基于STC89C52單片機的小球自動分揀控制系統設計與應用

杜娟

（酒泉職業技術學院，甘肅 酒泉 735000）摘要：小球自動分揀控制在人們的生產生活中具有重要意義。目前，應用較多的方式是通過PLC、電動機、機械臂、限位開關、接近開關等器件實現小球的自動分揀。這種控制方法設計的系統分揀小球的速度較慢，操作很不方便，系統制造成本高?？紤]到系統的通用性和成本問題，此類系統的推廣非常受限；在出現故障時，檢修也很不方便。對此，文章基于STC89C52單片機的小球自動分揀控制系統設計方案，探究一種智能化程度高、操作靈活方便、性能安全可靠的小球自動分揀控制系統設計方案。

關鍵詞：STC89C52單片機；顏色檢測；測距；控制；系統設計

中圖分類號：TP311.5文獻標志碼：A

0引言傳統的小球自動分揀系統，一般通過PLC控制兩臺電動機的正反轉，從而實現機械臂的向上、向下、向左、向右四個方向的運行控制，完成機械臂從控制系統的原點開始運行，移位到物體的上方，然后，進行機械臂的向下運行、到位判定、小球的抓取、機械臂的向上運行、機械臂特定方向的平移、下放小球、機械臂的復位等一系列的操作［1］。這種電路設計比較復雜，其系統成本較高，功能較為單一，每次操作時間較長?？紤]系統的成本、功能、效率等因素，筆者研究了一種以STC89C52單片機為控制核心的小球自動分揀控制系統，通過超聲波傳感器實現小球大小的測量，通過顏色傳感器實現小球顏色的辨識，通過舵機和步進電動機配合實現小球的定向運輸，通過人機交互界面讀取小球的直徑、顏色等參數，為相關人員做好小球分揀監測提供便利。本文設計的小球自動分揀控制系統具有智能化、集成度高、操作方便、性能安全等優點。

1系統設計結構和原理分析基于STC89C52單片機的小球自動分揀控制系統的結構，如圖1所示。

此控制系統不再采用PLC作為系統的控制核心，而是將STC89C52單片機作為本系統的核心控制器件，通過硬件設計、軟件設計，實現小球自動分揀。

系統的硬件電路設計主要包括單片機、時鐘電路、復位電路、按鍵電路、聲光提示電路、LCD顯示電路、超聲波測距模塊、顏色檢測模塊［2］、電機驅動電路等。

在該控制系統的電路中，時鐘電路用來產生STC89C52工作時所必需的時鐘信號。STC89C52單片機的內部電路在時鐘信號的控制下，嚴格按照時序執行指令，使單片機能夠準確有序的工作。復位電路可以使單片機完成系統初始化操作。當程序出現錯誤或者系統出現操作錯誤使系統處于鎖死狀態無法跳出時，該系統能使單片機跳出“跑飛”或“鎖死”狀態而重新啟動。按鍵電路有兩個功能：第一個功能是實現小球自動分揀系統的檢測啟動控制；第二個功能是實現升降臺的上下移動控制。聲光提示電路則是通過控制蜂鳴器、發光二極管，提示電機運行的各種狀態。LCD顯示電路能夠實時顯示小球的直徑和顏色及系統的其他狀態參數。超聲波測距模塊安裝在一個步進電機控制的升降臺上，通過單片機控制步進電機的運行，進而控制升降臺的運行，從而測出小球的直徑。顏色檢測模塊則是進行小球顏色的識別檢測，并將顏色數據傳送給單片機控制系統。電機驅動電路包括兩部分：一部分是驅動電路通過ULN2003完成升降臺的上下移動，升降臺帶動超聲波測距模塊進行移動，完成小球的直徑測定；另一部分是通過ULN2003驅動步進電機實現小球顏色的分揀控制［3］。

在該控制系統的電路中，單片機是控制系統核心，主要通過運行載入的程序，進行整個系統信號的檢測與處理，對于本系統的控制效果起決定性作用。本研究通過單片機對整個系統控制，完成小球的直徑、顏色等信息的采集，以數字信號的形式進行數據的傳輸、處理，用LCD實時顯示小球的直徑、顏色等信息，同時按照系統的控制流程實現對多個步進電機的控制，完成小球的自動分揀任務，實現相應的操作。

2系統設計要點2.1傳感器選擇2.1.1顏色傳感器選擇考慮顏色傳感器的特性，本文選擇使用GY-33顏色傳感器進行小球的顏色的識別。GY-33是一款低成本的顏色識別傳感器模塊［4］，工作電壓范圍 3～5 V，可識別7種顏色，具有功耗小、體積小、安裝方便、可掉電保存設置等優點。其工作原理是：照明LED光照射到被測物體后，返回光經過濾鏡檢測 RGB 的比例值，根據 RGB 的比例值識別出顏色。本文采用IIC的方式讀取數據，大大節約了單片機I/O口。

2.1.2測距傳感器選擇測量小球直徑的器件很多，主要有激光測距傳感器、位移測距傳感器、超聲波測距傳感器［5］。通過讀取測距傳感器與小球的近端距離、遠端距離，計算距離差值即可獲得小球的直徑。對比多種測距傳感器的特性和應用場所，本文選擇HC-SR04超聲波測距傳感器完成小球直徑的測量。該超聲波測距模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路，可以為系統提供2～400 cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高倒3 mm，滿足本文設計系統的控制要求。

2.2單片機最小系統設計在小球自動分揀控制系統設計中，采用STC89C52單片機為核心控制芯片。該芯片能夠正常工作，則需要與時鐘電路、復位電路、電源接口共同構成單片機最小系統，即單片機正常工作時具備的最少器件的系統。其中，時鐘電路給單片機提供了穩定可靠的時鐘信號，保證單片機穩定正常的工作；復位電路采用了上電和按鍵復位的復位方式，保證單片機有效復位。在整個系統運行過程中出現程序錯誤時，在復位電路的作用下，程序可以重新開始運行。根據本系統的設計要求，確定采用的單片機最小系統電路，如圖2所示。

2.3LCD顯示模塊設計在小球分揀控制系統設計中，LCD顯示電路不僅可以顯示小球的直徑、顏色信息，還可以顯示其他信息，是小球分揀控制系統的重要組成部分。本文中采用的LCD顯示模塊是FYD12864-0402B［6］。該器件具有4位/8位并行、2線或4線串行等接口方式，可以滿足用戶的不同控制需求；該器件內部含有國標簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；該器件的顯示分辨率為128×64像素，內置8 192個16×16點漢字和128個16×8 點ASCII字符集，可以方便地完成圖形、數字、漢字的顯示，完美地構成全中文人機交互圖形界面。將由該模塊構成的顯示電路與同類型的其他圖形點陣液晶顯示電路比較可知，該器件構成的硬件電路結構和相應的顯示程序都更加簡潔，且價格更低。本文中的FYD12864-0402B顯示模塊采用3線串口方式進行數據的傳輸與顯示，大大節約了單片機的端口，為系統功能擴展提供了條件。本系統中LCD顯示電路，如圖3所示。

2.4超聲波測距模塊在小球分揀控制系統設計中，超聲波測距模塊是用來測量小球的直徑。本文中采用的超聲波測距模塊是HC-SR04。該測距模塊可以為系統提供2～400cm的非接觸式的距離感測功能，其測距精度可以達到 3 mm；該測距模塊包括超聲波發射器、接收器和控制電路。該測距模塊采用I/O 口 TRIG觸發測距，通過單片機的端口提供至少10 μs 的高電平信號。測距模塊自動發送8個40 kHz的方波，自動檢測是否之后是否有信號返回。如果檢測到信號返回，就會通過 I/O口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是該超聲波從發射出去到返回的總時間。該時間由單片機檢測可得。通過測距公式，即可獲得距離值，測距公式為：測試距離=（高電平時間×聲速（340 M/s））/2。本系統通過兩次檢測升降臺到位情況，取兩次距離的差值，即可得到小球的直徑。本系統的超聲波測距模塊與單片機的接口電路，如圖4所示。超聲波的VCC引腳接5 V電源，GND引腳接地線，TRIG觸發控制信號輸入端與單片機的P2.3口相連，ECHO回響信號輸出端與單片機的P2.2口相連。如此構成了超聲波測距電路。

3系統軟件設計在小球自動分選控制系統中，硬件電路的設計提高了小球分揀的效率，軟件程序的設計也非常重要。該系統程序設計主要涉及了主程序、LCD顯示子程序、顏色采集子程序、超聲波測距子程序、按鍵子程序、電機驅動子程序、定時器中斷服務程序、外中斷服務程序等。從整體上來看，系統主要按照顏色采集—超聲波測量小球直徑—驅動電機運轉的操作過程完成任務，實現小球的自動分揀控制。

在主程序中，主要實現了開機動畫、系統初始化、調用顏色采集子程序、調用電機驅動子程序、調用按鍵子程序。同時，在LCD液晶顯示屏上顯示出小球的相關信息。主程序流程如圖5所示。

在初始化中，主要完成單片機的系統初始化、定時器初始化、外中斷初始化、LCD液晶顯示器件的初始化、步進電機和舵機的初始化等工作。

在顏色采集子程序中，通過GY-33進行小球顏色的檢測，將顏色的相關數據送給單片機進行處理，最終在LCD液晶顯示器上顯示。

在電機驅動子程序中，進行兩種功能的設計。第一種功能是通過控制超聲波測距升降臺的移動，完成小球直徑的測量，并將小球直徑的相關數據顯示到LCD液晶顯示器。第二種功能是根據不同小球的檢測結果，開啟相應的小球收納盒，收集相應的小球。

在按鍵子程序中，主要完成小球自動分揀系統的啟動和升降臺的上下移動控制。定時器中斷服務程序及外中斷服務程序，用于跳出不同情境中的步進電機運行的死循環程序。

4系統調試本文設計的小球自動分揀控制系統，調試包括兩個部分。

4.1仿真調試

選擇使用PROTEUS仿真軟件來進行調試，檢驗設計是否符合要求。該仿真軟件可以進行簡單的單片機控制系統的模擬仿真，也可以進行復雜控制系統的模擬仿真。在該軟件中完成了該系統的仿真調試，確認各個模塊工作正常，即確認各個相關的硬件電路和軟件程序的設計正確。

4.2實物調試

通過搭建電路，載入程序，在實際控制系統中檢測系統功能。在實物調試中，出現兩個問題：一是步進電機帶動升降臺上升后無法停機。采用外部中斷信號，處理外部中斷服務程序實現步進電機帶動升降臺上升后準確停機。二是開啟相應的小球收納盒的電機不能正常工作。采用ULN2003完成本系統中步進電機驅動電路的設計，實現準確控制步進電機開啟相應的小球收納盒。

5結語基于STC89C52單片機設計小球自動分揀控制系統，對于改變傳統的小球分揀系統的控制提供了理論支持。該系統成本更低、精準度更高、速度更快。對此，本文研究一種以STC89C52單片機為控制核心的小球自動分揀控制系統，具有一定的實用價值。

參考文獻

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［2］潘澤鍇，朱雪花，陳俞文.基于顏色傳感器的流水線物品分揀系統［J］.科技和產業，2021（2）：207-210.

［3］李娟，馬利祥.步進電機控制系統設計［J］.科學技術創新，2021（8）：191-192.

［4］鄒華東，賈瑞清，錢禮潤.基于TCS230的雙路顏色傳感檢測裝置的研制及應用［J］.現代電子技術，2018（14）：24-28.

［5］帥盼，張海寧，白福，等.基于超聲波測距的汽車倒車避障系統設計［J］.研究與開發，2016（10）：54-57.

［6］葛耿育.基于STC89C52的LCD12864液晶串并行顯示設計［J］.遵義師范學院學報，2016（5）：98-101.

（編輯 姚鑫）

Design and application of ball automatic sorting control system based on

STC89C52 microcontrollerDu? Juan

（Jiuquan Vocational and Technical College， Jiuquan 735000， China）Abstract： The application of small ball automatic sorting control in peoples production and life is of great significance. At present， the most widely used way is to realize the automatic sorting of small balls through PLC， motor， mechanical arm， limit switch， proximity switch and other devices. The system designed by this control method has slow sorting speed， inconvenient operation and high manufacturing cost. Considering the universality and cost of the system， the promotion of this kind of system is very limited. In addition， in case of failure， the maintenance is very inconvenient. Therefore， this paper studies the design scheme of small ball automatic sorting control system based on STC89C52 single chip microcomputer， and explores a design scheme of small ball automatic sorting control system with high intelligence， flexible and convenient operation， safe and reliable performance.

Key words： STC89C52 single chip microcomputer; color detection; ranging; control; system design