一种新型断条光电自停装置的设计

0 引 言
    并条机断条自停装置(简称自停装置)的可靠性直接影响并条机的产条质量，堵条、罗拉缠绕和积花(通称为堵条)则会影响生产效率，甚至会损坏设备。因此对并条断条、堵条的快速、准确检测具有实际意义。早期的自停装置为机械接触式，因可靠性差、与棉条接触和设备运行速度的提高等因素而逐步被淘汰，高架并条机已不采用，现在广泛应用的是光电对射式自停装置。并条机断条自停装置一般不具有堵条自停功能，存在易损坏、智能化程度低和调试应用不便的缺点，检测单元的位置和角度稍有变化即会影响检测的可靠性，造成漏检和误停车。随着变频器应用的增多，抗干扰能力弱的缺点也显现出来。
    光电自停装置的工作原理与对射式光电接近传感器的原理基本相同，一般采用红外发射二极管发射某一频率的红外光，用光敏器件接收透射光并转换为电信号，含有光路状态信息的信号由放大器放大并经检波，确定是否有物体经过光路。为提高可靠性，接收器件常用滤光封装滤除自然光，避免光电转换器件饱和；采用特定频率的红外调制光，抑制环境突变光干扰。随着技术的进步，集成化、智能化的光电传感器也不断出现。但并条机应用的各种光电自停装置一般不具有智能化检测特点，集成化程度较低，光电转换器大多采用光敏二极管或光敏三极管分离元件构成，接收器件仅完成光电信号转换功能，信号放大和检波需设计外围电路支持，因此接收器件的性能是光电自停装置电路设计的技术关键。为此，基于集成化IRM设计了一种新型智能化自停装置，统一了并条机前后光电路设计，在FA302，FA306等型号的并条机上应用证明，其检测可靠，避免了设备误停。

1 自停装置系统构成
1．1 系统构成与设计特点
    如图1所示，新型光电自停装置由四路对射式光电断条检测单元、两通道对射式光电堵条检测单元和自停控制器构成。控制器具有双控功能，断条自停和堵条自停分别输出，与检测单元采用三总线连接，为检测单元提供电源和接收停车信号。检测单元由红外线发射器和接收器组成，前后光电检测单元的电路原理相同，因安装方式不同其外观尺寸有差别。发射器工作状态受接收器控制，二者通过光路构成一个闭环检测系统。为防止光路间相互干扰，发射与接收器均安装光学透镜系统，使发射光到达接收器的光斑直径约为20 cm，因此，接收器具有较大的接收和调整范围。

    断条检测单元具有自动复位功能，检测到断条后输出停车信号1 s即自动复位，当接收器持续接收不到光信号时间超过5 s，则发出故障指示，提醒维护。堵条检测单元检测到堵条故障，则持续输出停车信号，防止启动设备造成设备故障，堵条故障被排除后方能自动停止输出停车信号。考虑电缆连接的可靠性与方便性，发射器和接收器采用电话水晶头连接器与总线连接，安装、更换方便。
1．2 检测单元构成框图
    参见图2，发射与接收单元虽是分体结构，但电路设计为一整体系统。主要由微处理器电路、动态光强控制电路、红外发射电路、IRM接收电路及输出电路构成，由控制器提供工作电源。微处理器作为智能控制单元，与动态光强控制电路、发射电路、IRM接收电路，通过光路构成一闭环控制系统，使发射与接收具有智能化检测的特点。停车信号通过输出电路送到自停控制器，控制设备停车。

    考虑到应用环境存在飞花、落尘和设备震动等因素，提出一种以微处理器为核心的检测方案，采用在遥控领域应用广泛的IRM作为检测器件，简化电路设计，提高稳定性；应用调制红外光发射，排除环境光干扰；以发射、接收检测反馈应答工作模式，提高检测可靠性；利用智能化的可变光强发射技术，抑制因透镜面落尘、发射器与接收器位置变化造成的误检测。应用证明在透镜稍有落尘的情况下，检测可靠。

2 自停装置的电路设计与原理
2．1 IRM简介与传输特性
    IRM-3638型红外遥控接收模组，将光探测器、前置放大器、检波电路集成封装在一起，以实现信号的接收、放大与检波。无外围元件，输出与TTL和CMOS兼容，可直接与微处理器接口。具有可靠性高、抗干扰能力强、功耗低(2 mA@5 V)、灵敏度高的优点。
    IRM适宜对波长为940 nm、调制频率为38 kHz红外脉冲信号的接收。当信号强度达到IRM的接收要求时，只需接收6个脉冲就能可靠触发输出低电平信号，如图3所示。若IRM连续接收38 kHz的红外脉冲信号，将持续输出低电平；IRM接收不到符合要求的红外信号时将输出高电平。因此若物体经过或遮挡接收光路，IRM接收的将不是连续脉冲光或接收不到脉冲光，光电自停装置的接收器正是利用了IRM这一检波传输特性，微处理器通过检测IRM的输出状态，可获取光路的被遮挡的信息，并且自停装置省掉了放大器和检波电路设计，提高了系统稳定性。

2．2 动态光强控制红外发射电路
    红外线发射采用了动态可变光强设计，见图4。L1为红外发射二极管，T1，T2为PNP型三极管。当T2截止时，L1的限流电阻为R1+R2；T2饱和导通时短路R2，L1的限流电阻为R1，因此通过控制T2的导通状态可控制通过L1的工作电流大小，实现光强控制。微控器通过T1以频率为38 kHz、占空比为1／2的脉冲驱动红外发射管L1产生脉冲红外光。系统上电时微处理器控制T2截止，以小光强进行接收检测，若能够正常接收，系统将维持小光强发射进入工作状态，以提高发射器寿命。若不能正常接收，T2将导通提高发射光强，这时若能正常接收，系统将以较大光强进入工作状态，同时系统发出提示清洁透镜或调整接收器位置的信号。若仍不能正常接收，则自动关闭接收器输出，维持其他单元系统工作，并发出故障提示信号。这种设计方法，使发射与接收具有反馈应答特征，红外发射光强度得到动态控制，使接收器自动适用接收状态的变化，有利于提高检测可靠性。

2．3 自停装置单元电路原理
    电路的信号处理和控制核心采用了Microchip Technology Inc．生产的PIC12C508A微处理器。它基于COMS设计，采用RISC结构，片内程序存储器EPROM和数据存储器RAM，并集成了上电复位电路(POR)、时钟振荡器(INTRC)、看门狗定时器(WDT)等功能单元。具有小型化封装(8-Lead SIOC)、低功耗(2 mA@4 MHz)、高性价比的优点，为接收器的小型化设计提供了方便。自停装置的电路设计充分利用了其内建功能，提高了集成度，降低了系统成本。
    电路原理如图5所示，图中电阻R1，R2，R3，R4，红外发射二极管L1、三极管T1，T2构成发射电路，由U1的GP4，GP5口输出控制信号驱动。IRM3638、电阻R5、电容C2构成红外接收电路，R5与C1的作用是与发射电路的电源隔离，防止信号串扰，稳定IRM的供电。电阻R6。、三极管T3构成输出电路，为使各单元的输出能够采用线“或”式向自停控制器输送停车信号，采用集电极开路(OC)输出。L2为共阳极红绿双色LED，与R7，R8构成状态指示电路，由U1的GP0，GP1口驱动。正常接收时显示绿色；提醒清洁时显示橙色；输出停车信号时显示红色；接收故障时为橙色闪烁，可根据显示状态了解接收器工作情况。

    U1软件系统产生的38 kHz脉冲信号由GP4输出，经R3，T1驱动L1发射红外脉冲光信号。接收模组IRM接收到均匀间隔的连续脉冲时输出低电平，U1控制GP2处于低电平，T3处于截止状态，接收器输出电路呈高阻态。光路有棉条经过时，光路被遮挡，作用到接收器的光脉冲信号出现暂时中断，IRM输出高电平，高电平持续时间等于被遮挡时间。U1将通过GP3循环检测IRM的输出，确定是否有棉条经过光路或堵条遮挡光路。当GP3为高电平时，U1软件系统抗干扰确认后，GP2输出持续1 s的高电平，使输出电路饱和导通，向自停控制器提供停车信号。
    实验证明，设备运行状态下棉条断裂下垂掠过光路的时间大于等于20 ms，微处理器软件系统对IRM的输出信号进行软件抗干扰处理，过滤高电平持续时间小于20 ms的输出脉冲，使飞花干扰得到彻底抑制。检测过程中，IRM仅用于接收并初步判断是否有棉条经过光路，其输出信号并不直接控制输出电路，而是送微处理器进一步确认。确认过程一方面能排除干扰，另一方面还对发射电路反馈控制信息，以稳定检测，避免了干扰和输出抖动，因此接收与发射在检测过程中具有反馈应答的智能化特征。
2．4 自停控制器电路原理
    自停控制器电路原理参见图6，图中IO1，IO2为接口接线端子；J11,J12为断条停车继电器J1的触点输出；J21，J22为堵条停车继电器J2的触点输出；AC，AC为12 V交流电源输入端子，输入电压经全桥B1整流并经C1，C2滤波后输出直流电压VCC，为J1，J2供电；VCC电压还经三端稳压器V1稳压后为发射接收单元提供+5 V电压。IN1，+5 V，VSS为断条检测单元系统总线；IN2，+5 V，VSS为堵条检测单元系统总线。L1，L2分别为两种停车方式的动作指示LED。三极管T1与电阻R2，R3构成J1的驱动电路，二极管D1用于保护T1，驱动电路的输入端连接IN1。三极管T2与电阻R4，R5构成J2的驱动电路，二极管D2用于保护T2，驱动电路的输入端连接IN2。
    设四路断条检测单元的输出分别为OC1，OC2，OC3，OC4；两路堵条检测单元的输出分别为OC5，OC6，则断条停车的条件为：

   
    这种线“或”的逻辑接口设计，可方便地在总线上连接多个发射与接收单元，即无论哪一路输出低电平，都会引起自停控制器输出停车控制信号，而单元之间不会产生相互影响。

3 自停装置的程序设计
    PIC12C508A微控器，采用精简指令集系统，除跳转指令外绝大多数指令周期为1μs@4 MHz。为提高抗干扰能力，启用片内WDT用于程序监控。另外，用软件对输入信号进行了抗干扰处理，过滤脉冲宽度10 ms以下的输入干扰。堵条检测软件与断条检测软件基本相同，停车输出控制时间有差异，堵条停车要待故障清除才释放停车输出。
3．1 软件流程图
    系统上电后微处理器先进行初始化设置，包括状态字设置、程序监控设置、输入、输出口设置、时间常数设置，然后进行光路接收测试，先以低光强测试，接收异常则加强发射光强度继续测试，若仍异常则退出检测，提示故障信息。接收正常进入主程序，进入主程序后在循环检测输入过程中产生38 kHz的脉冲信号。软件系统包括初始化程序、主程序、测控程序和38 kHz脉冲输出子程序，初始化检测和主程序软件流程图如图7所示。

3．2 软件产生38 kHz脉冲子程序清单
    为简化电路设计，通过合理设计软件系统，由软件产生38 kHz调制脉冲信号，在测试程序和主程序两次调用间隙检测IRM输出。这个间隙时间为脉冲周期的一半，即13 ns。微处理器的指令周期为1 ns，系统能够执行13条指令，足以实现检测IRM输出并完成程序跳转(2～4 ns)。为稳定接收，每次调用连续循环发射红外光1 ms，并在程序中嵌入复位看门狗(Watchdog)命令，监视微处理器运行，防止强干扰造成系统运行异常。程序清单如下：

   

4 结 语
    智能化的光电自停装置在设计上充分考虑了其应用现场的环境条件，将应用广泛、价格低廉的遥控接收器件和微处理器应用到电路设计，并采取了IRM内部集成放大和检波功能、动态光强控制、软件抗干扰等多项措施。充分利用了微控器软硬件资源，电路简洁、原理简单，提示信息全面。系统具有低功率消耗特点，每个发射与接收单元的工作电流小于30 mA@DC 5 V。在附加了堵条检测功能的条件下，系统仍具有扩展性，现场应用取得了较好的效果。