基于51單片機的智能分揀搬送系統設計

張 林

商洛學院電子信息與電氣工程學院

0 引言

人工智能、物聯網等先進技術正在以“工業4.0”之名，掀起對傳統工業的智能革命，隨著“中國制造2025”的到來，智能化電子控制在智能物流生產領域的應用也越來越廣泛，可實現搬運、分揀、裝配等工作流程。以往的搬運分揀系統比較機械化，生產效率較低，而智能分揀搬送系統是建立在電、光、聲等各類傳感器和微處理控制器等先進技術基礎上的。本系統以51單片機為最小控制器系統，實現了智能化搬運系統和智能識別系統的緊密結合，其高效、易操作、成本低，具有較強的實用性。

1 系統方案設計與選擇

1.1 系統總體設計

本系統主要設計了一個智能物體分揀搬送裝置，包括四大模塊：最小控制系統、智能搬運系統、智能識別系統和供電系統。系統設計框架如圖1所示。

圖1 系統設計框架

最小控制系統采用STC51單片機為核心控制器。供電系統采用可調式的直流穩壓電源。智能識別系統包括信息采集模塊和信息顯示模塊，根據檢測需求選擇TCS320傳感器采集信息。當物體趨近目的區域時，傳感器首先對選定物體顏色進行濾波，得到相應的光強值，再分析光強值，并將其轉換成相應的頻率信號傳送給單片機，單片機通過循環檢測的方式檢測出RGB飽和度，從而確認物塊的顏色，達到分揀效果。

智能搬運系統采用4組直流減速電機驅動推桿擺臂作為智能搬運系統，整個系統采用橫/縱向驅動方式，運用電機驅動傳送帶的運行，從而帶動推桿擺臂。其中一組電機實現橫向驅動，將分散的木塊橫向推到一定區域，實現集中操作；另一組電機實現縱向驅動，推動規定物體到達規定區域，完成物品的分揀搬送。

1.2 方案選擇論證

（1）最小控制系統方案選擇。采用STC89C51單片機，具有功耗低、指令周期短、運算速度快等優勢；具有調速處理功能，易于編程與調試；具有較多的I/O口，具有一套完整的按位操作系統，被廣泛用于各種控制電路。該單片機運用廣泛，開發簡單，較為成熟，成本較低。

（2）分揀搬送方案選擇。采用機械手對物品進行逐個分揀后搬送，雖精準度高，但考慮到所要搬運的物品太過分散，機械手先是分揀后再搬送，浪費時間。采用交叉帶式的小車分揀系統，可設置格口數多、布局靈活，但對物體體積的局限較大。考慮到時間與效率，最終采用推桿擺臂對物品統一集中操作，再根據采集信息進行分揀操作，最終提高工作效率。

（3）信息采集模塊的選擇。根據檢測需求選取相應的傳感器采集信息，本系統檢測的物體可按顏色識別，在選取方案時，采用STM32f407攝像頭進行顏色識別，其識別率高，但成本也較高，不便安裝；采用紅外對管實現顏色識別，只能識別深色；利用顏色傳感器TCS320芯片實現顏色識別，具有高分辨率、可編程調整、溫度系數穩定、可直接與微處理器通信等優點。

2 系統設計與實現

2.1 硬件電路設計

本供電系統需要設計一個輸出為5~12 V的可調式直流穩壓電源，作為整個系統的電源供給。原理是將220 V交流電通過變壓器、整流電路、濾波電路轉化為波形較為平滑的直流電，再利用7812、7912、7805三端集成穩壓器穩壓至+5~+12 V。以51最小系統為核心，控制顏色識別、電機驅動，通過對信號的處理來實現物體的感應。顏色識別傳感器通過光源傳出信號，識別到顏色后發出指令，如圖2所示。

圖2 傳感器原理

2.2 軟件程序設計

根據系統需求，需要完成的總體軟件設計包括6個部分：單片機系統初始化、姿態信息采集、卡爾曼濾波、速度檢測、直流電機PID控制算法、RGB飽和度檢測。軟件設計整體流程如圖3所示。

圖3 軟件設計流程

3 測試方案與測試結果

3.1 測試條件

（1）測試場地：一個以木條（截面不大于3 cm×4 cm，木制本色）圍成的100 cm×150 cm的A區域內，顏色為白色，B區域為黑色，C區域為紅色。（2）測試儀器：水平尺、直尺、秒表。（3）誤差分析：燈光強弱的影響、場地的摩擦力影響。

3.2 測試方法

本系統通過按鍵來選擇工作模式，智能識別模塊將物品的顏色信息發送至主控單片機，經過分析運算過后，驅動電機運動并完成相應的搬送任務。觀察物品搬送的位置與時間，分析實踐結果。

3.3 測試數據

（1）從A區域搬送12只黑色正方體（位置隨機）到B區域，如圖4所示，搬送情況以及所用時間情況如表1所示。

表1 搬送黑色正方體所花的時間與搬送情況

圖4 從A區域搬送12只黑色正方體

（2）從A區域搬送12只黑色正方體（位置隨機）到C區域的搬送情況以及所用時間情況如表2所示。

表2 搬送黑色正方體所花的時間與搬送情況

（3）從A區域12只橘黃色與黑色正方體（位置隨機）中搬送橘黃色正方體（位置隨機）到達C區域所花的時間以及搬送情況如表3所示。

表3 搬送橘黃色正方體所花的時間及搬送情況

（4）從A區域12只橘黃色與黑色乒乓球（位置隨機）中搬送橘黃色乒乓球（位置隨機）到達C區域所花的時間以及搬送情況如表4所示。

表4 搬送橘黃色乒乓球所花的時間及搬送情況

3.4 測試數據結果

本系統可以在規定區域內利用較短時間完成物品的識別、分揀和搬運。實踐驗證了智能分揀搬送系統的效率性、精準性、實用性等優點，應用到現代電子物流領域，可大大節省人力資源，并實時監控分揀區情況，后續完善現代化信息系統，實現大數據管理。