基于单片机的工业废料分拣系统研究

张迎春，王彩凤，田庆敏，李 宇

（江苏航空职业技术学院 江苏 镇江 212134）

1 引言

工业废料的形态一般有3种：气体、液体和固体。气体、液体废料需要采用特殊的气体、液体回收设备进行回收和分隔，且循环利用率较低。固体废料在循环利用率上更高，且可以采用智能化的机械手分拣系统进行自动分拣，并分拣出直接回收废料、需处理回收废料和不可回收废料，从而便于资源的再次整合[1]。

2 工业废料分拣系统方案设计

系统设计的方案是基于AT89S52单片机来使工业废料分拣系统，具有分拣、查询、自检及报警等一系列功能。整个系统由机械手、传送装置、按键控制装置以及显示装置构成，而现有的教学设备YL-236单片机安装与调试实训装置含有系统功能实现所需要的模块，可以利用这些模块组成模拟系统。

充分利用YL-236单片机安装与调试实训装置来完成系统设计，不但可服务教学，更可以应用到实际的生产实践中。

3 控制系统总体方案

系统控制器采用AT89S52单片机。单片机安装与调试YL-236实训设备和智能物料搬运设备YL-G001作为硬件系统；设计总体方案进行设计，充分考虑了系统的硬件及软件，系统的软件采用C语言进行编程[2]。

根据工业废料分拣控制系统的功能要求，总体系统设计框见图1。

图1 系统框图

在本系统中，由于传感部件和控制部件接口数超过单片机的I/O口数，在硬件电路设计中加入了8255对I/O进行扩展。由于传送带电机和智能物料搬运装置电压（24 V）不同于单片机电压（5 V），所以采用光电隔离耦合器进行电压转换，使得单片机识别上述装置传送来的传感信号，并通过控制继电器线圈电流的通断实现上述装置的动作。放料闸门电机采用步进电机精确控制闸门的开合。本系统采用步进电机驱动器实现对步进电机的控制。

4 工业废料分拣系统的硬件设计

单片机安装与调试实训装置和智能物料搬运装置作为工业废料分拣控制系统的硬件部分，来模拟实现系统的运行结果。整个控制系统共11个子模块：电源模块、并行口扩展模块、智能搬运模块、传感器模块、显示模块、直流电机控制模块、仿真器模块、主机模块、继电器模块及步进电机控制模块。

5 工业废料分拣系统的软件设计

5.1 主程序设计

系统的灵魂是程序设计部分，在进行软件设计时，应该遵照下面的几个原则来执行：（1）对系统的资源进行合理利用与优化；（2）尽量使用模块化的方式，这样能更好地进行修改、连接以及调试工作；（3）将软件的抗干扰能力进行提升。

5.2 各模块程序设计

5.2.1 矩阵键盘扫描模块程序

行列式键盘扫描用到了4×4键盘中的16个按键，其功能为：数字键0-9，用于数字输入。如果当前为识别状态时，数字输入为物料的颜色；当前为查询状态时，数字输入为查询密码。

5.2.2 TG12864液晶显示模块程序

系统选用TG12864液晶对系统的各个状态进行实时显示，共有10个状态显示界面。

5.2.3 废料识别和分拣控制模块程序

对工业废料的检测识别和排序分拣是本系统的关键。在本系统中采用白色、黄色和黑色3种颜色的高尔夫球，分别代表不可回收、需处理回收、直接回收3种不同类型的工业废料，要对这3种废料进行分拣，首先必须对其进行检测，识别出不同的废料。

若系统处于手动识别模式，由键盘手动输入目前废料的位置序列，输入的次序为工位三、工位二、工位一对应废料的数字代码，并按“确认”键实现输入。

对这3种废料的自动识别，则带有光纤传感器的手爪依次到达废料所在工位，对废料进行识别。根据其不同颜色的不同反光程度，采用安装在手爪上的光纤传感器和手爪夹紧、放松配合分辨，调节光纤传感器的灵敏度使得当手爪松开时能检测到物料，表明此物料为白色；否则当手爪夹紧时能检测到物料，表明此物料为黄色；否则为黑色[3]。识别出废料后，就要根据其位置进行排序分拣。

5.2.4 电机控制模块程序

电机控制包括机械手控制、直流电机控制和步进电机控制。机械手的动作和直流电机的控制都是通过继电器完成控制，所以将机械手动作和直流电机控制放在一个子程序里。

5.2.5 中断模块程序

根据系统控制要求，中断系统采用定时0和定时器1来完成。定时器0主要用来进行按键扫描和机械手运行的时间控制。为了防止程序在运行过程中“跑飞”，在定时器0中断子程序中加入“看门狗”，对程序进行监控。定时器1主要用来进行步进电机的脉宽控制。

5.2.6 查询模块程序

为提高系统可监控性，在系统停止状态下，向用户提供查询功能。查询密码为987654，当用户输入数字时，界面实时显示“*”，6个数字输入完成，按下“确认”键完成密码输入。若密码输入正确，则系统显示回收废料组数；否则系统回到停止状态。

5.2.7 报警模块程序

为了提高可靠性，加入了报警功能对用户进行反馈。在整个系统运行过程中，进料后和放料后都需要对有无料进行检测监控。在一、二工位的下面装有光电传感器，对工位废料有无进行检测。在进料后，如果工位上还没有废料，说明系统出现故障需要进行报警；否则解除报警。在放料后，如果工位上还有废料，说明系统出现故障需要进行报警；否则解除报警。

6 工业废料分拣控制系统模拟实验

6.1 实验平台的搭建与调试

在硬件和软件设计部分完成后，根据此系统的功能要求，通过单片机实训考核装置搭建实验平台进行调试和验证。本系统硬件平台实物图见图2。硬件平台搭建完成后，需要对硬件进行调整，对软件进行调试。

图2 硬件平台实物图

硬件调整主要是对主机模块、步进电机模块及智能物料搬运装置3个部分进行的设置调整。

（1）主机模块中EA置位。

（2）步进电机模块设置驱动器的细分数开关为“100”和驱动电流为1.5 A。

（3）智能物料搬运装置传感器灵敏度设置。

软件调试主要为软件平台的搭建。首先，安装Keil C51和MedWin软件以及ME52HU仿真器驱动程序等。将各个子程序按照系统的要求在主程序中进行调用，进行调试，看各模块功能是否能够实现，最后进行所有模块的综合调试。

6.2 实验结果

系统实现功能如下。

完成初始化之后，液晶显示初始化界面保持2 s后进入自检状态，机械手从三工位至一工位抓球再至三工位放球时间为8.6 s，从三工位至二工位抓球再至三工位放球时间为7.6 s，符合系统设计要求。自检完成进入停止状态，此时液晶显示停止界面，等待开始信号。

按下“自动/手动”按键后，界面显示“自动”。按下“开始”按键，液晶显示“进料”，传送电机转动2 s模拟传送过程。此时不放料，蜂鸣器开始报警，放上料之后，蜂鸣器报警解除，进料完成，液晶保持2 s，显示“进料”后进入废料识别状态。

系统自动识别当前系列为“321”，识别完成后，识别界面等待2 s后进入分拣状态。液晶显示“分拣结束需要16 s”倒计时开始分拣，机械手先至二工位抓球再至三工位放球，液晶实时显示“231”；机械手至一工位抓球再至三工位放球，液晶显示“123”，完成分拣要求，倒计时时间为“00 s”。分拣完成后，液晶显示“分拣完成”并保持2 s后进入放料状态。

进入放料状态后，液晶显示“放料”，系统开启放料闸门，闸门先以3 cm/s快速打开，后以1 cm/s慢速打开到规定位置后停止，2 s后保持废料不放，蜂鸣器开始报警，移除废料，蜂鸣器停止报警。放料闸门关闭。进入停止状态，等待下一组废料的分拣。

在停止状态下，按下“查询”按键进入查询状态，此时液晶显示密码输入界面，正确密码为“987654”。输入错误密码后，回到停止状态；重新按下“查询”按键，输入正确的密码进入查询界面，此时液晶显示“已分拣组数：01”。

在整个系统运行过程中，按下“暂停”按键，则所有机构停止运行；按下“开始”按键后，机构继续运行；按下“停止”按键后，系统复位到停止状态，显示进入停止界面。

通过实验，基于单片机的工业废料分拣控制系统能够按照系统设计要求完成废料的分拣控制，可以应用到实际的工业自动化分拣生产中。

7 结语

本文对工业废料分拣控制系统进行了深入分析。本工业废料分拣控制系统的硬件模型选用YL-236单片机安装与调试实训装置及YL-G001智能物料搬运装置搭建。这个系统将气压传动与控制技术以及现代技术结合起来，有很高的稳定性和可靠性。系统具备了经济性和良好的可移植性，仅需要对系统做稍微调整，就能适应于新的工作环境系统要求，有良好的发展前景。