一種新型并條機斷條光電自停裝置的設計

　　0 引 言

　　并條機斷條自停裝置(簡稱自停裝置)的可靠性直接影響并條機的產條質量，堵條、羅拉纏繞和積花(通稱為堵條)則會影響生產效率，甚至會損壞設備。因此對并條斷條、堵條的快速、準確檢測具有實際意義。早期的自停裝置為機械接觸式，因可靠性差、與棉條接觸和設備運行速度的提高等因素而逐步被淘汰，高架并條機已不采用，現在廣泛應用的是光電對射式自停裝置。并條機斷條自停裝置一般不具有堵條自停功能，存在易損壞、智能化程度低和調試應用不便的缺點，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。隨著變頻器應用的增多，抗干擾能力弱的缺點也顯現出來。

　　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檢波，確定是否有物體經過光路。為提高可靠性，接收器件常用濾光封裝濾除自然光，避免光電轉換器件飽和；采用特定頻率的紅外調制光，抑制環(huán)境突變光干擾。隨著技術的進步，集成化、智能化的光電傳感器也不斷出現。但并條機應用的各種光電自停裝置一般不具有智能化檢測特點，集成化程度較低，光電轉換器大多采用光敏二極管或光敏三極管分離元件構成，接收器件僅完成光電信號轉換功能，信號放大和檢波需設計外圍電路支持，因此接收器件的性能是光電自停裝置電路設計的技術關鍵。為此，基于集成化IRM設計了一種新型智能化自停裝置，統(tǒng)一了并條機前后光電路設計，在FA302，FA306等型號的并條機上應用證明，其檢測可靠，避免了設備誤停。

　　1 自停裝置系統(tǒng)構成

　　1．1 系統(tǒng)構成與設計特點

　　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?？刂破鳂嫵伞？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透鏡系統(tǒng)，使發(fā)射光到達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整范圍。

　　斷條檢測單元具有自動復位功能，檢測到斷條后輸出停車信號1 s即自動復位，當接收器持續(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。堵條檢測單元檢測到堵條故障，則持續(xù)輸出停車信號，防止啟動設備造成設備故障，堵條故障被排除后方能自動停止輸出停車信號?？紤]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 檢測單元構成框圖

　　參見圖2，發(fā)射與接收單元雖是分體結構，但電路設計為一整體系統(tǒng)。主要由微處理器電路、動態(tài)光強控制電路、紅外發(fā)射電路、IRM接收電路及輸出電路構成，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)光強控制電路、發(fā)射電路、IRM接收電路，通過光路構成一閉環(huán)控制系統(tǒng)，使發(fā)射與接收具有智能化檢測的特點。停車信號通過輸出電路送到自?？刂破鳎刂圃O備停車。

　　考慮到應用環(huán)境存在飛花、落塵和設備震動等因素，提出一種以微處理器為核心的檢測方案，采用在遙控領域應用廣泛的IRM作為檢測器件，簡化電路設計，提高穩(wěn)定性；應用調制紅外光發(fā)射，排除環(huán)境光干擾；以發(fā)射、接收檢測反饋應答工作模式，提高檢測可靠性；利用智能化的可變光強發(fā)射技術，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 自停裝置的電路設計與原理

　　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，以實現信號的接收、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、功耗低(2 mA@5 V)、靈敏度高的優(yōu)點。

　　IRM適宜對波長為940 nm、調制頻率為38 kHz紅外脈沖信號的接收。當信號強度達到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計，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　2．2 動態(tài)光強控制紅外發(fā)射電路

　　紅外線發(fā)射采用了動態(tài)可變光強設計，見圖4。L1為紅外發(fā)射二極管，T1，T2為PNP型三極管。當T2截止時，L1的限流電阻為R1+R2；T2飽和導通時短路R2，L1的限流電阻為R1，因此通過控制T2的導通狀態(tài)可控制通過L1的工作電流大小，實現光強控制。微控器通過T1以頻率為38 kHz、占空比為1／2的脈沖驅動紅外發(fā)射管L1產生脈沖紅外光。系統(tǒng)上電時微處理器控制T2截止，以小光強進行接收檢測，若能夠正常接收，系統(tǒng)將維持小光強發(fā)射進入工作狀態(tài)，以提高發(fā)射器壽命。若不能正常接收，T2將導通提高發(fā)射光強，這時若能正常接收，系統(tǒng)將以較大光強進入工作狀態(tài)，同時系統(tǒng)發(fā)出提示清潔透鏡或調整接收器位置的信號。若仍不能正常接收，則自動關閉接收器輸出，維持其他單元系統(tǒng)工作，并發(fā)出故障提示信號。這種設計方法，使發(fā)射與接收具有反饋應答特征，紅外發(fā)射光強度得到動態(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．生產的PIC12C508A微處理器。它基于COMS設計，采用RISC結構，片內程序存儲器EPROM和數據存儲器RAM，并集成了上電復位電路(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，為接收器的小型化設計提供了方便。自停裝置的電路設計充分利用了其內建功能，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構成發(fā)射電路，由U1的GP4，GP5口輸出控制信號驅動。IRM3638、電阻R5、電容C2構成紅外接收電路，R5與C1的作用是與發(fā)射電路的電源隔離，防止信號串擾，穩(wěn)定IRM的供電。電阻R6。、三極管T3構成輸出電路，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構成狀態(tài)指示電路，由U1的GP0，GP1口驅動。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，可根據顯示狀態(tài)了解接收器工作情況。

　　U1軟件系統(tǒng)產生的38 kHz脈沖信號由GP4輸出，經R3，T1驅動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處于截止狀態(tài)，接收器輸出電路呈高阻態(tài)。光路有棉條經過時，光路被遮擋，作用到接收器的光脈沖信號出現暫時中斷，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，確定是否有棉條經過光路或堵條遮擋光路。當GP3為高電平時，U1軟件系統(tǒng)抗干擾確認后，GP2輸出持續(xù)1 s的高電平，使輸出電路飽和導通，向自停控制器提供停車信號。

　　實驗證明，設備運行狀態(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，而是送微處理器進一步確認。確認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答的智能化特征。

　　2．4 自?？刂破麟娐吩?/STRONG>

　　自?？刂破麟娐吩韰⒁妶D6，圖中IO1，IO2為接口接線端子；J11,J12為斷條停車繼電器J1的觸點輸出；J21，J22為堵條停車繼電器J2的觸點輸出；AC，AC為12 V交流電源輸入端子，輸入電壓經全橋B1整流并經C1，C2濾波后輸出直流電壓VCC，為J1，J2供電；VCC電壓還經三端穩(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構成J1的驅動電路，二極管D1用于保護T1，驅動電路的輸入端連接IN1。三極管T2與電阻R4，R5構成J2的驅動電路，二極管D2用于保護T2，驅動電路的輸入端連接IN2。

　　設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”的邏輯接口設計，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＼嚳刂菩盘枺鴨卧g不會產生相互影響。

　　3 自停裝置的程序設計

　　PIC12C508A微控器，采用精簡指令集系統(tǒng)，除跳轉指令外絕大多數指令周期為1μs@4 MHz。為提高抗干擾能力，啟用片內WDT用于程序監(jiān)控。另外，用軟件對輸入信號進行了抗干擾處理，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行初始化設置，包括狀態(tài)字設置、程序監(jiān)控設置、輸入、輸出口設置、時間常數設置，然后進行光路接收測試，先以低光強測試，接收異常則加強發(fā)射光強度繼續(xù)測試，若仍異常則退出檢測，提示故障信息。接收正常進入主程序，進入主程序后在循環(huán)檢測輸入過程中產生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 軟件產生38 kHz脈沖子程序清單

　　為簡化電路設計，通過合理設計軟件系統(tǒng)，由軟件產生38 kHz調制脈沖信號，在測試程序和主程序兩次調用間隙檢測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，足以實現檢測IRM輸出并完成程序跳轉(2～4 ns)。為穩(wěn)定接收，每次調用連續(xù)循環(huán)發(fā)射紅外光1 ms，并在程序中嵌入復位看門狗(Watchdog)命令，監(jiān)視微處理器運行，防止強干擾造成系統(tǒng)運行異常。程序清單如下：

　　4 結 語

　　智能化的光電自停裝置在設計上充分考慮了其應用現場的環(huán)境條件，將應用廣泛、價格低廉的遙控接收器件和微處理器應用到電路設計，并采取了IRM內部集成放大和檢波功能、動態(tài)光強控制、軟件抗干擾等多項措施。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，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)仍具有擴展性，現場應用取得了較好的效果。