基于单片机控制的质量分拣装置设计*

杨少沛，张玲玲，杨庆华，秦 四

（1.黄河交通学院，河南 焦作 454950；2.鲁山县张良第四小学，河南 平顶山 467300）

在自动化生产线的各个环节中，分拣装置是其中的一个重要环节。最早的分拣装置为人工分拣装置，因劳动强度大、错误率高、生产效率低、工作环境恶劣等原因早被淘汰。生产效率对企业来说是一项极重要的指标，只有高的生产效率，企业才可以拥有旺盛的生命力[1]，此时自动分拣装置便应运而生。自动分拣装置具有多种优点，加入了闭环控制算法，是传统的分拣装置不能代替的，所以其应用也变得越来越广泛。

1 总体方案设计

传送带上的产品有两个质量区间：大于或小于某个设置的质量数值，即误差在一定的范围内才符合要求，对于橡胶厂胶条要在30 kg+5 g 这个数值范围内。本装置能够检测这两种产品的质量，然后按照设定要求进行质量分拣，由称重传感和分拣装置两部分组成。称重部分主要由单片机最小系统、电源、按键、数据通信、传送带、液晶显示屏、数码管等组成。分拣装置主要由直流电机、顶杆部分、物料仓、传送带和机械手等部分组成，其原理见图1。

图1 质量分拣装置原理框图

1.1 初始化

1）上电后进行初始化，各部分初始状态要求为：一是电源指示灯亮；二是LCD 显示屏显示初始化，此接口保留时间约为2 s，然后清屏；三是数码管为全灭状态；四是上位机串口接收“系统初始化完毕”。

2）系统初始化设置。一是质量标准设置，根据用户需求通过串口设置检测质量为“xg”；二是分拣方案设置，通过串口发送格式，高于xg”的命令设置分拣方案，当被检测物体的质量高于设定质量时，该物体会被切割刀具切割，被检测物体的质量低于设定质量时，被测物体会通过传送平台。以上设置完成的方案会刷新显示在液晶显示屏上，以备检查核实，也可以手动完成以上设置功能。

3）质量检测。设置完成以后，当有橡胶胶条进入称重系统后，系统才开始识别质量。液晶屏会显示承重结果。同时被测物体质量信息会同步发送到串行通信接口，等待下一步指令。

1.2 系统运行

1）称重检测。按下开始键，系统先后扫描传送带上橡胶胶条的质量，对满足30 kg+5 g 的胶条分拣处理至产品区，对不满足的橡胶胶条分拣处理至次品区，回收利用。每检测完一个橡胶胶条计算机实时刷新数据一次，并把数据存储记录、分析计算，回馈给截取装置。

2）分拣过程。传送带需要移动到物料仓旁边，推杆装置开始分拣，产品区和次品区需要装箱，每箱产品分拣完后，由机械手搬运，完成一次装箱周期。每一个装箱周期均在电脑屏幕上显示当前工作状态。

2 质量分拣系统的硬件设计

本设计主要包括主控芯片及最小系统电路，并附带了串口通信电路和各I/O 端口外接端子，为硬件设计连接提供了便利，主控电路见图2。

图2 主控电路原理图

2.1 显示模块简介

2.1.1 数码管显示

当字型码发送到选择端口时，各显示器都可接收。但哪个数码管会发光决定于数码管的哪个公共端与选择端连接。

本显示模块晶振频率为11.059 2 MHz，利用定时器T0 来定时扫描，每一次扫描时间控制在十几微秒，其他部件基本无影响，同时数码管显示效果较稳定。

2.1.2 LCD1602 液晶显示

LCD1602 是工业字符型LCD，可以同时显示32 个字符，显示原理是利用液晶的物理特性，电压可以控制显示区域显示图形，它分为字段显示和字符显示[2]、与传统输出模块相比，LCD1602 液晶显示器具有许多优点，例如小尺寸，低功耗和可显示内容多。重要的是LCD1602 液晶显示器不需要额外的电路，且还可以显示2 行16 个汉字。

LCD1602 主要技术参数为：一是显示容量为16×2 个字符；二是芯片工作电压为4．5～5．5 V；三是工作电流为2．0 mA；四是模块最佳工作电压为5．0 V；五是字符的大小约为3×4．3 （W×H）mm。

LCD1602 使用标准的14 针，引脚及标号见图3，引脚及其说明见表1。

图3 LCD1602 引脚及标号

表1 LCD1602 引脚及其说明

2.2 质量检测程序设计

称重传感器实际是将质量信号转换为可测量的电信号输出的设备[3]。传感器所处的工作环境对于传感器能否正常运行以及整个系统的可靠性和安全性至关重要。常用的称重模块有S 型、悬臂型、辐条型、柱型等多种样式，本设计采用柱型。

1）模块参数：传感器尺寸为80 mm×12．7 mm×12．7 mm；量程为5 kg。图4 为称重传感器的受力情况示意图。

图4 称重传感器受力图

应变片粘附到受力敏感的压敏弹性构件上，当弹性构件受力变形时，应变片变形并转换成电阻变化[4]。应变片阻值电路图见图5。由受力大小引起的电阻变化被转换为测量电路的电压变化，从而获得待测物体的质量。

图5 应变片阻值电路图

2）接线方式：红线为输入电压+；黑线为输入电压-；绿线为输出信号+；白线为输出信号-。

3）使用说明：输出电压信号，压力越大输出电压信号越大；满量程输出电压=激励电压×灵敏度1．0 mV/V；传感器的变形非常小，在安装和使用过程中不应过载。若外力消失后不能恢复原状，传感器将会发生塑性变形损坏。称重传感器安装方式见图6，称重传感器实物见图7。

图6 称重传感器安装方式

图7 称重传感器实物图

3 质量分拣系统的软件设计

3.1 软件设计过程概述

在完成了橡胶胶条分拣装置的硬件结构之后，橡胶厂胶条质量分拣系统的软件模块化程序结构为：一是系统初始化程序模块；二是系统显示模块程序；三是系统主控模块程序；四是系统中断与串口通信模块程序；五是系统直流电机和传送电机模块程序；六是系统称重检测模块程序；七是系统分拣机构模块程序。

3.2 系统程序结构

图8 系统程序结构图

系统程序结构见第60 页图8。整个橡胶胶条质量分拣装置的软件设计流程是：首先单独编写并调试每个子程序模块，注意全局变量和局部变量的区别，在现有条件下尽量使用局部变量，以免引起相互干扰，然后根据整体系统功能要求编写主程序并逐一调用子函数，最后形成完整的软件系统[5]。

综上所述，本项目研究了基于52 单片机控制的橡胶厂胶条质量分拣装置的工作原理及软件编写方法和调试技巧，并且对橡胶厂的自动化生产线进行了一定的阐述，借助单片机的自动控制功能实现了胶条的质量分拣，为下一个环节机械手的应用提供了基础，同时为上一个环节长度截取装置的闭环控制提供了参考数据。借助于计算机强大的数据存储和处理功能，为同类型产品的改进和新产品开发提供了可靠的参考依据。