單片機的自動纏線裝置系統(tǒng)設(shè)計

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摘要：為解決傳統(tǒng)纏線設(shè)備不能滿足現(xiàn)在手工業(yè)制作者需求的問題。從自動化，智能化的角度出發(fā)，自動纏線系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機作為系統(tǒng)的控制核心，通過霍爾編碼器，薄膜鍵盤，液晶顯示屏等，使生產(chǎn)者只需使用按鍵便可對纏線機進行控制，并能實時從顯示屏觀察其工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)低成本、高效率的纏線生產(chǎn)。實驗表明，該系統(tǒng)制作成本較低，結(jié)構(gòu)簡單，準確性達到99.8%，能夠有效的輔助人們的生產(chǎn)生活，達到高效生產(chǎn)的目的。

關(guān)鍵詞：自動纏線；傳感器；單片機

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制作線板，費時費力且生產(chǎn)成本高。傳統(tǒng)纏線機雖然能夠輔助人們進行纏線工作，但其主要投入于電機漆包線、電線繞制等工業(yè)生產(chǎn)中；且體積大，成本高，需要進行定期維護，無法滿足手工業(yè)生產(chǎn)者的需求，因此，生產(chǎn)出一款高效、低成本、能夠準確計數(shù)的新型智能纏線機就顯得尤為重要。本文利用多種傳感器，將小型減速電機與傳感器結(jié)合，制造出一款體積小，成本低，纏線精確的新型纏線機，從而填補手工業(yè)自動纏線機的空白。

1系統(tǒng)設(shè)計

智能纏線機系統(tǒng)主要由信號采集部分，控制單元，執(zhí)行機構(gòu)，可調(diào)式硬件組件組成。信號采集部分主要是采集霍爾傳感器傳過來的脈沖值，并實時對傳送的信息進行監(jiān)測；控制單元采用高速、低功耗、超強抗干擾的STC12C5A60S2單片機作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制核心，單片機利用外部中斷對傳來的脈沖值進行檢測，并利用模糊算法算出纏線機已經(jīng)實際完成的纏線圈數(shù)，一旦達到設(shè)定圈數(shù)，纏線機會做出語音提示，而一旦纏線機在工作過程中出現(xiàn)了問題，纏線機則會緊急制動并語音報警。本系統(tǒng)主要使用霍爾傳感器對纏線圈數(shù)進行檢測；MPU6050傳感器對纏線機自身狀態(tài)進行監(jiān)測；USARTHMI液晶顯示屏觀察纏線機工作進程；薄膜鍵盤則實現(xiàn)對纏線機的控制。

1.1信號采集系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)對纏線機的精確控制，本系統(tǒng)選擇了霍爾傳感器，并將霍爾傳感器與電機加以改造使用。纏線機將霍爾傳感器與電機二者相結(jié)合，在電機底部的裝上了一個圓形磁鐵，隨著電機轉(zhuǎn)動，短軸上的磁鐵也隨之轉(zhuǎn)動，根據(jù)霍爾效應(yīng)，每當電機轉(zhuǎn)過固定的距離，都會產(chǎn)生一個霍爾電壓差，這個電壓差回傳給單片機，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換之后，單片機通過算法確定其具體的實際圈數(shù)之后，控制單元將實際旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和預(yù)定設(shè)置的圈數(shù)進行比較，一旦達到我們設(shè)定的閾值，控制單元將給出一個停止信號，電機停止轉(zhuǎn)動。

1.2智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

作為一款輔助生產(chǎn)的工具，纏線機一定會在纏線過程中出現(xiàn)線板歪斜、纏線位置不準確等突發(fā)問題，為此，我們特別添加了實時監(jiān)測系統(tǒng)，用陀螺儀實時監(jiān)測纏線機的位置狀態(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不會改變，陀螺儀也由此誕生。纏線機在工作時會通過陀螺儀對自身情況進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)自身在某一刻出現(xiàn)了較大程度的偏移，即判斷為纏線機發(fā)生了意外情況，此時纏線機停止工作并且發(fā)出警報。在實際的測試情況下，我們發(fā)現(xiàn)，由于纏線機在工作過程中產(chǎn)生的幅度不會太大，因此我們可以基本忽略纏線機自身產(chǎn)生的偏移，此外，一般情況下，使用者會將纏線機放置地比較平穩(wěn)，基于大量實際實驗，我們發(fā)現(xiàn)采用陀螺儀對纏線機進行監(jiān)測是可行并有效的。

1.3人機交互系統(tǒng)設(shè)計

在人機交互方面，本系統(tǒng)使用了USARTHMI液晶顯示屏，成本低，壽命長，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的現(xiàn)工作狀態(tài)，達到對纏線機的監(jiān)測要求。纏線機的另外一個特點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進行工作的圈數(shù)，并通過暫停、啟動、清零、加速、減速五個按鍵對纏線機的工作狀態(tài)進行控制。

2電路設(shè)計

2.1控制單元電路設(shè)計

控制單元是自動控制系統(tǒng)的核心，主要完成對傳感器數(shù)據(jù)的檢測、分析，判斷纏線機實際轉(zhuǎn)動圈數(shù)是否達到設(shè)定圈數(shù)、纏線機自身是否出現(xiàn)了緊急突發(fā)情況，一旦出現(xiàn)上述兩種情況，纏線機停止工作并發(fā)出語音報警，提示人們上前查看?？刂茊卧娐穲D如圖1所示。

2.2閾值信號采集電路設(shè)計

閾值信號檢測主要是包括對纏線機實際工作圈數(shù)、自身偏移的檢測。采用霍爾傳感器，通過對霍爾電壓的采集，通過轉(zhuǎn)換，計算纏線機的實際工作進程。采用MPU6050.6軸傳感器，對纏線機自身的瞬間位移偏轉(zhuǎn)量進行檢測。檢測電路設(shè)計如圖2所示。

2.3語音提示系統(tǒng)

當纏線機完成設(shè)定閾值情況下的纏線工作時，控制單元會給語音提示系統(tǒng)一個信號，語音模塊在接收到這個信號之后會做出提示，提示人們工作已經(jīng)完成，叫人們上前查看。此外，陀螺儀實時對纏線機自身情況做出監(jiān)測，當檢測纏線機出現(xiàn)緊急情況時，控制單元也將發(fā)送信號，使語音提示系統(tǒng)做出相應(yīng)的反饋。語音提示系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

2.4驅(qū)動電路設(shè)計

執(zhí)行機構(gòu)的電機控制使用的是電機控制專用芯片L298N，其內(nèi)部含有兩個相同H橋式驅(qū)動電路，以及4通道邏輯驅(qū)動電路，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，分為由EnA、IN1、IN2控制的A橋和由EnB、IN3、IN4控制的B橋。具有驅(qū)動電流大（單路驅(qū)動約2A）、低電平范圍寬等優(yōu)點。四路光電耦合電路通過電-光-電的轉(zhuǎn)換，對輸入和輸出電路進行隔離。電機驅(qū)動電路如圖4所示。

3軟件設(shè)計

3.1程序流程設(shè)計

控制單元主要是針對單片機操作程序進行編程，包含傳感器數(shù)據(jù)采集、分析、比較，閾值判定、驅(qū)動電機輸出和語音報警。通過五個功能按鍵對系統(tǒng)進行啟動、暫停、清零、加速、減速等操作以滿足使用者對于纏線機的不同工作狀態(tài)的需要，使用者通過薄膜鍵盤輸入預(yù)定工作圈數(shù)，并通過顯示屏幕實時觀察纏線機工作狀態(tài)。

3.2系統(tǒng)測試

系統(tǒng)整體測試組成如下圖所示，系統(tǒng)針對不同型號的20類纏線板，分別進行了20次實驗，纏線圈數(shù)不等，準確率達到了99.8%。此外在連續(xù)14小時的工作情況下，纏線機依舊保持著極高的穩(wěn)定性。以上測試表明，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。

4結(jié)論

本文設(shè)計了智能纏線裝置系統(tǒng)，通過多種傳感器角度，檢測機器實際纏線圈數(shù)并監(jiān)測纏線機自身狀態(tài)，從而輔助人們的日常生產(chǎn)生活，本系統(tǒng)設(shè)計為提高手工制作業(yè)的自動纏線的智能控制系統(tǒng)設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)。

參考文獻

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作者：董洢安 單位：無錫職業(yè)技術(shù)學院