基于STM32单片机的自动盖章机的设计与制作_龙佳乐.pdf

基金项目：五邑大学大学生创新创业训练计划资助项目（编号：202011349288，202111349197S，202111349221S）；校级本科高质量课程建设与创新创业教育建设改革项目（编号：JX2021037）；广东省级教学质量与教学改革工程项目（编号：GDJX2021007）收稿日期：20220530基于STM32单片机的自动盖章机的设计与制作*龙佳乐1，廖妙余1，陈健恒1，茹道志1，祝欢亮1，周湘源2，张建民1（1.五邑大学 智能制造学部，广东江门529020；2.恩平市亿歌电子有限公司，广东江门529400）摘要：为提高人工盖章效率，改变现有的人工盖章模式，设计了一款基于STM32的自动盖章机。自动盖章机采用模块化设计，由主控模块、图像采集模块、电机驱动模块、电源模块及三自由度机械结构组成。主控模块采用STM32F103单片机进行控制和处理，并基于QT开发上位机，将图像采集模块采集到的图像并反馈到GUI界面，然后将盖章位置的XY坐标以及从输入端得到的盖章数量发送到主控板，主控板驱动3个三自由度结构的步进电机实现盖章，同时下达指令给步进电机将已盖章文件传出，最终实现自动盖章的功能。该设计可在指定位置实现既定数量的动作，可大幅提高重复性任务的效率。关键词：自动盖章机；上位机；USB摄像头；三自由度结构；QT；GUI中图分类号：TP249文献标志码：A文章编号：10099492(2023)03019903Design and Manufacture of Automatic Stamping Machine Based on STM32 SingleChip MicrocomputerLong Jiale1，Liao Miaoyu1，Chen Jianheng1，Ru Daozhi1，Zhu Huanliang1，Zhou Xiangyuan2，Zhang Jianmin1（1.Faculty of Intelligent Manufacturing,Wuyi University,Jiangmen,Gongdong 529020,China;2.Enping YEAMIC Electronic Co.,Ltd.,Jiangmen,Gongdong 529400,China）Abstract:In order to improve the efficiency of manual stamping and change the existing manual stamping mode,an automatic stampingmachine based on STM32 was designed.The modular design was adopted in the automatic sealing machine,and it was composed of maincontrol module,image acquisition module,motor drive module,power supply module and three degrees of freedom mechanical structure.Themain control module was controlled and processed by using STM32F103 controller,and the upper microcomputer was developed based on QTto obtain the images collected by the image acquisition module and fed them back to the GUI interface;the XY coordinates of the stampedposition and the number of seals obtained from the input end were sent to the main control board,which driven the stepper motor with threedegrees of freedom structure,at the same time,instructions were issued to the stepper motor to transmit the stamped documents,and thefunction of automatic seal was realized finally.By using the automatic stamp machine,the given number of actions in the specified position canbe achieved,and the efficiency of repetitive tasks can be greatly improved.Key words:automatic stamp machine;upper computer;USB camera;three degree of freedom structure;QT;GUI2023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.03.040龙佳乐，廖妙余，陈健恒，等.基于STM32单片机的自动盖章机的设计与制作 J.机电工程技术，2023，52（03）：199-201.0引言印章广泛应用于企业、高校、银行以及一些事业单位，主要是作为身份的凭证和执行某些职权的媒介1。在日常的办公场景中，经常会有大量重复性的盖章任务，动辄成千上万份，如果人工盖章，很可能有漏章的现象出现2。自动盖章机针对大批量盖章业务时显得特别省时省力3。自动盖章机的设计不但能避免人工盖章时可能存在的一些缺陷，而且还大大减少了工作量，极大地减少了公司的运营成本，与此同时经济效应及工作效率也得到了极大的提升4。有些企事业单位每年都会遇到各种各样规格大小、厚度以及硬度等皆不同的纸张需要进行大规模的盖章。由于不同的文件可能会对盖章位置有不同的需求，需要盖章机能对盖章位置进行调整，而传统的盖章机基本都是在固定位置进行盖章的，若要选择不同的盖章位置则需要进行手动人工操作5。因此，研制一款方便、快捷的全自动化盖章机具有很高的实用价值6。本文设计一款可以代替人工按照预定程序指令进行盖章的自动化盖章机，实现了自动盖章的功能，摆脱了传统的手工盖章方式，并且还结合了QT上位机，设置了可以进行人工交互的GUI界面，能够轻松地选择不同文件盖章的位置，兼容性高，真正意义上实现了印章自动化、智能化的特点。1系统的模块化设计自动盖章机在软件和硬件上均采用模块化设计，主要由主控模块、图像采集模块、电机驱动模块、电源模块及三自由度机械结构组成。系统总体框图如图 1所示。1991.1主控模块采用STM32F103单片机作为主控芯片进行控制和处理。使用QT开发一个上位机，用户可以在此上位机中通过摄像头对要盖章文件的盖章位置进行双击选择，并输入要盖章文件的数量，按下发送键，上位机把位置信息发送给单片机，单片机根据接收到的位置信息及其他提示信息显示在LCD屏上，同时产生PWM驱动步进电机，把章印带到用户选择的位置进行盖章，每盖下一次章，自动把已经盖章的文件移出。1.2图像采集模块采用USB摄像头进行图像数据采集，USB摄像头易于使用，并有大量库函数供调用和修改。上位机调用摄像头内部函数获取摄像头的图像，与下位机进行通信，在GUI界面上选取图像的坐标信息，设置盖章文件的数目。图像数据处理原理：景物通过镜头生成的光学图像投射到图像传感器表面上,然后转为电信号，经过A/D转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片中加工处理，通过USB接口等方式传输到电脑中处理，最终通过显示器可以看到图像7。工作原理如图2所示。1.3电机驱动模块盖章机在运行时，由于在控制印章移动时，步进电机需要连接到一定质量的丝杆、铝块等材料上面，为使电机在带负载的状态下能够顺利运行，本设计中电机驱动选用TB6600步进电机驱动器，驱动3个坐标轴的两相步进电机，即步进电机驱动器接收PWM信号然后驱动步进电机。该步进电机是一种可以将脉冲信号转换成角位移的执行器件，通过驱动可以接收到主控板发送的脉冲信号，使步进电机按照代码设置好的方向旋转一定的角度，这样就可以使步进电机正常工作8。1.4电源模块采用12 V的锂电池供电，12 V供电给步进驱动器模块，采用LM2596以及LMS1117分别将电压降为5、3.3 V供单片机系统使用，经检测，电路中的电流符合负载电流的需求。2三自由度机械结构本自动盖章机分为、三个方向，其中、轴采用同步带传输实现盖章前的印章定位功能，轴采用凸轮机构实现将电机的回转运动转变为盖章部分的直线运动9。项目的机械结构的搭建，采用铝型材搭建一个长方形框作为支架，该机构能够承受一定的质量，在支架上方安置丝杆、步进电机，采用轴承将丝杆固定，使用联轴器把电机的丝杆和转轴连接起来，以此实现三自由度的机械结构。三自由度机械机构如图3所示。当单片机接收到上位机发送的盖章指令后，控制电机、电机3转动，驱动盖章模块在、方向移动，到达、方向预定盖章位置后，电机2转动，带动印章推杆竖直上下运动10，完成盖章；最后，电机4转动，借助摩擦力将纸张传出，即完成一次盖章11。3软件系统的设计自动盖章机软件设计主要难点是上位机的编写以及电机驱动代码编写。3.1上位机的编写人机交互GUI界面是使用者对设备进行控制与使用的操作面板，同时也是显示当前设备数据信息的屏幕，可以经由交换界面来发送系统工作的主要指令信号12。上位机的GUI界面如图4所示，在打开上位机USB摄像头之前要先关闭电脑摄像头。中间的方框显示摄像头获取的图像，图像中的白色框框住的范围为盖章机可盖章的范围。另外，设置了“打开串口”、“打开摄像头”和图1系统总体框架图图2图像数据处理原理方框图图3三自由度机械机构图4上位机GUI界面2023年03月机 电 工 程 技 术第52卷第03期200“发送”按钮，选择端口的下拉选项，以及坐标的显示框和盖章份数的输入框。3.2电机驱动代码编写原理摄像头画面大小：X=640，Y=480准确的计算方法如下。X轴电机走18圈走完全程，理论上半圈控制一次，即：(x/640)*18*2=run_x（1）实际减去40 mm，为16圈：(x/640)*16*2=run_x（2）Y轴电机走 13圈走完全程，理论上半圈控制一次，即：(float)y/480)*13*2)=run_y（3）实际减去50 mm，10圈：(float)y/480)*10*2)=run_y（4）A4纸大小：210 mm297 mm按理想情况计算，画面中每个像素点相对于纸上297/640=0.46（5）210/480=0.44（6）电机转轴直径为5 mm，电机转一圈走过路程：3.14 5=15.7mm（7）半圈路程7.85 mm297/7.85mm=37.83（8）210/7.85mm=26.75（9）所以：上位机发x坐标0.46/7.85=x轴走的圈数（10）上位机发y坐标0.44/7.85=y轴走的圈数（11）3.3程序流程自动盖章机系统工作流程如图5所示，上电后进行初始化，初始化主要包括延时函数的初始化、显示屏的初始化、按键初始化、灯的初始化、各个电机控制引脚的初始化以及各个输出脉冲的初始化。当发生中断时，执行中断服务函数，当定时器2发生中断，控制步进电机进行转动；当发生串口中断时，接收到位置信息；当没有发生中断时，持续执行 Main函数中的 While函数，进行坐标轴位置信息的转换及计算，将数据显示在LCD显示屏上，并时刻检测按键是否按下。4实物测试与结果4