基于單片機的工業(yè)廢料分揀系統(tǒng)研究

張迎春，王彩鳳，田慶敏，李 宇

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學院 江蘇 鎮(zhèn)江 212134）

1 引言

工業(yè)廢料的形態(tài)一般有3種：氣體、液體和固體。氣體、液體廢料需要采用特殊的氣體、液體回收設(shè)備進行回收和分隔，且循環(huán)利用率較低。固體廢料在循環(huán)利用率上更高，且可以采用智能化的機械手分揀系統(tǒng)進行自動分揀，并分揀出直接回收廢料、需處理回收廢料和不可回收廢料，從而便于資源的再次整合[1]。

2 工業(yè)廢料分揀系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計的方案是基于AT89S52單片機來使工業(yè)廢料分揀系統(tǒng)，具有分揀、查詢、自檢及報警等一系列功能。整個系統(tǒng)由機械手、傳送裝置、按鍵控制裝置以及顯示裝置構(gòu)成，而現(xiàn)有的教學設(shè)備YL-236單片機安裝與調(diào)試實訓裝置含有系統(tǒng)功能實現(xiàn)所需要的模塊，可以利用這些模塊組成模擬系統(tǒng)。

充分利用YL-236單片機安裝與調(diào)試實訓裝置來完成系統(tǒng)設(shè)計，不但可服務(wù)教學，更可以應用到實際的生產(chǎn)實踐中。

3 控制系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)控制器采用AT89S52單片機。單片機安裝與調(diào)試YL-236實訓設(shè)備和智能物料搬運設(shè)備YL-G001作為硬件系統(tǒng)；設(shè)計總體方案進行設(shè)計，充分考慮了系統(tǒng)的硬件及軟件，系統(tǒng)的軟件采用C語言進行編程[2]。

根據(jù)工業(yè)廢料分揀控制系統(tǒng)的功能要求，總體系統(tǒng)設(shè)計框見圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖

在本系統(tǒng)中，由于傳感部件和控制部件接口數(shù)超過單片機的I/O口數(shù)，在硬件電路設(shè)計中加入了8255對I/O進行擴展。由于傳送帶電機和智能物料搬運裝置電壓（24 V）不同于單片機電壓（5 V），所以采用光電隔離耦合器進行電壓轉(zhuǎn)換，使得單片機識別上述裝置傳送來的傳感信號，并通過控制繼電器線圈電流的通斷實現(xiàn)上述裝置的動作。放料閘門電機采用步進電機精確控制閘門的開合。本系統(tǒng)采用步進電機驅(qū)動器實現(xiàn)對步進電機的控制。

4 工業(yè)廢料分揀系統(tǒng)的硬件設(shè)計

單片機安裝與調(diào)試實訓裝置和智能物料搬運裝置作為工業(yè)廢料分揀控制系統(tǒng)的硬件部分，來模擬實現(xiàn)系統(tǒng)的運行結(jié)果。整個控制系統(tǒng)共11個子模塊：電源模塊、并行口擴展模塊、智能搬運模塊、傳感器模塊、顯示模塊、直流電機控制模塊、仿真器模塊、主機模塊、繼電器模塊及步進電機控制模塊。

5 工業(yè)廢料分揀系統(tǒng)的軟件設(shè)計

5.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)的靈魂是程序設(shè)計部分，在進行軟件設(shè)計時，應該遵照下面的幾個原則來執(zhí)行：（1）對系統(tǒng)的資源進行合理利用與優(yōu)化；（2）盡量使用模塊化的方式，這樣能更好地進行修改、連接以及調(diào)試工作；（3）將軟件的抗干擾能力進行提升。

5.2 各模塊程序設(shè)計

5.2.1 矩陣鍵盤掃描模塊程序

行列式鍵盤掃描用到了4×4鍵盤中的16個按鍵，其功能為：數(shù)字鍵0-9，用于數(shù)字輸入。如果當前為識別狀態(tài)時，數(shù)字輸入為物料的顏色；當前為查詢狀態(tài)時，數(shù)字輸入為查詢密碼。

5.2.2 TG12864液晶顯示模塊程序

系統(tǒng)選用TG12864液晶對系統(tǒng)的各個狀態(tài)進行實時顯示，共有10個狀態(tài)顯示界面。

5.2.3 廢料識別和分揀控制模塊程序

對工業(yè)廢料的檢測識別和排序分揀是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。在本系統(tǒng)中采用白色、黃色和黑色3種顏色的高爾夫球，分別代表不可回收、需處理回收、直接回收3種不同類型的工業(yè)廢料，要對這3種廢料進行分揀，首先必須對其進行檢測，識別出不同的廢料。

若系統(tǒng)處于手動識別模式，由鍵盤手動輸入目前廢料的位置序列，輸入的次序為工位三、工位二、工位一對應廢料的數(shù)字代碼，并按“確認”鍵實現(xiàn)輸入。

對這3種廢料的自動識別，則帶有光纖傳感器的手爪依次到達廢料所在工位，對廢料進行識別。根據(jù)其不同顏色的不同反光程度，采用安裝在手爪上的光纖傳感器和手爪夾緊、放松配合分辨，調(diào)節(jié)光纖傳感器的靈敏度使得當手爪松開時能檢測到物料，表明此物料為白色；否則當手爪夾緊時能檢測到物料，表明此物料為黃色；否則為黑色[3]。識別出廢料后，就要根據(jù)其位置進行排序分揀。

5.2.4 電機控制模塊程序

電機控制包括機械手控制、直流電機控制和步進電機控制。機械手的動作和直流電機的控制都是通過繼電器完成控制，所以將機械手動作和直流電機控制放在一個子程序里。

5.2.5 中斷模塊程序

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，中斷系統(tǒng)采用定時0和定時器1來完成。定時器0主要用來進行按鍵掃描和機械手運行的時間控制。為了防止程序在運行過程中“跑飛”，在定時器0中斷子程序中加入“看門狗”，對程序進行監(jiān)控。定時器1主要用來進行步進電機的脈寬控制。

5.2.6 查詢模塊程序

為提高系統(tǒng)可監(jiān)控性，在系統(tǒng)停止狀態(tài)下，向用戶提供查詢功能。查詢密碼為987654，當用戶輸入數(shù)字時，界面實時顯示“*”，6個數(shù)字輸入完成，按下“確認”鍵完成密碼輸入。若密碼輸入正確，則系統(tǒng)顯示回收廢料組數(shù)；否則系統(tǒng)回到停止狀態(tài)。

5.2.7 報警模塊程序

為了提高可靠性，加入了報警功能對用戶進行反饋。在整個系統(tǒng)運行過程中，進料后和放料后都需要對有無料進行檢測監(jiān)控。在一、二工位的下面裝有光電傳感器，對工位廢料有無進行檢測。在進料后，如果工位上還沒有廢料，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障需要進行報警；否則解除報警。在放料后，如果工位上還有廢料，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障需要進行報警；否則解除報警。

6 工業(yè)廢料分揀控制系統(tǒng)模擬實驗

6.1 實驗平臺的搭建與調(diào)試

在硬件和軟件設(shè)計部分完成后，根據(jù)此系統(tǒng)的功能要求，通過單片機實訓考核裝置搭建實驗平臺進行調(diào)試和驗證。本系統(tǒng)硬件平臺實物圖見圖2。硬件平臺搭建完成后，需要對硬件進行調(diào)整，對軟件進行調(diào)試。

圖2 硬件平臺實物圖

硬件調(diào)整主要是對主機模塊、步進電機模塊及智能物料搬運裝置3個部分進行的設(shè)置調(diào)整。

（1）主機模塊中EA置位。

（2）步進電機模塊設(shè)置驅(qū)動器的細分數(shù)開關(guān)為“100”和驅(qū)動電流為1.5 A。

（3）智能物料搬運裝置傳感器靈敏度設(shè)置。

軟件調(diào)試主要為軟件平臺的搭建。首先，安裝Keil C51和MedWin軟件以及ME52HU仿真器驅(qū)動程序等。將各個子程序按照系統(tǒng)的要求在主程序中進行調(diào)用，進行調(diào)試，看各模塊功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)，最后進行所有模塊的綜合調(diào)試。

6.2 實驗結(jié)果

系統(tǒng)實現(xiàn)功能如下。

完成初始化之后，液晶顯示初始化界面保持2 s后進入自檢狀態(tài)，機械手從三工位至一工位抓球再至三工位放球時間為8.6 s，從三工位至二工位抓球再至三工位放球時間為7.6 s，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。自檢完成進入停止狀態(tài)，此時液晶顯示停止界面，等待開始信號。

按下“自動/手動”按鍵后，界面顯示“自動”。按下“開始”按鍵，液晶顯示“進料”，傳送電機轉(zhuǎn)動2 s模擬傳送過程。此時不放料，蜂鳴器開始報警，放上料之后，蜂鳴器報警解除，進料完成，液晶保持2 s，顯示“進料”后進入廢料識別狀態(tài)。

系統(tǒng)自動識別當前系列為“321”，識別完成后，識別界面等待2 s后進入分揀狀態(tài)。液晶顯示“分揀結(jié)束需要16 s”倒計時開始分揀，機械手先至二工位抓球再至三工位放球，液晶實時顯示“231”；機械手至一工位抓球再至三工位放球，液晶顯示“123”，完成分揀要求，倒計時時間為“00 s”。分揀完成后，液晶顯示“分揀完成”并保持2 s后進入放料狀態(tài)。

進入放料狀態(tài)后，液晶顯示“放料”，系統(tǒng)開啟放料閘門，閘門先以3 cm/s快速打開，后以1 cm/s慢速打開到規(guī)定位置后停止，2 s后保持廢料不放，蜂鳴器開始報警，移除廢料，蜂鳴器停止報警。放料閘門關(guān)閉。進入停止狀態(tài)，等待下一組廢料的分揀。

在停止狀態(tài)下，按下“查詢”按鍵進入查詢狀態(tài)，此時液晶顯示密碼輸入界面，正確密碼為“987654”。輸入錯誤密碼后，回到停止狀態(tài)；重新按下“查詢”按鍵，輸入正確的密碼進入查詢界面，此時液晶顯示“已分揀組數(shù)：01”。

在整個系統(tǒng)運行過程中，按下“暫停”按鍵，則所有機構(gòu)停止運行；按下“開始”按鍵后，機構(gòu)繼續(xù)運行；按下“停止”按鍵后，系統(tǒng)復位到停止狀態(tài)，顯示進入停止界面。

通過實驗，基于單片機的工業(yè)廢料分揀控制系統(tǒng)能夠按照系統(tǒng)設(shè)計要求完成廢料的分揀控制，可以應用到實際的工業(yè)自動化分揀生產(chǎn)中。

7 結(jié)語

本文對工業(yè)廢料分揀控制系統(tǒng)進行了深入分析。本工業(yè)廢料分揀控制系統(tǒng)的硬件模型選用YL-236單片機安裝與調(diào)試實訓裝置及YL-G001智能物料搬運裝置搭建。這個系統(tǒng)將氣壓傳動與控制技術(shù)以及現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合起來，有很高的穩(wěn)定性和可靠性。系統(tǒng)具備了經(jīng)濟性和良好的可移植性，僅需要對系統(tǒng)做稍微調(diào)整，就能適應于新的工作環(huán)境系統(tǒng)要求，有良好的發(fā)展前景。