基于STM32的自動分揀系統設計

臨沂大學自動化與電氣工程學院 龐道恒 王春梅 馮 洋 封 南 于昊田 馬汝強

自動化分揀系統能夠準確地將貨物識別并將其放置到準確位置是重要的一環，利用STM32單片機原理設計并制作了一個的自動分揀系統，以32單片機作為控制核心，通過程序控制機械臂在規定范圍內將目標物體搬運至指定位置并將其平穩準確地放置在各種不同高度的架子上。控制系統通過選擇基礎單元元件來完成系統程序的初始化，機械關節的轉動、自動檢修和排除故障等，出色地完成操作人員指定任務要求，大大的提高了工作效率。

1 自動分揀系統的總體設計

自動分揀機械臂操作系統由控制單位、識別單元及自動分揀單元組成。其核心裝置首先對物體進行識別，并向接收單元發出信號，接下來機械臂控制系統將根據內部程序對不同的信號進行自動識別分類。

這些信號可以通過多種多樣的方式進行，比如條形碼等等，還包括語音識別等方式，控制系統通過對輸入信號進行判斷，來決定某一種貨物的不同處理方式。自動分類系統可以對控制中心發出的指令進行不同限制，當擁有規定信號的貨物經過該裝置時進行檢測時，系統開始工作。自動分揀道口可以將已經分揀出的貨物送入集裝區域，在這之后工作人員會將該道口的貨物集中入庫進行儲存，之后組配裝車并進行配送作業。

2 系統設計

2.1 自動分揀系統的硬件設計

在硬件系統中，由于采用了模塊化的思路，將整個電路分為了各自不同功能的設計模塊，其中包括中央處理器采用STM32單片機做為控制模塊核心，顯示模塊單元采用LCD型號的液晶顯示屏，驅動部分則是使用了步進電機來對貨物進行運輸工作。此外還包括電源電路，晶振電路和復位電路。

2.2 自動分揀系統的特點

（1）可靠平穩的運輸處理。輸送帶的運輸的速度是完全受到程序控制。所以貨物不會在運輸過程中改變原有既定的方向和位置，也不會因為不會傳輸帶加速或減速的時候發生損壞。

（2）分揀系統是由直線電機驅動無刷直流電機進行控制，這使整個驅動系統中極大程度地消除了機械之間的摩擦接觸，并且在主控系統與單元之間的數據交換中采用了紅外通訊，都使得整個系統易維護性和可靠性極高。

（3）系統設計具有靈活性。因為系統是由設定好的不同模塊組成，使得其能夠大幅度簡化安裝。此類系統十分適合于不同樓層和較低高度建筑，這極大地節省了時間和空間，更好地適應工作場地。

2.3 自動分揀系統的功能

（1）分揀處理過程無貨物損害現象。系統裝置可以使貨物的運輸過程中運行平穩，避免出現因高度落差帶來的磨損情況。

（2）效率高，噪音低。得益于其自身結構的設計，使其能夠達到了工作過程中保持高效率以及低噪音，且可以連續幾個小時內集中處理極多物品，大幅度提升工作效率。

（3）該設備在自身的基礎上，還加上了了相應的網絡技術，能夠與5G技術相互配合，將物品的相關信息進行聯網處理，并將成為信息網和實物網相結合的重要部分。

（4）自動化程度高。系統能夠自動對不同物品的不同的分揀處理，例如易碎物品，系統將自動對其進行慢速謹慎處理。這表明其能夠在不同環境，不同情況中保持其對于精確的位置方向的貨物的處理能力，并能對物品尺寸變化的情況作出相應判定。

2.4 主控芯片

系統主控芯片是中央控制系統的主要信息處理單位，是控制系統的核心。系統主控芯片采用STM32F103單片機作為系統主控制器，優點在于調試起來比較方便，帶有豐富功能，價格較便宜等，更加貼合項目的制作。

2.5 控制系統的組成結構

系統的控制系統部分一般以各部分協同工作來完成任務，還包括了相應系統的硬件部分和控制軟件部分，來完成對系統的操作。機械臂控制部分是由具有不同結構，不同功能的裝置組成，通過其內部傳感器來采集數據對自身和外界構建聯系。機械手系統所處在的環境，并能夠將它們存儲存在控制機中，主控制器相當于機械手的頭腦，以運行程序的方式去完成給定的任務。

控制系統包括了感知部分，控制部分，驅動部分三部分。感知部分是負責收集內部和外部的信息，通過位置的移動來感知裝置的狀態，此外還可以通過openmv等傳感器來感知工作環境的外部情況。控制裝置處理信息，對于不同的情況來發出不同命令，驅動部分的各關節可以選用氣壓驅動，液壓驅動和電氣驅動等方式進行運作來使其完成操作。

驅動部分包括步進電機和機械手。為了使四相步進電機的工作方式步距角小，輸出更平滑，所以采用八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA）工作方式。需要去控制核心單片機的IO口來使得芯片能按照順序輸出的低電平即可完成對步進電機轉動的一次循環進行工作，而只需要把上面的順序反過來操作，即可按照相反的方向進行轉動，頂端平面固定的機械臂由單片機控制旋轉角度，對貨物拿起和放置到指定位置。

系統感應部分包括有定向壓力傳感器和溫濕度傳感器兩部分。系統采用了壓電型電阻傳感器，傳感器是結合了微電機設計技術，能夠為模擬輸出信號提供出一個均勻恒定定向壓力。

顯示部分采用的是LCD顯示屏，不會出現任何的幾何失真或線性失真且不會出現色彩失真，面積較大，擁有著高質量的畫質，而且顯示器的質量輕，厚度薄，因此移動方便，LCD脈沖圖如圖1所示。

圖1 LCD脈沖圖

2.6 自動分揀系統的軟件設計

本系統除了有STM32單片機作為控制電路核心以外，還包括有壓力傳感器和溫濕度傳感器對數據進行收集，主控部分配合已收集距離數據計算目標尺寸大小并確定模塊位置三部分組成。頂端平面固定的機械臂由單片機控制旋轉角度，結合算法進行計算和定位，由LCD模塊顯示目標數據。一鍵矯正機械手的抓放工件的位置、點動調試機械爪的位置、傳輸帶的速度調試等。在按下啟動鍵之后，傳輸帶啟動，傳輸工件至檢測部分，進行重量與體積識別，并且將工件信息上傳至主控制器。主控制器發送指令給軸直角坐標系對工件進行抓取，并將工件放入立體倉庫中，如圖2所示。

圖2 系統框架圖

3 整體調試

本自動分揀系統最關鍵的部分是機器視覺檢測，在整個系統運行的過程中識別條形碼或二維碼的信息從而能夠連續、大批量的對物體進行分揀。系統的誤差率取決于所輸入信息的準確性，如果條形碼出現錯誤，則系統識別也將相應地發生錯誤。所以仍需要相應的操作人員參與其中，因此分揀系統在除特殊情況下，基本能夠實現自動化無人化。

結論：機械臂自動分揀系統的出現極大地解放人的雙手，機械裝置能夠替代人員去從事與危險的惡劣環境，以及絕大部分繁重，重復性勞動，在保證貨物質量的情況下，大幅度提高工作效率。

隨著現代科學技術日新月異的發展和在相關技術應用在實際生產過程中得到的實踐，機械臂操作系統技術方面的研究也得到了不斷的創新，并將為社會創造巨大的財富。