基于单片机控制的自动喷涂生产线系统设计
时间：2023-02-08 15:20:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张迎春，王彩凤，田庆敏，李 宇
(江苏航空职业技术学院 航空工程学院，江苏 镇江 212134)
以前的涂料喷涂采用人工或半自动化涂覆方式完成，人工成本、生产成本提高，产品不能标准化，产品质量得不到保障，而且一般的涂料都有一定的污染性，人工劳动损耗较大[1]。随着信息化、自动化、智能化技术的发展，自动涂料喷涂控制器应运而生，主要是在产品的表面按照一定的规格要求涂覆不同颜色的涂料，喷涂速度快且均匀，产量大，一般是人工出品的4～5倍[2-4]。根据所需喷涂的材质可将自动喷涂设备划分为3类：五金件材质喷涂设备[5]、塑胶材质喷涂设备、木器材质喷涂设备。本设计基于单片机控制的模拟自动喷涂生产线系统，可以适应恶劣工作环境，生产过程自动化，可精确控制涂层的厚度及漆面均匀度，对生产实际和“单片机应用技术”课程教学具有指导意义。
自动喷涂生产线系统主要由电源、AT89S52单片机主机、传感器、继电器、喷涂机械手、键盘输入、数码管显示等模块组成，系统结构框图如图1所示。自动喷涂生产线的自动喷涂设备可根据用户需求设置喷涂工艺，根据工艺要求进行自动化涂料选择、喷涂次数、运动行径控制。加工立面效果示意图详见图2。
图1 系统结构框图
图2 加工立面效果示意图
系统设定需要加工的工艺图案、漆面厚度后，喷涂机械手开始工作。通过传感器识别涂料颜色，并到相应位置抓取涂料，根据工艺要求左右运动到相应涂料喷涂区后进行上下运动，喷涂涂料。1种涂料喷涂完成后，将废弃的涂料置于废弃涂料回收区。工作中，对抓取的涂料进行全程监控，一旦发现两次抓取的涂料颜色相同，LED数码管显示错误提示并闪烁报警，若两次抓取的涂料颜色不相同，则完成涂料喷涂，LED数码管显示结束提示，等待下一轮的产品喷涂设置。
1.1 AT89S52单片机及其最小化系统
本设计以AT89S52单片机为控制器控制系统的外围功能模块。AT89S52单片机是能耗低、性能高的CMOS 8位微型单片控制器，具备8k ISP的Flash存储器。采用先进的存储器技术制造，内核为MCS-51，能满足大部分控制系统的要求。内部资源有8kB Flash，256B RAM，32位I/O数据控制线，看门狗定时器，DPTR和PC两个16位数据指针，T0，T1，T2等3个定时器/计数器，6个中断源的两级中断系统，1组全双工的串行数据接口。为保证AT89S52单片机正常工作，必须在其外围搭建最小化系统、外部复位电路、晶振时钟电路，为解决P0端口无内部上拉电阻问题，需要外接上拉电阻[6]。
1.2 传感器模块和继电器模块
本系统采用的传感器是光纤传感器和光电传感器。光纤传感器主要识别涂料颜色，光电传感器主要识别喷涂机械手的当前位置。电动机、气阀执行电源与单片机的控制电源不一致，继电器的控制端口接单片机数据端口，触点端口接电动机、气阀的控制端口，通过继电器实现小电压控制大电压器件的执行。传感器模块配有光电耦合器，传感器信号通过光电耦合器接入单片机输入口，实现不同电平间的信号传递。
1.3 喷涂机械手模块
喷涂机械手模块采用智能搬运装置，利用单片机控制气阀的开、关，从而实现机械手上下运动，手爪张开、闭合动作；
通过对直流电动机的正反转控制实现机械手的左右运动。喷涂机械手中的控制电平与单片机的控制电平不一致，通过传感器模块中的光电耦合器和继电器实现单片机与喷涂机械手的信号传递。
1.4 键盘输入模块
键盘输入模块采用4×4键盘输入，只需连接单片机的8位控制线，可以实现16个键的输入，节省I/O端口资源，性价比较高。键盘的主要功能包括设定工艺样式(工艺A，工艺B)，设定漆面厚度(0.2～0.6 mm)，启动系统，0—9数字按键。
1.5 数码管显示模块
数码管显示模块用8只LED数码管显示系统状态。本系统设计采用8只共阳极数码管，公共端通过8只9012三极管进行公共端驱动形成8位片选端口，8只数码管的段位端口分别连接形成段选端口，8位片选端口和8位段选端口分别连接74377地址锁存器的输出端口，2块锁存器的8位输入端口分别连接P0端口的8位数据口，触发端口连接形成触发信号端口接1位控制线，使能端口分别为片选控制端口和段选控制端口，接2位控制线。利用地址锁存器进行数据锁存，实现11位数据线控制8只数码管的动态显示。数码管显示模块主要实现初始状态(IDLE)、设置状态(A，B)、运行状态(run)、错误状态、结束状态的显示。
系统设计除了硬件电路搭建之外，还需要软件设计。软件设计的总体思路是将系统的各功能部件进行模块化设计并调试成功后，再综合调试各模块。采用Keil uVision5进行程序编写与调试。自动喷涂生产线系统的程序流程图如图3所示。系统通电后进入初始化状态，控制器数码管显示空闲状态“I”“D”“L”“E”字符。手爪运行至涂料抓取位上方，且上升到位，夹紧状态。按“设定厚度”键后，可输入厚度值t(精度0.1 mm，单位mm)。LED数码管显示输入过程及最后设定的厚度值。按“设定工艺”键后，可以切换选择工艺A或工艺B。LED数码管显示最后选择的工艺“A”或“B”字符。按下“运行”按键，控制器数码管显示运行状态“r”“u”“n”字符。0.5 s亮，0.5 s灭，闪烁显示。手爪运行至涂料回收位上方且上升到位，松开状态。涂料添加端自动添加一种涂料，装置自动判断涂料的颜色，并按指定工艺自动完成相应厚度的刷漆动作并丢弃剩余涂料。涂料添加端自动添加另一种涂料，装置自动判断涂料的颜色。若所选涂料颜色与上一步已喷涂涂料的颜色相同，则LED数码管显示报警状态“E”“r”字符，0.5 s亮，1.0 s灭，闪烁，直至更换正确颜色的涂料。若涂料颜色不同，则按指定工艺自动完成相应厚度的刷漆动作并丢弃剩余涂料。LED数码管显示结束状态“o”“v”“e”“r”字符，1.0 s亮，0.5 s灭，闪烁显示5.0 s。随后，进入初始状态，等待参数设定。
图3 自动喷涂生产线系统程序流程图
当前，很多喷涂设备采用人工喷涂或半自动化喷涂，喷涂环境恶劣，人工成本、人工损耗较高，而且人工操作者的经验不同，喷涂工艺有时不能完全达标，产品合格率大大降低。以AT89S52单片机为主控制器，设计模拟自动喷涂生产线系统，该系统可以保证按照产品工艺要求喷涂，提高产品合格率，使工人免于恶劣的环境。该系统操作简单，可以降低人工损耗、产品制造成本，性价比高，市场前景较好。该系统对“单片机应用技术”课程实践教学有一定的指导意义。
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