課程設計--流水線故障光電檢測裝置設計

1、<p>　　流水線故障光電檢測裝置設計</p><p><b>　　【摘要】</b></p><p>　　本流水線故障光電檢測裝置設計的核心檢測元件是3DU型的光敏二極管，并利用LM339電壓比較器、74HC123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，蜂鳴器和一些常見的基本元件來搭建電路，實現(xiàn)對流水線上故障的檢測，通過對與滑動變阻器的調節(jié)，改變比較器參考電壓可調節(jié)裝置的檢測分辨率。

2、</p><p><b>　　【關鍵詞】</b></p><p>　　流水線故障 光電檢測 電壓比較器 單脈沖觸發(fā)器 光敏二極管</p><p><b>　　【前言】</b></p><p>　　在科技高速發(fā)展的今天，流水線生產(chǎn)方式已經(jīng)得到在工業(yè)生產(chǎn)上的廣泛應用。而傳統(tǒng)生產(chǎn)方式中安置專門工人

3、對流水線進行故障的實時監(jiān)督和手動檢查的故障檢測隨著科技的發(fā)展，已經(jīng)逐漸遭到社會的淘汰。因此，對流水線故障自動化檢測成為一個重要的也是極具實際價值的課題。</p><p>　　對流水線的故障檢測方式多種，可以從機械檢測，光電檢測等來設計方案實現(xiàn)。而本設計就是基于光電檢測來實現(xiàn)自動化流水線檢測的實用裝置。對比其他的檢測方法，光電檢測具有許多突出的優(yōu)點。第一，光電檢測具有實時性強，可以對流水線上的故障進行實時的檢測，對

4、故障的響應速度快。第二，光電檢測準確性高，如本設計中由于成本和許多客觀因素限制，我們僅采用市面上非常普通的光敏二極管就可以輕松的實現(xiàn)分辨率達到0.5mm精度的檢測，如若采用對光強更加敏感的器件作為裝置的探頭，將可以實現(xiàn)更高的探測精度，可見光電檢測可實現(xiàn)高準確度的故障檢測。</p><p>　　本次課程設計中的裝置采用光電檢測的辦法對目標進行快速和高分辨的實時檢測，實驗中采用半導體激光器LD作為光源，用光敏三極管作

5、為探測器。本裝置用于自動化流水線上，可以用來判斷是否有目標連續(xù)通過，并在工作異常時發(fā)出報警信號，提示人工干預。其中，工作異常的情況可以包括一下情況：</p><p>　　1、流水線卡住，堵轉；</p><p>　　2、流水線上長期沒有放置產(chǎn)品；</p><p>　　3、在等距傳送產(chǎn)品的流水線上漏放產(chǎn)品；</p><p><b>　　

6、設計任務與要求</b></p><p><b>　　設計任務：</b></p><p>　　采用光電檢測的辦法，利用一些常用芯片設計一個裝置，可實現(xiàn)對目標進行快速和高分辨的時實檢測。實驗中采用半導體激光器LD作為光源，用光敏三極管作為探測器。</p><p><b>　　設計要求：</b></p>

7、<p>　　1、查閱相關資料，繪出設計電路原理圖，并確定元件參數(shù)。</p><p>　　2、獨立完成PCB制作，并焊接元件到PCB上。</p><p>　　3、調試元件參數(shù)，以及光敏三極管工作環(huán)境，使檢測分辨盡可能的高，要求至少能達到0.5mm的分辨能力。</p><p><b>　　電路設計方案</b></p>&l

8、t;p><b>　　方案比較與確定</b></p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　利用光敏二極管做探頭，根據(jù)光敏二極管的特性，可知當光敏二極管工作在線性區(qū)，有光照時，光敏二極管的光電流增大，由此將與光敏二極管連接的支路作為輸入信號，與一設定的參考電壓通過LM339進行電壓比較器。將其輸出的信號作為單脈沖觸發(fā)器74

9、HC123的的輸入。在74HC123的真值表中選擇一種合適的連接方法，讓其在輸入信號跳變，即出現(xiàn)上升沿或下降沿時激發(fā)出一個單脈沖，利用該輸出來實現(xiàn)對報警器件——蜂鳴器的驅動。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　利用光敏二極管作為探頭，同方案一類似的，采用LM339對兩電壓進行比較，其輸出接入555定時器。利用555定時器設置合適的R,C

10、便可以產(chǎn)生一個單穩(wěn)態(tài)脈沖，以此驅動/關閉蜂鳴器。</p><p>　　由于對74HC123的應用更為簡便清晰，外圍電路較簡單，因此本設計選用方案一。</p><p>　　總體的電路框圖如下：</p><p><b>　　電路模塊的設計</b></p><p><b>　　電壓比較電路</b><

11、/p><p>　　在本設計中，為了配合以后的報警電路模塊中74HC123的真值表，設計電壓比較電路如下：</p><p>　　如上圖所示，利用4電壓比較器LM339的1IN+和1IN- 進行比較，1IN-接參考電壓，此處可以通過改變變壓器R1中接地部分的分壓來設置上圖（b）中的門限電壓Ur的值。特別說明一下，上圖中的R7實際上是一個0歐的電阻，主要是為了在往后生成的PCB中實現(xiàn)跳線功能。此處對

12、1IN-的參考電壓有如下公式：</p><p><b>　　( 1 )</b></p><p>　　其中Rx為變阻器中觸頭與地直接的電阻值。</p><p>　　而1IN+的輸入信號為R5的分壓。由于3DU型光敏三極管P1的線性區(qū)的光電流大約在毫安級，因此此處的R5選取阻值為。</p><p>　　另外，此處的輸出1Ou

13、t也接了一個10K的上拉電阻，電容C3是為了輸入的電壓更穩(wěn)定，有穩(wěn)壓的作用。</p><p>　　因此通過本電路模塊實現(xiàn)：當流水線上出現(xiàn)故障，即在一段較長時間（在后面74HC123的延時中可對其進行設置）內，光敏三極管要么被光源常照，要么被常擋。當光敏三極管被常照時，設定其高于參考電壓Ur，則比較后一直輸出高電平；反之，當光敏三極管被常擋時，比較后一直輸出低電平。兩種情況都有一個共同點，輸出沒有跳變，即不會產(chǎn)生下

14、降沿。</p><p><b>　　報警電路</b></p><p>　　在（1）模塊處理后的輸出1Out便成為了報警電路的輸入信號。本模塊主要實現(xiàn)對蜂鳴器的相應驅動來報警的作用。具體電路如下：</p><p>　　由設計原理可知，當流水線出現(xiàn)故障時，輸入的信號1Out不會發(fā)生跳變，由74HC123的真值表（見后對74HC123的芯片簡介），可

15、知當電路如上圖接法時，當A（1腳）沒有下降沿則其輸出（4腳）將一直保持高電平，此時其所連接的蜂鳴器BUZ1將一直響；反之，當流水線上沒有故障顯示，則輸入的信號1Out將發(fā)生跳變，總會產(chǎn)生一個下降沿觸發(fā)到74HC123產(chǎn)生一個單脈沖，其脈沖寬度由1RC（15腳）和1C（14腳）決定。延時時間有如下關系：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　易

16、知這個延時時間便是設置的在流水線故障檢測中可以允許流水線上沒有放置產(chǎn)品的最長距離對應的經(jīng)過時間。</p><p>　　另外，此處的C2起到穩(wěn)壓的作用，令到輸入點的電源電壓不能發(fā)生突變，令電路更穩(wěn)定。</p><p><b>　　激光源驅動電路</b></p><p>　　本模塊是用于照明光敏三極管探頭的，其相對獨立和簡單。具體電路圖如右圖所示：

17、</p><p>　　右圖中為了得到比較強的激光，R3的阻值為51歐，而讓它并聯(lián)一個100uF的電容C1可以在斷電上電時不至于產(chǎn)生突變的電壓，保護電路。</p><p><b>　　器件選擇</b></p><p><b>　　元件清單</b></p><p><b>　　元件簡介<

18、/b></p><p>　　1）3DU型 光敏三極管</p><p>　　其參數(shù)表和輸出特性曲線如下所示;</p><p>　　2）LM339 ---4電壓比較器</p><p>　　下面分別是芯片的引腳圖和內部原理圖</p><p>　　可見在這個芯片中包含了4個電壓比較器。</p><p&

19、gt;　　3）74HC123---雙可重觸發(fā)單脈沖觸發(fā)器</p><p>　　下面是其引腳圖和功能表</p><p><b>　　PCB制作</b></p><p>　　通過方案的分析和設計，確定了最終的設計方案后，我們便通過Protel99se軟件來制作出需要的PCB板。其制作過程大致如下：</p><p><b

20、>　　新建工程文件</b></p><p>　　啟動Protel99se-FileNew Design輸入工程名，設置保持地址確定。</p><p><b>　　新建原理圖元件庫</b></p><p>　　在所剛建的工程文件下FileNew，在彈出的如下對話框中選擇“Schematic Libraty Document”，按

21、OK。</p><p>　　圖10 圖11</p><p>　　雙擊新建的原理圖元件庫文件，在其中逐個創(chuàng)建所需要的元件。</p><p>　　如上圖11是所創(chuàng)建的74HC123元件。</p><p>　　新建PCB元件封裝庫</p><p>　　返回

22、原來的工程文件夾下FileNew，在彈出的如下對話框中選擇“PCB Libraty Document”，按OK。</p><p>　　雙擊新建的PCB元件封裝庫文件，在其中逐個創(chuàng)建所需要的元件封裝。</p><p>　　如右圖12是所創(chuàng)建的74HC123元件的封裝。</p><p><b>　　圖12</b></p><p&

23、gt;<b>　　新建原理圖文件</b></p><p>　　在所剛建的工程文件夾下FileNew，在彈出的如下對話框中選擇“Schematic Document”，按OK。</p><p>　　導入剛剛畫好的原理圖元件庫，并利用元件庫中的元件繪制電路圖。</p><p>　　自動編號及檢查電氣錯誤</p><p>　　

24、繪制完電路圖后，可以對應用軟件對原理圖中的元件自動編號。</p><p>　　其方法為：ToolsAnnotate選擇一種編號規(guī)則確定。</p><p>　　編號后為了確保原理圖的正確性，最好進行電氣規(guī)則的檢測。當原理圖純在電氣錯誤，如有導線沒有連接好時，系統(tǒng)會作出提醒；如沒有錯誤時，系統(tǒng)會作出無錯誤的提示。如下圖：</p><p>　　檢測封裝與元件庫中元件的相互

25、對應關系</p><p>　　在生成PCB前，最關鍵的一部是必須要確保原理圖中的元件的封裝設定與PCB Library Document中創(chuàng)建好的封裝一一對應，各個引腳也要互相對應。</p><p><b>　　生成PCB</b></p><p>　　在所剛建的工程文件夾下FileNew，在彈出的如下對話框中選擇“PCB Document”，按

26、OK。</p><p>　　在之前幾步工作的基礎上，在原理圖文件中，DesignUpdate PCBExecute 即把原理圖更新到PCB文件中。</p><p><b>　　布線</b></p><p>　　規(guī)劃好PCB板的大小，對生成的PCB元件進行合理的調整。之后便可以進行布線。布線主要有兩種手段，一種是利用軟件系統(tǒng)自動布線，另一種是設計

27、者自己手動布線。通常手動布線會更加美觀，也更能考慮到電路的穩(wěn)定性問題，因此本設計中我們采用的是手動布線。布線的最后結果如下圖：</p><p>　　關于布線，在本設計中，鑒于實驗室條件的現(xiàn)在，我們只能利用感光板制成單面PCB板，而且設備有限要求我們布線和設計時電路中的焊盤應該盡量的大，導線應該盡量的粗，兩導線之間的安全距離應該盡可能的大。</p><p><b>　　后續(xù)處理&l

28、t;/b></p><p>　　在電腦中制作好圖之后，接下來就是把右圖用硫酸紙打印出來，并用其反面（注意由于要鏡像，必須用反面）來對感光板在太陽光下曝光1分鐘左右，之后相繼浸泡顯影液和氯化鐵溶液中，最后邊得到最終的PCB板。</p><p>　　將上圖電腦中的PCB文件通過設置打印格式，在硫酸紙上打印出底層和禁止布線層效果如右圖所示：</p><p>　　主要

29、曝光板的時候要選用其反面來進行曝光。</p><p><b>　　焊接元件</b></p><p>　　在制作好的PCB板中對應焊接相應的元件，待所有元件焊好后，用膠條固定激光頭，讓其對準光敏三極管。最后的制成的PCB板如下：</p><p>　　正面圖 反面圖</p&

30、gt;<p>　　電路調試過程與理論計算</p><p>　　用5V穩(wěn)壓電源對本裝置進行測試。如下圖所示連接電路：</p><p><b>　　調試現(xiàn)象：</b></p><p>　　接通電源后，蜂鳴器先響一聲，然后便投入實時的檢測工作了。如果“流水線”在規(guī)定的延時時間內，有物體經(jīng)過，即蜂鳴器不會響，當限定的延時時間內，發(fā)現(xiàn)光敏三

31、極管接收到的光強一直沒有變化，即定義為流水線上發(fā)生了故障，此時蜂鳴器會一直響，提醒人工檢查。當然如果在蜂鳴器響的時候又發(fā)現(xiàn)有物體在流水線上經(jīng)過，則蜂鳴器又會停止工作，不再報警，如此反復……</p><p>　　在調試過程中，我們測得當有光照射光敏三極管時，LM339的7腳到地的壓降約為U1=0.4V,，則要有光照的時候輸出高電壓，由上述公式（1）可以算得出此時：</p><p>　　解得：

32、 Rx=400</p><p>　　由理論可知，Rx越小，即該轉置的探測分辨率越高，為了滿足設計要求中0.5mm分辨率的要求，經(jīng)過調試，此時的Rx約為200。</p><p>　　另一方面，根據(jù)公式（2）這里我們設置的延時時間為</p><p>　　利用秒表對裝置的延時時間進行測試，測得，可見已與理論值很吻合。</p><p><b

33、>　　結果分析</b></p><p>　　經(jīng)過調試，本裝置可以較好的滿足設計要求，實現(xiàn)流水線故障的快速實時檢測。通過調節(jié)變阻器，改變Rx的值，可以改變檢測的分辨率，實現(xiàn)精確檢測。當激光頭和光敏二極管之間有遮擋物（即產(chǎn)品）經(jīng)過，且兩個產(chǎn)品經(jīng)過對準點的時間小于限定的延時時間，則判斷為流水線上沒有發(fā)生故障，此時蜂鳴器沒有工作。一旦流水線上在最后一個延時時間內都沒有東西經(jīng)過，即光敏三極管接收到的光強沒

34、有跳變，此時判斷為流水線上發(fā)生了故障，此時74HC123便會在立即恢復高電平，驅動蜂鳴器發(fā)出警報，提醒人工檢查。</p><p><b>　　總結與心得體會</b></p><p><b>　?。ㄊ÷裕?lt;/b></p><p><b>　　【參考文獻】</b></p><p>