基于單片機控制的質量分揀裝置設計*

楊少沛，張玲玲，楊慶華，秦 四

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

在自動化生產線的各個環節中，分揀裝置是其中的一個重要環節。最早的分揀裝置為人工分揀裝置，因勞動強度大、錯誤率高、生產效率低、工作環境惡劣等原因早被淘汰。生產效率對企業來說是一項極重要的指標，只有高的生產效率，企業才可以擁有旺盛的生命力[1]，此時自動分揀裝置便應運而生。自動分揀裝置具有多種優點，加入了閉環控制算法，是傳統的分揀裝置不能代替的，所以其應用也變得越來越廣泛。

1 總體方案設計

傳送帶上的產品有兩個質量區間：大于或小于某個設置的質量數值，即誤差在一定的范圍內才符合要求，對于橡膠廠膠條要在30 kg+5 g 這個數值范圍內。本裝置能夠檢測這兩種產品的質量，然后按照設定要求進行質量分揀，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最小系統、電源、按鍵、數據通信、傳送帶、液晶顯示屏、數碼管等組成。分揀裝置主要由直流電機、頂桿部分、物料倉、傳送帶和機械手等部分組成，其原理見圖1。

圖1 質量分揀裝置原理框圖

1.1 初始化

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

2）系統初始化設置。一是質量標準設置，根據用戶需求通過串口設置檢測質量為“xg”；二是分揀方案設置，通過串口發送格式，高于xg”的命令設置分揀方案，當被檢測物體的質量高于設定質量時，該物體會被切割刀具切割，被檢測物體的質量低于設定質量時，被測物體會通過傳送平臺。以上設置完成的方案會刷新顯示在液晶顯示屏上，以備檢查核實，也可以手動完成以上設置功能。

3）質量檢測。設置完成以后，當有橡膠膠條進入稱重系統后，系統才開始識別質量。液晶屏會顯示承重結果。同時被測物體質量信息會同步發送到串行通信接口，等待下一步指令。

1.2 系統運行

1）稱重檢測。按下開始鍵，系統先后掃描傳送帶上橡膠膠條的質量，對滿足30 kg+5 g 的膠條分揀處理至產品區，對不滿足的橡膠膠條分揀處理至次品區，回收利用。每檢測完一個橡膠膠條計算機實時刷新數據一次，并把數據存儲記錄、分析計算，回饋給截取裝置。

2）分揀過程。傳送帶需要移動到物料倉旁邊，推桿裝置開始分揀，產品區和次品區需要裝箱，每箱產品分揀完后，由機械手搬運，完成一次裝箱周期。每一個裝箱周期均在電腦屏幕上顯示當前工作狀態。

2 質量分揀系統的硬件設計

本設計主要包括主控芯片及最小系統電路，并附帶了串口通信電路和各I/O 端口外接端子，為硬件設計連接提供了便利，主控電路見圖2。

圖2 主控電路原理圖

2.1 顯示模塊簡介

2.1.1 數碼管顯示

當字型碼發送到選擇端口時，各顯示器都可接收。但哪個數碼管會發光決定于數碼管的哪個公共端與選擇端連接。

本顯示模塊晶振頻率為11.059 2 MHz，利用定時器T0 來定時掃描，每一次掃描時間控制在十幾微秒，其他部件基本無影響，同時數碼管顯示效果較穩定。

2.1.2 LCD1602 液晶顯示

LCD1602 是工業字符型LCD，可以同時顯示32 個字符，顯示原理是利用液晶的物理特性，電壓可以控制顯示區域顯示圖形，它分為字段顯示和字符顯示[2]、與傳統輸出模塊相比，LCD1602 液晶顯示器具有許多優點，例如小尺寸，低功耗和可顯示內容多。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 個漢字。

LCD1602 主要技術參數為：一是顯示容量為16×2 個字符；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 使用標準的14 針，引腳及標號見圖3，引腳及其說明見表1。

圖3 LCD1602 引腳及標號

表1 LCD1602 引腳及其說明

2.2 質量檢測程序設計

稱重傳感器實際是將質量信號轉換為可測量的電信號輸出的設備[3]。傳感器所處的工作環境對于傳感器能否正常運行以及整個系統的可靠性和安全性至關重要。常用的稱重模塊有S 型、懸臂型、輻條型、柱型等多種樣式，本設計采用柱型。

1）模塊參數：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

應變片粘附到受力敏感的壓敏彈性構件上，當彈性構件受力變形時，應變片變形并轉換成電阻變化[4]。應變片阻值電路圖見圖5。由受力大小引起的電阻變化被轉換為測量電路的電壓變化，從而獲得待測物體的質量。

圖5 應變片阻值電路圖

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+；白線為輸出信號-。

3）使用說明：輸出電壓信號，壓力越大輸出電壓信號越大；滿量程輸出電壓=激勵電壓×靈敏度1．0 mV/V；傳感器的變形非常小，在安裝和使用過程中不應過載。若外力消失后不能恢復原狀，傳感器將會發生塑性變形損壞。稱重傳感器安裝方式見圖6，稱重傳感器實物見圖7。

圖6 稱重傳感器安裝方式

圖7 稱重傳感器實物圖

3 質量分揀系統的軟件設計

3.1 軟件設計過程概述

在完成了橡膠膠條分揀裝置的硬件結構之后，橡膠廠膠條質量分揀系統的軟件模塊化程序結構為：一是系統初始化程序模塊；二是系統顯示模塊程序；三是系統主控模塊程序；四是系統中斷與串口通信模塊程序；五是系統直流電機和傳送電機模塊程序；六是系統稱重檢測模塊程序；七是系統分揀機構模塊程序。

3.2 系統程序結構

圖8 系統程序結構圖

系統程序結構見第60 頁圖8。整個橡膠膠條質量分揀裝置的軟件設計流程是：首先單獨編寫并調試每個子程序模塊，注意全局變量和局部變量的區別，在現有條件下盡量使用局部變量，以免引起相互干擾，然后根據整體系統功能要求編寫主程序并逐一調用子函數，最后形成完整的軟件系統[5]。

綜上所述，本項目研究了基于52 單片機控制的橡膠廠膠條質量分揀裝置的工作原理及軟件編寫方法和調試技巧，并且對橡膠廠的自動化生產線進行了一定的闡述，借助單片機的自動控制功能實現了膠條的質量分揀，為下一個環節機械手的應用提供了基礎，同時為上一個環節長度截取裝置的閉環控制提供了參考數據。借助于計算機強大的數據存儲和處理功能，為同類型產品的改進和新產品開發提供了可靠的參考依據。