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0引言
紅外光電探邊儀廣泛應用在紡織、印染、輕工和化工等行業中。在紡織、印染等實際應用中,很多道工序需要精確地鎖定布的位置才能進行后續處理,如印花、染色、整形等。布匹在印花機、熱定型機等設備的導軌上高速移動,要鎖定布邊的位置,一般是在進入這些設備之前用機械裝置(布鋏或針板)卡住布邊,由于布邊在運動中是左右擺動的,紅外探邊裝置能自動精確地跟蹤住布邊的位置,再利用機械機構鎖住布邊,從而保證布邊正確地納入針板,使加工織物布邊的上針寬度保持一致,并在終端將其整齊地卷成布卷的過程,然后進入后續的處理工序。該系統利用MCU高控功能和伺服電機速度模式的精密控速技術的結合,實現紅外探邊儀的快速跟蹤、高速調整等功能,從而提高布卷的質量。
1紅外光電探邊設計原理
紅外光電探邊儀主要由探測裝置(紅外探頭)、執行機構(電機調速系統)2部分組成。
1·1紅外探頭
紅外探頭即檢測機構,采用一組紅外發射和接收對管器件,紅外發光管向布發射紅外光,布反射的紅外光被正對著的紅外接收管檢測到,由于接收管和布位置很近,而且裝在導光孔中,因而只有布正上方的接收管才能接收到反射光,而旁邊正下方沒有布的接收管則接收不到反射光。該系統采用4個紅外發射管和10個紅外接收管如圖1所示,紅外接收管交錯排列,這樣能減少接收信號誤差以及提高整個系統的精度。接收管接收的信號經濾波、比較電路后變為適合單片機的信號,再經過抗干擾處理,將其反映信號轉換為執行機構的給定信號,經過D/A轉換后輸出到驅動機構。
1·2執行電機
早期的紅外探邊儀電控系統一般采用進口的電機直流調速系統作為執行機構,直流調速具有控制簡單、起動轉矩大、調速性能好等優點,但同時也有電機成本高、換向電路不可靠、不利于工作在惡劣的工作環境等缺點。因此在本系統中,執行電機采用ASDA-B系列交流伺服電機,ASDA-B系列為一開放型(Open Type)伺服驅動器,本驅動器利用精密的回授控制
2硬件設計
2·1MCU
基于C8051F020的紅外光電探邊儀系統的硬件設計如電路結構圖2所示。MCU采用C8051F020八位微控制器。以CIP51微處理器為內核的C8051F020是高集成度的混合信號系統芯片,它符合IEEE1149.1標準,支持JTAG接口進行片內的調試和邊界掃描,便于在線調試和運行程序。它獨有的海量FLASH程序存儲器和數據存儲器,可在線多次重復編程,使程序和數據的存儲更加方便。與標準8051相比,它豐富的1/O接口、大量的特殊功能寄存器使編程的工作更加輕松。所有這些資源非常適合于把紅外光的檢測、控制、顯示集中在一個嵌入式系統中,運行可靠、穩定、快速、維護方便,經濟上節省。因此不僅簡化了硬件和相應軟件的設計和調試工作,縮短了開發周期,更重要的是使系統的穩定性和抗干擾性顯著提高。
2·2控制方法
伺服驅動器提供位置、速度、扭矩3種基本操作模式,可使用單一控制模式,即固定在一種模式控制,也可選擇用混合模式來進行控制。在該設計里選擇速度模式,在最先考慮時,選擇了位置控制模式,即MCU采用發脈沖的方式來控制執行電機以及減速裝置來調整布邊的偏移,當布邊偏移距離較大時,則發射更多的脈沖來控制裝置調整偏移,反之則發射少量脈沖來調整布邊偏移。采用速度模式時,即為模擬控制模式,把從接收管接收到的信號經過處理后經過D/A轉換輸出到驅動機構,當布邊偏移距離比較大的時候,則執行電機以較大的速度來調整布邊,反之以較小的速度來調整布邊偏移,而且執行電機的轉速能通過串口通信來設置,這樣速度操作模式比位置操作模式更加靈活且調整偏移時更具有連
速度操作模式里有2種命令輸入模式:模擬輸入與寄存器輸入,該裝置采用模擬輸入驅動模式,由MCU輸出電壓來操縱馬達的轉速,根據設計需要,在預設DI/DO信號線選擇了SRDY、SON、ALARM、ARST、CWL、CCWL跟MCU進行連接,如圖2所示,即P20~P26為伺服電機與MCU之間的握手信號,能滿足設計要求。
2·3硬件電路設計原理
該電路中設置內部T0定時器工作在方式2,TL0、TH0寄存器的初值設置為0x48,同時可設置P34引腳輸出5KB的方波作為M1-M4所發射紅外光的調制信號。L1-L10檢測到有效信號時,經過信號處理電路傳輸給單片機P1、P36、P37引腳。如果布在傳輸的過程中發生了偏移,P2、P32、P33引腳指示燈顯示接收管狀態來判斷偏移程度,而主程序根據接收管狀態控制P7口引腳發出對應的信號,經過D/A轉換為±10 V之間的電壓控制電機轉速和方向。當布的偏移程度較小時,則輸給電機的電壓最小,控制電機轉速最低。布的偏移較大時,則單片機控制輸給電機的電壓最高,控制電機轉速最高。
在手動模式下,根據外部指示燈的狀態來判斷布的偏移方向以及布的偏移程度,把手動調節按鈕設為3檔,即把電機分為左右轉動以及停止狀態,由操縱人員來調整布的偏移。圖中的P10、P11引腳為串行口預留接口,單片機和伺服電機可以采用串行口通信模式;也可以用于在線程序更新以及產品升級等。
3軟件設計
該程序主要功能是:MCU根據采集到的紅外接收管信號進行判別布在被傳送的過程中是否發生了偏移,再根據相應的狀態發送模擬電壓給伺服電機來調整布的偏移,在數據采集過程中,由于布的表面并非純平面,會引起對接收信號的干擾,主程序中設計了軟件抗干擾,并在出現干擾時做出標記,供主程序分析時采用。
主程序中還可以進行手動/自動調節選擇,當布偏移距離較大時,操縱人
系統軟件用C語言編寫,開發工具使用KEIL。系統軟件主要完成紅外二極管的發射與接收、手動與自動調節選擇、外部事件中斷控制、抗干擾算法等功能。軟件總體框圖如圖3所示。
紅外光電探邊電控系統設計是以微處理器為核心和以電機作為執行電機的微機控制系統,在不同的應用場合受到的干擾也不同,當紅外探邊儀在運行時所受到的干擾超過一定限度時就會嚴重影響它的可靠性,甚至影響整個生產現場,因此在設計中采用了硬件抗干擾技術和軟件抗干擾技術來提高整機系統的可靠性。
4·1硬件抗干擾
根據系統的設計要求以及所需達到的系統性能,在硬件設計電路中,如微處理器和電機信號的傳遞采用了隔離技術等,因此整個系統采用了隔離抗干擾、接地抗干擾、濾波抗干擾、去耦抗干擾等方法。
4·2軟件抗干擾
在最初的軟件調試過程中,發現即使布發生了不同程度的偏移,而電機卻沒有帶動機械裝置對偏移的布進行及時調整,由于在開始的程序設計中,只考慮理想化了的10種接收燈的狀態,也有可能由于布的漫反射以及外界光的干擾造成了接收燈的一些誤碼狀態,根據調試過程中的狀態以及總結,編寫了軟件抗干擾函數,濾除了干擾在有用信號中的影響如圖4所示,另外還采取了軟件陷阱、指令冗余等常用抗干擾方法。
5結束語
采用一組紅外光發射與接收管做成的紅外探測頭、C8051F020作為控制芯片、采用ASDA-B交流伺服電機速度模式下的模擬控制方式做成的紅外探邊系統。經測試表明:該系統跟蹤速度快、定位精度高,產品具有工作可靠、適用范圍廣、壽命長、維護簡單、操縱簡單方便,還具有手動和自動調節選擇等一系列優點,滿足了紅外探邊儀的應用要求。
