基于單片機的自動纏線裝置系統設計

董洢安

（無錫職業技術學院，江蘇 無錫214121）

在手工制作業中，生產者需要用到大量不同規格線板。傳統情況下，單純的依靠純手工來制作線板，費時費力且生產成本高。傳統纏線機雖然能夠輔助人們進行纏線工作，但其主要投入于電機漆包線、電線繞制等工業生產中；且體積大，成本高，需要進行定期維護，無法滿足手工業生產者的需求，因此，生產出一款高效、低成本、能夠準確計數的新型智能纏線機就顯得尤為重要。本文利用多種傳感器，將小型減速電機與傳感器結合，制造出一款體積小，成本低，纏線精確的新型纏線機，從而填補手工業自動纏線機的空白。

1 系統設計

智能纏線機系統主要由信號采集部分，控制單元，執行機構，可調式硬件組件組成。

信號采集部分主要是采集霍爾傳感器傳過來的脈沖值，并實時對傳送的信息進行監測；控制單元采用高速、低功耗、超強抗干擾的STC12C5A60S2 單片機作為數據采集系統的控制核心，單片機利用外部中斷對傳來的脈沖值進行檢測，并利用模糊算法算出纏線機已經實際完成的纏線圈數，一旦達到設定圈數，纏線機會做出語音提示，而一旦纏線機在工作過程中出現了問題，纏線機則會緊急制動并語音報警。

本系統主要使用霍爾傳感器對纏線圈數進行檢測；MPU6050 傳感器對纏線機自身狀態進行監測；USART HMI 液晶顯示屏觀察纏線機工作進程；薄膜鍵盤則實現對纏線機的控制。

1.1 信號采集系統設計

為了實現對纏線機的精確控制，本系統選擇了霍爾傳感器，并將霍爾傳感器與電機加以改造使用。

纏線機將霍爾傳感器與電機二者相結合，在電機底部的裝上了一個圓形磁鐵，隨著電機轉動，短軸上的磁鐵也隨之轉動，根據霍爾效應，每當電機轉過固定的距離，都會產生一個霍爾電壓差，這個電壓差回傳給單片機，經過AD 轉換之后，單片機通過算法確定其具體的實際圈數之后，控制單元將實際旋轉圈數和預定設置的圈數進行比較，一旦達到我們設定的閾值，控制單元將給出一個停止信號，電機停止轉動。

1.2 智能監控系統設計

作為一款輔助生產的工具，纏線機一定會在纏線過程中出現線板歪斜、纏線位置不準確等突發問題，為此，我們特別添加了實時監測系統，用陀螺儀實時監測纏線機的位置狀態。

在旋轉的情況下，物體旋轉軸所指的方向在不受到外力影響時不會改變，陀螺儀也由此誕生。

纏線機在工作時會通過陀螺儀對自身情況進行實時監測，一旦發現自身在某一刻出現了較大程度的偏移，即判斷為纏線機發生了意外情況，此時纏線機停止工作并且發出警報。

在實際的測試情況下，我們發現，由于纏線機在工作過程中產生的幅度不會太大，因此我們可以基本忽略纏線機自身產生的偏移，此外，一般情況下，使用者會將纏線機放置地比較平穩，基于大量實際實驗，我們發現采用陀螺儀對纏線機進行監測是可行并有效的。

1.3 人機交互系統設計

在人機交互方面，本系統使用了USART HMI 液晶顯示屏，成本低，壽命長，顯示效果好，并且支持觸控。使用者可以直觀的在屏幕上觀察到纏線機的現工作狀態，達到對纏線機的監測要求。

纏線機的另外一個特點就是使用者可以根據自身不同的需求輸入不同的工作參數，從而完成精確纏線的需求。為了滿足對參數輸入的需求，本系統使用了薄膜鍵盤，使用者可以直接在薄膜鍵盤上輸入需要纏線機進行工作的圈數，并通過暫停、啟動、清零、加速、減速五個按鍵對纏線機的工作狀態進行控制。

2 電路設計

2.1 控制單元電路設計

控制單元是自動控制系統的核心，主要完成對傳感器數據的檢測、分析，判斷纏線機實際轉動圈數是否達到設定圈數、纏線機自身是否出現了緊急突發情況，一旦出現上述兩種情況，纏線機停止工作并發出語音報警，提示人們上前查看。控制單元電路圖如圖1 所示。

2.2 閾值信號采集電路設計

閾值信號檢測主要是包括對纏線機實際工作圈數、自身偏移的檢測。采用霍爾傳感器，通過對霍爾電壓的采集，通過轉換，計算纏線機的實際工作進程。采用MPU6050.6 軸傳感器，對纏線機自身的瞬間位移偏轉量進行檢測。檢測電路設計如圖2所示。

2.3 語音提示系統

當纏線機完成設定閾值情況下的纏線工作時，控制單元會給語音提示系統一個信號，語音模塊在接收到這個信號之后會做出提示，提示人們工作已經完成，叫人們上前查看。

圖1 控制單元

圖2 檢測電路設計

此外，陀螺儀實時對纏線機自身情況做出監測，當檢測纏線機出現緊急情況時，控制單元也將發送信號，使語音提示系統做出相應的反饋。語音提示系統電路圖如圖3 所示。

圖3 語音提示系統

2.4 驅動電路設計

執行機構的電機控制使用的是電機控制專用芯片L298N，其內部含有兩個相同H 橋式驅動電路，以及4 通道邏輯驅動電路，即內含二個H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，分為由En A、IN1、IN2 控制的A 橋和由En B、IN3、IN4 控制的B 橋。具有驅動電流大（單路驅動約2A）、低電平范圍寬等優點。四路光電耦合電路通過電- 光- 電的轉換，對輸入和輸出電路進行隔離。電機驅動電路如圖4 所示。

3 軟件設計

3.1 程序流程設計

控制單元主要是針對單片機操作程序進行編程，包含傳感器數據采集、分析、比較，閾值判定、驅動電機輸出和語音報警。通過五個功能按鍵對系統進行啟動、暫停、清零、加速、減速等操作以滿足使用者對于纏線機的不同工作狀態的需要，使用者通過薄膜鍵盤輸入預定工作圈數，并通過顯示屏幕實時觀察纏線機工作狀態。

圖4 電機驅動電路

3.2 系統測試

系統整體測試組成如下圖所示，系統針對不同型號的20 類纏線板，分別進行了20 次實驗，纏線圈數不等，準確率達到了99.8%。此外在連續14 小時的工作情況下，纏線機依舊保持著極高的穩定性。以上測試表明，該系統可以有效輔助人們的日常生產生活。具體參數見下表。

測試表

4 結論

本文設計了智能纏線裝置系統，通過多種傳感器角度，檢測機器實際纏線圈數并監測纏線機自身狀態，從而輔助人們的日常生產生活，本系統設計為提高手工制作業的自動纏線的智能控制系統設計提供了重要的參考依據。