基于STM32的自动分拣系统设计

临沂大学自动化与电气工程学院 庞道恒 王春梅 冯 洋 封 南 于昊田 马汝强

自动化分拣系统能够准确地将货物识别并将其放置到准确位置是重要的一环，利用STM32单片机原理设计并制作了一个的自动分拣系统，以32单片机作为控制核心，通过程序控制机械臂在规定范围内将目标物体搬运至指定位置并将其平稳准确地放置在各种不同高度的架子上。控制系统通过选择基础单元元件来完成系统程序的初始化，机械关节的转动、自动检修和排除故障等，出色地完成操作人员指定任务要求，大大的提高了工作效率。

1 自动分拣系统的总体设计

自动分拣机械臂操作系统由控制单位、识别单元及自动分拣单元组成。其核心装置首先对物体进行识别，并向接收单元发出信号，接下来机械臂控制系统将根据内部程序对不同的信号进行自动识别分类。

这些信号可以通过多种多样的方式进行，比如条形码等等，还包括语音识别等方式，控制系统通过对输入信号进行判断，来决定某一种货物的不同处理方式。自动分类系统可以对控制中心发出的指令进行不同限制，当拥有规定信号的货物经过该装置时进行检测时，系统开始工作。自动分拣道口可以将已经分拣出的货物送入集装区域，在这之后工作人员会将该道口的货物集中入库进行储存，之后组配装车并进行配送作业。

2 系统设计

2.1 自动分拣系统的硬件设计

在硬件系统中，由于采用了模块化的思路，将整个电路分为了各自不同功能的设计模块，其中包括中央处理器采用STM32单片机做为控制模块核心，显示模块单元采用LCD型号的液晶显示屏，驱动部分则是使用了步进电机来对货物进行运输工作。此外还包括电源电路，晶振电路和复位电路。

2.2 自动分拣系统的特点

（1）可靠平稳的运输处理。输送带的运输的速度是完全受到程序控制。所以货物不会在运输过程中改变原有既定的方向和位置，也不会因为不会传输带加速或减速的时候发生损坏。

（2）分拣系统是由直线电机驱动无刷直流电机进行控制，这使整个驱动系统中极大程度地消除了机械之间的摩擦接触，并且在主控系统与单元之间的数据交换中采用了红外通讯，都使得整个系统易维护性和可靠性极高。

（3）系统设计具有灵活性。因为系统是由设定好的不同模块组成，使得其能够大幅度简化安装。此类系统十分适合于不同楼层和较低高度建筑，这极大地节省了时间和空间，更好地适应工作场地。

2.3 自动分拣系统的功能

（1）分拣处理过程无货物损害现象。系统装置可以使货物的运输过程中运行平稳，避免出现因高度落差带来的磨损情况。

（2）效率高，噪音低。得益于其自身结构的设计，使其能够达到了工作过程中保持高效率以及低噪音，且可以连续几个小时内集中处理极多物品，大幅度提升工作效率。

（3）该设备在自身的基础上，还加上了了相应的网络技术，能够与5G技术相互配合，将物品的相关信息进行联网处理，并将成为信息网和实物网相结合的重要部分。

（4）自动化程度高。系统能够自动对不同物品的不同的分拣处理，例如易碎物品，系统将自动对其进行慢速谨慎处理。这表明其能够在不同环境，不同情况中保持其对于精确的位置方向的货物的处理能力，并能对物品尺寸变化的情况作出相应判定。

2.4 主控芯片

系统主控芯片是中央控制系统的主要信息处理单位，是控制系统的核心。系统主控芯片采用STM32F103单片机作为系统主控制器，优点在于调试起来比较方便，带有丰富功能，价格较便宜等，更加贴合项目的制作。

2.5 控制系统的组成结构

系统的控制系统部分一般以各部分协同工作来完成任务，还包括了相应系统的硬件部分和控制软件部分，来完成对系统的操作。机械臂控制部分是由具有不同结构，不同功能的装置组成，通过其内部传感器来采集数据对自身和外界构建联系。机械手系统所处在的环境，并能够将它们存储存在控制机中，主控制器相当于机械手的头脑，以运行程序的方式去完成给定的任务。

控制系统包括了感知部分，控制部分，驱动部分三部分。感知部分是负责收集内部和外部的信息，通过位置的移动来感知装置的状态，此外还可以通过openmv等传感器来感知工作环境的外部情况。控制装置处理信息，对于不同的情况来发出不同命令，驱动部分的各关节可以选用气压驱动，液压驱动和电气驱动等方式进行运作来使其完成操作。

驱动部分包括步进电机和机械手。为了使四相步进电机的工作方式步距角小，输出更平滑，所以采用八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA）工作方式。需要去控制核心单片机的IO口来使得芯片能按照顺序输出的低电平即可完成对步进电机转动的一次循环进行工作，而只需要把上面的顺序反过来操作，即可按照相反的方向进行转动，顶端平面固定的机械臂由单片机控制旋转角度，对货物拿起和放置到指定位置。

系统感应部分包括有定向压力传感器和温湿度传感器两部分。系统采用了压电型电阻传感器，传感器是结合了微电机设计技术，能够为模拟输出信号提供出一个均匀恒定定向压力。

显示部分采用的是LCD显示屏，不会出现任何的几何失真或线性失真且不会出现色彩失真，面积较大，拥有着高质量的画质，而且显示器的质量轻，厚度薄，因此移动方便，LCD脉冲图如图1所示。

图1 LCD脉冲图

2.6 自动分拣系统的软件设计

本系统除了有STM32单片机作为控制电路核心以外，还包括有压力传感器和温湿度传感器对数据进行收集，主控部分配合已收集距离数据计算目标尺寸大小并确定模块位置三部分组成。顶端平面固定的机械臂由单片机控制旋转角度，结合算法进行计算和定位，由LCD模块显示目标数据。一键矫正机械手的抓放工件的位置、点动调试机械爪的位置、传输带的速度调试等。在按下启动键之后，传输带启动，传输工件至检测部分，进行重量与体积识别，并且将工件信息上传至主控制器。主控制器发送指令给轴直角坐标系对工件进行抓取，并将工件放入立体仓库中，如图2所示。

图2 系统框架图

3 整体调试

本自动分拣系统最关键的部分是机器视觉检测，在整个系统运行的过程中识别条形码或二维码的信息从而能够连续、大批量的对物体进行分拣。系统的误差率取决于所输入信息的准确性，如果条形码出现错误，则系统识别也将相应地发生错误。所以仍需要相应的操作人员参与其中，因此分拣系统在除特殊情况下，基本能够实现自动化无人化。

结论：机械臂自动分拣系统的出现极大地解放人的双手，机械装置能够替代人员去从事与危险的恶劣环境，以及绝大部分繁重，重复性劳动，在保证货物质量的情况下，大幅度提高工作效率。

随着现代科学技术日新月异的发展和在相关技术应用在实际生产过程中得到的实践，机械臂操作系统技术方面的研究也得到了不断的创新，并将为社会创造巨大的财富。