材料分拣系统控制系统设计(单片机)

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毕业设计题目：材料分拣系统控制系统设计（单片机）

入学年月2013年

姓名代xxx

学号110xxxxx

专业机电一体化

联系方式 13xxxx

学习中心 xxxxx

指导教师XXXXXXX___

完成时间2013年X月XX日

1 绪论 (1)

1.1 自动分拣系统的定义 (1)

1.2 自动分拣系统研究现状及发展趋势 (1)

2 系统硬件设计 (2)

2.1 传感器的选型 (2)

2.1.1 电感式传感器 (2)

2.1.2 电容式传感器 (3)

2.1.3 颜色传感器 (5)

2.2 限位开关的设计 (6)

2.3 电磁阀的设计 (7)

2.4 PLC的选型 (8)

2.5 PLC输入输出接线端子图 (9)

3 系统软件设计 (10)

3．1 控制系统流程图设计 (10)

3.2 PLC梯形图程序设计 (11)

3.3 整体梯形图 (12)

3.4 PLC程序指令表 (12)

4 总结 (14)

参考文献 (15)

1 绪论

1．1 自动分拣系统的定义

自动分拣是指货物进入分拣系统到指定的分配位置为止，都是按照系统设定的指令靠自动装置来完成的。自动分拣系统一般由控制装置、分类装置、输送装置及分拣道口组成。控制装置的作用是识别、接收和处理分拣信号，根据分拣信号的要求指示分类装置、按商品品种、按商品送达地点或按货主的类别对商品进行自动分类。这些分拣需求可以通过不同方式，如可通过条形码扫描、色码扫描、键盘输入、重量检测、语音识别、高度检测及形状识别等方式，输入到分拣控制系统中去，根据对这些分拣信号判断，来决定某一种商品该进入哪一个分拣道口。1．2 自动分拣系统研究现状及发展趋势

我国自动分拣机的应用大约始于1980年代,近期的市场兴起和技术发展始于1997年。自动分拣的概念先在机场行李处理和邮政处理中心得到应用, 然后普及到其他行业。随着业界对现代化物流的实际需求的增长,各行业对高速精确的分拣系统的要求正在不断地提高。这一需求最明显地表现在烟草、医药、图书及超市配送领域, 并有望在将来向化妆品及工业零配件等领域扩展。这些领域的一个共同特点是产品的种类繁多、附加值高、配送门店数量多、准确性要求高和人工处理效率低等特点。

随着社会的不断发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个生产企业都迫切地需要改进生产技术，提高生产效率，尤其在需要进行材料分拣的企业，以往一直采用人工分拣的方法，致使生产效率低，生产成本高，企业的竞争能力差，材料的自动分拣已成为企业的唯一选择。

目前自动分拣已逐渐成为主流，因为自动分拣是从货物进入分拣系统送到指定的分配位置为止，都是按照人们的指令靠自动分拣装置来完成的。这种装置是由接受分拣指示情报的控制装置、计算机网络，把到达分拣位置的货物送到别处的的搬送装置。由于全部采用机械自动作业，因此，分拣处理能力较大，分拣分类数量也较多；另外组态软件的的发展，为物料分拣系统增添了新的活力。

2 系统硬件设计

2．1 传感器的选型

2.1.1 电感式传感器

此传感器接近开关属于有开关量输出的位置传感器，用来检测金属物体。它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化。由此，可识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。本系统用该器件来检测铁质材料。

电感式接近传感器选择LE4-1K，技术参数如表3.1：

表3.1 电感式传感器技术参数

工作电压 10-30V

额定电流 200MA

感应距离 4mm

图3.1 电感传感器工作原理图

图3.2 电感传感器LE4-1K成品图

电感传感器介绍：由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。

2.1.2 电容传感器

此传感器属于具有开关量输出的位置传感器，是一种接近式开关。它的测量头通常是构成电容器的一个极板,而另一个极板是待测物体的本身。当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化。由此，便可控制开关的接通和关断。本装置中电容传感器是用于检测铝质材料。

电容式传感器选择OMRON的E2K—X81ME1型，技术参数如表3.2：

表3.2 电容式传感器技术参数

工作电压 10-30V

额定电流 200MA

感应距离 8mm

图3.3 电容传感器工作原理图

图3.4 电容传感器E2K—X81ME1成品图

电容传感器介绍：用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电学量转换为电学量而后输入之。通常把非电学量变换成电学量的元件称为变换器；根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置称为传感器，而被测的力学量（如位移、力、速度等）转换成电容变化的传感器称为电容传感器。从能量转换的角度而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量；这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。另外，在有些条件下，这些力学量变化相当缓慢，而且变化范围极小，如果要求测量极小距离或位移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求，在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到1～5 μm数量级；而有一种电容测微仪，他的分辨率为0.01 μm，比前者提高了两个数量级，最大量程为100±5 μm，因此他在精密小位移测量中受到青睐。

对于上述这些力学量，尤其是缓慢变化或微小量的测量，一般来说采用电容式传感器进行检测比较适宜，主要是这类传感器具有以下突出优点：

(1)测量范围大其相对变化率可超过100%；

(2)灵敏度高，如用比率变压器电桥测量，相对变化量可达10-7数量级；

(3)动态响应快，因其可动质量小，固有频率高，高频特性既适宜动态测量，也可静态测量；

(4)稳定性好由于电容器极板多为金属材料，极板间衬物多为无机材料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高温、低温强磁场、强辐射下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题。

2.1.3 颜色传感器

此传感器属于具有开关量输出的位置传感器。它是在Si等多数光电二极管之前，分别放置R（红）、G（绿）、B（蓝）三种颜色的彩色滤光器，以便处理各自的输出信号并识别彩色的方法。材料分拣系统采用它主要是用来识别绿色与黄色的材料。本系统共设置了三个检测材料的传感器，同时预留了一个空余的电磁阀与气缸用来添加其它的传感器。用户可以根据自己的需求选择相应的传感器安装即可。

选用TAOS公司生产的，型号为TCS230颜色传感器。此传感器为RGB(红绿蓝) 颜色传感器，可检测目标物体对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。TCS230传感器引脚如下图所示。

图3.5 TCS230颜色传感器

图3.6 颜色传感器TCS230成品图

RGB 颜色传感器介绍：

TCS230是美国TAOS公司生产的一种可编程彩色光到频率的转换器。该传感器具有分辨率高、可编程的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点；输出为数字量，可直接与微处理器连接。它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上还集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。TCS230的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其它逻

辑电路相连接。由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单。TCS230采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二极管。这些二极管共分为四种类型。其中16个光电二极管带有红色滤波器，16个光电二极管带有绿色滤波器，16个光电二极管带有蓝色滤波器，其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息。这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光幅射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；另一方面，相同颜色的16个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差。工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器。该传感器的典型输出频率范围从2Hz~500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100%、20%或2%的输出比例因子，或电源关断模式。输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。

当入射光投射到TCS230上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3的不同组合，可以选择不同的滤波器；经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波(占空比是50%)，不同的颜色和光强对应不同频率的方波；还可以通过输出定标控制引脚S0、S1选择不同的输出比例因子，对输出频率范围进行调整，以适应不同的需求。

S0、S1用于选择输出比例因子或电源关断模式；S2、S3用于选择滤波器的类型；OE是频率输出使能引脚，可以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共用微处理器的输入引脚时，也可以作为片选信号；OUT是频率输出引脚，GND是芯片的接地引脚，VCC为芯片提供工作电压。表2是S0、S1及S2、S3的可用组合。

表3.3 S0、S1及S2、S3 的组合选项

S0 S1 输出频率定标 S2 S3 滤波器类型

L L 关断电源 L L H H 20% L H L H 20% H L L H 100% H H 红色蓝色无绿色

2.2 限位开关的设计

限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。这种开关有接触式的和非接触式的。接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装上行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的“超行程”以保护开关不受损坏。非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式、感应式等。

材料自动化分拣系统中,气缸回位限位开关、气缸动作限位开关都选用D—C73型号的磁感应开关，控制功率高、作用距离大、结构简单、成本低、工作稳定可靠、寿命长。适合用于自动控制系统中，进行自动检测、定位、保护等。它的技术参数如表3.4所示：

表3.4 限位开关的技术参数

额定电压DC24V AC110V

额定电流DC：5~40mA AC: 5~20mA

而震程度10~50HZ

使用温度0~60摄氏度

2.3 电磁阀的设计

ABS压力调节器的4个常开进油电磁阀的最大起动电流约为3.6 A;4个常闭出油电磁阀最大起动电流约为2.4 A。而L9439的工作电压4.5～32 V，两路通道内阻0.2Ω，最大负载电流3A；另两路内阻0.3Ω，最大负载电流5A，恰好能满足ABS常开和常闭电磁阀的驱动电流要求，而且较低的导通内阻又能保证低功耗，因此L9349非常适合进行ABS电磁阀的驱动控制。电磁阀驱动电路原理图见图3.7。

图3.7 电磁阀驱动电路原理图

在图中，每片L9349能驱动4个电磁阀工作，属于典型的低端驱动。通过Vs端口给芯片提供12V供电电压；当给输入端IN1～IN4 PWM控制信号，就能方便地控制输出端以驱动4路电磁阀工作，OUT1和OUT2端口的最大驱动能力为5A，应该连接ABS的常闭电磁阀；OUT3和OUT4端口最大驱动能力为3A，应连接ABS 常开电磁阀，不可接反；EN端口为使能端，能通过MCU快速关闭芯片；L9349

的数字地和模拟地分开，提高了驱动模块的抗干扰能力。

2.4 PLC的选型

根据材料分拣系统的工作过程由可知，系统的控制有输入信号12个，均为开关量。输出信号有5个，其中一个控制电动机，剩下的控制电磁阀，也都是开关量。

根据分拣系统的需要配置出I/O对应功能，如表3.5所示：

表3.5 I/O接线表

输入部分

X010 SFW2

X011 SFW3

气缸动作限位开关

电感传感器

电容传感器

颜色传感器

气缸回位限位开关

判断下料有无

(下料传感器) X017

X013

X000

X001

X002

X005

X006

X007

X015

X014

SFW4

SFW5

SBW2

SBW3

SBW4

SBW5

输出部分Y000

Y001

Y003

Y004

Y005

YV2

YV3

YV4

YV5

先导式电磁换向阀11

先导式电磁换向阀10

先导式电磁换向阀 9

先导式电磁换向阀13

传送带

再根据PLC选型的要求，在实际统计的输入/输出点数的基础上需15%---20% 的备用量，因此选择三菱FX2N—32MR的PLC作为主机，它可以满足本系统的需求，且还有一定的剩余I/O以备将来的扩展。

2.5 PLC输入输出接线端子图

根据表3.5，利用AutoCAD绘图软件可以绘制出PLC的输入输出接线端子图，如下图3.8所示。

图3.8 PLC输入输出接线端子图

3 系统软件设计

软件设计是PLC控制系统的核心，程序设计的主要任务是根据控制要求及工艺流程，画出状态流程图并设计出梯形图。材料自动分拣系统采用三菱公司的FXFP_WIN_C作为编程软件，此软件是专为三菱PLC而设计的编程软件，适用于FX型号的PLC。可以通过梯形图符号、指令语句以及SFC符号创建编辑程序，还可以在程序中加入中文或者英文注释，并且还可以通过该软件监控PLC运行时各编程元件的状态及数据变化，还具有程序和监控结果打印的功能。

3.1 控制系统流程图设计

根据系统生产工艺的要求，分析各个设备的操作内容和操作顺序，可画出程序流程图，如下图4.1所示。

图4.1 控制系统流程图

该系统可选择连续或单次运行工作状态。若为连续运行状态，则系统软件设计流程图中的汽缸4 动作后，程序再转到开始;若为单次运行，则汽缸4 动作后停机。如果需要，该系统可在分拣的同时对分拣的材料进行数量的统计，这只需在各汽缸动作的同时累计即可。应用高速计数器编制程序，可以实现系统的定位控制功能。用高速计数器计数步进电机转过的圈数，来确定物料到达传感器的距离，实现定位功能。定位时，电机停转，计数器清零，传感器开始工作，对物料进行分拣处理。在汽缸1～3 动作后，电机重新运行，高速计数器也重新计数。

如果相应的传感器没有检测到物体，则电机重新运行，高速计数器也重新计数，继续运行到下一位置。如果只对材料的某一特性进行分拣，比如只分拣金属和非金属，则只需对传感器的安放或程序进行修改即可。

3.2 PLC梯形图程序设计

根据材料自动分拣系统的要求设计出梯形图，梯形图的部分程序分析如下：

1、启动材料自动分拣机，开关X014判断是否有材料，无材料系统运行30S 后自动停下，送料汽缸启动电机停止转动，汽缸限位开关运作，传送带停止动作。

2、开关X014判断有无材料，如有材料，汽缸限位开关运作，系统每隔2S 送一次料，系统开始自动分拣动作。

3、开关X0、X2、X1传感器开关开始运作，如检测到相对应的材料，则汽缸运作推动物体到相应的物品槽里，如无检测到相应的物体，则继续运作到下个传感器进行检测，检测完毕自动进行结束。然后继续下一轮的检测。

3.3 整体梯形图

3.4 PLC程序指令表

根据系统的程序流程图，设计出材料自动分拣系统中PLC程序的指令表：

LD M71

OUT F671

K600

OUT F672

K647

OUT F670

K26

LD X20

ANI X21

ANI T450

OUT Y005

LD X014

AND X016

OUT Y004

LDI X016

OUT T450

LD X0005

ANI X0000

AND X010

OUT Y000

LD X0007 AND X011

ANI X0001

OUT Y001

LD X0006

AND X012

ANI X0002

OUT Y002

LD X015

AND X013

ANI X003

OUT Y003

END

程序表

4 总结

这次的毕业设计制作过程中，感触最多的就是知识面的匮乏，此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来工程师重要的一步。从最初的选题，开题到选型、制作直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改PLC

程序，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。

实际的设计工作中，出现了不少难题：传感器很容易受到外界因素的干扰；PLC的选型以及程序的设计；组态仿真调试监控等。通过多次试验与实践，以上问题基本上得到了解决。

根据自动分拣系统的任务书，由于时间的仓促和知识面的狭窄，导致了一些性能没有达标。如传感器模块，没有使用到光电传感器测量尺寸，也没有扎实的去学习气动装置的相关知识，进一步的提高材料自动分拣系统的输出性能。

如何进一步提高材料自动分拣系统的控制性能，工作展望如下:

一、进一步提高传感器的性能，找出一系列可靠的参数，实现系统的稳定。

二、进一步研究PLC在材料自动分拣系统的核心控制能力，努力改进出更精简更实效的程序。

三、进一步分析MCGS组态仿真软件材料自动分拣系统中的调试监控能力。

四、进一步分析研究各种分拣系统地优劣，比如以PLC为控制核心的材料自动分拣系统和以RAM芯片为控制核心的材料自动分拣系统，提高材料分拣系统的综合性能，研究出对现代工业更加有用的材料自动分拣系统。

毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的编写程序的能力，懂得了许多经验功能的应用，获得是前人不懈努力的结果。同时，加深了对组态软件的认识，能熟练使用MCGS对系统进行监测和控制。

在材料自动分拣系统的研究中，我进一步了解了物料自动分检控制系统的用途及工作原理，熟悉了物料自动分检控制系统的设计步骤，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。

参考文献

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2 梅晓榕，柏桂珍，张瑞．自动控制元件及线路．科学出版社,1993年8月

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11 MCGS培训教程．北京昆仑通态自动化软件科技有限公司

12 张文明，刘志军．组态软件控制技术．清华大学出版社．北京交通大学出版社

13袁秀英.组态控制技术，北京：电子工业出版社,2003.8。