基于遙控接收器件和微處理器的新型斷條光電自停裝置設(shè)計(jì)

引 言

并條機(jī)斷條自停裝置(簡稱自停裝置)的可靠性直接影響并條機(jī)的產(chǎn)條質(zhì)量，堵條、羅拉纏繞和積花(通稱為堵條)則會影響生產(chǎn)效率，甚至?xí)p壞設(shè)備。因此對并條斷條、堵條的快速、準(zhǔn)確檢測具有實(shí)際意義。早期的自停裝置為機(jī)械接觸式，因可靠性差、與棉條接觸和設(shè)備運(yùn)行速度的提高等因素而逐步被淘汰，高架并條機(jī)已不采用，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的是光電對射式自停裝置。并條機(jī)斷條自停裝置一般不具有堵條自停功能，存在易損壞、智能化程度低和調(diào)試應(yīng)用不便的缺點(diǎn)，檢測單元的位置和角度稍有變化即會影響檢測的可靠性，造成漏檢和誤停車。隨著變頻器應(yīng)用的增多，抗干擾能力弱的缺點(diǎn)也顯現(xiàn)出來。

光電自停裝置的工作原理與對射式光電接近傳感器的原理基本相同，一般采用紅外發(fā)射二極管發(fā)射某一頻率的紅外光，用光敏器件接收透射光并轉(zhuǎn)換為電信號，含有光路狀態(tài)信息的信號由放大器放大并經(jīng)檢波，確定是否有物體經(jīng)過光路。為提高可靠性，接收器件常用濾光封裝濾除自然光，避免光電轉(zhuǎn)換器件飽和；采用特定頻率的紅外調(diào)制光，抑制環(huán)境突變光干擾。隨著技術(shù)的進(jìn)步，集成化、智能化的光電傳感器也不斷出現(xiàn)。但并條機(jī)應(yīng)用的各種光電自停裝置一般不具有智能化檢測特點(diǎn)，集成化程度較低，光電轉(zhuǎn)換器大多采用光敏二極管或光敏三極管分離元件構(gòu)成，接收器件僅完成光電信號轉(zhuǎn)換功能，信號放大和檢波需設(shè)計(jì)外圍電路支持，因此接收器件的性能是光電自停裝置電路設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵。為此，基于集成化IRM設(shè)計(jì)了一種新型智能化自停裝置，統(tǒng)一了并條機(jī)前后光電路設(shè)計(jì)，在FA302，F(xiàn)A306等型號的并條機(jī)上應(yīng)用證明，其檢測可靠，避免了設(shè)備誤停。

1 自停裝置系統(tǒng)構(gòu)成

1．1 系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計(jì)特點(diǎn)

如圖1所示，新型光電自停裝置由四路對射式光電斷條檢測單元、兩通道對射式光電堵條檢測單元和自停控制器構(gòu)成?？刂破骶哂须p控功能，斷條自停和堵條自停分別輸出，與檢測單元采用三總線連接，為檢測單元提供電源和接收停車信號。檢測單元由紅外線發(fā)射器和接收器組成，前后光電檢測單元的電路原理相同，因安裝方式不同其外觀尺寸有差別。發(fā)射器工作狀態(tài)受接收器控制，二者通過光路構(gòu)成一個閉環(huán)檢測系統(tǒng)。為防止光路間相互干擾，發(fā)射與接收器均安裝光學(xué)透鏡系統(tǒng)，使發(fā)射光到達(dá)接收器的光斑直徑約為20 cm，因此，接收器具有較大的接收和調(diào)整范圍。

斷條檢測單元具有自動復(fù)位功能，檢測到斷條后輸出停車信號1 s即自動復(fù)位，當(dāng)接收器持續(xù)接收不到光信號時間超過5 s，則發(fā)出故障指示，提醒維護(hù)。堵條檢測單元檢測到堵條故障，則持續(xù)輸出停車信號，防止啟動設(shè)備造成設(shè)備故障，堵條故障被排除后方能自動停止輸出停車信號。考慮電纜連接的可靠性與方便性，發(fā)射器和接收器采用電話水晶頭連接器與總線連接，安裝、更換方便。

1．2 檢測單元構(gòu)成框圖

參見圖2，發(fā)射與接收單元雖是分體結(jié)構(gòu)，但電路設(shè)計(jì)為一整體系統(tǒng)。主要由微處理器電路、動態(tài)光強(qiáng)控制電路、紅外發(fā)射電路、IRM接收電路及輸出電路構(gòu)成，由控制器提供工作電源。微處理器作為智能控制單元，與動態(tài)光強(qiáng)控制電路、發(fā)射電路、IRM接收電路，通過光路構(gòu)成一閉環(huán)控制系統(tǒng)，使發(fā)射與接收具有智能化檢測的特點(diǎn)。停車信號通過輸出電路送到自?？刂破?，控制設(shè)備停車。

考慮到應(yīng)用環(huán)境存在飛花、落塵和設(shè)備震動等因素，提出一種以微處理器為核心的檢測方案，采用在遙控領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的IRM作為檢測器件，簡化電路設(shè)計(jì)，提高穩(wěn)定性；應(yīng)用調(diào)制紅外光發(fā)射，排除環(huán)境光干擾；以發(fā)射、接收檢測反饋應(yīng)答工作模式，提高檢測可靠性；利用智能化的可變光強(qiáng)發(fā)射技術(shù)，抑制因透鏡面落塵、發(fā)射器與接收器位置變化造成的誤檢測。應(yīng)用證明在透鏡稍有落塵的情況下，檢測可靠。

2 自停裝置的電路設(shè)計(jì)與原理

2．1 IRM簡介與傳輸特性

IRM-3638型紅外遙控接收模組，將光探測器、前置放大器、檢波電路集成封裝在一起，以實(shí)現(xiàn)信號的接收、放大與檢波。無外圍元件，輸出與TTL和CMOS兼容，可直接與微處理器接口。具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低(2 mA@5 V)、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。

IRM適宜對波長為940 nm、調(diào)制頻率為38 kHz紅外脈沖信號的接收。當(dāng)信號強(qiáng)度達(dá)到IRM的接收要求時，只需接收6個脈沖就能可靠觸發(fā)輸出低電平信號，如圖3所示。若IRM連續(xù)接收38 kHz的紅外脈沖信號，將持續(xù)輸出低電平；IRM接收不到符合要求的紅外信號時將輸出高電平。因此若物體經(jīng)過或遮擋接收光路，IRM接收的將不是連續(xù)脈沖光或接收不到脈沖光，光電自停裝置的接收器正是利用了IRM這一檢波傳輸特性，微處理器通過檢測IRM的輸出狀態(tài)，可獲取光路的被遮擋的信息，并且自停裝置省掉了放大器和檢波電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2．2 動態(tài)光強(qiáng)控制紅外發(fā)射電路

紅外線發(fā)射采用了動態(tài)可變光強(qiáng)設(shè)計(jì)，見圖4。L1為紅外發(fā)射二極管，T1，T2為PNP型三極管。當(dāng)T2截止時，L1的限流電阻為R1+R2；T2飽和導(dǎo)通時短路R2，L1的限流電阻為R1，因此通過控制T2的導(dǎo)通狀態(tài)可控制通過L1的工作電流大小，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)控制。微控器通過T1以頻率為38 kHz、占空比為1／2的脈沖驅(qū)動紅外發(fā)射管L1產(chǎn)生脈沖紅外光。系統(tǒng)上電時微處理器控制T2截止，以小光強(qiáng)進(jìn)行接收檢測，若能夠正常接收，系統(tǒng)將維持小光強(qiáng)發(fā)射進(jìn)入工作狀態(tài)，以提高發(fā)射器壽命。若不能正常接收，T2將導(dǎo)通提高發(fā)射光強(qiáng)，這時若能正常接收，系統(tǒng)將以較大光強(qiáng)進(jìn)入工作狀態(tài)，同時系統(tǒng)發(fā)出提示清潔透鏡或調(diào)整接收器位置的信號。若仍不能正常接收，則自動關(guān)閉接收器輸出，維持其他單元系統(tǒng)工作，并發(fā)出故障提示信號。這種設(shè)計(jì)方法，使發(fā)射與接收具有反饋應(yīng)答特征，紅外發(fā)射光強(qiáng)度得到動態(tài)控制，使接收器自動適用接收狀態(tài)的變化，有利于提高檢測可靠性。

2．3 自停裝置單元電路原理

電路的信號處理和控制核心采用了Microchip Technology Inc．生產(chǎn)的PIC12C508A微處理器。它基于COMS設(shè)計(jì)，采用RISC結(jié)構(gòu)，片內(nèi)程序存儲器EPROM和數(shù)據(jù)存儲器RAM，并集成了上電復(fù)位電路(POR)、時鐘振蕩器(INTRC)、看門狗定時器(WDT)等功能單元。具有小型化封裝(8-Lead SIOC)、低功耗(2 mA@4 MHz)、高性價比的優(yōu)點(diǎn)，為接收器的小型化設(shè)計(jì)提供了方便。自停裝置的電路設(shè)計(jì)充分利用了其內(nèi)建功能，提高了集成度，降低了系統(tǒng)成本。

電路原理如圖5所示，圖中電阻R1，R2，R3，R4，紅外發(fā)射二極管L1、三極管T1，T2構(gòu)成發(fā)射電路，由U1的GP4，GP5口輸出控制信號驅(qū)動。IRM3638、電阻R5、電容C2構(gòu)成紅外接收電路，R5與C1的作用是與發(fā)射電路的電源隔離，防止信號串?dāng)_，穩(wěn)定IRM的供電。電阻R6。、三極管T3構(gòu)成輸出電路，為使各單元的輸出能夠采用線“或”式向自?？刂破鬏斔屯＼囆盘?，采用集電極開路(OC)輸出。L2為共陽極紅綠雙色LED，與R7，R8構(gòu)成狀態(tài)指示電路，由U1的GP0，GP1口驅(qū)動。正常接收時顯示綠色；提醒清潔時顯示橙色；輸出停車信號時顯示紅色；接收故障時為橙色閃爍，可根據(jù)顯示狀態(tài)了解接收器工作情況。

U1軟件系統(tǒng)產(chǎn)生的38 kHz脈沖信號由GP4輸出，經(jīng)R3，T1驅(qū)動L1發(fā)射紅外脈沖光信號。接收模組IRM接收到均勻間隔的連續(xù)脈沖時輸出低電平，U1控制GP2處于低電平，T3處于截止?fàn)顟B(tài)，接收器輸出電路呈高阻態(tài)。光路有棉條經(jīng)過時，光路被遮擋，作用到接收器的光脈沖信號出現(xiàn)暫時中斷，IRM輸出高電平，高電平持續(xù)時間等于被遮擋時間。U1將通過GP3循環(huán)檢測IRM的輸出，確定是否有棉條經(jīng)過光路或堵條遮擋光路。當(dāng)GP3為高電平時，U1軟件系統(tǒng)抗干擾確認(rèn)后，GP2輸出持續(xù)1 s的高電平，使輸出電路飽和導(dǎo)通，向自?？刂破魈峁┩＼囆盘枴?/p>

實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下棉條斷裂下垂掠過光路的時間大于等于20 ms，微處理器軟件系統(tǒng)對IRM的輸出信號進(jìn)行軟件抗干擾處理，過濾高電平持續(xù)時間小于20 ms的輸出脈沖，使飛花干擾得到徹底抑制。檢測過程中，IRM僅用于接收并初步判斷是否有棉條經(jīng)過光路，其輸出信號并不直接控制輸出電路，而是送微處理器進(jìn)一步確認(rèn)。確認(rèn)過程一方面能排除干擾，另一方面還對發(fā)射電路反饋控制信息，以穩(wěn)定檢測，避免了干擾和輸出抖動，因此接收與發(fā)射在檢測過程中具有反饋應(yīng)答的智能化特征。

2．4 自停控制器電路原理

自?？刂破麟娐吩韰⒁妶D6，圖中IO1，IO2為接口接線端子；J11,J12為斷條停車?yán)^電器J1的觸點(diǎn)輸出；J21，J22為堵條停車?yán)^電器J2的觸點(diǎn)輸出；AC，AC為12 V交流電源輸入端子，輸入電壓經(jīng)全橋B1整流并經(jīng)C1，C2濾波后輸出直流電壓VCC，為J1，J2供電；VCC電壓還經(jīng)三端穩(wěn)壓器V1穩(wěn)壓后為發(fā)射接收單元提供+5 V電壓。IN1，+5 V，VSS為斷條檢測單元系統(tǒng)總線；IN2，+5 V，VSS為堵條檢測單元系統(tǒng)總線。L1，L2分別為兩種停車方式的動作指示LED。三極管T1與電阻R2，R3構(gòu)成J1的驅(qū)動電路，二極管D1用于保護(hù)T1，驅(qū)動電路的輸入端連接IN1。三極管T2與電阻R4，R5構(gòu)成J2的驅(qū)動電路，二極管D2用于保護(hù)T2，驅(qū)動電路的輸入端連接IN2。

設(shè)四路斷條檢測單元的輸出分別為OC1，OC2，OC3，OC4；兩路堵條檢測單元的輸出分別為OC5，OC6，則斷條停車的條件為：

這種線“或”的邏輯接口設(shè)計(jì)，可方便地在總線上連接多個發(fā)射與接收單元，即無論哪一路輸出低電平，都會引起自?？刂破鬏敵鐾＼嚳刂菩盘?，而單元之間不會產(chǎn)生相互影響。

3 自停裝置的程序設(shè)計(jì)

PIC12C508A微控器，采用精簡指令集系統(tǒng)，除跳轉(zhuǎn)指令外絕大多數(shù)指令周期為1μs@4 MHz。為提高抗干擾能力，啟用片內(nèi)WDT用于程序監(jiān)控。另外，用軟件對輸入信號進(jìn)行了抗干擾處理，過濾脈沖寬度10 ms以下的輸入干擾。堵條檢測軟件與斷條檢測軟件基本相同，停車輸出控制時間有差異，堵條停車要待故障清除才釋放停車輸出。

3．1 軟件流程圖

系統(tǒng)上電后微處理器先進(jìn)行初始化設(shè)置，包括狀態(tài)字設(shè)置、程序監(jiān)控設(shè)置、輸入、輸出口設(shè)置、時間常數(shù)設(shè)置，然后進(jìn)行光路接收測試，先以低光強(qiáng)測試，接收異常則加強(qiáng)發(fā)射光強(qiáng)度繼續(xù)測試，若仍異常則退出檢測，提示故障信息。接收正常進(jìn)入主程序，進(jìn)入主程序后在循環(huán)檢測輸入過程中產(chǎn)生38 kHz的脈沖信號。軟件系統(tǒng)包括初始化程序、主程序、測控程序和38 kHz脈沖輸出子程序，初始化檢測和主程序軟件流程圖如圖7所示。

3．2 軟件產(chǎn)生38 kHz脈沖子程序清單

為簡化電路設(shè)計(jì)，通過合理設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，由軟件產(chǎn)生38 kHz調(diào)制脈沖信號，在測試程序和主程序兩次調(diào)用間隙檢測IRM輸出。這個間隙時間為脈沖周期的一半，即13 ns。微處理器的指令周期為1 ns，系統(tǒng)能夠執(zhí)行13條指令，足以實(shí)現(xiàn)檢測IRM輸出并完成程序跳轉(zhuǎn)(2～4 ns)。為穩(wěn)定接收，每次調(diào)用連續(xù)循環(huán)發(fā)射紅外光1 ms，并在程序中嵌入復(fù)位看門狗(Watchdog)命令，監(jiān)視微處理器運(yùn)行，防止強(qiáng)干擾造成系統(tǒng)運(yùn)行異常。程序清單如下：

4 結(jié) 語

智能化的光電自停裝置在設(shè)計(jì)上充分考慮了其應(yīng)用現(xiàn)場的環(huán)境條件，將應(yīng)用廣泛、價格低廉的遙控接收器件和微處理器應(yīng)用到電路設(shè)計(jì)，并采取了IRM內(nèi)部集成放大和檢波功能、動態(tài)光強(qiáng)控制、軟件抗干擾等多項(xiàng)措施。充分利用了微控器軟硬件資源，電路簡潔、原理簡單，提示信息全面。系統(tǒng)具有低功率消耗特點(diǎn)，每個發(fā)射與接收單元的工作電流小于30 mA@DC 5 V。在附加了堵條檢測功能的條件下，系統(tǒng)仍具有擴(kuò)展性，現(xiàn)場應(yīng)用取得了較好的效果。