（测试计量技术及仪器专业论文）智能电动密集柜自动控制系统的设计与实现.pdf

摘要 自行研制的智能电动密集柜是在传统密集柜的基础上增加了自动控制系统部分 设计而成的，它将微控制系统合理地与密集柜的整个架体融为一体，它运行稳定可靠， 具有多重防护功能，它大大提高了书籍、档案资料等存取、查阅、利用及管理的自动 化程度。 智能电动密集柜控制系统主要由触摸显示屏、通信控制主板、若干安装于各个柜 体的控制板及各种传感器和执行机构等组成，它主要具有运动控制、安全防护和提供 友好的图形化控制界面等功能。 传感器和执行机构是控制系统的重要组成部分。系统中选用了光电传感器、霍尔 传感器、压条传感器，它们的作用是密集柜运动位置检测或者通道安全检测，其输出 信号为开关量信号：系统中选用了功率继电器、单相异步电动机和减速器作为执行机 构，为密集柜提供动力。 控制板以p 8 9 c 6 6 9 微控制器为核心，由传感器的信号采集与处理电路、按键电路、 r s 4 8 5 通信电路、手动控制、急停控制电路以及电机控制电路等组成，它的主要功 能是通过r s 一4 8 5 总线将传感器的信号和按键请求信号等信息传送给主板，并接收主 板指令控制本列柜子的运动或停止。 通信控制主板以p 8 9 c 6 6 9 微控制器为核心，主要由串口扩展电路、r s 4 8 5 电路、 各种操作模式控制电路等组成。主板主要用于通讯控制，协调整个密集柜的运动。主 板和控制板之问通过r s 4 8 5 总线进行通讯，构成了一个集散控制系统。 触摸屏提供了友好的人机界面，丰板与触摸显示屏通过r s 一2 3 2 总线连接，采用 自定义的无协议通信格式进行数据通信，触摸屏发出的控制指令和数据传送至主板， t 板实时接收这些指令和数据并将柜子的有关信息反馈给触摸显示屏。 在安全防护方面采取了多重红外光电保护和压条保护等防央人措旖，而且系统还 具有故障自检功能，确保了使用者的安全。 关键词：密集柜触摸屏传感器r s 4 8 5 运动控制 安全防护 a b s t r a c t 1 1 1 es d f d e v e l 叩c di n t e l l i g 即ts y s t 锄o ft l l ee l e c 缸cs 训e ds h e l v e sa d d s t h e a u t o c o n t ls v s t 锄t ot l l e 扛a d i t i o n a 王s e r r i e ds h c l v e s a n dt l l ec o n t r o ls y s t e mi sc o m b i n e d t o l cb o d vo f 廿1 es e r r i e ds h e l v e s nm n sr c l i a b l y 锄d s t a b l y 柚ds u p p l i e s v a r i o u s 如n c t i o n si ns a f e t y i tc a l li m p r o v et l l ea u t o m a t i c i t yi na c c e s s i n g ， c o n s u l t i n g ， u 珊i 五i l g 锄dm a i l a 百n gb o o k s ，a r c 量l i v e sa n dd o c u m e m sg r e a t l y 1 1 1 ei i l t e l l i 鼯n ts v s t 锄o f t l l ee l e 砌cs e 州e ds h e l v c sc o n s i s t so f t l l et o u c hs c r e 锄，t h e m a i nc i r c u i tb o a r d ，s o m ec o n n d lc i r c l l i tb o a r d sf i x e do ne v e r yr o wo f t h es h e l v e s ，t l l e s e n r sa n ( it h ea c t u a t i n 2m e c h a 面s m ，d c i th a st h e 觚c t i o i i st oc o n 仃o lm o v e m 锄to f n l e s h e l v 髓a n dt op r o t e c tu s e r sa i l dp r 0 “d c s衔e n d l y 铲a p h i c a lu s e rh l t 刚沁e s 硼l es e n s o r sa n da c t u 砒i n gm e c h a i l i s ma r ek e yp a r t si nm es y s t e m t h es y s t e ma d o p t s p h o t o e l e c 砸cs e n s o r ， h a l ls e n s o r ， a n ds a f 酞yc o n t a c tr a i ls e n s o fa sl o c a t i o nd e t e c t o r o rs a f c t yc o n d i t i o n sd e t e c t o fi np a s s a g e s t h e i ro u 蚋t sa r ed i 舀t a il o 舀c a ls i 斟a l s t h e s y s t 啪s e l e c t sp o w e rf e l a y s ，s i n 西e - p h a s ea s ”c h o n i s me l e c t r o m o t o rw i t hd e c e l e r a t o ra s a c 掘a t i n gm e c h a n i s mt os u p p l yp o w e rf o rt h es e m e d s h e l v e s p 8 9 c 6 6 9m i 盯。一c o n t r o l l e ri st h ec o r eo ft h ec o n t r 0 1c i r c u i tb o a r dw h i c hi sc o m p o s e d o f 也ec i r c u i tt oo b t a i na n dd i s p o s et h es i 飘“s 仔o ms e l l s o r s ，t h ec i r c u i tt od i s p o s es i 印a l 矗o mp r e s sk e y s ，r s 一4 8 5c o r n m u n i c a t i o nc i r c u i t ，m a n u a lc o n t r o lc i r c u i t ，s c r 锄c o n t r o l d r c u i t 粕dt h ec i r c 山tt oc o n 订o lm o t o li ti se m p l o y e 【lm o s t l yt oc o i 】v e y也es i g n a n 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2s e r j a lc o m m u n i c a t i o nb u s s e l f - d e f i n i n gc o m m u n i c a t i o n f o 丌i l a tw i t l l o u tp m t o c o li sa p p l i c di nc o m m u n i c a t i o n m a i nb o a r da c c 印t sa c t u a l l yt h e i n s t r u c “o n sa 1 1 dd a t u mf b mt h et o u c hs c r e e na n df e e d b a c k sr e l c v 柚ti n f 0 咖a t i o nt ot l l e t o u c hs c r e c l l m 、1 1 i i p l ei n dp h o t o e l e c 砸c i t yp m t e c t i o na 1 1 ds a f e t yc o m a c tr a i lp m t e c t i o na r e a d o p 删t oa v o i dt oh u r th a n d l e r s ， i na d d i t i o n ， t 1 1 es y s t e mh a ss e l f c h e c k i n gf h n c t i o nt o f a u l t yw h i c he n s u r eu s e rt ob es a f e k e y w o r d s ： 8 e 耐e ds h e l f tt o u c hs c r e e n ，s e n s o r s ， c o n d lo f m o v e m e n t ， s a 诧l yp r o t e c t i o p 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等 违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任 和法律后果，特此郑重声明a 学位论文作者( 签名) ：戳鹰、宦 谢年多月肚同 智能电动密集柜自动控制系统的设计与实现 第一章引言 1 1 智能电动密集柜研制意义 第一章引言 智能电动密集柜是在传统密集柜的基础上增加了自动控制系统部分而设计 的，智能密集柜整个架体结构与普通密集架基本相同，区别在于其将智能化的微 控制系统巧妙、合理和系统化地与密集柜的整个架体融为一体，它由安放在移动 轨道上的静止柜、多列活动柜和自动控制系统组成。 智能电动密集柜集手动、自动控制于一体，具有多重安全防护功能，在智能 化、安全性，实用性等方面具有传统密集柜所不可比拟的优点。智能密集柜是新 一代多功能密集柜，具有操作简单、管理方便、移动平稳、安全可靠之特点。研 制开发的这种智能密集柜控制系统以嵌入式微控制器为核心，融合了多项新技 术，使智能密集柜生产技术上了一个新台阶，能够满足广大用户的需求。它是在 档案馆、博物馆、图书馆等场所以及机关、厂矿、院校等企事业单位存贮图书、 档案、资料的理想选择。它方便系统归类、储存量多、移动自如，有“用时打开、 不用时可关闭”的特点，因此大大地节省了空问，比普通的书柜节约占地面积2 ，3 以上；而且出于采用了电气传动，减轻了劳动强度，节省了人力和物力。 密集柜智能控制系统改变了档案、书籍、资料等管理人员的工作方式，提高 了工作效率，这将使资料和档案的查询、存取更快捷、更方便，对于提高书籍、 档案、资料等存储、查阅利用、管理等的自动化程度具有重要意义。随着智能化 档案、书籍装具需求的不断增长，智能控制密集柜必将成为档案、书籍等装具行 业理想的升级换代产品，同时这一需求也必将促进密集柜控制技术不断向前发 展，因此它将会有广阔的市场前景。 浚密集柜自动控制系统是为东莞新兴钢具有限公司开发的，该系统已运用到 该公司生产的密集柜产品中，并已形成小批量生产。该产品的技术也可以推广应 用到同类产品中去，这对于提升东莞地区家具及办公用具行业产品的自动化技术 水平也有一定的意义。 1 2 智能电动密集柜国内外现状 密集柜可以方便地存贮图书、档案、资料等，在国内，密集柜在机关、厂 塑丝皇垫童堡塑! 垫丝型墨堕盟堡生皇茎型 苎二皇型童一 矿、院校等企事业单位得到了广泛的应用，但是应用较多的是手动密集柜和单 纯机电控制的密集柜。手动密集柜使用起来劳动强度较大，操作起来也不甚方 便，而通常使用的电动密集柜没有自动控制系统，缺乏安全防护功能，不能自 动操作而且功能单一，已经不能满足实际的需要。国外开发的智能型电动密集 柜起步较早，已开发出多种型号功能丰富、使用方便、安全可靠的智能控制的 电动密集柜，国内少部分用户已经开始引进这些类型的电动密集柜，但由于这 些进口的密集柜价格昂贵，而且它们也并不一定适合国内用户的实际需求，因 此很难得到推广应用。 近几年来，为满足用户需求，国内一些密集柜生产厂家也陆续在传统密集 柜的基础上，开发出了系列电动密集柜。概括起来它们有以下几种常见类型： 1 、控制方式为单纯的继电器控制，没有任何安全保护措施或者仅采取一些 机械开关进行限位； 2 、使用单片机控制，通过按键进行操作，利用电磁继电器和机械式开关如 行程开关等进行控制，虽然价格便宜，但是功能单一，可靠性差，缺少安全防 护措施； 3 、使用单片机控制，通过按键或键盘进行操作，利用红外传感器进行定位 和安全防护，利用r s 一4 2 2 总线实现电动密集柜主控列与各移动列之间进行通 信，有l 印l c d 显示等，这种密集柜能够实现的功能较多，使用r s 一4 2 2 总线 通信，通讯距离较远，可靠性较高，能够控制的密集柜列数较多；但它也有如 下一些缺点：缺乏人机界面操作，使用起来不太方便，智能化程度不高： 4 、使用电脑作为上位机，各列柜子上的单片机作为下位机，通过电脑自动 操作密集柜，利用r s 一4 8 5 总线实现上位机和下位机之间的通信，使用的传感器 种类较多，有l c d 显示，可靠性和安全性较高，操作界面友好，功能较为丰富， 但是电脑不能嵌入到电动密集柜架体当中去，灵活性不够川【2 】； 5 、密集柜采用p l c 进行控制i3 1 ，这种密集柜虽然功能强大、使用方便， 但价格非常昂贵。 1 3 电动密集柜的发展趋势 1 、高可靠性、安全性、保密性 可靠性集中反映了产品或设备的质量指标，一个可靠的系统应该能够长期 稳定、正常运行。电动密集柜系统的设计应该有高的可靠性，包括系统结构、 硬件电路和运行软件的可靠性。高的可靠性是实现系统功能的重要保证，高的 智能电动密集柜自动控制系统的设计与实现 第一章引言 可靠性已成为新型密集柜设计时必须解决的关键性问题。 安全性是指系统能够保证人和物的安全，密集柜要有防夹人保护、防夹物保 护、用电安全保护、防架体碰撞等措旌。安全性是密集柜设计时必须考虑的一个 重要因素。 对于存放的一些机密资料、档案、文件需要采取一些保密措施是十分重要的， 这就要求密集柜具备保密功能。一般可通过设置密码权限保护来实现，密码权限 保护就是对使用这一系统的权力的限制。系统启动后必须输入相应的位密码才可 对架体进行操作，防止没有被授权的人员随意查阅。 2 、友好的人机界面 传统的电动密集柜往往以按键、键盘等作为人机接口，没有可视化的人机 接口，操作起来不太方便，用户不能直观的了解到密集柜的各种信息。没有友 好的可视化的人机接口的电动密集柜已不能满足用户的要求。现在新型的密集 柜f 逐渐以p c 机、触摸显示屏提供人机界面和实现信息交互，它们能提供强 大的图形用户界面，通过图形界面进行各种操作并清楚地显示电动柜的各种信 息。 3 、网络化和远程控制 随着电动密集柜的推广应用，除了对密集柜安全、稳定、可靠的要求之外， 许多密集柜用户对密集柜的功能又提出了网络化和远程控制等方面更高的要求， 要求系统可与多种大型数据库接口以实现计算机网络数据库管理，并能通过互联 网进行远程控制。 1 4 自行研制的智能电动密集柜控制系统的组成 自行研制的智能电动密集柜控制系统主要由触摸显示屏、通信控制板( 以 r s 4 8 5 总线 图1 1 系统组成 塑堂皇垫童壅塑! 垫丝型墨竺盟堡生墨壅望兰墨型：重一 下简称主板) 、若干分散控制板( 以下简称控制板) 及各种传感器和执行机构等 组成。系统组成见图卜l 。 1 4 1 彩色触摸显示屏 触摸显示屏是人机接口设备，它安装在密集柜主控列( 固定列) 面板上， 它能提供强大的图形用户界面，主要用于密集柜通信与信息管理。该屏通过r s 一2 3 2 总线与主板通信，向主板发出控制指令并接收主板反馈的有关信息。通 过采用触摸显示屏提供了友好的可视化操作界面，可以很方便地对密集柜进行 各种操作和控制，可以准确、及时和直观地了解和集中监控密集柜运动状态( 如 左移、右移、停止等) 和工作状态( 如故障、安全报警等) 的信息。 1 4 2 主板 主板电路主要包括与触摸屏及p c 机通信接口电路、与控制板的接口电路、 与操作面板的接口电路等。 主板主要用于通讯控制，在自动运行模式下，任意列柜子的移动都需要协 同且兼顾到其他柜子的状态，为了防止柜子运动过程中碰撞，系统需要有一个 协调整个柜子运动功能的装置即通信控制主板。主板通过通过r s 一2 3 2 总线与触 摸显示屏通信，触摸显示屏向主板发出的各种控制指令，主板实时响应触摸屏 传送来的数据和指令，并将柜子的有关信息传送至触摸屏。主板还通过r s 4 8 5 总线与安装于各列柜子上的控制板通信，向控制板发出控制指令获取控制板 反馈回来的各种信息，协调各个柜子移动。 1 4 3 控制板 控制板放置在各列移动柜上，控制板电路主要包括传感器信号采集与处理 电路、电机控制电路、r s 4 8 5 通信电路、按键采集与显示等。 控制板主要功能为传感器信号检测、通信和控制。控制板采集传感器的信 号( 运动到位的反馈信号、进人状态、故障检测等) 和按键请求信号，通过r s 一4 8 5 总线将实时信息传送给主板( 其他控制板也同时接收到该板的信息) ，并接收主 板命令驱动电机( 正转或反转) 进而控制柜子的移动。控制板不仅要实现本地 4 智能电动密集柜自动控制系统的设计与实现 第一章引言 功能控制，它还需要通过r s 一4 8 5 总线、急停控制级联线，及时地响应主板传送 来的指令，收集并反馈密集柜的信息，与其它列的柜子进行协调。 1 4 4 操作按键 密集柜每列移动柜左右侧面均按放一个轻触操作按键，当操作按键时，控 制板根据系统配置，将按键操作转换为系统控制指令，执行通道开启、通道关 闭、左移、右移、手动定位、停止等功能。 1 4 5 传感器 传感器主要安装在密集柜通道入口和通道内。 传感器是作为人体和运动的探测器，传感器包括位置传感器( 如漫反射式 光电传感器、霍尔开关) 和安全保护传感器( 如对射式光电传感器、镜面反射 式光电传感器和压条开关传感器) 。前者用于限位保护，防止架体硬性碰撞； 届者用于检测作业通道内人和物的存在，起到安全防护作用。通过传感器系统 能识别安全状况和位置信息并作出相应的处理。 1 4 ，6 执行机构 每列移动柜上都有一套执行机构，由继电器驱动电路和带有减速器的单相 异步电动机组成，主要是通过m c u 控制功率继电器，并进而由继电器驱动电 机运转，为电动密集柜运动提供动力。 1 5 自行研制密集柜的功能及特点 1 5 1 自行研制的智能密集柜基本功能概述 密集柜控制系统的基本功能是运动控制和安全防护，在以这两个功能为主 导的基础上又增加了一些其它新功能。 i 运动控制 运动控制包括自动( 包括特殊功能) 、手动、锁定等控制模式。 ( 1 ) 自动控制 智能电动密集柜自动控制系统的设计与实现 第一章引言 自动控制是指系统根据预设定状态自动运行，它分两种：柜体两边按键触 发申请和触摸屏集中操作。 按键触发申请时，通道的开闭和中停、柜子左移、右移、停止等均通过柜 子左右侧面的按键进行操作。当操作按键时，控制板根据系统配置，执行打开 合拢通道、左移、右移、停止等功能。未操作时，密集柜处于待命状态，通过 按键对控制板的操作发生之后才产生相关的动作，进入运动状态，然后密集柜 处于运行状态，主控板根据位置传感器和安全传感器决定机器的运行与停止。 当密集柜作业通道内有不安全因素发生或运动到位时，则此时禁止所有的操作 和运行，如果当前列取消该状念，则又进入待命状态，有新的按键触发申请时 又重复上述过程。 触摸屏集中操作主要是通过触摸屏上的图形界面操作来控制柜子的移动， 执行一些特殊功能。这些特殊功能如下： 通道均等丌放：所有柜子先向右集中合拢，然后一起向左运动，通道等 间距开放，这一功能有助于架体内空气的流通，防止书籍、资料等受潮； 通道预约：可以预先设定通道的开放顺序，当通道锁定被解除的同时， _ 卜j 一个通道立即自动开放： 集中操作：只需操作触摸式控制扳就能遥控远距离的通道开放，丽不必 分别操作每个通道的开关： 集中移动； 通道经常开放； 多通道设定：移动柜架，经常保持指定的通道数开放，同时操作多条通 道有效，操作时所设定通道将依次开放。选择多通道以后，一组柜子可以打丌 多个通道，方便多个人同时工作。 ( 2 ) 手动控制 在手动控制状态下，各种传感器均不起作用，电机不受m c u 控制，按操作 按键即可直接控制电机运转，手动控制方式为点动控制方式。手动操作主要在 特殊情况下使用，保证在特殊情况下( 如发生意外情况) 密集柜能够f 常运行， j 下常进行档案查阅、调用。密集柜控制系统设计了自动、手动状态切换功能， 如系统出现问题等，可使用手动控制方式。手动模式时，即使发生人体碰撞压 条开关、通讯故障、通道进人等情况，也不会报警。 智能电动密集柜自动控制系统的设计与实现 第一章引言 ( 3 ) 锁定操作：各个开关的操作无效，柜架被锁定。 2 安全防护功能 ( 1 ) 控制密集柜打开或合拢1 个通道或多个通道，采用光电霍尔无触点 接近开关解决密集柜运动定位的准确性，防止架体直接碰撞，克服了传统机械 开关接触次数、寿命方面的缺陷，保证了各种物体在通道中存在时能够及时停 机。 ( 2 ) 多项安全保护功能 为保证工作人员人身安全、档案保管安全、设备安全，系统设有多项安全 保护功能。 人身和档案、书籍等的安全保护 多重红外线安全保护( 入口安全光电传感器、通道安全光电传感器) ，另外 还使用了通道接触安全传感器压条开关。使用者进入通道时，先后触及入 口光电传感器、通道光电传感器，系统会自动判断使用者的进入情况，并自动 做出锁定的动作。当密集架合拢时，突然有人进入，传感器信号会自动传送到 主控板，主控板通过r s 一4 8 5 总线发出相应的指令到控制板，系统将移动中的柜 子立即停止，保证使用者及设备的安全。系统实时检测安全系统各个部分的工 作状态，一旦有故障，自动锁定整个系统。当通道内有人时，控制系统发出声 光报警，整个系统处于保护状态，只有解除警报后才能对柜子进行操作。另外 还采取了压条开关保护措施，确保在其他安全措施失效和系统出现故障时密集 柜能立即停止运动，以防挤伤人。 0 档案资料的保密，防盗 为保证一些重要档案、资料的机密和安全，智能密集架在触摸显示屏中设 置有开启密码，丌启密集柜必须输入密码，多次密码输入有误，系统自动报警， 并且使控制系统处于保护状态。 3 其它功能 ( 1 ) 通道照明灯、风机自动开启和关闭，方便用户现场查阅资料和密集柜 的通风除湿。 ( 2 ) 具有故障报警和故障自检功能，一旦发生故障立即发出声光报警信号， 系统会暂停所有运动，触摸屏显示故障内容，故障排除后，触摸屏应恢复正常 显示；在系统出现不良连接情况下能自动识别并将信息发送至上位机，系统能 智能电动密集柜自动控制系统的设计与实现 第一章引言 自检到的故障主要有以下几种：某个柜子光电传感器或压条开关传感器没有连 接好，级联线路连接不良，某个柜子通讯线路有异常等。 ( 3 ) 具有功能升级和预留接口功能，便于扩展新的功能例如增加息检索功 能、增加门禁系统、温湿度控制系统等。 ( 4 ) 与计算机通讯联网功能。 1 5 2 自行研制的智能密集柜的特点 自行研制的智能型电动密集柜系统是参考国外最新的电动密集柜设计思路 并结合我国国情自主开发的一种新型档案、书籍资料的存储设备，它符合国内 电动密集架的行业标准【4 1 。它秉承了国外电动密集柜的主要功能和优点，克服 了传统密集柜原理、功能、结构等方面的一些缺点，它有以下主要特点： 1 将嵌入式控制系统与密集柜架体合理地结合在一起 它将以p 8 9 c 6 6 9 单片机为核心的智能化微控制系统与密集柜的整个架体 融为一体，它集自动、手动控制方式于体，由触摸屏、通信控制主板、分散 控制板、安全防护传感器、位置传感器、电机以及电源配电系统等部分组成的 光机屯一体化系统。 2 利用触摸显示屏构建了友好的可视化人机界面 3 功能多样 该密集柜具有手动、自动、锁定等操作方式，能够执行多种移动动作，具 有多重的保护功能等，还能够很方便地增加新功能。充分为用户考虑了使用时 人和物的安全，在智能化、安全性和适用性等方面均有新的提高。 4 系统可靠、稳定 浚柜控制电路稳定、灵敏度高、刚络布线结构合理、数据通讯性能好，控 制稳定可靠。 1 6 本课题的主要工作 课题组的主要工作：整个自动控制系统软件硬件的设计、制作、调试与运 行。 作者本人的主要工作： 参与系统整体设计：传感器及元器件的选用和试验；控制板原理图、p c b 设计以及电路调试；控制板程序编写；参与系统现场安装调试等。 塑壁皇垫奎叁墨鱼垫丝型墨墼塑垦生! 壅翌 蔓三主楚型墨堕生塑塑叁堕壅塑垫笪! ! 塑一 第二章控制系统中的输入通道和执行机构 控制系统的输入通道包括位置检测传感器、安全检测传感器及其接口电路， 执行机构为电动机及其驱动电路。 2 1 进人检测光电传感器及接口电路 电动密集柜系统需要使用传感器检测作业通道内是否进人，以防密集柜移 动时夹伤人。 光电传感器是采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的光变化转变为 信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电检测方法 具有精度高、反应快、非接触等优点，而且外界影响对它干扰很小5 1 。电动密 集柜系统选用对射式光电传感器、镜面反射型光电传感器作为通道进人检测传 感器。 l 2 1 1对射式光电开关传感器 a _ 一。 十十 1 对射警光电开誊传感警的孑! j 【j 】 l t 矗翩s髓i 娜 l l 巍幅 对射式光电开关包含在结构上相互分 离且光轴相对放置的发射器和接收器，如 图2 _ 1 对射式光电开关 图2 一i 所示。 9 智能电动密集柜自动控制系统的设计与实现第二章控制系堕塑塑垒望望塑垫堑型! 塑 敏元件不能够接受到光，光敏元件( 如光电三极管) 处于截止状态，经后面的 处理电路处理，输出另一种状态( 如输出的继电器节点断开) 。 发射器发出的光是经过调制的，经过调制的l e d 发射器发射一定频率的红 外光，接收器的放大器只对该频率的信号响应，这样就有效地排除了背景光等 干扰因素。 2 b e n l o m1 f r 型对射式光电开关的特性嘲 电动密集柜系统选用的是韩国a u t o n i c s 公司生产的b e n l o m t f r 型对 射式光电开关作为进人检测传感器，它的特性如表2 1 。 表2 1b e n l o m1 f r 型对射式光电开关的特性 光源红外线发光二极管( 调制) 探测物体1 6 n m 以上不透明体 消耗电流 m a x3 0 m a 【蚱方式通过切换开关切换入光，遮光方式 检测距离 1 0 m 响麻时间 2 0 m s 检测方式透射式 输出形式 继电器节点输出 3 b e n l o m1 f r 型对射式光电开关的输出电路及动作模式 b e n l o m t f r 型对射式光电开关为 继电器型光电开关。b e n l o m t f r 型对 射式光电开关包括发射器b e n l o m _ t f r l 和接收器b e n l o m _ 1 下r 2 ，其接 收器b e n l o m t f r 2 的输出为继电器节 点，输出电路如图2 3 所示，t c 为继电 器的公共节点，t b 为常闭节点，t a 为常 丌节点。 图2 3 输出l i 【路 接收器有两种工作模式：入光工作模式和遮光工作模式。 入光工作模式：当接收器受光时，t a 节点闭合；无光时，t b 节点闭合。 遮光工作模式：与上述情况相反。 0 智能电动密集柜自动控制系统的设计与实现 第二章控制系统中的输入通道和执行趣构 2 1 2 对射式光电开关的接口电路 对射式光电开关安装在密集柜通道的两侧架体的底盘侧面和通道入口处， 一侧安放光电发射器，另一侧安放光电接收器。 1 发射器的接口电路 j p l j 一：j 一?j p 4 ： j p s 。 j 啊 图2 5对射型光电开关发射器的接口电路 一组柜子有多个通道，为了增加进人检测的可靠性，每一个通道安装了6 个光电开关( 入口处一对，通道内还有5 对) ，在电路板上，有6 个插座分别对 应6 个光电开关的插头。 每一个对射式光电开关的发射器只有两根电源引线，如果在电路板上的插 头是两线的，只能够满足电源引线的连接需要，系统无法检测到插头与插座是 否连接好。 在电子系统中，插头与插座的连接，是系统的主要故障点，在系统设计中 尤其要注意。为了保证发射器的插头与光电开关接线板上的插座接触不良时m c u 能够检测到这故障状态，在电路连接方面采取了，些措施。 如图2 4 所表示的是光电开关插头的连接情况，每一个发射器都与一个这 样的插头相连接，插头的l 引脚接发射器的+ v 、4 引脚接发射器的o v ，为发射 器提供电源，插头的2 3 引脚短接。 如图2 5 所示，电路板上有6 个插座j p 卜j p 6 ，各个传感器插头分别插接 在j p 卜j p 6 插座上。各个插座的l 、4 分剐接2 4 v 、g n d ，为传感器提供电源。 各相邻插座的2 、3 引脚相连，j p 6 3 接地，j p 卜2 作为四馈信号连到接光耦供 检测使用。 当传感器的发射器插头与插座连接良好时各插座的2 、3 短接而构成串联通 路，此时光耦的发光管的n 端接地，此时光耦导通，光耦光电三极管的集电极 智能电动密集柜自动控制系统的设计与实婴第三童堡型墨堕堕塑垒翌望塑垫堑垫塑 输出低电平，经滤波整形后送高电平至m c u ，此时属于正常状态；只要有一个 接头与插座连接不良，光耦就不会导通，则光耦输出端为高电平，经滤波整形 后送低电平至m c u ( 微控制器) ，此时属于异常状态，m c u 对接收信号进行处理 后，作出判断，将异常信息送至上位机，说明传感器未接好，不能对密集柜进 行操作，从而实现故障自检功能，保证了传感器使用的可靠性。 2 接收器的接口 圈2 6 对射光电开关接口 与6 个发射器相对应，每个通道有6 个接收器。接收器选择入光工作模式， 即：当接收器受光时，t a 节点闭合；无光时，t a 节点断开。电路与接收器的 接口电路如图2 6 所示。 当通道内无障碍物阻挡时，接收器接收到红外光，各继电器t a 节点闭合， 光耦导通，光耦输出低电平信号，经滤波整形后送商电平信号至m c u 进行处理， 此时系统处于正常状态，柜子可以移动。 当发射器和接收器之间有障碍物存在例如有人进入通道时，则至少有一对 传感器收、发器之问的红外调制光被遮断，使红外线不能被其接收端收到时， 那么至少有一个继电器节点t a 断丌，使得各传感器开关构成的串联通路断开， 光耦不导通，光耦输出高电平信号，经滤波整形后送低电平信号至m c u 进行处 理，m c u 即可接受到浚状态。 3 工作模式选择 该型号的对射光电开关有两种工作模式：入光模式和遮光模式。在本系统中 采用了入光工作模式。 采用入光模式时，如果无检测物遮断红外光线，接收器主电路导通，t a 节点 闭合：如果有检测物遮断红外光线，接收器主电路断开，t a 节点断开。当发射器 未接好或者接收器未接好时，t a 节点断开，这与入光工作模式下有检测物遮断光 线时的逻辑状态一致，都会提供一个非正常状态的信号给m c u ，因此应当通过 模式切换开关将传感器工作模式设置在入光模式。 智能电动密集柜自动控制系统的设计与实现第二章控制系统中的输入通道和执行机构 4 干扰信号的抑制9 1 【l o 】 密集柜控制系统工作时可能会有一些侵入系统的噪声脉冲，传感器接口电 路采用光电隔离、r c 滤波、整形电路来抑制脉冲噪声。 在电路的输入端和输出端的接口 部分均加入r c 电路构成滤波环节，在 输出端接口部分还加入了施密特整形 电路。当输入信号叠加了窄脉宽的噪声 脉冲时，由于电容电压不会发生突变， 电容电压还未达到逻辑门的翻转电平 时，干扰脉冲已消失，因此该电路能有 效抑制噪声脉冲。其工作原理如图2 7 所示。 电路中，r c 时间常数为l m s 左右，v t + 、，1 ： 对于正常的信号有3 m s 左右的延迟，该 延迟时间对系统性能的影响微乎其微， 可以忽略。 z 1 3 镜面反射型光电开关传感器 镜面反射型光电丌关( 见图2 8 ) 集 发光器和收光器于一体。从发射器发出 的光束在对面的反射镜被反射，当无障 碍物遮断光线时，发射器发出的光线经 i i 一 ( a ) 输入波形 ( b ) r c 滤波屙的波形 ( c ) 输波形 图2 7 t t 过反射镜反射回接收器，接收器输出一种状态( 如继电器节点闭合) ；当有障碍 物阻断光线时，接收器输出另一种状态( 如继电器节点断开) 。 的芸篡嚣黑：篇q 丰i的镜面反射型光电开关，型号b e n 5 m m f r 。小目 主要特性参数如表2 2 所示f 8 l 。7 f 个 蠹释疆嚣i 嚣电秀蓑l 麓蔫i 僖专罐甄慧粳 智能电动密集柜自动控制系统的设计与实现第二章控制系统中的输入通道和执行机构 表2 。2b e n 5 m m f r 光电开关性能 探测方式镜面反射型 探测距离 o 1 5 m 探测物体 6 0 m m 响应时间最大为2 0 m s 电源 2 4 2 4 0 v a c l o 5 6 0 h z ，2 4 2 4 0 v d c 1 0 消耗电流m a x ：3 0 n 徂 光源 红外线发光二极管( 调制) 动作方式 通过切换开关切换l i g l l to n d a r ko n 方式 控制输出 继电器接点容量：3 0 v d c ，3 a 阻抗负荷 光接受元件内置受光i c 镜面反射型光电开关安装在密集柜最后一列移动柜的外侧，反射镜安装在 其对面的安全检测杆上。镜面反射式光电开关接口电路与对射型光电开关接口 电路和作用类似。 2 2 位置检测传感器及接口电路 密集柜运动的限位是通过光电接近开关和霍尔开关来控制的，通过它们保 证柜子移动到位后自动停止。 2 2 1 漫反射光电接近开关传感器 q i = = i 十十 1 漫反射光电接近开关传感器简介妻麓夏辩寅毫a 著基孽一彝体 漫反射光电丌关是一种集发射器和接收器于 幽2 9 漫反射光电接近开哭 一体的传感器。当漫反射坦光电开关传感器( 见图 2 9 ) 发射光束时，目标产生漫反射。当在有效距离范围内有被检测物体时，发 射器发射的足够量的光线被反射到接收器，传感器输出一种状态( 如继电器节 点断丌) ，当在有效距离范围内没有被检测物体时，没有光线反射到接收器，传 感器输出另一种状态( 如继电器节点闭合) 。 内置灵敏度调整电位器可以调整传感器作用的距离。 2 b m s 3 0 0 - d d t 漫反射型光电接近开关【8 】 电动密集柜系统选用的是a u t o n i c s 公司的b m s 3 0 0 d d t 漫反射型光电 接近开关，作为中间移动柜的运动位置检测传感器。该种传感器安装在中间柜 子的左侧，用来判断该柜子是否与左邻的柜子接近。柜子的右侧没有安装接近 4 智能电动密集柜自动控制系统的设计与实现第二章控制系统中的输入通道和执行机构 传感器，可以通过系统的通信获知柜子与其右邻柜子的接近情况。 漫反射型光电接近开关有关规格性能如下： 表2 _ 3b m s 3 0 0 d d t 光电开关特性 i 检测模式漫反射 检测距离3 0 0 m m 回差距离不超过检测距离的2 0 响应时间1 m s 电源 1 2 以4 v d c 消耗电流 m a x 4 5 m a 光源红外线发光二极管( 调制) 动作方式以线制转化入光( l i 曲t o n ) 越光( d a r ko n ) 方式 控制输山n p n 开集电极输出，负荷电流m a x2 0 0 i l l a 光接受元什内置受光i c 保护电路 电源反接保护，输出端电流保护电路 3 - 控制输出与动作模式的选择【8 】 b m s 3 0 0 - d d t 光电开关控制输出线路见图2 一l o ，动作模式如图2 j 1 所示。 n p n0 0 e nc o i l e c l o r 输氆 图2 1 0b m s 3 0 0 d d t 控锖9 输出 这种光电j r 关有两种工作模式：入光工作模式和遮光工作模式。 入光工作：目标出现，收光器接收到一定强度的目标的反射光时，晶体管 导通；目标消失或远离，收光器收不到反射光或收不到足够强度的反射光时， 晶体管截止。 遮光工作：目标出现，收光器接收到一定强度的目标的反射光时，晶体管 截止；目标消失或远离，收光器收不到反射光或收不到足够强度的反射光时， 晶体管导通。 可以通过控制线进行选择，控制线接0 v 为入光( l i 曲t o n ) 模式，控制 线接+ v 为遮光( d a r k o n ) 模式。 智能电动密集柜自动控制系统的设计与实现第二章控制系篓史塑塑叁塑望塑垫笪塑! 塑 如果选择入光模式，当目标接近至传感器作用距离时，晶体管导通，输出 低电平：当目标消失时，晶体管截止：当传感器接线不良时，晶体管亦截止， 此时的逻辑状态与无目标接近时的逻辑状态一样，那么就会导致传感器出现故 障时，即使耳标已接近，系统根据此状态判断仍然处于无目标接近状态。 如果选择遮光模式，当传感器的外部引线连接不良时，m c u 接收到的信号 与晶体管截止是一样的，这种逻辑状态与目标接近至光电开关作用范围时的逻 辑状态一致，m c u 对这一状态的处理方法也与目标接近时的处理方法一致。 因此密集柜控制系统使用的光电接近开关采用遮光工作模式，从而保证传 感器连接不良的情况下密集柜能够可靠停止而不至于出现架体碰撞。 4 光电接近传感器接口电路 漫反射型光电接近开关接口电路如图2 1 1 所示。 图2 1 l 光电接近开关接口电路 光电刀：关的模式控制线连接2 4 v 电源选择遮光工作模式。漫反射型光电丌 关集光电发射器和接收器于一体，它的输出为n p n 型歼集电极输出，当发射器 发出的光在设定距离内被反射时，接受器接收到一定强度的反射光，三极管截 止，集电极输出高电平，经光隔、滤波整形后向m c u 发出低电平信号。当与 相邻左柜距离较远时，接收器接收不到反射光，三极管导通，集电极输出低电 平，经光隔、滤波整形后向m c u 发出高电平信号。 电动密集柜使用的光电接近传感器设定的作用距离约为8 0 m m 。使用光电 接近开关可以有效地保证各列柜子保持一定的距离，防止柜子运动时发生碰撞。 2 2 2 霍尔接近开关及接口电路 1 霍尔开关原理及特点【1 1 】 霍尔开关集成传感器属于有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础 智能电动密集柜自动控制系统的设计与实现第二章控制缝史塑熊叁塑望塑垫笪! ! 塑 上，利用先进的集成电路封装技术和组装工艺制作而成一种磁敏传感器，它可方 便地把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，以开关信号形式输出。霍尔开关 集成传感器具有使用寿命长，无触点磨损，无火花干扰，无转换抖动，工作频率 高，温度特性好，能适应恶劣环境等优点。 霍尔开关电路由稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器、丌关输出 级等5 部分组成。 在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在一个 壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆 连接起来，构成接近传感器。它的原理功 能框图见图2 1 2 。 当有磁场作用在霍尔丌关集成传感器 上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍 尔电势，霍尔元件输出的u h 电压经放大器放 大后，送至施密特整形电路。当放大后的霍 尔电压大于“开启”阈值时，施密特电路翻 图2 1 2 霍尔开关功能结构框图 转，输出高电平，使三极管导通：当磁场减弱时( 如有金属片接近霍尔丌关时) ， 霍尔元件输出的u h 电压减小，放大后的电压小于施密特的”关闭”阈值时，施密特 整形器又翻转，输出低电