物體形狀辨識(shí)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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物體形狀辨識(shí)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì) 物體形狀辨識(shí)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要: 單片機(jī)控制是目前工業(yè)上最常用的自動(dòng)化控制方法，由于其控制方便，能夠承受惡劣的環(huán)境，因此，在工業(yè)上優(yōu)于其他的控制。單片機(jī)將傳統(tǒng)的高壓控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體,專門為工業(yè)控制而設(shè)計(jì),具有功能強(qiáng)、通用靈活、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、編程簡單、使用方便以及體積小、重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點(diǎn),因此在工業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛。 本文主要講述單片機(jī)AT89S52在物體形狀辨識(shí)分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用，利用單片機(jī)作為主控芯片 ,設(shè)計(jì)成本低、效率高的材料自動(dòng)分揀裝置。以單片機(jī)集成模塊作為主控制器,結(jié)合舵機(jī)分類機(jī)械手臂裝置、傳感技術(shù)、液晶TG12864E系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)、位置控制等技術(shù),現(xiàn)場控制產(chǎn)品的自動(dòng)分揀。 系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定、精度高、易控制的特點(diǎn),可根據(jù)不同對(duì)象,稍加修改本系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)要求。 關(guān)鍵詞：單片機(jī) TG12864E 自動(dòng)分揀系統(tǒng) 物體識(shí)別 Object shape recognition sorting system design Abstract : SCM control is most commonly used in industrial automation control method, due to its convenient control, be able to withstand the harsh environment, therefore, superior to other industrial control. Traditional high-pressure single-chip control technology, computer technology and communication technology integration, designed specifically for industrial control, the function is strong, flexible general-purpose, high reliability, environmental adaptability, and programming is simple, easy to use and small size, weight light weight, low power consumption, a series of advantages, is widely applied in industry. This article focuses on the single-chip AT89S52 in the shape of the object recognition sorting system, the use of the microcontroller as the master chip, low-cost design, materials with high efficiency automatic sorting device. Single-chip integration module as the main controller, the combination of steering gear Category robot device, sensor technology, the LCD TG12864E state of the system real-time display system, position control, field control of the automatic sorting of the product. The system has a high degree of automation, stable operation, high precision, easy control, depending on the object, slightly modified the system to achieve the requirements. Keywords：SCM TG12864E Automatic sorting system Object recognition 目 錄 1 概述 1 1.1 課題研究目的 1 1.2 物體形狀識(shí)別分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3 課題設(shè)計(jì)任務(wù) 2 2 設(shè)計(jì)總體方案 3 2.1 課題設(shè)計(jì)背景 3 2.2 設(shè)計(jì)方案論證 3 2.2.1 分類機(jī)械結(jié)構(gòu)的選擇 3 2.2.2 物體形狀識(shí)別傳感器的選擇 3 2.3 設(shè)計(jì)方案框圖 4 3 硬件電路設(shè)計(jì) 5 3.1 AT89S52簡介 5 3.2顯示電路設(shè)計(jì) 7 3.2.1液晶顯示電路介紹 7 3.2.2 TG12864E液晶顯示模塊的基本特性 8 3.2.3 字符顯示 9 3.3 物體形狀識(shí)別系統(tǒng)簡介 9 3.3.1 LM358運(yùn)算放大器簡介 9 3.4 陣列式主動(dòng)紅外檢測(cè)簡介 11 3.5 分揀系統(tǒng)簡介 13 3.5.1 舵機(jī)簡介 13 3.5.2 用單片機(jī)PWM信號(hào)進(jìn)行舵機(jī)控制 14 4 系統(tǒng)調(diào)試 16 4.1 硬件調(diào)試 16 4.2 軟件調(diào)試 16 4.2.1 程序流程圖 16 4.2.2 調(diào)試軟件介紹 17 4.2.3調(diào)試的主要方法 17 5 總結(jié) 18 6 致謝 19 參考文獻(xiàn) 20 附錄1：總設(shè)計(jì)電路圖 21 附錄2：實(shí)物照片 22 1 概述 1.1 課題研究目的 自動(dòng)化的程度是工作發(fā)展程度的標(biāo)志，自動(dòng)分揀正是自動(dòng)化中的一個(gè)必不可少的部分，而本論文所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)控制的分揀裝置以其成本低，效率高的優(yōu)點(diǎn)，更突出其實(shí)用價(jià)值，他可以根據(jù)設(shè)定的程序無人的，高效的工作，維護(hù)費(fèi)用極少。由于全部采用機(jī)械自動(dòng)化作業(yè)，因此，分揀處理能力較大，分揀分類數(shù)量也較多。節(jié)省了大量的人力勞動(dòng)，減少了企業(yè)的額外支出，是企業(yè)節(jié)省成本最好的方法。尤其在需要進(jìn)行材料分揀的企業(yè)，以往一直采用人工分揀的方法，由于人工作的個(gè)人限制性，因人而致使有的生產(chǎn)效率很低，誤差多，生產(chǎn)成本高，企業(yè)的競爭能力差，阻礙了企業(yè)的正常發(fā)展。所以分揀裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)必然會(huì)取代人工的分揀工作。這也正是其能夠迅猛發(fā)展的根本原因，也是社會(huì)和企業(yè)發(fā)展的必然。隨著工業(yè)的越來越發(fā)展，制造業(yè)水平的越來越高，自動(dòng)分揀裝置完全取代人工作業(yè)是必須的也是必然的。 物體分揀采用單片機(jī)進(jìn)行控制，能連續(xù)、大批量地分揀貨物，分揀誤差率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，可顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。而且，分揀系統(tǒng)能靈活地與其他物流設(shè)備無縫連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料實(shí)物流、物料信息流的分配和管理。 其設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的組裝，具有系統(tǒng)布局靈活，維護(hù)、檢修方便等特點(diǎn)，受場地原因影響不大。同時(shí)，只要根據(jù)不同的分揀對(duì)象，對(duì)本系統(tǒng)稍加修改即可實(shí)現(xiàn)要求，非常方面。現(xiàn)在的大部分的企業(yè)都有自己的生產(chǎn)流水線，而自動(dòng)分揀裝置是流水線上不可少的部分，有的流水線甚至要用到多個(gè)分揀裝置，這也說明它有著很大的市場空間。 單片機(jī)控制是目前工業(yè)上最常用的自動(dòng)化控制方法，由于其控制方便，能夠承受惡劣的環(huán)境，因此，在工業(yè)上優(yōu)于其他的控制方式。 本論文主要介紹了物料識(shí)別分揀裝置的單片機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、硬件組成、軟件控制、程序流程以及軟硬件的組裝和調(diào)試方法。讓大家對(duì)物料識(shí)別分揀裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)有一個(gè)較為深入的了解。 1.2 物體形狀識(shí)別分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀 縱觀國內(nèi)外物料分揀系統(tǒng)的應(yīng)用情況可以發(fā)現(xiàn)，國外的物流配送中心或工業(yè)中傾向于采用自動(dòng)化程度很高的分揀系統(tǒng)，而且應(yīng)用也較為廣泛。而在我國，由于物流業(yè)起步晚，物料分揀系統(tǒng)中人工作業(yè)的比例也較高。盡管自動(dòng)分揀系統(tǒng)有非常多的優(yōu)點(diǎn)，但因其要求使用者必須具備一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，在發(fā)達(dá)國家某些行業(yè)不用自動(dòng)分揀系統(tǒng)的情況也很普遍。其主要原因有兩點(diǎn): 一是一次性投資巨大，先期投入回收慢。系統(tǒng)的設(shè)備復(fù)雜，投資和運(yùn)營成本相當(dāng)高，需要可靠的貨源作保證，也許只有大型生產(chǎn)企業(yè)或?qū)I(yè)物流公司才有能力投資，小企業(yè)則無能為力。二是系統(tǒng)對(duì)商品外包裝要求高。為使大部分商品都能用機(jī)械進(jìn)行自動(dòng)分揀，需要采取諸如推行標(biāo)準(zhǔn)化包裝、根據(jù)分揀商品統(tǒng)一的包裝特性定制分揀機(jī)等二次措施。但要讓所有商品的供應(yīng)商都執(zhí)行國家的包裝標(biāo)準(zhǔn)是很困難的，定制分揀機(jī)又會(huì)使硬件成本上升，且越是特別的通用性就越差。 雖然物料分揀系統(tǒng)有它的局限性，但隨著社會(huì)的高速發(fā)展，一切都講究效率，我相信高效率的物料分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)將會(huì)被人們?cè)絹碓街匾?。而本設(shè)計(jì)就針對(duì)物料分揀設(shè)計(jì)出了一個(gè)由單片機(jī)控制的分揀系統(tǒng)，解決了組成系統(tǒng)的設(shè)備能在安全工作的同時(shí)又能提高物料分揀效率的問題。 1.3 課題設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一款利用單片機(jī)控制的物體識(shí)別自動(dòng)分揀系統(tǒng)，要求不采用常用的成本較高的攝像頭物料分揀檢測(cè)，采用一種新型具有針對(duì)性的形狀識(shí)別傳感器。可針對(duì)某一特定產(chǎn)品進(jìn)行高效率高準(zhǔn)確度的分揀。具有友好的人機(jī)交互界面，靈活的操作方式，安全應(yīng)急開關(guān)。形狀識(shí)別傳感器要求更換簡單，整個(gè)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)。 2 設(shè)計(jì)總體方案 2.1 課題設(shè)計(jì)背景 物體分揀采用單片機(jī)進(jìn)行控制，能連續(xù)、大批量地分揀貨物，分揀誤差率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，可顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。而且，分揀系統(tǒng)能靈活地與其他物流設(shè)備無縫連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料實(shí)物流、物料信息流的分配和管理。 其設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的組裝，具有系統(tǒng)布局靈活，維護(hù)、檢修方便等特點(diǎn)，受場地原因影響不大。同時(shí)，只要根據(jù)不同的分揀對(duì)象，對(duì)本系統(tǒng)稍加修改即可實(shí)現(xiàn)要求，非常方面。現(xiàn)在的大部分的企業(yè)都有自己的生產(chǎn)流水線，而自動(dòng)分揀裝置是流水線上不可少的部分，有的流水線甚至要用到多個(gè)分揀裝置，這也說明它有著很大的市場空間。 2.2 設(shè)計(jì)方案論證 2.2.1 分類機(jī)械結(jié)構(gòu)的選擇 方案一：采用機(jī)械手夾持分類。 此種分類穩(wěn)定、準(zhǔn)確，但是速度響應(yīng)緩慢，造價(jià)成本較高，無法適應(yīng)高速生產(chǎn)的流水線需求。 方案二：采用如圖2.1所示的舵機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 此結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)，且舵機(jī)的響應(yīng)速度快，可對(duì)物料分揀起到及時(shí)響應(yīng)的效果。 圖2.1 舵機(jī)分揀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 綜上所述，我們選擇第二種方案。 2.2.2 物體形狀識(shí)別傳感器的選擇 形狀識(shí)別一般可以采用以下幾種方案： 方案一：采用攝像頭圖像處理識(shí)別。 方案二：紅外熱釋成像識(shí)別。 方案三：新型主動(dòng)紅外物體識(shí)別。 通過對(duì)比，此系統(tǒng)主要針對(duì)特定物體形狀有針對(duì)性的識(shí)別分揀，對(duì)于攝像頭識(shí)別來說其分揀效果好，但是成本高，且在工廠環(huán)境中油污煙塵容易對(duì)其判斷造成阻礙；紅外熱釋成像屬于被動(dòng)紅外接收裝置，其必須針對(duì)有熱量散出的物體才能起到作用，所以應(yīng)用的局限性比較大；而針對(duì)本設(shè)計(jì)專門設(shè)計(jì)的主動(dòng)紅外物體識(shí)別則是主動(dòng)對(duì)物體發(fā)出紅外光，根據(jù)物體反射回來的紅外光束進(jìn)行物體形狀的判斷，符合要求的物體與不符合要求的物體進(jìn)行分揀出來。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用方案三。 2.3 設(shè)計(jì)方案框圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖： M TG12864E液晶顯示模塊 舵機(jī)結(jié)構(gòu)控制模塊 流水線控制電機(jī) AT89S52 陣列式物體形狀檢測(cè)模塊 急停開關(guān)信號(hào)輸入 程序下載端口 圖 2.2 物體形狀辨識(shí)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖 3 硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 AT89S52簡介 1.性能分析 AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器達(dá)到8k,使用Atmel公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與80C51產(chǎn)品指令和引腳是完全兼容的。在單片機(jī)上，擁有靈巧的8 位CPU和系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高超有效、靈活的解決方案。 AT89S52具有以下的標(biāo)準(zhǔn)功能：8位CPU，256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8k字節(jié)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，4組8位I/O口線，6個(gè)中斷源，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，片內(nèi)帶晶振及時(shí)鐘電路，使用+5V電源，布爾處理器，擁有26B特殊功能寄存器。空閑模式下，CPU停止工作，允許片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。在掉電保護(hù)方式下，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的 圖 3.1 AT89S52引腳圖 內(nèi)容被保存，凍結(jié)振蕩器，單片機(jī)停止一切工作，直到下硬件復(fù)位或一個(gè)中斷到來為止。 2.引腳功能簡介 其引腳圖如圖3.1所示。2條電源線：VCC接電源線，GND接地線；32條端口線：P0端口是8位漏極開路的雙向I/O口，當(dāng)其作為輸出口時(shí)，每位能夠驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平，當(dāng)對(duì)P0口寫“1”時(shí)，則引腳用作高阻抗輸入；當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0端口也可被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用，先傳送片外存儲(chǔ)器的低8位地址，再傳送CPU對(duì)片外存儲(chǔ)器的讀/寫數(shù)據(jù)。P1 端口是一個(gè)有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口，當(dāng) 對(duì)P1口寫“1”時(shí)，內(nèi)部的上拉電阻把端口拉高，這時(shí)可作為輸入端口使用。 P2口也可以作為通用I/O口使用，對(duì)P2口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻則把端口拉高，這時(shí)可以作為輸入端口來使用；當(dāng)訪問外部ROM或用16位地址讀取外部RAM時(shí)，P2口的第二功能和P0口的第二功能相配合使用，P2口輸出片外存儲(chǔ)器的高八位地址。P3口的第一功能和其余三口第一功能相同，對(duì)P3口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把其端口拉高，這時(shí)可以作為輸入口來使用，作為輸入口使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因?qū)?huì)輸出電流。P3端口也作為AT89S52特殊功能來使用，如表3.1所示。 表3.1 P3口特殊功能介紹 P3口引腳號(hào) 第二功能 P3.0 RXD：串行輸入端 P3.1 TXD：串行輸出端 P3.2 INT0：外部中斷0 P3.3 INT1：外部中斷1 P3.4 T0：定時(shí)器0的外部輸入 P3.5 T1：定時(shí)器1的外部輸入 P3.6 WR：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫允許 P3.7 RD：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀允許 ALE：地址鎖存控制信號(hào)，是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在flash編程時(shí)，此引腳也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可以用來作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。然而，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE脈沖將會(huì)跳過。如果需要的話，通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。 這時(shí)，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOVC指令時(shí)有效。否則，ALE將被微弱拉高。 EA:訪問外部程序存儲(chǔ)器選擇線。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，EA必須給低電平；為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA需給高電平。 RST是復(fù)位線，可使單片機(jī)處于復(fù)位工作狀態(tài)。 PSEN:外部程序存儲(chǔ)器選通線，當(dāng) 單片機(jī)訪問外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，PSEN在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，PSEN將不被激活。 XTAL1和XTAL2:片內(nèi)振蕩電路輸入信號(hào)線，通常用來外接石英晶體和微調(diào)電容。 AT89s52單片機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的應(yīng)用： 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行合理有效的整體控制，處理整機(jī)的信號(hào)數(shù)據(jù)及控制邏輯。處理數(shù)據(jù)設(shè)置鍵盤輸入進(jìn)來的各個(gè)有效數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，控制流水線電機(jī)啟動(dòng)與停止。處理收集來的物體識(shí)別傳感器信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析及數(shù)據(jù)處理，將處理好的數(shù)據(jù)送給液晶顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示?？傇O(shè)計(jì)圖如圖3.2所示。 圖 3.2 總設(shè)計(jì)圖 3.2顯示電路設(shè)計(jì) 3.2.1 液晶顯示電路介紹 系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)的顯示采用TG12864E液晶顯示模塊一體化顯示，在一個(gè)界面顯示整機(jī)的所有數(shù)據(jù)信息，其接線圖如圖3.3所示。 圖3.3 數(shù)據(jù)顯示模塊 TTG12864E是一種具有4/8位并行、2線或3線串行多種的接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；顯示分辨率為128 64，內(nèi)有16 * 16的漢字8192個(gè)，及16*8點(diǎn)ASCII字符128個(gè)。低電壓和低功耗是它的另一個(gè)顯著的特點(diǎn)。其外形尺寸如圖3.4所示。 圖 3.4 TG12864E外形尺 3.2.2 TG12864E液晶顯示模塊的基本特性 （1）低電源電壓（VDD:+3.0～+5.5V） （2）顯示分辨率:12864點(diǎn) （3）內(nèi)置漢字字庫，提供8192個(gè)1616點(diǎn)陣漢字(簡繁體可選) （4）內(nèi)置 128個(gè)168點(diǎn)陣字符 （5）2MHZ的時(shí)鐘頻率 （6）顯示方式：STN、半透、正顯 （7）驅(qū)動(dòng)方式：1/32DUTY，1/5BIAS （8）視角方向：6點(diǎn)鐘 （9）背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/5～1/10 （10）通訊方式：串行、并口可選 （11）工作溫度: 0℃ ～ +55℃ ,存儲(chǔ)溫度: -20℃ ～ +60℃ 表3.2 模塊串行接口說明 管腳 名稱 電平 管腳功能描述 1 VSS 0V 電源地 2 VDD 3.0～+５V 電源正 3 VO - 對(duì)比度（亮度）調(diào)整 4 CS H/L 模組片選端，高電平有效 5 SID 串行數(shù)據(jù)輸入端 6 CLK 串行同步時(shí)鐘：上升沿時(shí)讀取SID數(shù)據(jù) 15 PSW L L：串口方式 17 RST - 復(fù)位端，低電平有效 19 A VDD 背光源正端（+5V） 20 K VSS 背光源負(fù)端 表3.3 模塊并行接口說明 管腳 名稱 電平 管腳功能描述 1 VSS OV 電源地 2 VDD 3.0～+５V 電源正 續(xù)表3.3 模塊并行接口說明 3 VO - 對(duì)比度調(diào)整 4 CS H/L 模組片選端，高電平有效 5 SID 串行數(shù)據(jù)輸入端 6 CLK 串行同步時(shí)鐘，上升沿時(shí)讀取SID數(shù)據(jù) 7 DB0 三態(tài)數(shù)據(jù)線 8 DB1 9 DB2 10 DB3 11 DB4 12 DB5 13 DB6 14 DB7 15 PSW L 串口方式 17 RST - 復(fù)位端，低電平有效 19 A VDD 背光源正端（+5V） 20 K VSS 背光源負(fù)端 3.2.3 字符顯示　 TG12864E每屏可顯示4行8列共32個(gè)1616點(diǎn)陣的漢字，每個(gè)顯示RAM可顯示1個(gè)中文字符或2個(gè)168點(diǎn)陣全高ASCII碼字符。TG12864E內(nèi)部提供1282字節(jié)的字符顯示RAM緩沖區(qū)。字符顯示RAM在液晶模塊中的地址80H～9FH，字符顯示的RAM的地址與32個(gè)字符顯示區(qū)域有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3.4所示。 表 3.4 字符顯示RAM地址與字符顯示區(qū)域?qū)?yīng)表 80H 81H 82H 83H 84H 85H 86H 87H 90H 91H 92H 93H 94H 95H 96H 97H 88H 89H 8AH 8BH 8CH 8DH 8EH 8FH 98H 99H 9AH 9BH 9CH 9DH 9EH 9FH 本設(shè)計(jì)中TG12864E的控制方式如圖3.3所示。其主要功能是顯示整機(jī)的數(shù)據(jù)信息，充當(dāng)人機(jī)交互的一種直觀媒介。 3.3 物體形狀識(shí)別系統(tǒng)簡介 3.3.1 LM358運(yùn)算放大器簡介 本設(shè)計(jì)中的識(shí)別傳感器是由雙運(yùn)算放大器LM358電路組成，在本設(shè)計(jì)中LM358作為電壓比較器用，對(duì)紅外接收管所接收到的紅外光信號(hào)處理放大，并負(fù)責(zé)將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行后期處理。 LM358內(nèi)部具有兩個(gè)獨(dú)立的高增益內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，適用于電源電壓范圍很寬的單電源，也常用在雙電源的工作模式中，在一般的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。LM358 的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。其引腳圖如圖3.5所示。LM358電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近“無窮大”的預(yù)算放大器。 圖3.5 LM358引腳圖 設(shè)計(jì)中識(shí)別傳感器由LM358組成，用光電對(duì)管作為物體形狀檢測(cè)模塊，八路光電對(duì)管檢測(cè)到物體后的電平信號(hào)后通過LM358進(jìn)行處理而后送由單片機(jī)進(jìn)行最終處理，通過判斷處理后的信號(hào)來控制液晶屏的顯示以及舵機(jī)的動(dòng)作。單個(gè)識(shí)別傳感器連接方式如圖3.6所示，設(shè)計(jì)的整體檢測(cè)電路如圖3.7所示。 圖3.6 LM358識(shí)別傳感器連接電路圖 圖3.7 物體形狀識(shí)別傳感器原理圖 3.4 陣列式主動(dòng)紅外檢測(cè)簡介 紅外檢測(cè)可分為主動(dòng)紅外檢測(cè)和被動(dòng)紅外檢測(cè)，其各有優(yōu)缺點(diǎn)，以下介紹一下各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 被動(dòng)紅外： （1） 被動(dòng)紅外探測(cè)器是以探測(cè)外界紅外發(fā)射體所發(fā)射出的紅外為主。 （2） 其本身紅外接收端并沒有紅外發(fā)射裝置，主要探測(cè)外界環(huán)境中的紅外光線。 被動(dòng)紅外深測(cè)器優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：本身不發(fā)任何類型輻射，器件功耗很小，隱蔽性較好，價(jià)格低廉。 缺點(diǎn)：容易受各種熱源、陽光源干擾；被動(dòng)紅外穿透力差，外界紅外輻射容易被遮擋，不易被探測(cè)器接收；易受射頻輻射的干擾。 主動(dòng)紅外： 主動(dòng)紅外探測(cè)器是由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成，發(fā)射機(jī)是由電源、發(fā)光源和光學(xué)系統(tǒng)組成，接收機(jī)是由光學(xué)系統(tǒng)、光電傳感器、放大器、信號(hào)處理器等部分組成。 主動(dòng)紅外探測(cè)器是一種紅外線光束遮擋型器件，發(fā)射機(jī)中的紅外發(fā)光二極管在電源的激發(fā)下，發(fā)出一束經(jīng)過調(diào)制的紅外光束，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的作用變成平行光發(fā)射出去。此光束被接收機(jī)接收，由接收機(jī)中的紅外光電傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成信號(hào)，經(jīng)過電路處理后傳給主控制器。由發(fā)射機(jī)發(fā)射出的紅外線經(jīng)過被檢區(qū)到達(dá)接收機(jī)，構(gòu)成了閉環(huán)式的檢測(cè)系統(tǒng)。正常情況下，接收機(jī)是收不到紅外光線的，當(dāng)有物體進(jìn)入被檢區(qū)時(shí)，紅外光束被物體接收反射回紅外光，接收機(jī)收到的紅外信號(hào)發(fā)生變化，提取這一變化，經(jīng)放大和適當(dāng)處理，主控制器判斷出紅外光具體檢測(cè)到的形態(tài)，進(jìn)而確定具體的物體形狀。目前此類探測(cè)器有二光束、三光束還有多光束的紅外柵欄等。一般應(yīng)用在攝像頭的夜間監(jiān)視用，此次本設(shè)計(jì)采用此類檢測(cè)方式，開拓了此應(yīng)用在物體分揀領(lǐng)域的空白。 本設(shè)計(jì)采用主動(dòng)紅外檢測(cè)，其紅外發(fā)射布局如圖3.8所示，紅外接收布局如圖3.9所示。 圖3.8 主動(dòng)紅外發(fā)射布局 圖3.9 主動(dòng)紅外接收布局 主動(dòng)式紅外物體探測(cè)可根據(jù)不同的產(chǎn)品進(jìn)行不懂位置布局的設(shè)計(jì)，其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于攝像頭成像系統(tǒng)，對(duì)于生產(chǎn)線單一生產(chǎn)的產(chǎn)品來說是個(gè)很好的選擇。 3.5 分揀系統(tǒng)簡介 3.5.1 舵機(jī)簡介 1.什么是舵機(jī) 在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)可以在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之接口。 舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。目前在高檔遙控玩具，如航模，包括飛機(jī)模型，潛艇模型；遙控機(jī)器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機(jī)是一種俗稱，其實(shí)是一種伺服馬達(dá)。本設(shè)計(jì)中所用 圖3.10 9g舵機(jī)實(shí)物圖 舵機(jī)為9g小舵機(jī)，其實(shí)物圖如圖3.10所示。 2.舵機(jī)的工作原理 控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)然我們可以不用去了解它的具體工作原理，知道它的控制原理就夠了。就象我們使用晶體管一樣，知道可以拿它來做開關(guān)管或放大管就行了，至于管內(nèi)的電子具體怎么流動(dòng)是可以完全不用去考慮的。 3.舵機(jī)的控制 舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms~2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以180度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系如表3.5所示。 表3.5 舵機(jī)控制脈沖與角度對(duì)應(yīng)表 脈沖數(shù)/ms 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 轉(zhuǎn)角/度 0 45 90 135 180 這只是一種參考數(shù)值，具體的參數(shù)，請(qǐng)參見舵機(jī)的技術(shù)參數(shù)。 小型舵機(jī)的工作電壓一般為4.8V或6V，轉(zhuǎn)速也不是很快，一般為0.22/60度或0.18/60度，所以假如你更改角度控制脈沖的寬度太快時(shí)，舵機(jī)可能反應(yīng)不過來。如果需要更快速的反應(yīng)，就需要更高的轉(zhuǎn)速了。 要精確的控制舵機(jī)，其實(shí)沒有那么容易，很多舵機(jī)的位置等級(jí)有1024個(gè)，那么，如果舵機(jī)的有效角度范圍為180度的話，其控制的角度精度是可以達(dá)180/1024度約0.18度了，從時(shí)間上看其實(shí)要求的脈寬控制精度為2000/1024us約2us。如果你拿了個(gè)舵機(jī)，連控制精度為1度都達(dá)不到的話，而且還看到舵機(jī)在發(fā)抖。在這種情況下，只要舵機(jī)的電壓沒有抖動(dòng)，那抖動(dòng)的就是你的控制脈沖了。而這個(gè)脈沖為什么會(huì)抖動(dòng)呢？當(dāng)然和你選用的脈沖發(fā)生器有關(guān)了。一些前輩喜歡用555來調(diào)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖，如果只是控制幾個(gè)點(diǎn)位置伺服好像是可以這么做的，可以多用幾個(gè)開關(guān)引些電阻出來調(diào)占空比，這么做簡單嗎，應(yīng)該不會(huì)啦，調(diào)試應(yīng)該是非常麻煩而且運(yùn)行也不一定可靠的。 使用傳統(tǒng)單片機(jī)控制舵機(jī)的方案也有很多，多是利用定時(shí)器和中斷的方式來完成控制的，這樣的方式控制1個(gè)舵機(jī)還是相當(dāng)有效的，但是隨著舵機(jī)數(shù)量的增加，也許控制起來就沒有那么方便而且可以達(dá)到約2微秒的脈寬控制精度了。聽說AVR也有控制32個(gè)舵機(jī)的試驗(yàn)板，不過精度能不能達(dá)到2微秒可能還是要泰克才知道了。其實(shí)測(cè)試起來很簡單，你只需要將其控制信號(hào)與示波器連接，然后讓試驗(yàn)板輸出的舵機(jī)控制信號(hào)以2微秒的寬度遞增。 3.5.2 用單片機(jī)PWM信號(hào)進(jìn)行舵機(jī)控制 在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)可以在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之接口。 舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖3.11 舵機(jī)的控制要求 舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM信號(hào)，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。一般舵機(jī)的控制要求如圖3.11所示。 單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個(gè)任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號(hào)，本設(shè)計(jì)是產(chǎn)生20ms的周期信號(hào)；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬PWM信號(hào)的輸出，并且調(diào)整占空比。 當(dāng)系統(tǒng)中只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)舵機(jī)的控制，采用的控制方式是改變單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器中斷的初值，將20ms分為兩次中斷執(zhí)行，一次短定時(shí)中斷和一次長定時(shí)中斷。這樣既節(jié)省了硬件電路，也減少了軟件開銷，控制系統(tǒng)工作效率和控制精度都很高。 具體的設(shè)計(jì)過程：例如想讓舵機(jī)轉(zhuǎn)向左極限的角度，它的正脈沖為2ms，則負(fù)脈沖為20ms-2ms=18ms，所以開始時(shí)在控制口發(fā)送高電平，然后設(shè)置定時(shí)器在2ms后發(fā)生中斷，中斷發(fā)生后，在中斷程序里將控制口改為低電平，并將中斷時(shí)間改為18ms，再過18ms進(jìn)入下一次定時(shí)中斷，再將控制口改為高電平，并將定時(shí)器初值改為2ms，等待下次中斷到來，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)輸出到舵機(jī)。用修改定時(shí)器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信 號(hào)，調(diào)整時(shí)間段的寬度便可使伺服機(jī)靈活運(yùn)動(dòng)。 圖3.12 舵機(jī)連接原理圖 本設(shè)計(jì)中舵機(jī)的連接如圖3.12所示，其控制方式就是利用PWM進(jìn)行有效控制。 4 系統(tǒng)調(diào)試 4.1 硬件調(diào)試 此設(shè)計(jì)硬件電路的調(diào)試通過以下幾點(diǎn)開展，首先，針對(duì)各個(gè)可動(dòng)焊點(diǎn)的檢查，避免虛焊，短焊以及錯(cuò)焊；然后，用一些基礎(chǔ)程序燒錄進(jìn)單片機(jī)檢查單片機(jī)最小系統(tǒng)是否工作正常；接著，寫程序控制電機(jī)啟動(dòng)停止，確保繼電器控制單元沒有問題；同時(shí)，調(diào)節(jié)紅外識(shí)別模塊傳感器的靈敏度，用平口螺絲刀調(diào)節(jié)LM358電路上的電位器，觀察LM358輸出腳上發(fā)光二極管的亮滅變化；最后，燒錄程序讓12864液晶顯示字符、漢字、數(shù)字等符號(hào)，觀察液晶顯示是否正常。 硬件的測(cè)試檢查至關(guān)重要，不可小視，只有硬件確保沒有問題后軟件編程才能正常進(jìn)行，否則在最終調(diào)試程序時(shí)如果出現(xiàn)問題就很難確定是硬件還是軟件出現(xiàn)了問題，這對(duì)后續(xù)的調(diào)試程序帶來了很大障礙。 4.2 軟件調(diào)試 4.2.1 程序流程圖 開始 開始按鍵是否按下 流水線電機(jī)運(yùn)行 液晶顯示 陣列光電傳感器時(shí)候檢測(cè)到目標(biāo)物體 分揀舵機(jī)工作 N Y Y N 圖4.1 程序流程圖 4.2.2 調(diào)試軟件介紹 Keil C51仿真器是一款利用KEIL C51的IDE集成開發(fā)環(huán)境作仿真環(huán)境的廉價(jià)仿真器，是利用SST公司具有IAP功能的單片機(jī)SST89C58制作而成，主要是利用了SST89C58的IAP功能，所謂IAP功能是In application program 的英文縮寫，是在應(yīng)用編程的意思，通俗一點(diǎn)講就是：它可以通過串口將用戶的程序下載到單片機(jī)中，可以通過串口對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程。它之所以具有這種功能，實(shí)際上它有兩塊程序flash區(qū)，其中一塊flash中運(yùn)行的程序可以更改另外的一塊程序flash區(qū)中的程序，正是利用這一特性才用它作成了仿真器，我們把仿真器的監(jiān)控程序事先燒入SST89C58，監(jiān)控程序通過SST89C58的串口和PC通訊，當(dāng)使用KEIL C51的IDE環(huán)境仿真時(shí)，用戶的程序通過串口被監(jiān)控程序?qū)懭雈lash程序區(qū)中，當(dāng)用戶設(shè)置斷點(diǎn)等操作仿真程序時(shí)，flash程序中的用戶程序也在相應(yīng)的更改，從而實(shí)現(xiàn)了仿真功能 。 4.2.3調(diào)試的主要方法 (1) 啟動(dòng)Keil c51 (2) 新建一個(gè)工程。Project----New project，選擇好我們要保存的文件夾后，鍵入Frist保存。接著彈出CPU類型選擇框，我們選擇最常用的AT89S52,按確定，如圖4.2所示。 (3) 在工程中加入文件。新建一個(gè)文件，文件菜單File----New，我們?cè)龠x擇：文件菜單File----Save As(另存為）彈出對(duì)話框后，我們文件名框中鍵入First.C（注意文件后綴名是 .C）保存。然后把文件加入到工程中去。點(diǎn)擊Target1前面的+號(hào)，右鍵單擊Source Group 1----選擇Add Files to Group Source Group 1，選擇添加 Add。則程序便加載成功，此時(shí)便可以進(jìn)行程序的調(diào)試，改動(dòng)和檢查等工作了。 5 總結(jié) 6 致謝 參考文獻(xiàn) [1] 鮑小南.單片機(jī)基礎(chǔ).杭州：浙江大學(xué)出版社.2002。 [2] 童詩白 華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 第三版.北京:高等教育出版社.2001年1月。 [3] 吳金戌 沈慶陽.8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社. 2002年9月。 [4] 黃繼昌 張海貴 郭繼忠等.實(shí)用單元電路及其應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社.2002。 [5] 韓全立.單片機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社.2004。 [6] 朱家建.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社.2002。 [7] 賴麒文.8051單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社.2002。 1 附錄1：總設(shè)計(jì)電路圖 附錄2：實(shí)物照片