基于單片機(jī)的自動(dòng)纏線裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董洢安

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214121）

在手工制作業(yè)中，生產(chǎn)者需要用到大量不同規(guī)格線板。傳統(tǒng)情況下，單純的依靠純手工來(lái)制作線板，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且生產(chǎn)成本高。傳統(tǒng)纏線機(jī)雖然能夠輔助人們進(jìn)行纏線工作，但其主要投入于電機(jī)漆包線、電線繞制等工業(yè)生產(chǎn)中；且體積大，成本高，需要進(jìn)行定期維護(hù)，無(wú)法滿足手工業(yè)生產(chǎn)者的需求，因此，生產(chǎn)出一款高效、低成本、能夠準(zhǔn)確計(jì)數(shù)的新型智能纏線機(jī)就顯得尤為重要。本文利用多種傳感器，將小型減速電機(jī)與傳感器結(jié)合，制造出一款體積小，成本低，纏線精確的新型纏線機(jī)，從而填補(bǔ)手工業(yè)自動(dòng)纏線機(jī)的空白。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能纏線機(jī)系統(tǒng)主要由信號(hào)采集部分，控制單元，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可調(diào)式硬件組件組成。

信號(hào)采集部分主要是采集霍爾傳感器傳過(guò)來(lái)的脈沖值，并實(shí)時(shí)對(duì)傳送的信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)；控制單元采用高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的STC12C5A60S2 單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心，單片機(jī)利用外部中斷對(duì)傳來(lái)的脈沖值進(jìn)行檢測(cè)，并利用模糊算法算出纏線機(jī)已經(jīng)實(shí)際完成的纏線圈數(shù)，一旦達(dá)到設(shè)定圈數(shù)，纏線機(jī)會(huì)做出語(yǔ)音提示，而一旦纏線機(jī)在工作過(guò)程中出現(xiàn)了問(wèn)題，纏線機(jī)則會(huì)緊急制動(dòng)并語(yǔ)音報(bào)警。

本系統(tǒng)主要使用霍爾傳感器對(duì)纏線圈數(shù)進(jìn)行檢測(cè)；MPU6050 傳感器對(duì)纏線機(jī)自身狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；USART HMI 液晶顯示屏觀察纏線機(jī)工作進(jìn)程；薄膜鍵盤則實(shí)現(xiàn)對(duì)纏線機(jī)的控制。

1.1 信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)纏線機(jī)的精確控制，本系統(tǒng)選擇了霍爾傳感器，并將霍爾傳感器與電機(jī)加以改造使用。

纏線機(jī)將霍爾傳感器與電機(jī)二者相結(jié)合，在電機(jī)底部的裝上了一個(gè)圓形磁鐵，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，短軸上的磁鐵也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)霍爾效應(yīng)，每當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)固定的距離，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)霍爾電壓差，這個(gè)電壓差回傳給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)AD 轉(zhuǎn)換之后，單片機(jī)通過(guò)算法確定其具體的實(shí)際圈數(shù)之后，控制單元將實(shí)際旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和預(yù)定設(shè)置的圈數(shù)進(jìn)行比較，一旦達(dá)到我們?cè)O(shè)定的閾值，控制單元將給出一個(gè)停止信號(hào)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作為一款輔助生產(chǎn)的工具，纏線機(jī)一定會(huì)在纏線過(guò)程中出現(xiàn)線板歪斜、纏線位置不準(zhǔn)確等突發(fā)問(wèn)題，為此，我們特別添加了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用陀螺儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)纏線機(jī)的位置狀態(tài)。

在旋轉(zhuǎn)的情況下，物體旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受到外力影響時(shí)不會(huì)改變，陀螺儀也由此誕生。

纏線機(jī)在工作時(shí)會(huì)通過(guò)陀螺儀對(duì)自身情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)自身在某一刻出現(xiàn)了較大程度的偏移，即判斷為纏線機(jī)發(fā)生了意外情況，此時(shí)纏線機(jī)停止工作并且發(fā)出警報(bào)。

在實(shí)際的測(cè)試情況下，我們發(fā)現(xiàn)，由于纏線機(jī)在工作過(guò)程中產(chǎn)生的幅度不會(huì)太大，因此我們可以基本忽略纏線機(jī)自身產(chǎn)生的偏移，此外，一般情況下，使用者會(huì)將纏線機(jī)放置地比較平穩(wěn)，基于大量實(shí)際實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)采用陀螺儀對(duì)纏線機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是可行并有效的。

1.3 人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在人機(jī)交互方面，本系統(tǒng)使用了USART HMI 液晶顯示屏，成本低，壽命長(zhǎng)，顯示效果好，并且支持觸控。使用者可以直觀的在屏幕上觀察到纏線機(jī)的現(xiàn)工作狀態(tài)，達(dá)到對(duì)纏線機(jī)的監(jiān)測(cè)要求。

纏線機(jī)的另外一個(gè)特點(diǎn)就是使用者可以根據(jù)自身不同的需求輸入不同的工作參數(shù)，從而完成精確纏線的需求。為了滿足對(duì)參數(shù)輸入的需求，本系統(tǒng)使用了薄膜鍵盤，使用者可以直接在薄膜鍵盤上輸入需要纏線機(jī)進(jìn)行工作的圈數(shù)，并通過(guò)暫停、啟動(dòng)、清零、加速、減速五個(gè)按鍵對(duì)纏線機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 控制單元電路設(shè)計(jì)

控制單元是自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，主要完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的檢測(cè)、分析，判斷纏線機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)是否達(dá)到設(shè)定圈數(shù)、纏線機(jī)自身是否出現(xiàn)了緊急突發(fā)情況，一旦出現(xiàn)上述兩種情況，纏線機(jī)停止工作并發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警，提示人們上前查看?？刂茊卧娐穲D如圖1 所示。

2.2 閾值信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

閾值信號(hào)檢測(cè)主要是包括對(duì)纏線機(jī)實(shí)際工作圈數(shù)、自身偏移的檢測(cè)。采用霍爾傳感器，通過(guò)對(duì)霍爾電壓的采集，通過(guò)轉(zhuǎn)換，計(jì)算纏線機(jī)的實(shí)際工作進(jìn)程。采用MPU6050.6 軸傳感器，對(duì)纏線機(jī)自身的瞬間位移偏轉(zhuǎn)量進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.3 語(yǔ)音提示系統(tǒng)

當(dāng)纏線機(jī)完成設(shè)定閾值情況下的纏線工作時(shí)，控制單元會(huì)給語(yǔ)音提示系統(tǒng)一個(gè)信號(hào)，語(yǔ)音模塊在接收到這個(gè)信號(hào)之后會(huì)做出提示，提示人們工作已經(jīng)完成，叫人們上前查看。

圖1 控制單元

圖2 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

此外，陀螺儀實(shí)時(shí)對(duì)纏線機(jī)自身情況做出監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)纏線機(jī)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，控制單元也將發(fā)送信號(hào)，使語(yǔ)音提示系統(tǒng)做出相應(yīng)的反饋。語(yǔ)音提示系統(tǒng)電路圖如圖3 所示。

圖3 語(yǔ)音提示系統(tǒng)

2.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)控制使用的是電機(jī)控制專用芯片L298N，其內(nèi)部含有兩個(gè)相同H 橋式驅(qū)動(dòng)電路，以及4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，即內(nèi)含二個(gè)H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，分為由En A、IN1、IN2 控制的A 橋和由En B、IN3、IN4 控制的B 橋。具有驅(qū)動(dòng)電流大（單路驅(qū)動(dòng)約2A）、低電平范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。四路光電耦合電路通過(guò)電- 光- 電的轉(zhuǎn)換，對(duì)輸入和輸出電路進(jìn)行隔離。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4 所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序流程設(shè)計(jì)

控制單元主要是針對(duì)單片機(jī)操作程序進(jìn)行編程，包含傳感器數(shù)據(jù)采集、分析、比較，閾值判定、驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出和語(yǔ)音報(bào)警。通過(guò)五個(gè)功能按鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)、暫停、清零、加速、減速等操作以滿足使用者對(duì)于纏線機(jī)的不同工作狀態(tài)的需要，使用者通過(guò)薄膜鍵盤輸入預(yù)定工作圈數(shù)，并通過(guò)顯示屏幕實(shí)時(shí)觀察纏線機(jī)工作狀態(tài)。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.2 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)整體測(cè)試組成如下圖所示，系統(tǒng)針對(duì)不同型號(hào)的20 類纏線板，分別進(jìn)行了20 次實(shí)驗(yàn)，纏線圈數(shù)不等，準(zhǔn)確率達(dá)到了99.8%。此外在連續(xù)14 小時(shí)的工作情況下，纏線機(jī)依舊保持著極高的穩(wěn)定性。以上測(cè)試表明，該系統(tǒng)可以有效輔助人們的日常生產(chǎn)生活。具體參數(shù)見下表。

測(cè)試表

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了智能纏線裝置系統(tǒng)，通過(guò)多種傳感器角度，檢測(cè)機(jī)器實(shí)際纏線圈數(shù)并監(jiān)測(cè)纏線機(jī)自身狀態(tài)，從而輔助人們的日常生產(chǎn)生活，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為提高手工制作業(yè)的自動(dòng)纏線的智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。