流水线故障光电检测装置设计.doc

流水线故障光电检测装置设计流水线故障光电检测装置设计【摘要】本流水线故障光电检测装置设计的核心检测元件是3DU型的光敏二极管，并利用LM339电压比较器、74HC123单稳态触发器，蜂鸣器和一些常见的基本元件来搭建电路，实现对流水线上故障的检测，通过对与滑动变阻器的调节，改变比较器参考电压可调节装置的检测分辨率。【关键词】流水线故障 光电检测 电压比较器 单脉冲触发器 光敏二极管【前言】在科技高速发展的今天，流水线生产方式已经得到在工业生产上的广泛应用。而传统生产方式中安置专门工人对流水线进行故障的实时监督和手动检查的故障检测随着科技的发展，已经逐渐遭到社会的淘汰。因此，对流水线故障自动化检测成为一个重要的也是极具实际价值的课题。对流水线的故障检测方式多种，可以从机械检测，光电检测等来设计方案实现。而本设计就是基于光电检测来实现自动化流水线检测的实用装置。对比其他的检测方法，光电检测具有许多突出的优点。第一，光电检测具有实时性强，可以对流水线上的故障进行实时的检测，对故障的响应速度快。第二，光电检测准确性高，如本设计中由于成本和许多客观因素限制，我们仅采用市面上非常普通的光敏二极管就可以轻松的实现分辨率达到0.5mm精度的检测，如若采用对光强更加敏感的器件作为装置的探头，将可以实现更高的探测精度，可见光电检测可实现高准确度的故障检测。本次课程设计中的装置采用光电检测的办法对目标进行快速和高分辨的实时检测，实验中采用半导体激光器LD作为光源，用光敏三极管作为探测器。本装置用于自动化流水线上，可以用来判断是否有目标连续通过，并在工作异常时发出报警信号，提示人工干预。其中，工作异常的情况可以包括一下情况：1、流水线卡住，堵转；2、流水线上长期没有放置产品；3、在等距传送产品的流水线上漏放产品；一、 设计任务与要求设计任务：采用光电检测的办法，利用一些常用芯片设计一个装置，可实现对目标进行快速和高分辨的时实检测。实验中采用半导体激光器LD作为光源，用光敏三极管作为探测器。设计要求：1、查阅相关资料，绘出设计电路原理图，并确定元件参数。2、独立完成PCB制作，并焊接元件到PCB上。3、调试元件参数，以及光敏三极管工作环境，使检测分辨尽可能的高，要求至少能达到0.5mm的分辨能力。二、 电路设计方案1、 方案比较与确定方案一：利用光敏二极管做探头，根据光敏二极管的特性，可知当光敏二极管工作在线性区，有光照时，光敏二极管的光电流增大，由此将与光敏二极管连接的支路作为输入信号，与一设定的参考电压通过LM339进行电压比较器。将其输出的信号作为单脉冲触发器74HC123的的输入。在74HC123的真值表中选择一种合适的连接方法，让其在输入信号跳变，即出现上升沿或下降沿时激发出一个单脉冲，利用该输出来实现对报警器件蜂鸣器的驱动。方案二：利用光敏二极管作为探头，同方案一类似的，采用LM339对两电压进行比较，其输出接入555定时器。利用555定时器设置合适的R,C便可以产生一个单稳态脉冲，以此驱动/关闭蜂鸣器。由于对74HC123的应用更为简便清晰，外围电路较简单，因此本设计选用方案一。总体的电路框图如下：2、 电路模块的设计(1) 电压比较电路在本设计中，为了配合以后的报警电路模块中74HC123的真值表，设计电压比较电路如下：如上图所示，利用4电压比较器LM339的1IN+和1IN- 进行比较，1IN-接参考电压，此处可以通过改变变压器R1中接地部分的分压来设置上图（b）中的门限电压Ur的值。特别说明一下，上图中的R7实际上是一个0欧的电阻，主要是为了在往后生成的PCB中实现跳线功能。此处对1IN-的参考电压有如下公式： ( 1 )其中Rx为变阻器中触头与地直接的电阻值。 而1IN+的输入信号为R5的分压。由于3DU型光敏三极管P1的线性区的光电流大约在毫安级，因此此处的R5选取阻值为。 另外，此处的输出1Out也接了一个10K的上拉电阻，电容C3是为了输入的电压更稳定，有稳压的作用。 因此通过本电路模块实现：当流水线上出现故障，即在一段较长时间（在后面74HC123的延时中可对其进行设置）内，光敏三极管要么被光源常照，要么被常挡。当光敏三极管被常照时，设定其高于参考电压Ur，则比较后一直输出高电平；反之，当光敏三极管被常挡时，比较后一直输出低电平。两种情况都有一个共同点，输出没有跳变，即不会产生下降沿。(2) 报警电路在（1）模块处理后的输出1Out便成为了报警电路的输入信号。本模块主要实现对蜂鸣器的相应驱动来报警的作用。具体电路如下： 由设计原理可知，当流水线出现故障时，输入的信号1Out不会发生跳变，由74HC123的真值表（见后对74HC123的芯片简介），可知当电路如上图接法时，当A（1脚）没有下降沿则其输出（4脚）将一直保持高电平，此时其所连接的蜂鸣器BUZ1将一直响；反之，当流水线上没有故障显示，则输入的信号1Out将发生跳变，总会产生一个下降沿触发到74HC123产生一个单脉冲，其脉冲宽度由1RC（15脚）和1C（14脚）决定。延时时间有如下关系： （2）易知这个延时时间便是设置的在流水线故障检测中可以允许流水线上没有放置产品的最长距离对应的经过时间。另外，此处的C2起到稳压的作用，令到输入点的电源电压不能发生突变，令电路更稳定。(3) 激光源驱动电路本模块是用于照明光敏三极管探头的，其相对独立和简单。具体电路图如右图所示：右图中为了得到比较强的激光，R3的阻值为51欧，而让它并联一个100uF的电容C1可以在断电上电时不至于产生突变的电压，保护电路。3、 器件选择元件清单元件名称编号参数个数备注变阻器R15K1个电阻R2 , R510K2个电阻R3511个电阻R4 , R62.2M2个电阻R701个跳线电阻电解电容C1100uF1个瓷片电容C2,C3,C4,0.1u3个电解电容C51u1个LM339U11个74HC123U21个3DU型 光敏三极管P11个激光头1个排针2个元件简介1）3DU型 光敏三极管其参数表和输出特性曲线如下所示;2）LM339 -4电压比较器 下面分别是芯片的引脚图和内部原理图 可见在这个芯片中包含了4个电压比较器。3）74HC123-双可重触发单脉冲触发器下面是其引脚图和功能表 4、 PCB制作通过方案的分析和设计，确定了最终的设计方案后，我们便通过Protel99se软件来制作出需要的PCB板。其制作过程大致如下：1） 新建工程文件启动Protel99se-FileNew Design输入工程名，设置保持地址确定。2） 新建原理图元件库在所刚建的工程文件下FileNew，在弹出的如下对话框中选择“Schematic Libraty Document”，按OK。 图10 图11 双击新建的原理图元件库文件，在其中逐个创建所需要的元件。 如上图11是所创建的74HC123元件。3） 新建PCB元件封装库返回原来的工程文件夹下FileNew，在弹出的如下对话框中选择“PCB Libraty Document”，按OK。双击新建的PCB元件封装库文件，在其中逐个创建所需要的元件封装。如右图12是所创建的74HC123元件的封装。 图124） 新建原理图文件在所刚建的工程文件夹下FileNew，在弹出的如下对话框中选择“Schematic Document”，按OK。 导入刚刚画好的原理图元件库，并利用元件库中的元件绘制电路图。5） 自动编号及检查电气错误绘制完电路图后，可以对应用软件对原理图中的元件自动编号。其方法为：ToolsAnnotate选择一种编号规则确定。编号后为了确保原理图的正确性，最好进行电气规则的检测。当原理图纯在电气错误，如有导线没有连接好时，系统会作出提醒；如没有错误时，系统会作出无错误的提示。如下图：6） 检测封装与元件库中元件的相互对应关系在生成PCB前，最关键的一部是必须要确保原理图中的元件的封装设定与PCB Library Document中创建好的封装一一对应，各个引脚也要互相对应。7） 生成PCB在所刚建的工程文件夹下FileNew，在弹出的如下对话框中选择“PCB Document”，按OK。在之前几步工作的基础上，在原理图文件中，DesignUpdate PCBExecute 即把原理图更新到PCB文件中。8） 布线规划好PCB板的大小，对生成的PCB元件进行合理的调整。之后便可以进行布线。布线主要有两种手段，一种是利用软件系统自动布线，另一种是设计者自己手动布线。通常手动布线会更加美观，也更能考虑到电路的稳定性问题，因此本设计中我们采用的是手动布线。布线的最后结果如下图：关于布线，在本设计中，鉴于实验室条件的现在，我们只能利用感光板制成单面PCB板，而且设备有限要求我们布线和设计时电路中的焊盘应该尽量的大，导线应该尽量的粗，两导线之间的安全距离应该尽可能的大。9） 后续处理在电脑中制作好图之后，接下来就是把右图用硫酸纸打印出来，并用其反面（注意由于要镜像，必须用反面）来对感光板在太阳光下曝光1分钟左右，之后相继浸泡显影液和氯化铁溶液中，最后边得到最终的PCB板。将上图电脑中的PCB文件通过设置打印格式，在硫酸纸上打印出底层和禁止布线层效果如右图所示：主要曝光板的时候要选用其反面来进行曝光。10） 焊接元件 在制作好的PCB板中对应焊接相应的元件，待所有元件焊好后，用胶条固定激光头，让其对准光敏三极管。最后的制成的PCB板如下： 正面图 反面图三、 电路调试过程与理论计算用5V稳压电源对本装置进行测试。如下图所示连接电路：调试现象：接通电源后，蜂鸣器先响一声，然后便投入实时的检测工作了。如果“流水线”在规定的延时时间内，有物体经过，即蜂鸣器不会响，当限定的延时时间内，发现光敏三极管接收到的光强一直没有变化，即定义为流水线上发生了故障，此时蜂鸣器会一直响，提醒人工检查。当然如果在蜂鸣器响的时候又发现有物体在流水线上经过，则蜂鸣器又会停止工作，不再报警，如此反复在调试过程中，我们测得当有光照射光敏三极管时，LM339的7脚到地的压降约为U1=0.4V,，则要有光照的时候输出高电压，由上述公式（1）可以算得出此时：解得： Rx=400由理论可知，Rx越小，即该转置的探测分辨率越高，为了满足设计要求中0.5mm分辨率的要求，经过调试，此时的Rx约为200。另一方面，根据公式（2）这里我们设置的延时时间为利用秒表对装置的延时时间进行测试，测得，可见已与理论值很吻合。四、 结果分析经过调试，本装置可以较好的满足设计要求，实现流水线故障的快速实时检测。通过调节变阻器，改变Rx的值，可以改变检测的分辨率，实现精确检测。当激光头和光敏二极管之间有遮挡物（即产品）经过，且两个产品经过对准点的时间小于限定的延时时间，则判断为流水线上没有发生故障，此时蜂鸣器没有工作。一旦流水线上在最后一个延时时间内都没