_Keyboard_Scan(); //按鍵掃描if(key_num!=0) //有按鍵按下{switch(key_num){case1: //按鍵1，切換界面(flag_display==1)?(flag_display=0):(flag_display++);break; case2: //按鍵2 if(flag_display==0) { if(weight>weight_H) level=1; else level=0; Flag_Level=1; } else { if(weight_H<5000) weight_H++; }break; case3: //按鍵3 if(flag_display==0) { HAL_GPIO_TogglePin(MOTOR_GPIO_Port,MOTOR_Pin); Flag_Key=1; } else { if(weight_H>0) weight_H--; }break;default:break;}}}/***********監(jiān)測函數(shù)*****/voidMonitor_function(void){if(time_500ms==1){time_500ms=0; weight=Hx711_Get_Weight(maopi);}}/***********顯示函數(shù)*****/voidDisplay_function(void){OLED_Clear();switch(flag_display) //根據(jù)不同的顯示模式標志位，顯示不同{case0: if(!Flag_Level) { OLED_ShowString(28,16,"重量:",OLED_8X16); OLED_ShowNum(68,16,weight,4,OLED_8X16); OLED_ShowString(8,40,"按下S2確定重量",OLED_8X16); } else { if(level) OLED_ShowString(24,24,"重量為一級",OLED_8X16); else OLED_ShowString(24,24,"重量為二級",OLED_8X16); }break;case1: OLED_ShowString(16,16,"設(shè)置重量閾值",OLED_8X16); OLED_ShowNum(48,40,weight_H,4,OLED_8X16);break;}OLED_Update();}/***********處理函數(shù)*****/voidManage_function(void){ if(!HAL_GPIO_ReadPin(IR1_GPIO_Port,IR1_Pin)) { if(HAL_GPIO_ReadPin(MOTOR_GPIO_Port,MOTOR_Pin)&&Flag_Key==0) { if(uart2_buf[0]=='N'&&uart2_buf[1]=='O') Servos_1=1500; memset(uart2_buf,0,sizeof(uart2_buf)); HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_GPIO_Port,MOTOR_Pin,GPIO_PIN_RESET); flag_step=1; } } elseif(!HAL_GPIO_ReadPin(IR2_GPIO_Port,IR2_Pin)) { HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_GPIO_Port,MOTOR_Pin,GPIO_PIN_RESET); } elseif(!HAL_GPIO_ReadPin(IR3_GPIO_Port,IR3_Pin)) { if(HAL_GPIO_ReadPin(MOTOR_GPIO_Port,MOTOR_Pin)&&Flag_Key==0) { flag_step=1; if(level==0) { Servos_2=1500; level2_num++; } else { level1_num++; } HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_GPIO_Port,MOTOR_Pin,GPIO_PIN_RESET); } } if(level1_num>=6) { Flag_pack=1; level1_num=0; } if(level2_num>=6) { Flag_pack=2; level2_num=0; }} /*USERCODEEND0*//***@briefTheapplicationentrypoint.*@retvalint*/intmain(void){/*USERCODEBEGIN1*//*USERCODEEND1*//*MCUConfiguration*//*Resetofallperipherals,InitializestheFlashinterfaceandtheSystick.*/HAL_Init();/*USERCODEBEGINInit*//*USERCODEENDInit*//*Configurethesystemclock*/SystemClock_Config();/*USERCODEBEGINSysInit*//*USERCODEENDSysInit*//*Initializeallconfiguredperipherals*/MX_GPIO_Init();MX_TIM1_Init();MX_USART2_UART_Init();MX_TIM4_Init();/*USERCODEBEGIN2*/HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1); //定時器1中斷使能 HAL_UART_Receive_IT(&huart2,&uart2_value,1);/*定時器4pwm初始化*/HAL_TIM_PWM_Start(&htim4,TIM_CHANNEL_1);HAL_TIM_PWM_Start(&htim4,TIM_CHANNEL_2);HAL_TIM_PWM_Start(&htim4,TIM_CHANNEL_3);/*USERCODEEND2*//*Infiniteloop*//*USERCODEBEGINWHILE*/OLED_Init(); //顯示屏初始化 Hx711_GPIO_Init(); maopi=Hx711_Get_Maopi(); while(1){Key_function(); //按鍵函數(shù)Monitor_function(); //監(jiān)測函數(shù)Display_function(); //顯示函數(shù)Manage_function(); //處理函數(shù)/*USERCODEENDWHILE*//*USERCODEBEGIN3*/__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim4,TIM_CHANNEL_2,Servos_2);//舵機的角度控制__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim4,TIM_CHANNEL_3,Servos_1);//舵機的角度控制}/*USERCODEEND3*/}/***@briefSystemClockConfiguration*@retvalNone*/voidSystemClock_Config(void){RCC_OscInitTypeDefRCC_OscInitStruct={0};RCC_ClkInitTypeDefRCC_ClkInitStruct={0};/**InitializestheRCCOscillatorsaccordingtothespecifiedparameters*intheRCC_OscInitTypeDefstructure.*/RCC_OscInitStruct.OscillatorType=RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;RCC_OscInitStruct.HSIState=RCC_HSI_ON;RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue=RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState=RCC_PLL_ON;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource=RCC_PLLSOURCE_HSI_DIV2;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL=RCC_PLL_MUL16;if(HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct)!=HAL_OK){Error_Handler();}/**InitializestheCPU,AHBandAPBbusesclocks*/RCC_ClkInitStruct.ClockType=RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource=RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider=RCC_SYSCLK_DIV1;RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider=RCC_HCLK_DIV2;RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider=RCC_HCLK_DIV1;if(HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct,FLASH_LATENCY_2)!=HAL_OK){Error_Handler();}}uint16_tpack_time;/*USERCODEBEGIN4*/voidHAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef*htim){ staticuint16_tServos_time,Key_time; staticuint16_twait; staticuint16_tdis_time; if(htim->Instance==htim1.Instance) //定時器1觸發(fā)中斷{(time_1ms<=6000)?(time_1ms++):(time_1ms=0);if(!(time_1ms%500))time_500ms=1; if(Servos_1==1500||Servos_2==1500) { Servos_time++; if(Servos_time>=800) { Servos_1=2500; Servos_2=2500; } } else Servos_time=0; if(Flag_Key) { Key_time++; if(Key_time>=2500) Flag_Key=0; } else Key_time=0; if(flag_step) { wait++; if(wait>=1000) { wait=0; flag_step=0; HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_GPIO_Port,MOTOR_Pin,GPIO_PIN_SET); Flag_Key=1; } } if(flag_