基于STC89C52單片機(jī)的小球自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

杜娟

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 酒泉 735000）摘要：小球自動(dòng)分揀控制在人們的生產(chǎn)生活中具有重要意義。目前，應(yīng)用較多的方式是通過(guò)PLC、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械臂、限位開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)等器件實(shí)現(xiàn)小球的自動(dòng)分揀。這種控制方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)分揀小球的速度較慢，操作很不方便，系統(tǒng)制造成本高?？紤]到系統(tǒng)的通用性和成本問(wèn)題，此類系統(tǒng)的推廣非常受限；在出現(xiàn)故障時(shí)，檢修也很不方便。對(duì)此，文章基于STC89C52單片機(jī)的小球自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，探究一種智能化程度高、操作靈活方便、性能安全可靠的小球自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：STC89C52單片機(jī)；顏色檢測(cè)；測(cè)距；控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP311.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言傳統(tǒng)的小球自動(dòng)分揀系統(tǒng)，一般通過(guò)PLC控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的向上、向下、向左、向右四個(gè)方向的運(yùn)行控制，完成機(jī)械臂從控制系統(tǒng)的原點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)行，移位到物體的上方，然后，進(jìn)行機(jī)械臂的向下運(yùn)行、到位判定、小球的抓取、機(jī)械臂的向上運(yùn)行、機(jī)械臂特定方向的平移、下放小球、機(jī)械臂的復(fù)位等一系列的操作［1］。這種電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，其系統(tǒng)成本較高，功能較為單一，每次操作時(shí)間較長(zhǎng)。考慮系統(tǒng)的成本、功能、效率等因素，筆者研究了一種以STC89C52單片機(jī)為控制核心的小球自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)，通過(guò)超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)小球大小的測(cè)量，通過(guò)顏色傳感器實(shí)現(xiàn)小球顏色的辨識(shí)，通過(guò)舵機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配合實(shí)現(xiàn)小球的定向運(yùn)輸，通過(guò)人機(jī)交互界面讀取小球的直徑、顏色等參數(shù)，為相關(guān)人員做好小球分揀監(jiān)測(cè)提供便利。本文設(shè)計(jì)的小球自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)具有智能化、集成度高、操作方便、性能安全等優(yōu)點(diǎn)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和原理分析基于STC89C52單片機(jī)的小球自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

此控制系統(tǒng)不再采用PLC作為系統(tǒng)的控制核心，而是將STC89C52單片機(jī)作為本系統(tǒng)的核心控制器件，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)小球自動(dòng)分揀。

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、按鍵電路、聲光提示電路、LCD顯示電路、超聲波測(cè)距模塊、顏色檢測(cè)模塊［2］、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等。

在該控制系統(tǒng)的電路中，時(shí)鐘電路用來(lái)產(chǎn)生STC89C52工作時(shí)所必需的時(shí)鐘信號(hào)。STC89C52單片機(jī)的內(nèi)部電路在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，嚴(yán)格按照時(shí)序執(zhí)行指令，使單片機(jī)能夠準(zhǔn)確有序的工作。復(fù)位電路可以使單片機(jī)完成系統(tǒng)初始化操作。當(dāng)程序出現(xiàn)錯(cuò)誤或者系統(tǒng)出現(xiàn)操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于鎖死狀態(tài)無(wú)法跳出時(shí)，該系統(tǒng)能使單片機(jī)跳出“跑飛”或“鎖死”狀態(tài)而重新啟動(dòng)。按鍵電路有兩個(gè)功能：第一個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)小球自動(dòng)分揀系統(tǒng)的檢測(cè)啟動(dòng)控制；第二個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)升降臺(tái)的上下移動(dòng)控制。聲光提示電路則是通過(guò)控制蜂鳴器、發(fā)光二極管，提示電機(jī)運(yùn)行的各種狀態(tài)。LCD顯示電路能夠?qū)崟r(shí)顯示小球的直徑和顏色及系統(tǒng)的其他狀態(tài)參數(shù)。超聲波測(cè)距模塊安裝在一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制的升降臺(tái)上，通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，進(jìn)而控制升降臺(tái)的運(yùn)行，從而測(cè)出小球的直徑。顏色檢測(cè)模塊則是進(jìn)行小球顏色的識(shí)別檢測(cè)，并將顏色數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)控制系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括兩部分：一部分是驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)ULN2003完成升降臺(tái)的上下移動(dòng)，升降臺(tái)帶動(dòng)超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行移動(dòng)，完成小球的直徑測(cè)定；另一部分是通過(guò)ULN2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)小球顏色的分揀控制［3］。

在該控制系統(tǒng)的電路中，單片機(jī)是控制系統(tǒng)核心，主要通過(guò)運(yùn)行載入的程序，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)的檢測(cè)與處理，對(duì)于本系統(tǒng)的控制效果起決定性作用。本研究通過(guò)單片機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)控制，完成小球的直徑、顏色等信息的采集，以數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、處理，用LCD實(shí)時(shí)顯示小球的直徑、顏色等信息，同時(shí)按照系統(tǒng)的控制流程實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制，完成小球的自動(dòng)分揀任務(wù)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)2.1傳感器選擇2.1.1顏色傳感器選擇考慮顏色傳感器的特性，本文選擇使用GY-33顏色傳感器進(jìn)行小球的顏色的識(shí)別。GY-33是一款低成本的顏色識(shí)別傳感器模塊［4］，工作電壓范圍 3～5 V，可識(shí)別7種顏色，具有功耗小、體積小、安裝方便、可掉電保存設(shè)置等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理是：照明LED光照射到被測(cè)物體后，返回光經(jīng)過(guò)濾鏡檢測(cè) RGB 的比例值，根據(jù) RGB 的比例值識(shí)別出顏色。本文采用IIC的方式讀取數(shù)據(jù)，大大節(jié)約了單片機(jī)I/O口。

2.1.2測(cè)距傳感器選擇測(cè)量小球直徑的器件很多，主要有激光測(cè)距傳感器、位移測(cè)距傳感器、超聲波測(cè)距傳感器［5］。通過(guò)讀取測(cè)距傳感器與小球的近端距離、遠(yuǎn)端距離，計(jì)算距離差值即可獲得小球的直徑。對(duì)比多種測(cè)距傳感器的特性和應(yīng)用場(chǎng)所，本文選擇HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器完成小球直徑的測(cè)量。該超聲波測(cè)距模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路，可以為系統(tǒng)提供2～400 cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高倒3 mm，滿足本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制要求。

2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)在小球自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用STC89C52單片機(jī)為核心控制芯片。該芯片能夠正常工作，則需要與時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源接口共同構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，即單片機(jī)正常工作時(shí)具備的最少器件的系統(tǒng)。其中，時(shí)鐘電路給單片機(jī)提供了穩(wěn)定可靠的時(shí)鐘信號(hào)，保證單片機(jī)穩(wěn)定正常的工作；復(fù)位電路采用了上電和按鍵復(fù)位的復(fù)位方式，保證單片機(jī)有效復(fù)位。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)程序錯(cuò)誤時(shí)，在復(fù)位電路的作用下，程序可以重新開(kāi)始運(yùn)行。根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，確定采用的單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，如圖2所示。

2.3LCD顯示模塊設(shè)計(jì)在小球分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，LCD顯示電路不僅可以顯示小球的直徑、顏色信息，還可以顯示其他信息，是小球分揀控制系統(tǒng)的重要組成部分。本文中采用的LCD顯示模塊是FYD12864-0402B［6］。該器件具有4位/8位并行、2線或4線串行等接口方式，可以滿足用戶的不同控制需求；該器件內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；該器件的顯示分辨率為128×64像素，內(nèi)置8 192個(gè)16×16點(diǎn)漢字和128個(gè)16×8 點(diǎn)ASCII字符集，可以方便地完成圖形、數(shù)字、漢字的顯示，完美地構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。將由該模塊構(gòu)成的顯示電路與同類型的其他圖形點(diǎn)陣液晶顯示電路比較可知，該器件構(gòu)成的硬件電路結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的顯示程序都更加簡(jiǎn)潔，且價(jià)格更低。本文中的FYD12864-0402B顯示模塊采用3線串口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與顯示，大大節(jié)約了單片機(jī)的端口，為系統(tǒng)功能擴(kuò)展提供了條件。本系統(tǒng)中LCD顯示電路，如圖3所示。

2.4超聲波測(cè)距模塊在小球分揀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，超聲波測(cè)距模塊是用來(lái)測(cè)量小球的直徑。本文中采用的超聲波測(cè)距模塊是HC-SR04。該測(cè)距模塊可以為系統(tǒng)提供2～400cm的非接觸式的距離感測(cè)功能，其測(cè)距精度可以達(dá)到 3 mm；該測(cè)距模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路。該測(cè)距模塊采用I/O 口 TRIG觸發(fā)測(cè)距，通過(guò)單片機(jī)的端口提供至少10 μs 的高電平信號(hào)。測(cè)距模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否之后是否有信號(hào)返回。如果檢測(cè)到信號(hào)返回，就會(huì)通過(guò) I/O口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是該超聲波從發(fā)射出去到返回的總時(shí)間。該時(shí)間由單片機(jī)檢測(cè)可得。通過(guò)測(cè)距公式，即可獲得距離值，測(cè)距公式為：測(cè)試距離=（高電平時(shí)間×聲速（340 M/s））/2。本系統(tǒng)通過(guò)兩次檢測(cè)升降臺(tái)到位情況，取兩次距離的差值，即可得到小球的直徑。本系統(tǒng)的超聲波測(cè)距模塊與單片機(jī)的接口電路，如圖4所示。超聲波的VCC引腳接5 V電源，GND引腳接地線，TRIG觸發(fā)控制信號(hào)輸入端與單片機(jī)的P2.3口相連，ECHO回響信號(hào)輸出端與單片機(jī)的P2.2口相連。如此構(gòu)成了超聲波測(cè)距電路。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在小球自動(dòng)分選控制系統(tǒng)中，硬件電路的設(shè)計(jì)提高了小球分揀的效率，軟件程序的設(shè)計(jì)也非常重要。該系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要涉及了主程序、LCD顯示子程序、顏色采集子程序、超聲波測(cè)距子程序、按鍵子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序、外中斷服務(wù)程序等。從整體上來(lái)看，系統(tǒng)主要按照顏色采集—超聲波測(cè)量小球直徑—驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的操作過(guò)程完成任務(wù)，實(shí)現(xiàn)小球的自動(dòng)分揀控制。

在主程序中，主要實(shí)現(xiàn)了開(kāi)機(jī)動(dòng)畫(huà)、系統(tǒng)初始化、調(diào)用顏色采集子程序、調(diào)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序、調(diào)用按鍵子程序。同時(shí)，在LCD液晶顯示屏上顯示出小球的相關(guān)信息。主程序流程如圖5所示。

在初始化中，主要完成單片機(jī)的系統(tǒng)初始化、定時(shí)器初始化、外中斷初始化、LCD液晶顯示器件的初始化、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)的初始化等工作。

在顏色采集子程序中，通過(guò)GY-33進(jìn)行小球顏色的檢測(cè)，將顏色的相關(guān)數(shù)據(jù)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，最終在LCD液晶顯示器上顯示。

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序中，進(jìn)行兩種功能的設(shè)計(jì)。第一種功能是通過(guò)控制超聲波測(cè)距升降臺(tái)的移動(dòng)，完成小球直徑的測(cè)量，并將小球直徑的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示到LCD液晶顯示器。第二種功能是根據(jù)不同小球的檢測(cè)結(jié)果，開(kāi)啟相應(yīng)的小球收納盒，收集相應(yīng)的小球。

在按鍵子程序中，主要完成小球自動(dòng)分揀系統(tǒng)的啟動(dòng)和升降臺(tái)的上下移動(dòng)控制。定時(shí)器中斷服務(wù)程序及外中斷服務(wù)程序，用于跳出不同情境中的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的死循環(huán)程序。

4系統(tǒng)調(diào)試本文設(shè)計(jì)的小球自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)，調(diào)試包括兩個(gè)部分。

4.1仿真調(diào)試

選擇使用PROTEUS仿真軟件來(lái)進(jìn)行調(diào)試，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否符合要求。該仿真軟件可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的單片機(jī)控制系統(tǒng)的模擬仿真，也可以進(jìn)行復(fù)雜控制系統(tǒng)的模擬仿真。在該軟件中完成了該系統(tǒng)的仿真調(diào)試，確認(rèn)各個(gè)模塊工作正常，即確認(rèn)各個(gè)相關(guān)的硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)正確。

4.2實(shí)物調(diào)試

通過(guò)搭建電路，載入程序，在實(shí)際控制系統(tǒng)中檢測(cè)系統(tǒng)功能。在實(shí)物調(diào)試中，出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：一是步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)升降臺(tái)上升后無(wú)法停機(jī)。采用外部中斷信號(hào)，處理外部中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)升降臺(tái)上升后準(zhǔn)確停機(jī)。二是開(kāi)啟相應(yīng)的小球收納盒的電機(jī)不能正常工作。采用ULN2003完成本系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制步進(jìn)電機(jī)開(kāi)啟相應(yīng)的小球收納盒。

5結(jié)語(yǔ)基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)小球自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)，對(duì)于改變傳統(tǒng)的小球分揀系統(tǒng)的控制提供了理論支持。該系統(tǒng)成本更低、精準(zhǔn)度更高、速度更快。對(duì)此，本文研究一種以STC89C52單片機(jī)為控制核心的小球自動(dòng)分揀控制系統(tǒng)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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（編輯 姚鑫）

Design and application of ball automatic sorting control system based on

STC89C52 microcontrollerDu? Juan

（Jiuquan Vocational and Technical College， Jiuquan 735000， China）Abstract： The application of small ball automatic sorting control in peoples production and life is of great significance. At present， the most widely used way is to realize the automatic sorting of small balls through PLC， motor， mechanical arm， limit switch， proximity switch and other devices. The system designed by this control method has slow sorting speed， inconvenient operation and high manufacturing cost. Considering the universality and cost of the system， the promotion of this kind of system is very limited. In addition， in case of failure， the maintenance is very inconvenient. Therefore， this paper studies the design scheme of small ball automatic sorting control system based on STC89C52 single chip microcomputer， and explores a design scheme of small ball automatic sorting control system with high intelligence， flexible and convenient operation， safe and reliable performance.

Key words： STC89C52 single chip microcomputer; color detection; ranging; control; system design