新型斷條光電自停裝置的設計

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，一般采用紅外發射二極管發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 自停裝置系統構成
1．1 系統構成與設計特點
??? 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停控制器構成。控制器具有雙控功能，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。發射器工作狀態受接收器控制，二者通過光路構成一個閉環檢測系統。為防止光路間相互干擾，發射與接收器均安裝光學透鏡系統，使發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，當接收器持續接收不到光信號時間超過5 s，則發出故障指示，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。考慮電纜連接的可靠性與方便性，發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，發射與接收單元雖是分體結構，但電路設計為一整體系統。主要由微處理器電路、動態光強控制電路、紅外發射電路、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，與動態光強控制電路、發射電路、IRM接收電路，通過光路構成一閉環控制系統，使發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停控制器，控制設備停車。

??? 考慮到應用環境存在飛花、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，提高穩定性；應用調制紅外光發射，排除環境光干擾；以發射、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射技術，抑制因透鏡面落塵、發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輸出低電平信號，如圖3所示。若IRM連續接收38 kHz的紅外脈沖信號，將持續輸出低電平；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，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，提高了系統穩定性。

2．2 動態光強控制紅外發射電路
??? 紅外線發射采用了動態可變光強設計，見圖4。L1為紅外發射二極管，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的脈沖驅動紅外發射管L1產生脈沖紅外光。系統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，系統將維持小光強發射進入工作狀態，以提高發射器壽命。若不能正常接收，T2將導通提高發射光強，這時若能正常接收，系統將以較大光強進入工作狀態，同時系統發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，維持其他單元系統工作，并發出故障提示信號。這種設計方法，使發射與接收具有反饋應答特征，紅外發射光強度得到動態控制，使接收器自動適用接收狀態的變化，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，降低了系統成本。
??? 電路原理如圖5所示，圖中電阻R1，R2，R3，R4，紅外發射二極管L1、三極管T1，T2構成發射電路，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的作用是與發射電路的電源隔離，防止信號串擾，穩定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”式向自停控制器輸送停車信號，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，可根據顯示狀態了解接收器工作情況。

??? U1軟件系統產生的38 kHz脈沖信號由GP4輸出，經R3，T1驅動L1發射紅外脈沖光信號。接收模組IRM接收到均勻間隔的連續脈沖時輸出低電平，U1控制GP2處于低電平，T3處于截止狀態，接收器輸出電路呈高阻態。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，高電平持續時間等于被遮擋時間。U1將通過GP3循環檢測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軟件系統抗干擾確認后，GP2輸出持續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，微處理器軟件系統對IRM的輸出信號進行軟件抗干擾處理，過濾高電平持續時間小于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，另一方面還對發射電路反饋控制信息，以穩定檢測，避免了干擾和輸出抖動，因此接收與發射在檢測過程中具有反饋應答的智能化特征。
2．4 自停控制器電路原理
??? 自停控制器電路原理參見圖6，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電壓還經三端穩壓器V1穩壓后為發射接收單元提供+5 V電壓。IN1，+5 V，VSS為斷條檢測單元系統總線；IN2，+5 V，VSS為堵條檢測單元系統總線。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射與接收單元，即無論哪一路輸出低電平，都會引起自停控制器輸出停車控制信號，而單元之間不會產生相互影響。

3 自停裝置的程序設計
??? PIC12C508A微控器，采用精簡指令集系統，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
??? 系統上電后微處理器先進行初始化設置，包括狀態字設置、程序監控設置、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，接收異常則加強發射光強度繼續測試，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檢測輸入過程中產生38 kHz的脈沖信號。軟件系統包括初始化程序、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，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，系統能夠執行13條指令，足以實現檢測IRM輸出并完成程序跳轉(2～4 ns)。為穩定接收，每次調用連續循環發射紅外光1 ms，并在程序中嵌入復位看門狗(Watchdog)命令，監視微處理器運行，防止強干擾造成系統運行異常。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。系統具有低功率消耗特點，每個發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，系統仍具有擴展性，現場應用取得了較好的效果。