基于單片機的機械加工安全保護裝置研究

陳愷亮

(江蘇省句容市華聯特種設備制造有限公司，江蘇 句容 212400)

目前，在大部分企業中，數控技術已得到了普遍的應用，在生產的過程中，由于自動化程度的提高，工人的勞動強度逐漸降低，簡單重復勞動所占有的時間變長，在生產的過程中更容易發生注意力轉移的現象。在這種情況下，工傷事故發生的可能性變大。而目前的生產安全保護裝置主要為銘牌警示，位置警報和緊急停車等，這些裝置對于防止工人因長時間工作而產生的注意力轉移所而造成的事故作用不大。本研究利用紅外邊沿檢測技術，研制出一種基于單片機的機械加工保護裝置。

1 功能與控制原理

本研究采用紅外線發總接收分體陣列，紅外接近傳感器作為對禁止區域，危險區域的檢測元件，通過對模塊所產生信號的調制與分析，將信號與設定的值進行比較作出當前操作是否含有潛在的危險。如果有危險則根據規則停止相關設備或發出警報，否則允許設備繼續按照當前的模式繼續運行。

系統的核心處理裝置為Atmega128 單片機，該芯片有豐富的片內資源:它帶有8 路10位的AD 轉換器，128K 的FLASH 程序存儲空間，4K 的RAM 數據存儲空間，4K 的EEPROM 掉電保持數據存儲空間，可通過SPI 實現系統內編程，高級語言編程采用功能強大且高效率的GCC 編譯器和GDB 調試器，從而使得處理器指令和數據并行，大大提高了處理效率。

整個系統的檢測區域可以分為禁止區域和危險區域，禁止區域為在加工過程中必然發生危險的地方，而危險區域為在加工過程中可能發生危險的地方。一般情況下在機械加工的過程中，禁止區域比較小，而危險區域相對較大，所以在禁止區域中使用分體式紅外檢測裝置，形成網狀檢測區域，在危險區域使用紅外入侵探測傳感器。生產過程中生產現場的適時信號由紅外傳感器提供。

系統的啟停裝置由運動監控裝置或啟動開關組成，當生產設備主要運動裝置啟動后，有運動檢測裝置檢測出系統的啟動，整個系統即對各區域的安全狀況進行監測，當系統檢測到所有運動裝置均處于停止狀態時，系統停機。

系統的執行機構為聲光報警器，系統急停裝置，當禁止區域中發現入侵時，啟動系統急停按鈕，當危險區域中發生入侵時采用聲光報警系統。

2 硬件電路設計

系統的硬件主要包括數據采集單元，數據處理單元，系統執行單元及系統保護單元等。

2.1 數據采集單元

數據采集單元在禁止區域中采用的是分體式紅外發送和接收裝置，如圖 1，用 A，B 兩板的交錯來控制紅外裝置的敏感度，A，B 兩板的交錯性越大，紅外裝置發送和接受器的角度越小，靈敏度越低。放大電路采用AD623 和CA3140 進行兩級放大，提高信號質量，根據不同情況，系統的檢測間隔可在0.01秒-2秒內調節。

危險區域檢測單元采用紅外接近傳感器檢測模塊，核心處理器為BISS0001,該模塊最大檢測角140度，感應距離7-8米，反應時間為0.7秒。

2.2 數據處理

系統的核心處理裝置為Atmega128單片機，它帶有8路10位的AD轉換器，6路用于對紅外整列的型號強度進行監測，2 路用于機床主要運動該設備的主運動進行檢測。雙路信號比較器用于檢測兩路機床開關，4K的EEPROM 掉電保持數據存儲空間主要用于存儲系統設置，保存每一次重要報警數據，另外Atmega128具有強大的數據通信能力，在本研究中，通過485接口很容易實現生產現場安全的整體監測。

2.3 執行機構

執行機構包括系統啟停開關，系統對事件的處理機構。系統啟停開關由兩部分組成，分別是機器開關和關鍵運動機構運動檢測器，機器開關直接由機器的啟動開關引出經電壓調制后進入單片機。運動檢測模塊由JMDM-120DIOADD 運動編碼器和相關外部元件組成，JMDM-120DIOADD 是深圳市精敏數字機器有限公司自主研發的一款工業級高性能小型可編程兩軸運動控制器，經外部調制后可測范圍為20-6000rpm。系統對事件的處理機構通過繼電器直接連入系統急停開關或聲光報警器。

3 軟件設計

系統軟件主要包括初始化程序，采樣程序，事件處理程序，濾波程序，通信程序等。程序在機床接通電源時即開始工作。系統的工作流程圖3。

4 結束語

本文提出了一種利用單片機為核心，利用紅外整列進行探測的工業生產防護裝置，實現了利用聲光，急停等方法降低工業生產中工人的意外傷害的幾率。該裝置安裝方便，適合在不同的機床，桁架，吊橋等生產現場使用，且裝置的各項配置價格較低，適合推廣。

[1]姜曉勇,倪敬,劉開元,項占琴.基于單片機的塔機安全監控系統設計 [J].機電工程，2001，(5)

[2]戶永清.基于單片機的CAN 總線結構的安全監控系統設計 [J].內蒙古示范大學學報，2006，(9).

[3]張玉杰，鄭晨升.拉絲模孔型測量儀的研制[J].冶金自動化，2005，(1).