基于51單片機的智能分揀搬送系統(tǒng)設(shè)計

張 林

商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院

0 引言

人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)正在以“工業(yè)4.0”之名，掀起對傳統(tǒng)工業(yè)的智能革命，隨著“中國制造2025”的到來，智能化電子控制在智能物流生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，可實現(xiàn)搬運、分揀、裝配等工作流程。以往的搬運分揀系統(tǒng)比較機械化，生產(chǎn)效率較低，而智能分揀搬送系統(tǒng)是建立在電、光、聲等各類傳感器和微處理控制器等先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上的。本系統(tǒng)以51單片機為最小控制器系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能化搬運系統(tǒng)和智能識別系統(tǒng)的緊密結(jié)合，其高效、易操作、成本低，具有較強的實用性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計與選擇

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要設(shè)計了一個智能物體分揀搬送裝置，包括四大模塊：最小控制系統(tǒng)、智能搬運系統(tǒng)、智能識別系統(tǒng)和供電系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框架

最小控制系統(tǒng)采用STC51單片機為核心控制器。供電系統(tǒng)采用可調(diào)式的直流穩(wěn)壓電源。智能識別系統(tǒng)包括信息采集模塊和信息顯示模塊，根據(jù)檢測需求選擇TCS320傳感器采集信息。當(dāng)物體趨近目的區(qū)域時，傳感器首先對選定物體顏色進(jìn)行濾波，得到相應(yīng)的光強值，再分析光強值，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號傳送給單片機，單片機通過循環(huán)檢測的方式檢測出RGB飽和度，從而確認(rèn)物塊的顏色，達(dá)到分揀效果。

智能搬運系統(tǒng)采用4組直流減速電機驅(qū)動推桿擺臂作為智能搬運系統(tǒng)，整個系統(tǒng)采用橫/縱向驅(qū)動方式，運用電機驅(qū)動傳送帶的運行，從而帶動推桿擺臂。其中一組電機實現(xiàn)橫向驅(qū)動，將分散的木塊橫向推到一定區(qū)域，實現(xiàn)集中操作；另一組電機實現(xiàn)縱向驅(qū)動，推動規(guī)定物體到達(dá)規(guī)定區(qū)域，完成物品的分揀搬送。

1.2 方案選擇論證

（1）最小控制系統(tǒng)方案選擇。采用STC89C51單片機，具有功耗低、指令周期短、運算速度快等優(yōu)勢；具有調(diào)速處理功能，易于編程與調(diào)試；具有較多的I/O口，具有一套完整的按位操作系統(tǒng)，被廣泛用于各種控制電路。該單片機運用廣泛，開發(fā)簡單，較為成熟，成本較低。

（2）分揀搬送方案選擇。采用機械手對物品進(jìn)行逐個分揀后搬送，雖精準(zhǔn)度高，但考慮到所要搬運的物品太過分散，機械手先是分揀后再搬送，浪費時間。采用交叉帶式的小車分揀系統(tǒng)，可設(shè)置格口數(shù)多、布局靈活，但對物體體積的局限較大?？紤]到時間與效率，最終采用推桿擺臂對物品統(tǒng)一集中操作，再根據(jù)采集信息進(jìn)行分揀操作，最終提高工作效率。

（3）信息采集模塊的選擇。根據(jù)檢測需求選取相應(yīng)的傳感器采集信息，本系統(tǒng)檢測的物體可按顏色識別，在選取方案時，采用STM32f407攝像頭進(jìn)行顏色識別，其識別率高，但成本也較高，不便安裝；采用紅外對管實現(xiàn)顏色識別，只能識別深色；利用顏色傳感器TCS320芯片實現(xiàn)顏色識別，具有高分辨率、可編程調(diào)整、溫度系數(shù)穩(wěn)定、可直接與微處理器通信等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件電路設(shè)計

本供電系統(tǒng)需要設(shè)計一個輸出為5~12 V的可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源，作為整個系統(tǒng)的電源供給。原理是將220 V交流電通過變壓器、整流電路、濾波電路轉(zhuǎn)化為波形較為平滑的直流電，再利用7812、7912、7805三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓至+5~+12 V。以51最小系統(tǒng)為核心，控制顏色識別、電機驅(qū)動，通過對信號的處理來實現(xiàn)物體的感應(yīng)。顏色識別傳感器通過光源傳出信號，識別到顏色后發(fā)出指令，如圖2所示。

圖2 傳感器原理

2.2 軟件程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)需求，需要完成的總體軟件設(shè)計包括6個部分：單片機系統(tǒng)初始化、姿態(tài)信息采集、卡爾曼濾波、速度檢測、直流電機PID控制算法、RGB飽和度檢測。軟件設(shè)計整體流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計流程

3 測試方案與測試結(jié)果

3.1 測試條件

（1）測試場地：一個以木條（截面不大于3 cm×4 cm，木制本色）圍成的100 cm×150 cm的A區(qū)域內(nèi)，顏色為白色，B區(qū)域為黑色，C區(qū)域為紅色。（2）測試儀器：水平尺、直尺、秒表。（3）誤差分析：燈光強弱的影響、場地的摩擦力影響。

3.2 測試方法

本系統(tǒng)通過按鍵來選擇工作模式，智能識別模塊將物品的顏色信息發(fā)送至主控單片機，經(jīng)過分析運算過后，驅(qū)動電機運動并完成相應(yīng)的搬送任務(wù)。觀察物品搬送的位置與時間，分析實踐結(jié)果。

3.3 測試數(shù)據(jù)

（1）從A區(qū)域搬送12只黑色正方體（位置隨機）到B區(qū)域，如圖4所示，搬送情況以及所用時間情況如表1所示。

表1 搬送黑色正方體所花的時間與搬送情況

圖4 從A區(qū)域搬送12只黑色正方體

（2）從A區(qū)域搬送12只黑色正方體（位置隨機）到C區(qū)域的搬送情況以及所用時間情況如表2所示。

表2 搬送黑色正方體所花的時間與搬送情況

（3）從A區(qū)域12只橘黃色與黑色正方體（位置隨機）中搬送橘黃色正方體（位置隨機）到達(dá)C區(qū)域所花的時間以及搬送情況如表3所示。

表3 搬送橘黃色正方體所花的時間及搬送情況

（4）從A區(qū)域12只橘黃色與黑色乒乓球（位置隨機）中搬送橘黃色乒乓球（位置隨機）到達(dá)C區(qū)域所花的時間以及搬送情況如表4所示。

表4 搬送橘黃色乒乓球所花的時間及搬送情況

3.4 測試數(shù)據(jù)結(jié)果

本系統(tǒng)可以在規(guī)定區(qū)域內(nèi)利用較短時間完成物品的識別、分揀和搬運。實踐驗證了智能分揀搬送系統(tǒng)的效率性、精準(zhǔn)性、實用性等優(yōu)點，應(yīng)用到現(xiàn)代電子物流領(lǐng)域，可大大節(jié)省人力資源，并實時監(jiān)控分揀區(qū)情況，后續(xù)完善現(xiàn)代化信息系統(tǒng)，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)管理。