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0引言
红外光电探边仪广泛应用在纺织、印染、轻工和化工等行业中。在纺织、印染等实际应用中,很多道工序需要精确地锁定布的位置才能进行后续处理,如印花、染色、整形等。布匹在印花机、热定型机等设备的导轨上高速移动,要锁定布边的位置,一般是在进入这些设备之前用机械装置(布铗或针板)卡住布边,由于布边在运动中是左右摆动的,红外探边装置能自动精确地跟踪住布边的位置,再利用机械机构锁住布边,从而保证布边正确地纳入针板,使加工织物布边的上针宽度保持一致,并在终端将其整齐地卷成布卷的过程,然后进入后续的处理工序。该系统利用MCU高控功能和伺服电机速度模式的精密控速技术的结合,实现红外探边仪的快速跟踪、高速调整等功能,从而提高布卷的质量。
1红外光电探边设计原理
红外光电探边仪主要由探测装置(红外探头)、执行机构(电机调速系统)2部分组成。
1·1红外探头
红外探头即检测机构,采用一组红外发射和接收对管器件,红外发光管向布发射红外光,布反射的红外光被正对着的红外接收管检测到,由于接收管和布位置很近,而且装在导光孔中,因而只有布正上方的接收管才能接收到反射光,而旁边正下方没有布的接收管则接收不到反射光。该系统采用4个红外发射管和10个红外接收管如图1所示,红外接收管交错排列,这样能减少接收信号误差以及提高整个系统的精度。接收管接收的信号经滤波、比较电路后变为适合单片机的信号,再经过抗干扰处理,将其反映信号转换为执行机构的给定信号,经过D/A转换后输出到驱动机构。
1·2执行电机
早期的红外探边仪电控系统一般采用进口的电机直流调速系统作为执行机构,直流调速具有控制简单、起动转矩大、调速性能好等优点,但同时也有电机成本高、换向电路不可靠、不利于工作在恶劣的工作环境等缺点。因此在本系统中,执行电机采用ASDA-B系列交流伺服电机,ASDA-B系列为一开放型(Open Type)伺服驱动器,本驱动器利用精密的回授控制
2硬件设计
2·1MCU
基于C8051F020的红外光电探边仪系统的硬件设计如电路结构图2所示。MCU采用C8051F020八位微控制器。以CIP51微处理器为内核的C8051F020是高集成度的混合信号系统芯片,它符合IEEE1149.1标准,支持JTAG接口进行片内的调试和边界扫描,便于在线调试和运行程序。它独有的海量FLASH程序存储器和数据存储器,可在线多次重复编程,使程序和数据的存储更加方便。与标准8051相比,它丰富的1/O接口、大量的特殊功能寄存器使编程的工作更加轻松。所有这些资源非常适合于把红外光的检测、控制、显示集中在一个嵌入式系统中,运行可靠、稳定、快速、维护方便,经济上节省。因此不仅简化了硬件和相应软件的设计和调试工作,缩短了开发周期,更重要的是使系统的稳定性和抗干扰性显著提高。
2·2控制方法
伺服驱动器提供位置、速度、扭矩3种基本操作模式,可使用单一控制模式,即固定在一种模式控制,也可选择用混合模式来进行控制。在该设计里选择速度模式,在最先考虑时,选择了位置控制模式,即MCU采用发脉冲的方式来控制执行电机以及减速装置来调整布边的偏移,当布边偏移距离较大时,则发射更多的脉冲来控制装置调整偏移,反之则发射少量脉冲来调整布边偏移。采用速度模式时,即为模拟控制模式,把从接收管接收到的信号经过处理后经过D/A转换输出到驱动机构,当布边偏移距离比较大的时候,则执行电机以较大的速度来调整布边,反之以较小的速度来调整布边偏移,而且执行电机的转速能通过串口通信来设置,这样速度操作模式比位置操作模式更加灵活且调整偏移时更具有连
速度操作模式里有2种命令输入模式:模拟输入与寄存器输入,该装置采用模拟输入驱动模式,由MCU输出电压来操纵马达的转速,根据设计需要,在预设DI/DO信号线选择了SRDY、SON、ALARM、ARST、CWL、CCWL跟MCU进行连接,如图2所示,即P20~P26为伺服电机与MCU之间的握手信号,能满足设计要求。
2·3硬件电路设计原理
该电路中设置内部T0定时器工作在方式2,TL0、TH0寄存器的初值设置为0x48,同时可设置P34引脚输出5KB的方波作为M1-M4所发射红外光的调制信号。L1-L10检测到有效信号时,经过信号处理电路传输给单片机P1、P36、P37引脚。如果布在传输的过程中发生了偏移,P2、P32、P33引脚指示灯显示接收管状态来判断偏移程度,而主程序根据接收管状态控制P7口引脚发出对应的信号,经过D/A转换为±10 V之间的电压控制电机转速和方向。当布的偏移程度较小时,则输给电机的电压最小,控制电机转速最低。布的偏移较大时,则单片机控制输给电机的电压最高,控制电机转速最高。
在手动模式下,根据外部指示灯的状态来判断布的偏移方向以及布的偏移程度,把手动调节按钮设为3档,即把电机分为左右转动以及停止状态,由操纵人员来调整布的偏移。图中的P10、P11引脚为串行口预留接口,单片机和伺服电机可以采用串行口通信模式;也可以用于在线程序更新以及产品升级等。
3软件设计
该程序主要功能是:MCU根据采集到的红外接收管信号进行判别布在被传送的过程中是否发生了偏移,再根据相应的状态发送模拟电压给伺服电机来调整布的偏移,在数据采集过程中,由于布的表面并非纯平面,会引起对接收信号的干扰,主程序中设计了软件抗干扰,并在出现干扰时做出标记,供主程序分析时采用。
主程序中还可以进行手动/自动调节选择,当布偏移距离较大时,操纵人
系统软件用C语言编写,开发工具使用KEIL。系统软件主要完成红外二极管的发射与接收、手动与自动调节选择、外部事件中断控制、抗干扰算法等功能。软件总体框图如图3所示。
红外光电探边电控系统设计是以微处理器为核心和以电机作为执行电机的微机控制系统,在不同的应用场合受到的干扰也不同,当红外探边仪在运行时所受到的干扰超过一定限度时就会严重影响它的可靠性,甚至影响整个生产现场,因此在设计中采用了硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术来提高整机系统的可靠性。
4·1硬件抗干扰
根据系统的设计要求以及所需达到的系统性能,在硬件设计电路中,如微处理器和电机信号的传递采用了隔离技术等,因此整个系统采用了隔离抗干扰、接地抗干扰、滤波抗干扰、去耦抗干扰等方法。
4·2软件抗干扰
在最初的软件调试过程中,发现即使布发生了不同程度的偏移,而电机却没有带动机械装置对偏移的布进行及时调整,由于在开始的程序设计中,只考虑理想化了的10种接收灯的状态,也有可能由于布的漫反射以及外界光的干扰造成了接收灯的一些误码状态,根据调试过程中的状态以及总结,编写了软件抗干扰函数,滤除了干扰在有用信号中的影响如图4所示,另外还采取了软件陷阱、指令冗余等常用抗干扰方法。
5结束语
采用一组红外光发射与接收管做成的红外探测头、C8051F020作为控制芯片、采用ASDA-B交流伺服电机速度模式下的模拟控制方式做成的红外探边系统。经测试表明:该系统跟踪速度快、定位精度高,产品具有工作可靠、适用范围广、寿命长、维护简单、操纵简单方便,还具有手动和自动调节选择等一系列优点,满足了红外探边仪的应用要求。
