摘要：贴标机是一种为包装或产品添加标签的机器。它不仅具有美观的效果，更重要的是可以实现产品销售的跟踪管理，特别是在制药，食品等行业，贴标机是现代包装的组成部分。本文根据自动贴标机控制系统的特点，设计了贴标控制器硬件的整体方案，并根据系统整体方案设计了控制器硬件，包括：CPU芯片选型， ST32F103最小系统、电源电路、步进电机驱动电路、电磁铁驱动电路、输入输出IO电路、RS485、RS232通讯电路和按键数码管等电路。
关键词：控制器；步进电机；电路图；通讯
一．贴标机总体控制设计
1.贴标机控制系统
贴标机控制系统主要包括贴标机控制器、步进电机、电磁铁、光纤传感器和显示数码管等组成，如图3-1所示。其中，标签定位光纤，用于完成一个贴标请求后停止回收轮步进电机；漏贴标检测光纤，用于检测完成贴标后，是否贴标成功；贴标请求信号，当该信号有效时，控制器需要完成一次出标；数码管和按键模块，用于人机交互，显示贴标机的运行数据和配置相关的控制参数；输出信号IO，用于提供告警或运行状态给后设备；步进电机控制，用于标签回收轮的驱动；电磁铁用于压标轮的驱动；RS485通讯，用于上报贴标机的运行数据和配置参数给主机。
图1 贴标机控制系统框图
2.贴标控制器主要功能需求如下：
（1）供电电压：24V （2）步进电机电流：3A/24V（3）电磁铁电流：1A/24V
（4）步进电机速度：200 RPM（5）贴标速度：3 次/秒（6）人机交互功能
（7）RS485通讯功能（8）告警和运行输出信号（9）光纤检测功能
（10）固件下载功能
控制器硬件接口功能需求如表1-2所示。
表2 控制器硬件接口需求列表
根据贴标控制器硬件接口需求列表，可设计得控制器硬件框图如图3所示。控制器硬件主要包括主控芯片、电源电路、步进电机驱动电路、电磁铁驱动电路、光纤输入信号检测电路、RS485通讯电路、、RS232通讯电路、人机交互通讯电路、后设备IO输入输出电路等。
3.单片机芯片选型
单片机选用意法半导体公司的STM32F103VCT6，从STM32F103VCT6芯片的功能特性可知，该芯片完全满足表3-1所述的控
表4 芯片IO功能分配表
二．硬件电路设计
1.电源电路设计
贴标控制器一共需要3组电源。第一组是24V电源，给步进电机和电磁铁提供功率驱动的电压；第二组是5V的VCC电源，给步进电机驱动芯片提供逻辑电压；第三组是3.3V，给STM32微处理器提供电压。具体电源电路如图5所示。
图5 贴标控制器电源电路
2.步进电机驱动电路设计
为了节省步进电机驱动器的成本，将步进电机驱动电路设计到控制板内部，选用东芝公司的TB6560作为步进电机的驱动芯片。 参考TB6560AHQ产品数据手册，设计得TB6560AHQ步进电机驱动电路图如图6所示。
图6 TB6560AHQ驱动电路图
其中，TQ1和TQ2为步进电机力矩配置管脚，具体配置值如表7所示。具体设置为多大电流，可通过软件设置。
表7 力矩配置表
M1和M2为细分数选择，配置表如表7所示。本系统配置为1/8细分。
表8 细分配置表
DCY1和DCY2为衰减配置，配置方法如表8所示，这里配置为慢衰减。
表9 衰减配置表
CLK管脚为步进电机脉冲输入脚，CW/CCW为步进电机方向控制脚，ENABLE为步进电机使能脚，这三个管脚均由MCU进行控制。 OSC引脚为斩波频率控制端：当C=1000PF，f=44KHz；当C=330PF，f=130KHz。这里配置为f=130KHz。NFA和NFB为相电流检测端，须大于0.2Ω：0.2Ω/1W=2.5A ；0.22Ω/1W＝2.0A ；0.3Ω/1W=1.5A ；0.35Ω/1W=1.25A ；0.47Ω/1W＝1A。这里配置为2A。
3.电磁铁驱动电路设计
电磁铁驱动电路设计如图10所示。
图10 电磁铁驱动电路图
MCU信号通过TLP521光耦进行隔离，输出控制MOS管IRF540NS，MOS管漏极连接电磁铁，对电磁铁的通断进行控制。
TLP521是可控制的光耦合器件，光电耦合器件广泛运用在可控硅系统设置，测量仪器、影印机、自动售票、家用电器，比如电风扇、加热器等。电路之间的信号输出，使之前端与负载完全隔离，目的在于增强电路的安全性，减小电压的干扰，减化电路的设计。
光耦TLP521的发光二极管端，串接500欧的电阻，得电流约为（3.3-0.7/500=5.2mA；在光耦发射极和集电极端，串接4.7k和2k的电阻，得电流约为3.6mA。故满足要求。
从开关频率要求看，贴标速度为3Hz，TLP521的上升和下降时间为5us，故频率可到200kHz，远大于设计要求。 电磁铁驱动MOS管选用IOR公司的IRF540NS，IRF540NS是增强型的N沟道场效应管，由于IRF540NS是电压型MOS管，输入电阻非常大，门极电流非常小，所以在门极串接1k电阻即可。
由于栅源电压Vgs最大值为20V，而光耦输出电压为24V，所以需要电阻R68和R69进行分压。分压后电压为：24×（4.7/6.7）=17V，满足要求。MOS管栅源之间并有10k电阻，是为了保证MOS管可靠截止。因为电磁铁属于感性器件，在其导通到截止过程中，由于MOS管突然关闭，电流没有泄放回路，故利用D22进行续流，减小电流对MOS管的冲击。
4.输入输出IO电路设计
定位光纤、漏贴标光纤和贴标请求等输入信号检测电路如图11所示。输入信号通过TLP521光耦进行隔离后，输入至MCU。
标签定位失败告警和漏贴标告警信号输出电路如图12所示。MCU信号输出前，通过TLP521光耦进行隔离，保证系统可靠性。
图11 输入IO电路
图12 输出IO电路
5.通讯电路设计
（1）.RS485通讯电路
根据MAX485芯片数据手册，设计得RS485通讯电路如图3-10所示。
图13 RS485通讯电路
RS485接口中，需要并联120欧姆的电阻。同时，在两端设计有全桥电路D16，对RS485通讯接口起防浪涌作用。
（2）.RS232通讯电路
RS232通讯电路中，采用MAX232作为RS232通讯芯片。MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。
当用单片机和PC机通过串口进行通信，尽管单片机有串行通信的功能，但单片机提供的信号电平和RS232的标准不一样，因此要通过MAX232这种类似的芯片进行电平转换。第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。
设计得RS232通讯电路如图14所示。
图14 RS232通讯电路
6.数码管按键电路设计
贴标控制器在人机交互设计中，使用IIC通讯方式跟按键数码管模块进行通讯。在该通讯接口中，需要3.3V电源、GND、STB控制信号、时钟信号和数据信号。
IIC通讯接口电路如图15所示。
图15 MCU端IIC通讯电路
按键数码管模块，使用TM168专用驱动芯片。 应用TM168专用驱动芯片设计得按键数码管模块如图16和图17所示。
图16 TM168数码管电路
图17 TM168按键电路
三．结束语
通过实际操作验证，证明这套控制器设计结合软件设计能够满足符合生产使用需要。对自动贴标机的制作生产起到很好地借鉴效果。
参考文献
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论文作者:刘锦杭
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/8/21
标签：电路论文; 电磁铁论文; 所示论文; 通讯论文; 控制器论文; 步进电机论文; 如图论文; 《电力设备》2018年第13期论文;