馬賽克自動鋪貼機的控制電路設計及實現

蔡晨暉　王興波

摘 要：馬賽克自動鋪貼機的關鍵技術之一，就是對馬賽克顆粒的識別與分離，涉及到顏色識別、光學測距、機電器件控制等技術問題。本文基于一種馬賽克自動鋪貼機的需求及其機械設計，設計了所需顆粒分離與控制的電路系統，包括顏色分選與控制電路、電源輸入電路、顏色傳感器電路、繼電器工作電路、復位電路等電路。所設計的系統可實現基于顏色識別的馬賽克分離與控制，達到了預期效果。

關鍵字：馬賽克；鋪貼；自動化；控制電路

1 引言

馬賽克自動鋪貼機是建材機械設計制造領域持續關注的課題[1]。早在上個世紀80年代末，國內就開展了馬賽克鋪貼器的研究。1988年陳剛昌發明了一種馬賽克鋪貼器的專利技術[2]；1993年韓起文發明了玻璃馬賽克雙向快速鋪擺機[3]；1995年廣東新會玻璃廠與五邑大學合作開展了馬賽克自動鋪貼生產線的研究[4]；2006年霍賴河發明了一種馬賽克自動分選鋪貼機[5]；2007年陳順利、郭安華發明了馬賽克自動鋪磚機[6]；2008年郭安華、陳順利發明了馬賽克瓷磚全自動收磚鋪貼線[7]；同年潘燦強、 朱康盛也設計出了一種全自動鋪貼系統及其自動識別反向裝置[8]。2010年陳耀灶設計了一種馬賽克鋪貼設備[9]。盡管這些研究涉及到馬賽克自動鋪貼的多種技術，但至今未見國產成熟產品與技術報道。

在廣東省產學研重大課題的支持下，筆者所在的團隊從2012年就開始了馬賽克自動鋪貼機的研究與開發[10-14]。文獻[10]給出了一種自動鋪貼機的設計思想及其機械設計。本文基于相應的設計思想給出了所需控制電路的設計。

2 系統的總體設計及工作原理

馬賽克自動鋪貼機包括機械部分與電路部分。相關的機械部分的設計及其工作原理已在文獻[10]中給出，這里不再贅述。本文敘述相關電路控制部分設計思想及實現方法。

2.1 設計思想

根據文獻[10]的機械設計原理，電控系統應該實現以下功能及控制。

（1）顏色傳感器對顆粒顏色信息的獲取及向控制單元的傳遞；

（2）控制單元對繼電器的控制以及繼電器對一級、二級機械閥門的開、關控制；

（3）適配顆粒的選擇及不適配顆粒的分離。

基于以上功能需求，結合機械部分已經設計的可開閉機械閥（以下簡稱閥門），考慮到成本以及控制精度諸方面的因素，電控系統采用AT89S52單片機為控制單元，選用TCS230顏色傳感器、DS2Y-S-DC5V繼電器以及推拉式電磁鐵為主要器件進行設計。本系統主要基于顏色識別，通過單片機進行數據處理，控制繼電器控制電磁閥，最終實現對顆粒滑道上可開閉機械閥的開閉控制。系統的總體組成示意圖如圖1所示。

基于上述系統組成，系統的顏色分選與控制電路作業流程如圖2所示。

2.2 系統的具體設計

根據系統的作業流程，本文設計了顏色分選與控制電路。為了使電路圖清晰明朗，電路圖只提供分選與控制部分，如圖3所示。其工作原理為：使用DC電源插座或者USB母座提供外部電源，為顏色分選與控制電路提供

+5 V的直流電壓。通過下載接線口，將已經編譯好的程序代碼下載到AT89S52單片機中。該程序的主要功能是將預設顏色與顏色傳感器檢測到的顏色進行對比，從而控制電磁鐵來控制閥門開閉。如果對比的顏色不一致，單片機的P3口將置高電平，繼電器12閉合，電磁鐵拉回推桿使閥門打開，舍棄顆粒；若顏色一致則單片機的P3置低電平，繼電器13閉合，電磁鐵推開推桿使閥門關閉，讓顆粒通過下一級。

3 系統關鍵技術實現

根據上述系統的總體設計可知，系統所涉及到的關鍵技術有：1）傳感器與單片機的關鍵接口；2）單片機與電磁鐵的接口。

3.1 傳感器與單片機的關鍵接口技術

本設計所使用的顏色傳感器為TCS230顏色傳感器。根據其技術手冊[15]可知，S2和S3口用來檢測顆粒的顏色，OUT則將檢測到的顏色發送到單片機中，與預設顏色進行對比，其電路圖如圖4所示。為了使顏色傳感器正常工作，需要先對傳感器進行定時，計算器0初始化，T2串口時鐘初始化、延時以及中斷的設置。

代碼如下：

void t0_init（） /*T0初始化*/

{TMOD=0x51； TH0=0xfc； TL0=0x66；

EA=1；ET0=1；TR0=1；TR1=1；}

void Time2_init（void） /*T2串口時鐘初始化*/

{EA = 1； T2MOD = 0；T2CON = 0x10；SCON = 0x50 ；

TH2=（65536-36）/256；TL2=（65536-36）%256；RCAP2H = （65536-36）/256；

RCAP2L=（65536-36）%256；TR2=1；TI=1；}

void delayms（unsigned char ms） /*延時*/

{unsigned char i；while（ms--）{

for（i=0；i<120；i++）；}}

void c1ms_out（） interrupt 1 /*中斷*/

{TR0=0；TR1=0；disp_tc=disp_tc+1；

TH0=0xfc；TL0=0x66+TL0；TR0=1；TR1=1； }

TCS230顏色傳感器能夠識別一個連續光譜帶的RGB顏色并且非常敏感。為此，筆者在程序中對顏色做了一個近似化處理。基本思路如下：將顏色按照常見工業產品色調的基準分類為32種顏色，利用HSV與RGB轉換的模型，將RGB顏色轉換成HSV模型。這樣可以避免傳感器過于敏感而導致識別的失誤。此工作需要在T2串口時鐘初始化時進行初始化處理（見前述函數time2_init（）相關的語句）。限于篇幅，筆者將在另文給出具體實現過程，這里不贅述。

3.2 單片機與電磁鐵的接口技術

電磁鐵與繼電器連接，是用來控制機械閥門分揀馬賽克顆粒的。系統設計單片機的P3口控制電磁鐵執行操作。當上述檢測到的顏色與預設顏色一致時，單片機將P3口置高電平，驅使繼電器13閉合，使電磁鐵推開推桿，關閉閥門，讓符合要求的顆粒通過下一級；否則繼電器12閉合，舍棄不合要求的顆粒。其設計的電磁鐵工作電路圖如圖5所示。

4 系統實現及效果

經過大量實驗和測試，經PCB制版并燒制程序，實現了系統硬件系統的制作。圖6為系統硬件的照片，該系統配置在馬賽克自動鋪貼機上，達到了預期效果。

5 結論與展望

馬賽克自動鋪貼一直是我國馬賽克生產自動化的一個瓶頸。經過幾年研究和實驗，多色復雜圖案的馬賽克自動鋪貼系統基本完成。電控部分是智能制造的核心技術之一，該領域的諸多研究仍處在探索階段，本文所給出的僅僅是筆者的一個探討和實踐嘗試。筆者希望本文能夠拋磚引玉，給廣大設計者以參考，帶來更多有價值的成果。

參考文獻

[1] 中國馬賽克網.馬賽克全自動排版機問世，各企業反應有冷熱[EB/OL]：http：//www.51mosaic.com/news/201105/15/news1942.html. [2] 陳昌剛.馬賽克鋪貼器[P].中國：CN89218998.3，1988.

[3] 韓起文.玻璃馬賽克雙向快速鋪擺機[P].中華人民共和國專利， CN93228971.1，1993.

[4] 杜遙雪，陳啟瑞.玻璃馬賽克自動鋪貼生產線的設計與研究[J].機械設計，1997，06：38～29.

[5] 霍賴河. 馬賽克自動分選鋪貼機[P].中國：CN200620053631.0，2006.

[6] 陳順利，郭安華.馬賽克瓷磚全自動收磚鋪貼線[P].中國：CN200720060684.X，2007.

[7] 郭安華，陳順利.馬賽克自動鋪磚機[P].中國：CN200820189506.1，2008.

[8] 潘燦強，朱康盛.一種全自動鋪貼系統及其自動識別反向裝置[P].中國：CN200810132608.4， 2008.

[9] 陳耀灶.馬賽克鋪貼設備[P].中國：201020100940.5， 2010.

[10] WANG Xing-bo，LUO Qi-rong，YE He.Design of Automatic Ma chine for Paving Mosaic Patterns[C].In proceeding of 2015 International Conference on Mechanics and Mechanical Engineering， Chengdu， Dec.， 2015.

[11] 王興波.一種類磚物體的自動翻面裝置[P].中國：ZL201120045354.X，2011

[12] 王興波，范彥斌.一種馬賽克圖案的自動鋪貼裝置[P].中國：ZL201210032474.5，2012.

[13] 王興波.一種馬賽克鋪貼檢測裝置[P].中國：ZL201320581624.8，2013.

[14] 王興波.一種馬賽克紙貼的自動敷貼裝置[P].中國：ZL201420861693.9，2014.

[15] 美國TAOS公司. TCS230顏色傳感器使用手冊[M]，2003.