基于單片機(jī)的安全玻璃沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊高度自控裝置研究

吳巍 羅益綿 王芳

（廣州市光機(jī)電技術(shù)研究院）

1 引言

霰彈袋沖擊性能是鋼化玻璃、夾層安全玻璃的一項(xiàng)重要安全性能指標(biāo)，是鋼化玻璃和夾層玻璃國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)制性檢驗(yàn)項(xiàng)目[1,2]，也是安全玻璃強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證（CCC認(rèn)證）檢驗(yàn)項(xiàng)目之一[3]。因此，做好霰彈袋沖擊性能檢測(cè)為企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量以及安全玻璃產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。為了保證霰彈袋沖擊性能試驗(yàn)中沖擊高度定位的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)沖擊高度定位的自動(dòng)控制，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確公正，本文研制了一套安全玻璃沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊高度自控裝置。

2 研究?jī)?nèi)容及實(shí)施方案

該沖擊高度自控裝置用于配套霰彈袋沖擊試驗(yàn)機(jī)。適用于依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 15763.2-2005、GB 15763.3-2009對(duì)鋼化玻璃和夾層玻璃進(jìn)行霰彈袋沖擊試驗(yàn)；依據(jù)貼膜玻璃標(biāo)準(zhǔn) JC 846-2007及 BS EN 12600:2002對(duì)貼膜玻璃、鋼化玻璃、夾層玻璃進(jìn)行雙輪胎沖擊試驗(yàn)。

沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊高度自控裝置分為傳動(dòng)和控制兩個(gè)部分，包括機(jī)械傳動(dòng)裝置、電器控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)程序等硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

2.1 裝置工作原理

該裝置根據(jù)輸入的沖擊高度，單片機(jī)計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)脈沖數(shù)，并由步進(jìn)電機(jī)牽動(dòng)檢測(cè)單元上升到設(shè)定的高度。檢測(cè)單元由一對(duì)紅外光電傳感器組成，紅外光電傳感器的投光器和受光器光軸重合在同一水平線上。檢測(cè)單元到達(dá)設(shè)定位置后卷?yè)P(yáng)機(jī)開(kāi)始提升沖擊體，當(dāng)沖擊體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)，投光器發(fā)出的紅外光被遮擋，受光器無(wú)光可受，傳感器輸出狀態(tài)發(fā)生改變，卷?yè)P(yáng)機(jī)停止工作[4]。裝置原理圖如圖1所示。

2.2 裝置硬件設(shè)計(jì)

本裝置硬件部分主要包括傳動(dòng)裝置和控制電路。傳動(dòng)裝置以鋁型材為外框，步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器固定在型材上，用于帶動(dòng)同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)。同步帶輪的位置可以上下微調(diào)，用于繃緊同步帶。傳動(dòng)裝置軌道上下各設(shè)置了一個(gè)限位傳感器，防止紅外傳感器超出移動(dòng)范圍。

控制電路主要由單片機(jī)芯片、存儲(chǔ)芯片、矩陣鍵盤(pán)、固態(tài)繼電器、對(duì)射式光電傳感器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入輸出接口、數(shù)碼管顯示電路以及外圍電源等部件組成[5]。控制電路通過(guò)矩陣鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)，并對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)數(shù)碼管顯示，以單片機(jī)芯片為核心，計(jì)算出同步輪所需轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)，然后控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)紅外光電傳感器上升，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)完成所需步數(shù)后通過(guò)固態(tài)繼電器控制卷?yè)P(yáng)機(jī)提升沖擊體，直到紅外傳感器投光器發(fā)出的信號(hào)被沖擊體阻斷，卷?yè)P(yáng)機(jī)停止工作。

在硬件控制電路中采取了多種抗干擾措施，避免了外界電磁場(chǎng)對(duì)整個(gè)裝置的電磁干擾，提升了裝置的穩(wěn)定性和控制精度。I/O通道采用光電耦合器件隔離，這樣既可避免構(gòu)成地環(huán)路還可有效地抑制噪聲；在輸入輸出通道上采用過(guò)壓保護(hù)電路，以防引入高電壓，傷害控制系統(tǒng)[6,7]；繼電器接線點(diǎn)兩端并接RC串聯(lián)電路，用于抑制繼電器吸合時(shí)產(chǎn)生的火花，減小電火花影響。

2.3 裝置軟件設(shè)計(jì)

該裝置的軟件主要指單片機(jī)控制程序。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心和控制中心，各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都送到單片機(jī)進(jìn)行處理，且所有的命令都由單片機(jī)發(fā)出，所以單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)非常重要，它關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的功能。單片機(jī)控制電路中的 AT89S52根據(jù)輸入的沖擊高度值計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)獲得的脈沖個(gè)數(shù)，并控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)紅外傳感器到達(dá)設(shè)定的高度，同時(shí)控制顯示沖擊高度和卷?yè)P(yáng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。單片機(jī)程序包括設(shè)備的初始化程序、顯示程序、輸入程序、存儲(chǔ)程序以及步進(jìn)電機(jī)和卷?yè)P(yáng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序。裝置上電后程序先將各端口初始化，等待實(shí)驗(yàn)人員選擇沖擊體，此時(shí)屏蔽任何其它操作。選擇沖擊體后程序從存儲(chǔ)芯片內(nèi)讀出沖擊體當(dāng)前位置并加以顯示。如果當(dāng)前高度即為所需的沖擊高度，可按鍵控制卷?yè)P(yáng)機(jī)提升沖擊體。否則，可以輸入所需的沖擊高度，程序換算出步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使紅外傳感器上升至所需高度，存儲(chǔ)程序?qū)懭氘?dāng)前位置，然后程序一邊繼續(xù)檢查按鍵，一邊控制卷?yè)P(yáng)機(jī)提升沖擊體直到程序檢測(cè)到紅外傳感器的信號(hào)被截?cái)啵頁(yè)P(yáng)機(jī)停止工作。單片機(jī)程序流程圖如圖2 所示。

3 裝置的安裝要求

該沖擊高度自控裝置的兩個(gè)紅外光電傳感器分別安裝在兩個(gè)鋁型材軌道上，兩軌道的定位對(duì)于控制精度至關(guān)重要。首先要保證兩個(gè)軌道底座的穩(wěn)固性，并且與水平面垂直，兩軌道在底座上相對(duì)放置，所組成的平面應(yīng)與沖擊體被提升時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡在同一個(gè)平面內(nèi)。兩個(gè)紅外光電傳感器在最低點(diǎn)時(shí)，通過(guò)調(diào)整軌道底座使光電傳感器投光器和受光器光軸重合在同一直線上，另外，帶動(dòng)紅外傳感器運(yùn)行的同步帶應(yīng)繃緊，避免傳感器在運(yùn)行過(guò)程中左右搖擺。

圖2 程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

霰彈袋沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊高度自動(dòng)控制裝置在半年的試用期內(nèi)，依據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 15763.2-2005、GB 15763.3-2009和歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN12600:2002對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的要求，共進(jìn)行了安全玻璃沖擊試驗(yàn)71批次，每批次沖擊玻璃4至12片，所使用的沖擊體包括霰彈袋沖擊體和雙輪胎沖擊體，沖擊對(duì)象包括 4mm至19mm鋼化玻璃和 4mm+0.38+4mm至8mm+1.52+8mm夾層玻璃，沖擊高度包括190mm、300mm、450mm、750mm和1200mm。

試用結(jié)果表明，沖擊試驗(yàn)機(jī)配備該沖擊高度控制裝置后，可實(shí)現(xiàn)沖擊高度自動(dòng)控制。試用期內(nèi)，該套裝置運(yùn)行狀況良好，系統(tǒng)穩(wěn)定，操作方便，定位準(zhǔn)確，重復(fù)性好，適用性強(qiáng)，適用于依據(jù)GB 15763.2-2005、GB 15763.3-2009和BS EN 12600:2002等國(guó)內(nèi)、國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全玻璃沖擊試驗(yàn)。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目研制的與安全玻璃沖擊試驗(yàn)機(jī)配套使用的沖擊高度自動(dòng)控制裝置，可在0mm～1200mm范圍內(nèi)任意控制霰彈袋沖擊體或雙輪胎沖擊體的沖擊高度。具有定位準(zhǔn)確、控制精度高、重復(fù)性好、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)。整套裝置運(yùn)行狀況良好，控制系統(tǒng)穩(wěn)定，操作方便，達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)。項(xiàng)目以實(shí)際需求為導(dǎo)向，結(jié)合現(xiàn)代光電傳感器技術(shù)和步進(jìn)電機(jī)技術(shù)，在提高安全玻璃沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊高度自控裝置控制精度的基礎(chǔ)上，保證了裝置運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，該裝置采用新型單片機(jī)控制和利用沖擊體自身阻斷紅外線實(shí)現(xiàn)沖擊高度定位的設(shè)計(jì)思路，為其他同類高度控制設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了參考。

[1]全國(guó)建筑用玻璃標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 15763.2-2005 建筑用安全玻璃 第2部分：鋼化玻璃[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[2]全國(guó)建筑用玻璃標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 15763.3-2009 建筑用安全玻璃 第3部分：夾層玻璃[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[3]中國(guó)國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì). CNCA-04C-028：2009安全玻璃類強(qiáng)制性認(rèn)證實(shí)施規(guī)則 安全玻璃產(chǎn)品[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[4]董春利. 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.2.

[5]沈紅衛(wèi).基于單片機(jī)的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.1.

[6]潘永雄.新編單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003.2.

[7]劉軍等.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].上海:華東理工大學(xué)出版社,2006.2.