基于單片機(jī)控制的質(zhì)量分揀裝置設(shè)計(jì)*

楊少沛，張玲玲，楊慶華，秦 四

（1.黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950；2.魯山縣張良第四小學(xué)，河南 平頂山 467300）

在自動(dòng)化生產(chǎn)線的各個(gè)環(huán)節(jié)中，分揀裝置是其中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。最早的分揀裝置為人工分揀裝置，因勞動(dòng)強(qiáng)度大、錯(cuò)誤率高、生產(chǎn)效率低、工作環(huán)境惡劣等原因早被淘汰。生產(chǎn)效率對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)極重要的指標(biāo)，只有高的生產(chǎn)效率，企業(yè)才可以擁有旺盛的生命力[1]，此時(shí)自動(dòng)分揀裝置便應(yīng)運(yùn)而生。自動(dòng)分揀裝置具有多種優(yōu)點(diǎn)，加入了閉環(huán)控制算法，是傳統(tǒng)的分揀裝置不能代替的，所以其應(yīng)用也變得越來(lái)越廣泛。

1 總體方案設(shè)計(jì)

傳送帶上的產(chǎn)品有兩個(gè)質(zhì)量區(qū)間：大于或小于某個(gè)設(shè)置的質(zhì)量數(shù)值，即誤差在一定的范圍內(nèi)才符合要求，對(duì)于橡膠廠膠條要在30 kg+5 g 這個(gè)數(shù)值范圍內(nèi)。本裝置能夠檢測(cè)這兩種產(chǎn)品的質(zhì)量，然后按照設(shè)定要求進(jìn)行質(zhì)量分揀，由稱重傳感和分揀裝置兩部分組成。稱重部分主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源、按鍵、數(shù)據(jù)通信、傳送帶、液晶顯示屏、數(shù)碼管等組成。分揀裝置主要由直流電機(jī)、頂桿部分、物料倉(cāng)、傳送帶和機(jī)械手等部分組成，其原理見(jiàn)圖1。

圖1 質(zhì)量分揀裝置原理框圖

1.1 初始化

1）上電后進(jìn)行初始化，各部分初始狀態(tài)要求為：一是電源指示燈亮；二是LCD 顯示屏顯示初始化，此接口保留時(shí)間約為2 s，然后清屏；三是數(shù)碼管為全滅狀態(tài)；四是上位機(jī)串口接收“系統(tǒng)初始化完畢”。

2）系統(tǒng)初始化設(shè)置。一是質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，根據(jù)用戶需求通過(guò)串口設(shè)置檢測(cè)質(zhì)量為“xg”；二是分揀方案設(shè)置，通過(guò)串口發(fā)送格式，高于xg”的命令設(shè)置分揀方案，當(dāng)被檢測(cè)物體的質(zhì)量高于設(shè)定質(zhì)量時(shí)，該物體會(huì)被切割刀具切割，被檢測(cè)物體的質(zhì)量低于設(shè)定質(zhì)量時(shí)，被測(cè)物體會(huì)通過(guò)傳送平臺(tái)。以上設(shè)置完成的方案會(huì)刷新顯示在液晶顯示屏上，以備檢查核實(shí)，也可以手動(dòng)完成以上設(shè)置功能。

3）質(zhì)量檢測(cè)。設(shè)置完成以后，當(dāng)有橡膠膠條進(jìn)入稱重系統(tǒng)后，系統(tǒng)才開(kāi)始識(shí)別質(zhì)量。液晶屏?xí)@示承重結(jié)果。同時(shí)被測(cè)物體質(zhì)量信息會(huì)同步發(fā)送到串行通信接口，等待下一步指令。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行

1）稱重檢測(cè)。按下開(kāi)始鍵，系統(tǒng)先后掃描傳送帶上橡膠膠條的質(zhì)量，對(duì)滿足30 kg+5 g 的膠條分揀處理至產(chǎn)品區(qū)，對(duì)不滿足的橡膠膠條分揀處理至次品區(qū)，回收利用。每檢測(cè)完一個(gè)橡膠膠條計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù)一次，并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄、分析計(jì)算，回饋給截取裝置。

2）分揀過(guò)程。傳送帶需要移動(dòng)到物料倉(cāng)旁邊，推桿裝置開(kāi)始分揀，產(chǎn)品區(qū)和次品區(qū)需要裝箱，每箱產(chǎn)品分揀完后，由機(jī)械手搬運(yùn)，完成一次裝箱周期。每一個(gè)裝箱周期均在電腦屏幕上顯示當(dāng)前工作狀態(tài)。

2 質(zhì)量分揀系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要包括主控芯片及最小系統(tǒng)電路，并附帶了串口通信電路和各I/O 端口外接端子，為硬件設(shè)計(jì)連接提供了便利，主控電路見(jiàn)圖2。

圖2 主控電路原理圖

2.1 顯示模塊簡(jiǎn)介

2.1.1 數(shù)碼管顯示

當(dāng)字型碼發(fā)送到選擇端口時(shí)，各顯示器都可接收。但哪個(gè)數(shù)碼管會(huì)發(fā)光決定于數(shù)碼管的哪個(gè)公共端與選擇端連接。

本顯示模塊晶振頻率為11.059 2 MHz，利用定時(shí)器T0 來(lái)定時(shí)掃描，每一次掃描時(shí)間控制在十幾微秒，其他部件基本無(wú)影響，同時(shí)數(shù)碼管顯示效果較穩(wěn)定。

2.1.2 LCD1602 液晶顯示

LCD1602 是工業(yè)字符型LCD，可以同時(shí)顯示32 個(gè)字符，顯示原理是利用液晶的物理特性，電壓可以控制顯示區(qū)域顯示圖形，它分為字段顯示和字符顯示[2]、與傳統(tǒng)輸出模塊相比，LCD1602 液晶顯示器具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如小尺寸，低功耗和可顯示內(nèi)容多。重要的是LCD1602 液晶顯示器不需要額外的電路，且還可以顯示2 行16 個(gè)漢字。

LCD1602 主要技術(shù)參數(shù)為：一是顯示容量為16×2 個(gè)字符；二是芯片工作電壓為4．5～5．5 V；三是工作電流為2．0 mA；四是模塊最佳工作電壓為5．0 V；五是字符的大小約為3×4．3 （W×H）mm。

LCD1602 使用標(biāo)準(zhǔn)的14 針，引腳及標(biāo)號(hào)見(jiàn)圖3，引腳及其說(shuō)明見(jiàn)表1。

圖3 LCD1602 引腳及標(biāo)號(hào)

表1 LCD1602 引腳及其說(shuō)明

2.2 質(zhì)量檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

稱重傳感器實(shí)際是將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)輸出的設(shè)備[3]。傳感器所處的工作環(huán)境對(duì)于傳感器能否正常運(yùn)行以及整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性至關(guān)重要。常用的稱重模塊有S 型、懸臂型、輻條型、柱型等多種樣式，本設(shè)計(jì)采用柱型。

1）模塊參數(shù)：傳感器尺寸為80 mm×12．7 mm×12．7 mm；量程為5 kg。圖4 為稱重傳感器的受力情況示意圖。

圖4 稱重傳感器受力圖

應(yīng)變片粘附到受力敏感的壓敏彈性構(gòu)件上，當(dāng)彈性構(gòu)件受力變形時(shí)，應(yīng)變片變形并轉(zhuǎn)換成電阻變化[4]。應(yīng)變片阻值電路圖見(jiàn)圖5。由受力大小引起的電阻變化被轉(zhuǎn)換為測(cè)量電路的電壓變化，從而獲得待測(cè)物體的質(zhì)量。

圖5 應(yīng)變片阻值電路圖

2）接線方式：紅線為輸入電壓+；黑線為輸入電壓-；綠線為輸出信號(hào)+；白線為輸出信號(hào)-。

3）使用說(shuō)明：輸出電壓信號(hào)，壓力越大輸出電壓信號(hào)越大；滿量程輸出電壓=激勵(lì)電壓×靈敏度1．0 mV/V；傳感器的變形非常小，在安裝和使用過(guò)程中不應(yīng)過(guò)載。若外力消失后不能恢復(fù)原狀，傳感器將會(huì)發(fā)生塑性變形損壞。稱重傳感器安裝方式見(jiàn)圖6，稱重傳感器實(shí)物見(jiàn)圖7。

圖6 稱重傳感器安裝方式

圖7 稱重傳感器實(shí)物圖

3 質(zhì)量分揀系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)過(guò)程概述

在完成了橡膠膠條分揀裝置的硬件結(jié)構(gòu)之后，橡膠廠膠條質(zhì)量分揀系統(tǒng)的軟件模塊化程序結(jié)構(gòu)為：一是系統(tǒng)初始化程序模塊；二是系統(tǒng)顯示模塊程序；三是系統(tǒng)主控模塊程序；四是系統(tǒng)中斷與串口通信模塊程序；五是系統(tǒng)直流電機(jī)和傳送電機(jī)模塊程序；六是系統(tǒng)稱重檢測(cè)模塊程序；七是系統(tǒng)分揀機(jī)構(gòu)模塊程序。

3.2 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)

圖8 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)見(jiàn)第60 頁(yè)圖8。整個(gè)橡膠膠條質(zhì)量分揀裝置的軟件設(shè)計(jì)流程是：首先單獨(dú)編寫并調(diào)試每個(gè)子程序模塊，注意全局變量和局部變量的區(qū)別，在現(xiàn)有條件下盡量使用局部變量，以免引起相互干擾，然后根據(jù)整體系統(tǒng)功能要求編寫主程序并逐一調(diào)用子函數(shù)，最后形成完整的軟件系統(tǒng)[5]。

綜上所述，本項(xiàng)目研究了基于52 單片機(jī)控制的橡膠廠膠條質(zhì)量分揀裝置的工作原理及軟件編寫方法和調(diào)試技巧，并且對(duì)橡膠廠的自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行了一定的闡述，借助單片機(jī)的自動(dòng)控制功能實(shí)現(xiàn)了膠條的質(zhì)量分揀，為下一個(gè)環(huán)節(jié)機(jī)械手的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，同時(shí)為上一個(gè)環(huán)節(jié)長(zhǎng)度截取裝置的閉環(huán)控制提供了參考數(shù)據(jù)。借助于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理功能，為同類型產(chǎn)品的改進(jìn)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了可靠的參考依據(jù)。