蔡晨暉　王興波

摘 要：馬賽克自動(dòng)鋪貼機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，就是對(duì)馬賽克顆粒的識(shí)別與分離，涉及到顏色識(shí)別、光學(xué)測(cè)距、機(jī)電器件控制等技術(shù)問題。本文基于一種馬賽克自動(dòng)鋪貼機(jī)的需求及其機(jī)械設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了所需顆粒分離與控制的電路系統(tǒng)，包括顏色分選與控制電路、電源輸入電路、顏色傳感器電路、繼電器工作電路、復(fù)位電路等電路。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)基于顏色識(shí)別的馬賽克分離與控制，達(dá)到了預(yù)期效果。

關(guān)鍵字：馬賽克；鋪貼；自動(dòng)化；控制電路

1 引言

馬賽克自動(dòng)鋪貼機(jī)是建材機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的課題[1]。早在上個(gè)世紀(jì)80年代末，國(guó)內(nèi)就開展了馬賽克鋪貼器的研究。1988年陳剛昌發(fā)明了一種馬賽克鋪貼器的專利技術(shù)[2]；1993年韓起文發(fā)明了玻璃馬賽克雙向快速鋪擺機(jī)[3]；1995年廣東新會(huì)玻璃廠與五邑大學(xué)合作開展了馬賽克自動(dòng)鋪貼生產(chǎn)線的研究[4]；2006年霍賴河發(fā)明了一種馬賽克自動(dòng)分選鋪貼機(jī)[5]；2007年陳順利、郭安華發(fā)明了馬賽克自動(dòng)鋪磚機(jī)[6]；2008年郭安華、陳順利發(fā)明了馬賽克瓷磚全自動(dòng)收磚鋪貼線[7]；同年潘燦強(qiáng)、 朱康盛也設(shè)計(jì)出了一種全自動(dòng)鋪貼系統(tǒng)及其自動(dòng)識(shí)別反向裝置[8]。2010年陳耀灶設(shè)計(jì)了一種馬賽克鋪貼設(shè)備[9]。盡管這些研究涉及到馬賽克自動(dòng)鋪貼的多種技術(shù)，但至今未見國(guó)產(chǎn)成熟產(chǎn)品與技術(shù)報(bào)道。

在廣東省產(chǎn)學(xué)研重大課題的支持下，筆者所在的團(tuán)隊(duì)從2012年就開始了馬賽克自動(dòng)鋪貼機(jī)的研究與開發(fā)[10-14]。文獻(xiàn)[10]給出了一種自動(dòng)鋪貼機(jī)的設(shè)計(jì)思想及其機(jī)械設(shè)計(jì)。本文基于相應(yīng)的設(shè)計(jì)思想給出了所需控制電路的設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及工作原理

馬賽克自動(dòng)鋪貼機(jī)包括機(jī)械部分與電路部分。相關(guān)的機(jī)械部分的設(shè)計(jì)及其工作原理已在文獻(xiàn)[10]中給出，這里不再贅述。本文敘述相關(guān)電路控制部分設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 設(shè)計(jì)思想

根據(jù)文獻(xiàn)[10]的機(jī)械設(shè)計(jì)原理，電控系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)以下功能及控制。

（1）顏色傳感器對(duì)顆粒顏色信息的獲取及向控制單元的傳遞；

（2）控制單元對(duì)繼電器的控制以及繼電器對(duì)一級(jí)、二級(jí)機(jī)械閥門的開、關(guān)控制；

（3）適配顆粒的選擇及不適配顆粒的分離。

基于以上功能需求，結(jié)合機(jī)械部分已經(jīng)設(shè)計(jì)的可開閉機(jī)械閥（以下簡(jiǎn)稱閥門），考慮到成本以及控制精度諸方面的因素，電控系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)為控制單元，選用TCS230顏色傳感器、DS2Y-S-DC5V繼電器以及推拉式電磁鐵為主要器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)主要基于顏色識(shí)別，通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制繼電器控制電磁閥，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)顆?；郎峡砷_閉機(jī)械閥的開閉控制。系統(tǒng)的總體組成示意圖如圖1所示。

基于上述系統(tǒng)組成，系統(tǒng)的顏色分選與控制電路作業(yè)流程如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的作業(yè)流程，本文設(shè)計(jì)了顏色分選與控制電路。為了使電路圖清晰明朗，電路圖只提供分選與控制部分，如圖3所示。其工作原理為：使用DC電源插座或者USB母座提供外部電源，為顏色分選與控制電路提供

+5 V的直流電壓。通過下載接線口，將已經(jīng)編譯好的程序代碼下載到AT89S52單片機(jī)中。該程序的主要功能是將預(yù)設(shè)顏色與顏色傳感器檢測(cè)到的顏色進(jìn)行對(duì)比，從而控制電磁鐵來控制閥門開閉。如果對(duì)比的顏色不一致，單片機(jī)的P3口將置高電平，繼電器12閉合，電磁鐵拉回推桿使閥門打開，舍棄顆粒；若顏色一致則單片機(jī)的P3置低電平，繼電器13閉合，電磁鐵推開推桿使閥門關(guān)閉，讓顆粒通過下一級(jí)。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)可知，系統(tǒng)所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有：1）傳感器與單片機(jī)的關(guān)鍵接口；2）單片機(jī)與電磁鐵的接口。

3.1 傳感器與單片機(jī)的關(guān)鍵接口技術(shù)

本設(shè)計(jì)所使用的顏色傳感器為TCS230顏色傳感器。根據(jù)其技術(shù)手冊(cè)[15]可知，S2和S3口用來檢測(cè)顆粒的顏色，OUT則將檢測(cè)到的顏色發(fā)送到單片機(jī)中，與預(yù)設(shè)顏色進(jìn)行對(duì)比，其電路圖如圖4所示。為了使顏色傳感器正常工作，需要先對(duì)傳感器進(jìn)行定時(shí)，計(jì)算器0初始化，T2串口時(shí)鐘初始化、延時(shí)以及中斷的設(shè)置。

代碼如下：

void t0_init（） /*T0初始化*/

{TMOD=0x51； TH0=0xfc； TL0=0x66；

EA=1；ET0=1；TR0=1；TR1=1；}

void Time2_init（void） /*T2串口時(shí)鐘初始化*/

{EA = 1； T2MOD = 0；T2CON = 0x10；SCON = 0x50 ；

TH2=（65536-36）/256；TL2=（65536-36）%256；RCAP2H = （65536-36）/256；

RCAP2L=（65536-36）%256；TR2=1；TI=1；}

void delayms（unsigned char ms） /*延時(shí)*/

{unsigned char i；while（ms--）{

for（i=0；i<120；i++）；}}

void c1ms_out（） interrupt 1 /*中斷*/

{TR0=0；TR1=0；disp_tc=disp_tc+1；

TH0=0xfc；TL0=0x66+TL0；TR0=1；TR1=1； }

TCS230顏色傳感器能夠識(shí)別一個(gè)連續(xù)光譜帶的RGB顏色并且非常敏感。為此，筆者在程序中對(duì)顏色做了一個(gè)近似化處理?；舅悸啡缦拢簩㈩伾凑粘Ｒ姽I(yè)產(chǎn)品色調(diào)的基準(zhǔn)分類為32種顏色，利用HSV與RGB轉(zhuǎn)換的模型，將RGB顏色轉(zhuǎn)換成HSV模型。這樣可以避免傳感器過于敏感而導(dǎo)致識(shí)別的失誤。此工作需要在T2串口時(shí)鐘初始化時(shí)進(jìn)行初始化處理（見前述函數(shù)time2_init（）相關(guān)的語句）。限于篇幅，筆者將在另文給出具體實(shí)現(xiàn)過程，這里不贅述。

3.2 單片機(jī)與電磁鐵的接口技術(shù)

電磁鐵與繼電器連接，是用來控制機(jī)械閥門分揀馬賽克顆粒的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)的P3口控制電磁鐵執(zhí)行操作。當(dāng)上述檢測(cè)到的顏色與預(yù)設(shè)顏色一致時(shí)，單片機(jī)將P3口置高電平，驅(qū)使繼電器13閉合，使電磁鐵推開推桿，關(guān)閉閥門，讓符合要求的顆粒通過下一級(jí)；否則繼電器12閉合，舍棄不合要求的顆粒。其設(shè)計(jì)的電磁鐵工作電路圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及效果

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，經(jīng)PCB制版并燒制程序，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的制作。圖6為系統(tǒng)硬件的照片，該系統(tǒng)配置在馬賽克自動(dòng)鋪貼機(jī)上，達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié)論與展望

馬賽克自動(dòng)鋪貼一直是我國(guó)馬賽克生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)瓶頸。經(jīng)過幾年研究和實(shí)驗(yàn)，多色復(fù)雜圖案的馬賽克自動(dòng)鋪貼系統(tǒng)基本完成。電控部分是智能制造的核心技術(shù)之一，該領(lǐng)域的諸多研究仍處在探索階段，本文所給出的僅僅是筆者的一個(gè)探討和實(shí)踐嘗試。筆者希望本文能夠拋磚引玉，給廣大設(shè)計(jì)者以參考，帶來更多有價(jià)值的成果。

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