多杈不規則形狀部件的自動計數系統研究

廖幫全　白家偉

摘? 要：構建了一種利用紅外光發射器、紅外光接收器、單穩態電路、單片機、顯示系統以及相應軟件組成的多杈不規則部件自動計數系統。此系統具有體積小、反應靈敏、計數準確等優點。

關鍵詞：自動計數;多杈;不規則;部件

中圖分類號：TP39 文獻標志碼：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

制造類企業對于自己每天甚至每個時段的實際生產數量需要有效掌控。針對不同的計數對象，目前已開發出多種不同的比較成熟的自動計數系統。比如，對無杈形狀的部件，可以用攝像頭拍照獲取圖像，再應用MATLAB等分析軟件進行分析處理，從而實現部件的自動計數[1～2]。可以用光電傳感器和PLC結合，由光電傳感器將非電學量信號轉換為電學量信號，并進一步轉換成標準信號傳送到PLC;主控設備PLC根據設計的程序，進行各種數據的處理，并將數據送上位機顯示和處理，且能夠接收上位機設定的參數進行相應的調整，從而實現部件的自動計數[3-4]。也可以利用可檢測金屬物體的渦流式接近開關，先讓接近開關的振蕩器產生一個變交磁場，當被測金屬部件通過傳動帶經過接近開關，若金屬部件進入接近式開關的感應范圍時，在金屬部件的金屬內產生渦流，從而導致振蕩衰減以至停振，利用該傳感信號的變化實現自動計數[5]。還可以在單片機基礎上實現自動計數[6-10]。

但是，對于多杈不規則形狀的部件，使用常規的自動計數方法來進行自動計數時很可能發生較大的偏差，甚至發生計數失敗，從而出現自動計數系統失效。比如，某個多杈不規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，如果采用常規的規則部件的計數方法，由于部件本身擺放是隨機的，當不同部位被自動計數系統探測到時得到的計數結果是不同的。舉例來說，當常規自動計數系統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，對于多杈不規則部件的計數，有必要專門進行深入的研究。

1 硬件系統設計

對多杈不規則部件的計數，可以由電路系統、光路和軟件三部分構成。其中電路系統和光路的構成如圖1所示。當有部件經過光電轉換系統上方時，部件將紅外光發射器發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的電信號;與沒有部件經過時紅外光接收器輸出的電信號相比，有部件經過時輸出的電信號相當于一個脈沖信號。此脈沖信號經過單穩態電路調整，可以形成一個負脈沖信號，并可以通過引腳傳遞給單片機進行分析和處理，單片機內部程序對該引腳高低電平的變化進行判斷，并給單片機內部的計數器加1，然后將計數器的數值轉化為字符串，傳遞給顯示系統，就可以顯示出當前的計數值。當下一個部件經過時，整個系統重復上面的處理過程，如此循環往復，從而可實現對多個部件的計數、顯示。

當部件為多杈形狀時，同一個部件經過光電轉換系統時，有杈的部位能反射紅外光，無杈的部位不能反射紅外光，計數系統可能會根據接收到的反射回來的紅外光的次數將同一個部件誤計為多個部件。為解決此問題，需要在軟件上進行處理，將一定時間內反射回來的紅外光導致的電信號統一當成初始時刻的電信號，從而實現對多杈部件計數的單一化處理。

1.1 電路系統

電路系統由光電轉換系統、單穩態電路、信號處理系統和顯示系統組成。光電轉換系統包括紅外光發射器、紅外光接收器;紅外光發射器用于發射紅外光，作為照射待計數部件的光源;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。單穩態電路在紅外光接收器輸出的電信號觸發下，電路從穩態翻轉到暫態，持續一小段時間后又返回到穩態。信號處理系統用于將單穩態電路輸出的電平信號變化次數進行處理，根據一定時間內電平信號的變化次數在內部計數器上增加一定的次數，然后將總的計數值轉化為字符串，傳送給顯示系統;信號處理系統由單片機和軟件組成。顯示系統用于實時顯示信號處理系統傳送的計數值。

我們實際采用的單穩態電路是555單穩態電路，單片機采用的是STC89C52單片機，顯示系統采用的是LCD1602。

1.2 光路構成

光路構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，即當待計數部件出現時將紅外光發射器發出的紅外光反射到紅外光接收器上;待計數部件不出現時紅外光發射器發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，待計數部件不出現時紅外光發射器發出的紅外光直接照射到紅外光接收器上，當待計數部件出現時將紅外光發射器發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，當待計數部件不出現時和出現時紅外光接收器接收到的光是不同的，從而導致其輸出的電信號也是不同的，根據對輸出的電信號的分析可以逆向推斷出待計數部件是否出現了，并在此基礎上實現計數。

在紅外光發射器前端設置限光筒是為了將紅外光限定在一定區域，確保紅外光能量比較集中;在紅外光接收器前端設置限光筒是為了限定進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實際需要進行調節。

對于反射式光路或遮擋式光路的選擇，其依據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，將會使光電發射器和接收器之間的距離較大，整個光電系統顯得較為臃腫，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，如果部件移動方向為豎直方向，采用遮擋式較為合適;如果部件移動方向為水平方向，采用反射式較為合適。

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

2 軟件系統

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

對于多杈不規則形狀的部件，由于1個部件的多個分杈都可能反射光，將直接導致光電接收器會輸出多個變化的電信號，后續處理結果會得到分杈數對應數量的增加，但實際上此時部件只有1個。為解決此問題，我們在軟件中設置一個時間延遲，即當某個因素導致光電接收器輸出的電信號發生變化時，在此延遲時間內再發生的電信號的變化不再進行計數。這樣確保了該部件的某個分杈導致電信號發生變化后，后續的其它分杈引起的電信號的變化不被計數，從而確保此部件通過時計數器只顯示增加1。當然，此延遲時間可以根據部件的尺寸、移動快慢、移動間隔大小進行調節，達到適應不同使用場合的目的。在我們搭建的系統中，我們設置延遲時間為1秒。程序示例如圖2所示。

3 實驗結果與討論

在搭建并調試好多杈不規則部件計數系統后，我們用5種不同的多杈的不規則部件對系統進行了測試，部件以不同的姿態、不同的方向、不同的軌跡在計數系統的光電轉換系統上方通過，測試結果如表1所示。

從測試結果來看，總體上誤差小于1%。出現計數偏差的原因是多杈不規則部件以較慢的速度通過計數系統時，系統會產生2次觸發，從而計為2個部件;解決方案為，在程序上對靈敏度參數進行調節，針對部件不同的通過速度設置相應的靈敏度。

4 結束語

本文構建了一種利用紅外光發射器、紅外光接收器、單穩態電路、單片機、顯示系統，并配以軟件支撐的反射式多杈不規則部件自動計數系統。實驗表明，不同的多杈不規則部件以不同速度、不同姿態、不同方向、不同軌跡經過計數系統時，計數誤差小于1%。通過調節靈敏度參數，可進一步減小計數誤差。此系統可以在多杈不規則部件計數時采用。

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