基于ARM的鞭炮自動裝藥及插引系統

【摘 要】我國是煙花爆竹生產大國，然而現階段的鞭炮生產還是主要以手工生產為主，尤其是直接與火藥接觸的鞭炮的裝藥和插引工序，危險性極高、效率十分低下。本文結合這兩道工序的特點，經過多方面的研究，設計了一種安全高效的基于arm的自動裝藥和插引系統。

【關鍵詞】鞭炮；裝藥；插引；arm；系統

0.引言

燃放鞭炮是人們慶祝重要日子的傳統習俗，在國內外都有很大的需求量，我國是世界花炮貿易的主要提供者，然而現階段其生產仍然多為手工操作，生產效率低，安全隱患重。據統計近幾年每年都有三百人左右死于煙花爆竹事故，直接經濟損失達數億元。對目前鞭炮生產的過程進行研究發現，在整個鞭炮生產的工序中，裝藥和插引這兩道工序的機械化程度最低，而且由于直接和火藥接觸，安全隱患最大，因此，為了提高鞭炮生產的自動化程度并降低危險性，本文設計了自動化裝藥和插引系統，并利用arm9芯片搭建了安全監控系統。

1.鞭炮自動裝藥和插引機構

根據鞭炮的生產流程，自動裝藥和插引機構的系統結構如圖1所示，在直流電機電機的控制下以正六邊形排列的炮盤，經炮盤送給和夾緊機構被送到傳送帶上之后，傳送到引線插引和裝藥機構處，在3個步進電機的控制下完成引線的自動送給和定長切割和炮盤旋轉，切割后的引線落入炮盤完場炮盤插引工作；然后按照國家的《GB10631-89煙花爆竹安全與質量》規范，炮藥計量及下藥機構將定量的炮藥途經振動裝藥機構，通過兩級振動，使得炮藥顆粒能夠平整、均勻地鋪滿裝過引線的炮盤中完成裝藥過程；緊接著在步進電機的控制下將炮盤輸送經毛刷機構，刷去炮盤邊緣漏藥，再經過振動壓實機構使裝入的炮藥有一定的壓實度，最后輸送漏藥到藥物回收機構，至此完成了整個鞭炮的生產過程。

圖1 自動裝藥和插引機構的系統結構

整個過程是在程序的控制下自動完成的，實現了鞭炮的自動化流水線生產。另外，為了將危險性降到最低，必須增加安全防護裝置。比如在監控室和裝藥室之間安裝非常厚的防護墻；在插引和裝藥機構外側增加10mm厚的鋼板；在裝藥室的頂部安裝安全淋噴裝置和可以人工控制的5kg的壓力水包；在室內增加風機裝置等。

2.運動控制和安全監控硬件系統

自動裝藥、插引機構以及自動流水線機構設計完成以后，要想實現自動化的流水線生產，還必須構建整個過程的控制系統，用于完成整個流水線的自動控制和安全監控任務。整個系統的控制中心是一個以arm9為內核的S3C2410X最小系統，該最小系統的外圍電路主要包括電源電路、復位電路、始終電路、JTAG接口電路、及負責與pc機通信的以太網電路。

2.1運動控制硬件構建

選用4個ZA系列防爆安全型直流電機，分別用于完成炮盤的送給任務、一級振動機構中的篩網振動任務、和二級振動機構中的兩個篩網振動任務，通過S3C2410內部有4個PWM定時器，利用PWM控制技術對4個電機進行調速，直流電機的驅動控制電路選用由美國國家半導體公司（NS）推出的專用電機驅動功率集成芯片LMD18200；選用5個深圳白山機電生產的兩相混合式步進電機：103H7123-0440（0410），完成對引線送給、切割、炮盤回轉、炮盤加緊、炮盤輸送等工序的控制，通過S3C2410的GPIO功能對這些電機進行控制。步進電機的驅動電路選用白山機電的DQ245M。

2.2安全監控硬件構建

鞭炮生產中直接面對的火藥對溫度、濕度、靜電、粉塵、火花等因素十分的敏感，所以必須通過傳感器對這些信號進行安全監控。為了提高系統的安全性和響應頻率，同時降低電路設計的復雜性，安全監控系統中用到的所有傳感器都采用數字式的集成防爆傳感器，以便能夠安全方便地讀取環境監測數據。

溫濕度和氧氣濃度的監控分別選用防爆型溫濕度數字傳感器JWSM-2A和防爆型數字式的氧氣濃度傳感器GYH25，這兩種傳感器通過S3C2410的IIC總線進行信號的傳輸；明火監控選用火焰探測器FS-2000E，該傳感器報警輸出端通過干簧繼電器與裝藥室內的安全淋噴滅火裝置連接，并將數字信號送到S3C2410芯片的相應管腳上。另外還可以通過屋頂的壓力水包將危險系數降到最低；對于粉塵可以通過密封性較好的CCD攝像頭進行檢測；另外，自動裝藥機構在運動過程中，振動裝藥機構由于運行頻率較高，容易產生較多的熱量，為了提高安全性，應當對振動網篩部分溫度進行實時監測。振動網篩溫度監測采用DS18B20智能數字溫度傳感器，通過簡單的單總線方式實現與微控制器的數據通訊。

圖2 系統軟件結構

3.運動控制和安全監控軟件系統

自動裝藥硬件系統為自動裝藥機械機構提供動力的支持和安全的保障，在此基礎上，增加應用軟件為整個系統提供“思想”，就可以控制整個系統高效安全的自動運行。整個軟件系統主要包括兩大部分：下位機系統軟件和上位人機交互軟件。軟件系統的結構如圖2所示。

3.1下位機系統軟件

首先完成下位機內核的移植，即在下位機中裝入實時性較強的嵌入式linux操作系統，用來管理和控制內存、多任務、周邊資源，以提高系統的可靠性，降低應用軟件開發的復雜性。然后在嵌入式Linux操作系統的基礎上，利用linux系統的多線程調度來完成整個機構的運動控制任務、安全監控任務和通信任務，具體的任務包括：炮盤送給和夾緊、炮盤插引、振動裝藥和炮盤輸送等運動控制任務；開機環境監測、溫濕度、氧氣濃度監測、篩網溫度檢測及明火監測等安全監控任務；下位機與上位機之間的UDP通信任務，用來完成下位機和上位機之間的通信，以保證操作者能在遠程的上位機上完成整個鞭炮生產過程的監測和控制任務，提高系統的安全性。

圖3 人機交互主窗口

3.2上位機系統軟件

在完成了下位機的運動控制、安全監控和網絡UDP通訊任務之后，上位機軟件主要的任務就是利用windows下的Visual C++6.0軟件開發出一個友好的人機交互界面，使得系統操作者能在遠離裝藥室的基礎上，監控整個系統的自動化運行過程。上位機的人機交互窗口如上圖3所示：

4.結束語

針對現階段的鞭炮生產存在著危險性高、效率低下的問題，經過對鞭炮生產的過程研究，發現主要問題集中在鞭炮的裝藥和插引兩道工序中，因此，本文利用嵌入式ARM9芯片搭建了鞭炮自動裝藥及插引過程的運動控制和安全監測平臺，并將監測的數據通過以太網傳輸給PC機，通過安全監控人機交互軟件監控整個生產過程，更加充分保證了裝藥和插引過程的安全性，最終實現高效率、高安全性的鞭炮自動裝藥和插引系統的設計。

【參考文獻】

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