顆粒定量定點分裝機構設計與控制實現

王鐘瑞

摘 要當前，現有的顆粒物或粉末狀物質的分裝多采用手工操作進行分裝，但設備效率比較和成本問題尤為突出。因此設計了小型的顆粒定量定點分裝機構，同時設計了相應的硬件控制系統和軟件程序，實現了對顆粒定量定點分裝機構中分裝頭的位置控制，進而實現了顆粒或粉末狀物體的定量定點分裝，提高了顆粒物的分裝效率，降低了分裝成本。

【關鍵詞】顆粒分裝機構 機械設計 軟硬件設計 自動控制

1 控制系統整體概述

現有的顆粒物或粉末狀物質的分裝，例如農業播種機上的種子分裝或者醫療器械中粉末狀藥品的分裝等，分裝方式多采用手工或者機械臂分裝，但是分裝的效率較低。大型的自動化分裝設備分裝效率較高，但是造價較高，適合具有分裝需求的大型企業，并且不適合應用在小型的播種機、醫療設備上。因此本文設計了適用于小型設備或小型工廠的全自動顆粒定量定點分裝機構，圖1。

其中，橫向位移電機、縱向位移電機以及伸縮開關電機是42步進電機，縱向間距調節電機和橫向間距調節電機是舵機。顆粒或粉末狀物質進入進料口后，進入分裝頭內，通過調節橫向位移電機和縱向位移電機可實現對分裝頭橫向間距和縱向間距的調節，從而決定一次顆?；蚍勰┪镔|填充分裝盤上盛裝孔的橫向和縱向個數，通過調節橫向位移電機縱向位移電機可實現對分裝頭在盛裝板上的橫向和縱向位置控制。而通過控制伸縮開關電機可實現對開關盤相對盛裝板的位置控制，從而決定是否實現對盛裝板上盛裝孔內的物料釋放。當更換不同的分裝盤后，可實現不同量的分裝類型?？刂葡鋬劝惭b有位移電機、間距調節電機和伸縮電機的驅動器和控制板等。

2 控制系統設計

主控系統采用51單片機最小系統板實現，型號是AT89C51，它是一種具備低電壓、高性能8位微處理器，價格較低，并且具有豐富的控制口等，適合小型低成本控制系統。

本套控制系統中，有兩種工作模式：

2.1 全自動工作模式

單片機采集人們通過按鈕發出的指令，首先自動控制分裝頭的橫向和縱向間距，然后控制分裝頭在分裝盤上的橫向和縱向位置，當物料進入分裝頭后，進而控制伸縮電機實現對物料的釋放，從而實現了對物料釋放功能。完成后，單片機控制各個電機進行下一輪動作控制，實現連續自動控制。

2.2 半自動模式

單片機實時采集人們通過按鈕發出的指令，進行對相關電機等的控制，當按鈕未被按下時，單片機不發出控制指令，系統靜置不動作。

3 驅動系統設計

本設計中，由于單片機的驅動能力有限，而步進電機和舵機的工作電流較大，因此采用驅動器進行驅動。其中橫向位移電機、縱向位移電機和伸縮開關電機驅動器采用了3個L298N模塊分別進行驅動。其中L298N模塊最大驅動電流達2A，將其控制引腳ENA、IN1和IN2分別與單片機的IO引腳連接實現控制。其中橫向位移電機和縱向位移電機采用Arduino 舵機驅動板進行控制。其中舵機驅動板最大可實現對16路的舵機進行單獨驅動控制，并且舵機驅動板通過串口和單片機連接，通過單片機向驅動板發送指令，便可實現對位移電機的位置控制。

4 驅動系統設計

由于系統有兩種工作模式，因此主程序中設置有分支結構。程序流程描述如下：

（1）系統首先進行初始化操作，包括對步進電機驅動器L298N的控制使能端初始化，對Arduino 舵機驅動板的控制端進行初始化，同時對單片機自身的串口模塊進行初始化。

（2）初始化完畢，單片機進入程序選擇結構中，此時單片機IO口檢測全自動/半自動設置按鈕有無被按下，當按鈕被按下此時進入全自動工作模式，控制流程如第2部分的Ⅰ所述。程序進行循環執行實現對步進電機和舵機的驅動控制，循環往復；在此過程中，單片機的IO口還實時檢測停止按鈕有無被按下，當停止按鈕被按下，單片機控制驅動器停止工作；否則循環往復執行。

（3）當單片機進入程序選擇結構中，當單片機IO口檢測全自動/半自動設置按鈕沒有被按下時，此時系統進入半自動工作模式，控制流程如第2部分的Ⅱ所述。此時單片機控制驅動板實現對步進電機和舵機的步進控制。與步驟②類似的是，在此過程中，單片機的IO口還實時檢測停止按鈕有無被按下，當停止按鈕被按下，單片機控制驅動器停止工作；否則進行實時檢測相關控制按鈕，進行步進驅動和控制。

（4）單片機IO口檢測到系統復位或停止按鈕被按下后，控制所有驅動器停止工作。

5 結束語

本文設計了適用于小型設備或小型工廠的全自動顆粒定量定點分裝機構，并且使用單片機配合驅動器實現了對分裝頭上步進電機和舵機的控制，從而實現了顆粒定量和定點分裝功能。本系統不僅大大提高了顆?；蚍勰钗矬w的分裝效率，更降低了顆粒分裝成本，適用于小型規模工廠、醫療機構等對顆粒或分裝有分裝需求的場所。

參考文獻

[1]陳富安，李攀峰，蘇寶平.顆粒食品定量分裝機控制系統設計[J].河南工業大學學報（自然科學版），2010（05）：81-85.

[2]張熹，金方.干粉吸入劑的粉末定量分裝設備淺析[J].世界臨床藥物，2012（11）：700-705.

作者單位

青島市第二中學 山東省青島市 266061