多杈不規(guī)則形狀部件的自動計數(shù)系統(tǒng)研究

廖幫全　白家偉

摘? 要：構(gòu)建了一種利用紅外光發(fā)射器、紅外光接收器、單穩(wěn)態(tài)電路、單片機(jī)、顯示系統(tǒng)以及相應(yīng)軟件組成的多杈不規(guī)則部件自動計數(shù)系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有體積小、反應(yīng)靈敏、計數(shù)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：自動計數(shù);多杈;不規(guī)則;部件

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）07-0017-03

Abstract： An automatic counting system for irregular parts with multiple pitchfork is constructed， which is composed of infrared transmitter， infrared receiver， single stable circuit， single chip microcomputer， display system and corresponding software. The system has the advantages of small volume， sensitive response and accurate counting.

Keywords： automatic counting; multiple pitchfork; irregular; parts

引言

制造類企業(yè)對于自己每天甚至每個時段的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)量需要有效掌控。針對不同的計數(shù)對象，目前已開發(fā)出多種不同的比較成熟的自動計數(shù)系統(tǒng)。比如，對無杈形狀的部件，可以用攝像頭拍照獲取圖像，再應(yīng)用MATLAB等分析軟件進(jìn)行分析處理，從而實(shí)現(xiàn)部件的自動計數(shù)[1～2]?？梢杂霉怆妭鞲衅骱蚉LC結(jié)合，由光電傳感器將非電學(xué)量信號轉(zhuǎn)換為電學(xué)量信號，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號傳送到PLC;主控設(shè)備PLC根據(jù)設(shè)計的程序，進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的處理，并將數(shù)據(jù)送上位機(jī)顯示和處理，且能夠接收上位機(jī)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)部件的自動計數(shù)[3-4]。也可以利用可檢測金屬物體的渦流式接近開關(guān)，先讓接近開關(guān)的振蕩器產(chǎn)生一個變交磁場，當(dāng)被測金屬部件通過傳動帶經(jīng)過接近開關(guān)，若金屬部件進(jìn)入接近式開關(guān)的感應(yīng)范圍時，在金屬部件的金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩衰減以至停振，利用該傳感信號的變化實(shí)現(xiàn)自動計數(shù)[5]。還可以在單片機(jī)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自動計數(shù)[6-10]。

但是，對于多杈不規(guī)則形狀的部件，使用常規(guī)的自動計數(shù)方法來進(jìn)行自動計數(shù)時很可能發(fā)生較大的偏差，甚至發(fā)生計數(shù)失敗，從而出現(xiàn)自動計數(shù)系統(tǒng)失效。比如，某個多杈不規(guī)則部件是抓取狀的手掌形狀的部件，它包含一個穹隆形狀的手掌及五個彎曲形狀的長度不一致的手指，對這類部件的自動計數(shù)，如果采用常規(guī)的規(guī)則部件的計數(shù)方法，由于部件本身擺放是隨機(jī)的，當(dāng)不同部位被自動計數(shù)系統(tǒng)探測到時得到的計數(shù)結(jié)果是不同的。舉例來說，當(dāng)常規(guī)自動計數(shù)系統(tǒng)探測到手掌時只計為1個部件，探測到全部手指時計為5個部件，探測到較長的3個手指時計為3個部件，等等。因此，對于多杈不規(guī)則部件的計數(shù)，有必要專門進(jìn)行深入的研究。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

對多杈不規(guī)則部件的計數(shù)，可以由電路系統(tǒng)、光路和軟件三部分構(gòu)成。其中電路系統(tǒng)和光路的構(gòu)成如圖1所示。當(dāng)有部件經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)上方時，部件將紅外光發(fā)射器發(fā)出的紅外光反射到紅外光接收器，紅外光接收器將輸出一個對應(yīng)的電信號;與沒有部件經(jīng)過時紅外光接收器輸出的電信號相比，有部件經(jīng)過時輸出的電信號相當(dāng)于一個脈沖信號。此脈沖信號經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)電路調(diào)整，可以形成一個負(fù)脈沖信號，并可以通過引腳傳遞給單片機(jī)進(jìn)行分析和處理，單片機(jī)內(nèi)部程序?qū)υ撘_高低電平的變化進(jìn)行判斷，并給單片機(jī)內(nèi)部的計數(shù)器加1，然后將計數(shù)器的數(shù)值轉(zhuǎn)化為字符串，傳遞給顯示系統(tǒng)，就可以顯示出當(dāng)前的計數(shù)值。當(dāng)下一個部件經(jīng)過時，整個系統(tǒng)重復(fù)上面的處理過程，如此循環(huán)往復(fù)，從而可實(shí)現(xiàn)對多個部件的計數(shù)、顯示。

當(dāng)部件為多杈形狀時，同一個部件經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時，有杈的部位能反射紅外光，無杈的部位不能反射紅外光，計數(shù)系統(tǒng)可能會根據(jù)接收到的反射回來的紅外光的次數(shù)將同一個部件誤計為多個部件。為解決此問題，需要在軟件上進(jìn)行處理，將一定時間內(nèi)反射回來的紅外光導(dǎo)致的電信號統(tǒng)一當(dāng)成初始時刻的電信號，從而實(shí)現(xiàn)對多杈部件計數(shù)的單一化處理。

1.1 電路系統(tǒng)

電路系統(tǒng)由光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、單穩(wěn)態(tài)電路、信號處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成。光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括紅外光發(fā)射器、紅外光接收器;紅外光發(fā)射器用于發(fā)射紅外光，作為照射待計數(shù)部件的光源;紅外光接收器用于接收紅外光，將照射到其上的紅外光信號變成電信號。單穩(wěn)態(tài)電路在紅外光接收器輸出的電信號觸發(fā)下，電路從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫態(tài)，持續(xù)一小段時間后又返回到穩(wěn)態(tài)。信號處理系統(tǒng)用于將單穩(wěn)態(tài)電路輸出的電平信號變化次數(shù)進(jìn)行處理，根據(jù)一定時間內(nèi)電平信號的變化次數(shù)在內(nèi)部計數(shù)器上增加一定的次數(shù)，然后將總的計數(shù)值轉(zhuǎn)化為字符串，傳送給顯示系統(tǒng);信號處理系統(tǒng)由單片機(jī)和軟件組成。顯示系統(tǒng)用于實(shí)時顯示信號處理系統(tǒng)傳送的計數(shù)值。

我們實(shí)際采用的單穩(wěn)態(tài)電路是555單穩(wěn)態(tài)電路，單片機(jī)采用的是STC89C52單片機(jī)，顯示系統(tǒng)采用的是LCD1602。

1.2 光路構(gòu)成

光路構(gòu)成可以采用紅外光反射式或紅外光遮擋式兩種方式。圖1中所示的光路為紅外光反射式光路示意圖，即當(dāng)待計數(shù)部件出現(xiàn)時將紅外光發(fā)射器發(fā)出的紅外光反射到紅外光接收器上;待計數(shù)部件不出現(xiàn)時紅外光發(fā)射器發(fā)出的紅外光不能照射到紅外光接收器上。對于紅外光遮擋式光路，待計數(shù)部件不出現(xiàn)時紅外光發(fā)射器發(fā)出的紅外光直接照射到紅外光接收器上，當(dāng)待計數(shù)部件出現(xiàn)時將紅外光發(fā)射器發(fā)出的紅外光遮擋住使其不能照射到紅外光接收器上。無論反射式還是遮擋式，當(dāng)待計數(shù)部件不出現(xiàn)時和出現(xiàn)時紅外光接收器接收到的光是不同的，從而導(dǎo)致其輸出的電信號也是不同的，根據(jù)對輸出的電信號的分析可以逆向推斷出待計數(shù)部件是否出現(xiàn)了，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)計數(shù)。

在紅外光發(fā)射器前端設(shè)置限光筒是為了將紅外光限定在一定區(qū)域，確保紅外光能量比較集中;在紅外光接收器前端設(shè)置限光筒是為了限定進(jìn)入紅外光接收器的光的范圍，減小外部干擾。限光筒的口徑和長度可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

對于反射式光路或遮擋式光路的選擇，其依據(jù)主要是部件的大小和部件移動方向。一般地，對于10mm及以下尺寸的部件，由于其尺寸較小，可以采用遮擋式，在其兩端加上光發(fā)射裝置和接收裝置，整體尺寸不會太大，仍然比較緊湊。而對于100mm及以上尺寸的部件，如果采用遮擋式，將會使光電發(fā)射器和接收器之間的距離較大，整個光電系統(tǒng)顯得較為臃腫，因而采用反射式較為合適。對于尺寸介于10mm到100mm之間的部件，遮擋式和反射式都可以考慮。另一個需要考慮的因素是，如果部件移動方向?yàn)樨Q直方向，采用遮擋式較為合適;如果部件移動方向?yàn)樗椒较?，采用反射式較為合適。

不失一般性，在我們實(shí)際搭建的系統(tǒng)中，我們采用的是紅外光反射式光路，相關(guān)的討論也基于此。對于遮擋式，邏輯類似，不贅述。

2 軟件系統(tǒng)

軟件設(shè)計首先需要完成的是初始化的工作，這包含單片機(jī)工作方式初始化和顯示系統(tǒng)初始化兩個部分。接著就是利用while循環(huán)去判斷標(biāo)志位，比如，可以設(shè)定標(biāo)志位為高電平說明有部件通過，在該分支下進(jìn)行計數(shù)器計數(shù)。計數(shù)完成后將數(shù)值轉(zhuǎn)化為字符串，并將該字符串傳遞給顯示系統(tǒng)（LCD1602）顯示函數(shù)，將計數(shù)的結(jié)果通過該系統(tǒng)顯示出來。

對于多杈不規(guī)則形狀的部件，由于1個部件的多個分杈都可能反射光，將直接導(dǎo)致光電接收器會輸出多個變化的電信號，后續(xù)處理結(jié)果會得到分杈數(shù)對應(yīng)數(shù)量的增加，但實(shí)際上此時部件只有1個。為解決此問題，我們在軟件中設(shè)置一個時間延遲，即當(dāng)某個因素導(dǎo)致光電接收器輸出的電信號發(fā)生變化時，在此延遲時間內(nèi)再發(fā)生的電信號的變化不再進(jìn)行計數(shù)。這樣確保了該部件的某個分杈導(dǎo)致電信號發(fā)生變化后，后續(xù)的其它分杈引起的電信號的變化不被計數(shù)，從而確保此部件通過時計數(shù)器只顯示增加1。當(dāng)然，此延遲時間可以根據(jù)部件的尺寸、移動快慢、移動間隔大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到適應(yīng)不同使用場合的目的。在我們搭建的系統(tǒng)中，我們設(shè)置延遲時間為1秒。程序示例如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在搭建并調(diào)試好多杈不規(guī)則部件計數(shù)系統(tǒng)后，我們用5種不同的多杈的不規(guī)則部件對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，部件以不同的姿態(tài)、不同的方向、不同的軌跡在計數(shù)系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)上方通過，測試結(jié)果如表1所示。

從測試結(jié)果來看，總體上誤差小于1%。出現(xiàn)計數(shù)偏差的原因是多杈不規(guī)則部件以較慢的速度通過計數(shù)系統(tǒng)時，系統(tǒng)會產(chǎn)生2次觸發(fā)，從而計為2個部件;解決方案為，在程序上對靈敏度參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，針對部件不同的通過速度設(shè)置相應(yīng)的靈敏度。

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了一種利用紅外光發(fā)射器、紅外光接收器、單穩(wěn)態(tài)電路、單片機(jī)、顯示系統(tǒng)，并配以軟件支撐的反射式多杈不規(guī)則部件自動計數(shù)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，不同的多杈不規(guī)則部件以不同速度、不同姿態(tài)、不同方向、不同軌跡經(jīng)過計數(shù)系統(tǒng)時，計數(shù)誤差小于1%。通過調(diào)節(jié)靈敏度參數(shù)，可進(jìn)一步減小計數(shù)誤差。此系統(tǒng)可以在多杈不規(guī)則部件計數(shù)時采用。

參考文獻(xiàn)：

[1]田孟祥，張時龍，何友勛，等.1種快速高效的水稻谷粒自動計數(shù)方法[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（2）：64-66.

[2]沈素素，張振國，王磊.螺紋鋼的自動計數(shù)分鋼系統(tǒng)的研究[J].電子測量技術(shù)，2018，41（1）：146-149.

[3]易銘.包裝生產(chǎn)線自動計數(shù)裝箱控制系統(tǒng)設(shè)計[J].佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，36（2）：48-54.

[4]馮孔淼，萬頻，王福泉，等.微波爐噴粉生產(chǎn)線工件自動計數(shù)系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化，2011，33（8）：143-145.

[5]黃丹平，羅玉梅.新型焊條自動計數(shù)檢測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（10）：58-60.

[6]劉濱，劉琦.流水線自動計數(shù)系統(tǒng)設(shè)計[J].輕工科技，2014（3）：50-51.

[7]應(yīng)玉明.基于單片機(jī)控制的工件自動計數(shù)系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)電工程技術(shù)，2011，40（7）：47-49.

[8]譚建勛.水泥生產(chǎn)線高精度自動計數(shù)儀表的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011 （10）：129.

[9]雷媛媛.紅外自動計數(shù)電路的設(shè)計與應(yīng)用[J].電子世界，2015（11）：147-148.

[10]閆立平，李鵬.煤礦下井入罐人數(shù)自動計數(shù)裝置的設(shè)計及應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2012，33（2）：201-202.