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摘要：針對當(dāng)前紅外光電探邊儀對高精度和調(diào)節(jié)方便等方面的需求，利用C8051F020 單片機(jī)控制功能以及伺服電機(jī)定位精度高技術(shù)，設(shè)計了基于C8051F單片機(jī)的紅外光電探邊儀系統(tǒng)，測試結(jié)果表明，該設(shè)計具有高精度定位和手動/自動調(diào)節(jié)等一系列優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：紅外探邊；C8051F020單片機(jī)；印染；伺服電機(jī)
引 言
紅外探邊儀是集光機(jī)電為一體的新穎探邊裝置，它被廣泛應(yīng)用于紡織、輕工和化工工業(yè)中。它通常安裝在定形機(jī)、拉幅機(jī)和包裝設(shè)備的進(jìn)口處。在各種花色布料的印染中,對布的染色、烘干、整形等多道工序,都存在一個將布平鋪在流水線上傳送, 當(dāng)進(jìn)布處織物布邊位置不斷隨機(jī)變化時，紅外探邊裝置能夠調(diào)整針板鏈軌的位置，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。布在被傳送的過程中,傳送的方向不能發(fā)生偏離,以免造成布卷卷邊不整齊,影響后續(xù)工序的加工質(zhì)量。為了做到這一點,布在傳送過程中,通過紅外發(fā)光二極管檢測布邊相對位置的偏離情況,及時通過電機(jī)及傳動裝置予以調(diào)整到最佳位置。目前各廠家采用的探邊儀多數(shù)為紅外光電式,安裝在布邊的正上方,通過兩組紅外光發(fā)射與接收管來檢測布的反射。若接收管接收被布反射回的紅外光信號與預(yù)定義的不相同,說明布已偏離。若能檢測出偏離的程度,并根據(jù)偏離程度的大小以發(fā)送脈沖量給電機(jī)進(jìn)行調(diào)整,就可以更好的提高布卷的質(zhì)量。
1 紅外光電探邊儀設(shè)計原理
紅外光電探邊儀由探測頭、信號發(fā)射和處理電路、電機(jī)控制及驅(qū)動電路、執(zhí)行電機(jī)及相應(yīng)的機(jī)械減速裝置和齒輪以及齒條等組成。探測頭由兩組紅外對光組成，它將探測到的織物邊緣信號送至單片機(jī)信號處理電路，經(jīng)處理后以脈沖的形式送至電機(jī)控制及驅(qū)動電路，執(zhí)行電機(jī)根據(jù)其控制信號帶動機(jī)械減速裝置和齒輪以及齒條對織物邊緣位移進(jìn)行調(diào)整。
圖1紅外探邊儀原理圖
2 硬件設(shè)計
為了適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)測控系統(tǒng)越來越高的要求，單片機(jī)的復(fù)雜程度和性能都大幅度提高。單片機(jī)集成度的提高，使得過去通常需要擴(kuò)展外部器件電路才能實現(xiàn)的功能，大都已集成于單片機(jī)的內(nèi)部。MCU采用新華龍公司代理的C8051F020八位微控制器。以CIP51微處理器為內(nèi)核的C8051F020單片機(jī)是高集成度的混合信號系統(tǒng)芯片，它符合IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)，支持JTAG接口進(jìn)行片內(nèi)的調(diào)試和邊界掃描，便于在線調(diào)試和運行程序。它獨有的海量FLASH程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，可在線地多次重復(fù)編程，使程序和數(shù)據(jù)的存儲更加方便。與標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)中，運行可靠、穩(wěn)定、快速、維護(hù)方便，經(jīng)濟(jì)上節(jié)省。因此不僅簡化了硬件和相應(yīng)軟件的設(shè)計和調(diào)試工作，縮短了開發(fā)周期，更重要的是使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性顯著提高
基于C8051F020的紅外光電探邊儀系統(tǒng)的硬件設(shè)計如電路結(jié)構(gòu)圖2所示。硬件部分主要由紅外光發(fā)射和接收模塊、伺服電機(jī)控制模塊、LED顯示模塊、人機(jī)交互模塊四部分組成。
圖2 電路結(jié)構(gòu)圖
2.1 紅外發(fā)射與接收模塊
如圖3所示，陰影部分代表流水線上所傳送的布，M1-M4為紅外發(fā)射二極管，L1-L10為安裝在布上面的紅外接收二極管，其外徑為1.5mm。M3、M4中任一紅外光發(fā)射二極管所發(fā)射的80 kHz 的已調(diào)制紅外光信號經(jīng)布反射后,都能被L6-L10紅外接收二極管檢測到,并以信號形式輸入至單片機(jī)接口。如果M1、M2 所發(fā)射的紅外光信號未經(jīng)布的反射, L1-L5紅外接收二極管接收不到信號。這種情況表示布邊在接收管的中部,屬最佳狀態(tài),不需要調(diào)整布的相對位置。如果布在向前傳送的過程中向右發(fā)生了偏移,M3 發(fā)射的部分紅外光信號未能經(jīng)過布的反射,而是直接發(fā)射到距布1 m 多的地面上, L6 接收不到反射信號;而M4所發(fā)射的信號,經(jīng)布反射L7-L10能夠檢測到信號,說明布向右偏離的距離較小,通過單片機(jī)發(fā)射少量脈沖驅(qū)動電機(jī)正轉(zhuǎn)。如果L6-L8都未能檢測到發(fā)射信號，說明布向右偏離已達(dá)3mm 左右,應(yīng)發(fā)射較多脈沖驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行校正。如果L6-L10都沒能檢測到發(fā)射的信號，說明布向右偏離的程度較大,單片機(jī)應(yīng)發(fā)射更多脈沖進(jìn)行校正。同樣布向左發(fā)生偏移時, M1、M2發(fā)射信號,由L1-L5接收檢測并判斷布偏離的程度,單片機(jī)根據(jù)偏離的程度發(fā)射脈沖驅(qū)動電機(jī)反轉(zhuǎn)來予以校正。
定時器T0寄存器的初值設(shè)置為0XF4，可使P34引腳輸出80KHZ的方波作為M1-M4所發(fā)射紅外光的調(diào)制信號。布在被傳送的過程中發(fā)生偏移時，即L1-L10信號接收燈的有效狀態(tài)發(fā)生變化時，主程序則通過P03引腳發(fā)送相應(yīng)的脈波控制電機(jī)進(jìn)行校正；通過P02引腳控制電機(jī)左右調(diào)整。
圖3 紅外發(fā)射與接收原理圖
為了避免發(fā)射到地面的紅外光信號發(fā)射后引起對接收信號的干擾，在設(shè)計時，紅外發(fā)射和接收二極管分別直插在兩塊對稱電路板上面，然后封裝在一個安裝盒里面。流水線上被檢測的布并非純平面，布對發(fā)射光的反射主要是一個散射的過程，所以接收燈能夠良好的檢測到。
2.2 伺服電機(jī)控制模塊
前幾代紅外探邊儀的執(zhí)行電機(jī)都采用直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，而此設(shè)計采用臺達(dá)公司的ASD-A系列交流伺服電機(jī)，使探邊儀的跟蹤速度和精度等方面都得到了很大的提高。因為ASD-A是臺達(dá)公司的一系列定位精確、響應(yīng)迅速、性能/價格比高的伺服電機(jī)，該系列臺達(dá)ASD系列以PM型AC伺服馬達(dá)為主力，控制回路采用高速數(shù)字信號處理器(DSP)，可以高速、高精度地完成各種復(fù)雜控制的運算；再加上把現(xiàn)代控制理論的一些成果應(yīng)用于交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。采用強(qiáng)健性控制技術(shù)，使得伺服馬達(dá)的低速特性更佳，增益自動調(diào)整，指令平滑功能的設(shè)計，軟件分析與監(jiān)控，使得ASD系列交流伺服真正做到高性能，高響應(yīng)，高精度，高可靠。
ASD-A系列伺服電機(jī)提供了5組輸出和8組輸入與上位控制器相互自由溝通，這樣控制起來相當(dāng)靈活，工作穩(wěn)定可靠。在本設(shè)計中，伺服驅(qū)動器采用Pt操作模式，驅(qū)動器接受位置命令，控制電機(jī)至目標(biāo)位置，位置命令由端子臺輸入，信號型態(tài)為脈波。根據(jù)本設(shè)計需要，在預(yù)設(shè)DI/DO信號線選擇了SRDY、SON、ALARM、ALR、ARST、CCLR、TPOS跟MCU進(jìn)行連接，如電路結(jié)構(gòu)圖2所示，即P20—P26為伺服電機(jī)與MCU之間的握手信號，能滿足此設(shè)計要求。
2.3 LED顯示模塊
本設(shè)計所做成的兩塊對稱PCB板封裝在一個盒子里面，在外露的調(diào)節(jié)面板上顯示手動/自動調(diào)節(jié)狀態(tài)燈選擇和故障燈狀態(tài)，以及十個紅外接收管的狀態(tài)， 便于手動調(diào)節(jié)。
2.4 人機(jī)交互模塊
當(dāng)布偏移距離較大時，操縱人員根據(jù)接收狀態(tài)燈的顯示可以選擇手動調(diào)整偏移的布。在程序運行時， P06引腳為低電平，進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。當(dāng)P04引腳低電平時，則P02引腳為低電平，即控制伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)P05為低電平時，則P02引腳為高電平，即控制伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)。這樣大大方便了操作。
3 軟件設(shè)計
該程序主要功能是，單片機(jī)I/O口輸出80KHZ的方波作為發(fā)射燈管所發(fā)射紅外光的調(diào)制信號，單片機(jī)再采集十路接收管信號以進(jìn)行判別布在被傳送的過程中是否發(fā)生了偏移，根據(jù)相關(guān)的狀態(tài)發(fā)送脈沖給伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，在數(shù)據(jù)采集過程中，主程序還可以進(jìn)行手動/自動調(diào)節(jié)選擇，使操縱起來更加簡單、方便。
系統(tǒng)軟件用Ｃ語言編寫，開發(fā)工具使用KEIL。系統(tǒng)軟件主要完成紅外二極管的發(fā)射與接收、手動與自動調(diào)節(jié)選擇、外部事件中斷控制以及數(shù)字控制算法實現(xiàn)等功能。軟件總體框圖如圖4所示：
圖4 程序主流程圖
4、結(jié)束語
前幾代探邊裝置反應(yīng)速度慢、精度差及故障率高，本文所設(shè)計的紅外光電探邊儀系統(tǒng)采用伺服電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)，經(jīng)實際運行操縱，該系統(tǒng)能良好完成所有預(yù)期功能，且跟蹤速度快、定位精度高，產(chǎn)品具有工作可靠、適用范圍廣、壽命長、維護(hù)簡單、操縱簡單方便，還可以進(jìn)行手動和自動調(diào)節(jié)選擇等一系列優(yōu)點。該產(chǎn)品已投入到湖南唯羅克紡織印染有限公司運行。
本文創(chuàng)新點：1、跟前幾代探邊裝置相比，定位精度得到了提高（能達(dá)到0.75mm）。2、采用伺服電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)，加快了對布跟蹤的響應(yīng)速度，而且定位精確。3、在布偏移距離較大的情況下，可以選擇手動調(diào)節(jié)，方便了操作。
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