佟向坤，沈洪锐，李烨
（1.广东东软学院，广东佛山，528225；2.仲恺农业工程学院，广东广州，510225）
0 引言
2020年1月，国家发改委、生态环境部发布《关于进一步加强塑料污染治理的意见》[1]，其中 “禁塑令”的颁布意味着包装行业和造纸行业将迎来更加快速的发展，“以纸代塑,以纸代木”将成为“禁塑令”下的发展趋势。仅以快递业为例，2020年我国的快递量已超过700亿件，人均快件从 2000年的0.01件增长到2020年的约50件[2]。根据全球性环保组织绿色和平发布数据，按照材质类型，快递包装可分为纸质类和塑料类。2018年我国共消耗纸质类快递包装材料856.05万吨，占总快递包装材料的90.95%。为了满足包装的需求，造纸行业和包装行业对纸张的质量要求越来越严格。弯曲挺度[3-7]是衡量纸和纸板的抗弯曲能力，与耐破、张力、压缩等特性一样，是用于评定纸和纸板使用性能的指标之一。造纸行业和包装行业势必追求在满足弯曲挺度指标的前提下，让定量和费用达到最优。研究基于STM32的纸和纸板弯曲挺度测定系统，能够自动测定待测纸和纸板的弯曲挺度，反馈纸和纸板的使用性能，为纸和纸板的制造提供理论依据，制造出更合适的纸和纸板。
1 系统设计方案
系统设计方案如图1所示，系统包括输入、最小系统以及输出三部分，弯曲挺度仪示意图如图2所示，当系统测定纸和纸板弯曲挺度时，将试样放入夹头（图2标识5），系统通过继电器控制气动阀门夹紧待测纸和纸板，依据参考文献3的国家标准确保试样位置准确，通过力矩电机设定测定力矩（图2标识l的长度），通过旋转轴电机旋转旋转轴（图2标识4）改变弯曲角度，通过ADC采集模块采集弯曲力测量装置（图2标识1）中传感器的数据，并进行数据的分析计算最终转换成弯曲挺度值，实时显示在屏幕上或通过打印机进行打印。
图1 系统设计方案
图2 中：标识1表示弯曲力测量装置，标识2表示刀口，标识3表示试样，标识4表示旋转轴，标识5标识夹头，标识l表示弯曲长度，标识L表示自由长度。
图2 弯曲挺度仪示意图
2 硬件设计
2.1 输入
系统要求测量的弯曲挺度范围为（0～500）mN.m，准确度为50mN以下±0.6mN，其余±1%。为了满足需求，弯曲力测量装置（图2标示1）中选用2.0+0.004 mV/V灵敏度，3Kg量程的ST2拉压力传感器，ADC采集模块采用国内芯海科技（CHIPSEA）有限公司的CS1232芯片。CS1232是一款低成本，高精度的数据转换器，适用于衡器仪表类小信号测量，并且兼具低噪声和低功耗，无需外置放大电路，高达23.5位的高精度分辨率以及139nV-298nV的P-P噪声能够很好的满足本系统的精确要求。ADC采集模块[8,9]电路原理图如图3所示。
图3 ADC模块
2.2 最小系统
最小系统主要负责测定环境的控制以及弯曲挺度的测量，包括电源电路，STM32主控芯片，存储电路，时钟以及按键等几部分组成。
2.2.1 电源电路
系统中各功能模块需不同电压供电，其中STM32的供电电压为3.3V，压力传感器的供电电压为5V，继电器、电机驱动电路、大彩屏屏幕的供电电压为24V，系统的输入电压为24V，采用减压法设计需要的各级电压，如图4所示。
图4 电源电路
U7为线性稳压器（LDO）芯片KIA78D09F，实现24V转9V的固定输出。该芯片纹波抑制好，可实现最大25V电压输入，最大1A电流输出，因为该芯片的输出将作为后级降压芯片的输入，所以应选用大功率输出的稳压器。U8和U9为AMS1117系列稳压器，分别实现5V和3.3V的固定电压输出。AMS1117系列稳压器的优点是其内部提供过流保护和过热保护，以确保电源输出的稳定性。另外，该系列芯片提供先进的修正技术，以确保精度高达1%的稳定电压输出。U10为TI公司的高精度基准电压源芯片REF5050，其作用是用于维持恒定的输出电压，即输出电压在环境温度或输入电压等参数变化的情况下也能保持稳定。
在该模块的layout设计中特别需要注意各电源模块间的地线处理，否则会带来严重的噪声干扰，影响电源稳定性。本系统采取将各电源模块及其负载分布在不同的区域，最后通过多电感并联方式将地线连接。
2.2.2 中央控制芯片
中央控制芯片。本系统采用STM32F429IGT6芯片作为中央控制芯片，STM32F429IGT6是STM32[10]的高端产品，采用意法半导体先进的90纳米制程和新的设计方法，为增强型 ARM Cortex-M4内核，内置1MB闪存和256KB SRAM，具备运行模式性能优异而停止模式功耗低的特点，能很好的满足本系统的功能需求。
2.2.3 Flash存储器
Flash存储器。本系统采用W25Q128FV(128Mbit)型串行Flash存储器，该存储器面向受限于空间、引脚和功耗的系统，提供了一种存储解决方案。它们是代码存储、代码直接通过双线/四线SPI运行、文本和数据的理想选择。双线/四线IO模式SPI，SPI时钟频率最高可达104MHz，因此在双IO SPI模式下等效于208MHz，四IO SPI/QPI模式下等效于416MHz。此外，本存储器还具备高效的“连续读”和QPI模式，低电流消耗，宽温度范围以及高安全性等特点，因此选择此款存储器作为本系统的存储芯片。
2.3 输出
输出部分包括数据显示和测定环境控制部分，数据显示通过屏幕或者打印机，控制部分包括力矩电机、旋转轴电机（图2标识2所示）以及继电器的控制，主要是保证测定环境符合测定标准。
系统采用大彩屏屏幕作为数据的显示终端，大彩屏采用32位双核处理器，内嵌嵌入式实时操作系统，集成了SDR显存、图片解码、GUI操作等功能，使用2D加速引擎，配合各种特效效果，STM32只需通过串口指令便可轻松实现各种文本、图片以及曲线的显示，满足本系统对显示的要求。
系统要求提供6档力臂，（50/25/20/15/10/5mm）精度精确到±0.1mm，因此力矩电机采用型号57J1854-828的电机，其步距角1.8°，静力距0.9N.cm，电机驱动采用DM420数字式两相步进电机驱动器，采用PI控制算法，低噪声，低震动，性能优越，能平稳的驱动步进电机。系统要求弯曲时间在5～35s范围内，弯曲角度（±7.5°或±15°）±0.3°（1～90°可调），因此旋转轴电机采用型号57J1880-450的电机，其步距角1.8°，步距角误差±0.09°，静力距2.2N.cm，电机驱动采用2DM542驱动，2DM542采用最新的 32 位 ARM处理器进行控制，用户可根据需要自由配置，内部编写先进驱动控制算法，能保证步进电机在各速度段精准、稳定运行，内置细分算法能使电机在低转速时平稳运行；中高速力矩补偿算法，能最大限度的提高电机中高转速时的转矩[11]。电机控制部分原理图如图5所示。
图5 电机控制电路
3 软件流程
测定弯曲挺度的流程如图6所示。
图6 测定流程图
在恒速弯曲法中，弯曲挺度表示纸和纸板在弹性变形范围内受力弯曲时所需要的力。
式中：B1为弯曲挺度指数，单位为牛顿六次方米每三次方克(N·m6/g3)，B为弯曲挺度，单位为牛顿(N)，g为试样的定量，单位为克每平方米(g/m2)。只要计算弯曲挺度，便可通过式（1）求得弯曲挺度指数。
4 测定步骤及结果
4.1 试验步骤
本系统要求测定的弯曲挺度范围为（0～500）mN.m，因此选用恒速弯曲法，该方法适用于弯曲挺度为20nN.m～10000mN.m的纸和纸板，测定原理是在50mm或10mm弯曲长度下，将一端被夹持的试样弯曲到规定角度所需的弯曲力的平均值表示弯曲挺度。试验步骤如下：
（1）按GB/T451.2纸和纸板定量的测定标准[12]选定测定试样的定量。
（2）如图2所示，自由长度（L）选择（57±3）mm，弯曲长度（l）精确到（50.0±0.1）mm，将试样放入夹头，按标准GB/T 22364-2018对齐试样并以规定的自由长度伸出夹头。
（3）夹持压力应足以保证牢固的夹持住试样，并确保所测得的弯曲力不受夹持压力的影响。
（4）将仪器的弯曲角度设定为15°，测试前，确保试验不受任何弯曲，确保刀口线与试样表面接触但不对试样施加任何力，每个试样只测定一次。
（5）如果在弯曲角度15°之前出现最大弯曲力，或在测试过程中出现断裂、扭结或褶皱，该结果舍弃。如果超过10%的试样出现这种情况，按标准将15°改为7.5°。
（6）测定时试样正反面弯曲试验的数目应相同。每个测定方向，至少测试10个试验并得到10组有效数据。
4.2 测定结果
试验对1mm、1.5mm、2mm以及2.5mm等四种纸板进行测定，弯曲挺度值准确度均在1%以内，弯曲角度±15°以内误差＜0.3°，力矩50mm以内误差＜0.1mm。试验过程部分界面如图7所示，测定过程中横纵坐标范围会根据测量数据范围进行适当的调整。
图7 试验过程
5 结束语
本系统以STM32为主控芯片，设计了一种高精度的弯曲挺度测定系统。实验结果表明该系统的测定过程以及结果均符合纸和纸板弯曲挺度测定的相关标准，能提供纸和纸板弯曲挺度的精准测量。系统不仅可进行数据处理和动作控制，还能提供自动复位、过载保护，另外系统设有标准串行RS232接口，可扩展上位机的综合报表系统。通过对弯曲挺度的测定，能客观反映纸和纸板的刚度和强度，侧面展示抗凸出能力，保护程度。能够更好的研究纸和纸板的生产，提高制纸用品的使用范围，生产出更加适合特定场合的纸和纸板，有广泛的应用前景。
