課程設(shè)計(jì)--流水線故障光電檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

1、<p>　　流水線故障光電檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)</p><p><b>　　【摘要】</b></p><p>　　本流水線故障光電檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)的核心檢測(cè)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(jiàn)的基本元件來(lái)搭建電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)流水線上故障的檢測(cè)，通過(guò)對(duì)與滑動(dòng)變阻器的調(diào)節(jié)，改變比較器參考電壓可調(diào)節(jié)裝置的檢測(cè)分辨率。

2、</p><p><b>　　【關(guān)鍵詞】</b></p><p>　　流水線故障 光電檢測(cè) 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(yīng)用。而傳統(tǒng)生產(chǎn)方式中安置專門工人

3、對(duì)流水線進(jìn)行故障的實(shí)時(shí)監(jiān)督和手動(dòng)檢查的故障檢測(cè)隨著科技的發(fā)展，已經(jīng)逐漸遭到社會(huì)的淘汰。因此，對(duì)流水線故障自動(dòng)化檢測(cè)成為一個(gè)重要的也是極具實(shí)際價(jià)值的課題。</p><p>　　對(duì)流水線的故障檢測(cè)方式多種，可以從機(jī)械檢測(cè)，光電檢測(cè)等來(lái)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)。而本設(shè)計(jì)就是基于光電檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化流水線檢測(cè)的實(shí)用裝置。對(duì)比其他的檢測(cè)方法，光電檢測(cè)具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)。第一，光電檢測(cè)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以對(duì)流水線上的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，對(duì)

4、故障的響應(yīng)速度快。第二，光電檢測(cè)準(zhǔn)確性高，如本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)分辨率達(dá)到0.5mm精度的檢測(cè)，如若采用對(duì)光強(qiáng)更加敏感的器件作為裝置的探頭，將可以實(shí)現(xiàn)更高的探測(cè)精度，可見(jiàn)光電檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的故障檢測(cè)。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)中的裝置采用光電檢測(cè)的辦法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速和高分辨的實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)中采用半導(dǎo)體激光器LD作為光源，用光敏三極管作

5、為探測(cè)器。本裝置用于自動(dòng)化流水線上，可以用來(lái)判斷是否有目標(biāo)連續(xù)通過(guò)，并在工作異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示人工干預(yù)。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(zhuǎn)；</p><p>　　2、流水線上長(zhǎng)期沒(méi)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(shè)計(jì)任務(wù)與要求</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)：</b></p><p>　　采用光電檢測(cè)的辦法，利用一些常用芯片設(shè)計(jì)一個(gè)裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速和高分辨的時(shí)實(shí)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中采用半導(dǎo)體激光器LD作為光源，用光敏三極管作為探測(cè)器。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求：</b></p>

7、<p>　　1、查閱相關(guān)資料，繪出設(shè)計(jì)電路原理圖，并確定元件參數(shù)。</p><p>　　2、獨(dú)立完成PCB制作，并焊接元件到PCB上。</p><p>　　3、調(diào)試元件參數(shù)，以及光敏三極管工作環(huán)境，使檢測(cè)分辨盡可能的高，要求至少能達(dá)到0.5mm的分辨能力。</p><p><b>　　電路設(shè)計(jì)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(dāng)光敏二極管工作在線性區(qū)，有光照時(shí)，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(hào)，與一設(shè)定的參考電壓通過(guò)LM339進(jìn)行電壓比較器。將其輸出的信號(hào)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(hào)跳變，即出現(xiàn)上升沿或下降沿時(shí)激發(fā)出一個(gè)單脈沖，利用該輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警器件——蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)。</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(duì)兩電壓進(jìn)行比較，其輸出接入555定時(shí)器。利用555定時(shí)器設(shè)置合適的R,C

10、便可以產(chǎn)生一個(gè)單穩(wěn)態(tài)脈沖，以此驅(qū)動(dòng)/關(guān)閉蜂鳴器。</p><p>　　由于對(duì)74HC123的應(yīng)用更為簡(jiǎn)便清晰，外圍電路較簡(jiǎn)單，因此本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　電壓比較電路</b><

11、/p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，為了配合以后的報(bào)警電路模塊中74HC123的真值表，設(shè)計(jì)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(jìn)行比較，1IN-接參考電壓，此處可以通過(guò)改變變壓器R1中接地部分的分壓來(lái)設(shè)置上圖（b）中的門限電壓Ur的值。特別說(shuō)明一下，上圖中的R7實(shí)際上是一個(gè)0歐的電阻，主要是為了在往后生成的PCB中實(shí)現(xiàn)跳線功能。此處對(duì)

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(hào)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(jí)，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(gè)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(guò)本電路模塊實(shí)現(xiàn)：當(dāng)流水線上出現(xiàn)故障，即在一段較長(zhǎng)時(shí)間（在后面74HC123的延時(shí)中可對(duì)其進(jìn)行設(shè)置）內(nèi)，光敏三極管要么被光源常照，要么被常擋。當(dāng)光敏三極管被常照時(shí)，設(shè)定其高于參考電壓Ur，則比較后一直輸出高電平；反之，當(dāng)光敏三極管被常擋時(shí)，比較后一直輸出低電平。兩種情況都有一個(gè)共同點(diǎn)，輸出沒(méi)有跳變，即不會(huì)產(chǎn)生下

14、降沿。</p><p><b>　　報(bào)警電路</b></p><p>　　在（1）模塊處理后的輸出1Out便成為了報(bào)警電路的輸入信號(hào)。本模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂鳴器的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)來(lái)報(bào)警的作用。具體電路如下：</p><p>　　由設(shè)計(jì)原理可知，當(dāng)流水線出現(xiàn)故障時(shí)，輸入的信號(hào)1Out不會(huì)發(fā)生跳變，由74HC123的真值表（見(jiàn)后對(duì)74HC123的芯片簡(jiǎn)介），可

15、知當(dāng)電路如上圖接法時(shí)，當(dāng)A（1腳）沒(méi)有下降沿則其輸出（4腳）將一直保持高電平，此時(shí)其所連接的蜂鳴器BUZ1將一直響；反之，當(dāng)流水線上沒(méi)有故障顯示，則輸入的信號(hào)1Out將發(fā)生跳變，總會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿觸發(fā)到74HC123產(chǎn)生一個(gè)單脈沖，其脈沖寬度由1RC（15腳）和1C（14腳）決定。延時(shí)時(shí)間有如下關(guān)系：</p><p><b>　　（2）</b></p><p>　　易

16、知這個(gè)延時(shí)時(shí)間便是設(shè)置的在流水線故障檢測(cè)中可以允許流水線上沒(méi)有放置產(chǎn)品的最長(zhǎng)距離對(duì)應(yīng)的經(jīng)過(guò)時(shí)間。</p><p>　　另外，此處的C2起到穩(wěn)壓的作用，令到輸入點(diǎn)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(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　本模塊是用于照明光敏三極管探頭的，其相對(duì)獨(dú)立和簡(jiǎn)單。具體電路圖如右圖所示：

17、</p><p>　　右圖中為了得到比較強(qiáng)的激光，R3的阻值為51歐，而讓它并聯(lián)一個(gè)100uF的電容C1可以在斷電上電時(shí)不至于產(chǎn)生突變的電壓，保護(hù)電路。</p><p><b>　　器件選擇</b></p><p><b>　　元件清單</b></p><p><b>　　元件簡(jiǎn)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(nèi)部原理圖</p><p>　　可見(jiàn)在這個(gè)芯片中包含了4個(gè)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(guò)方案的分析和設(shè)計(jì)，確定了最終的設(shè)計(jì)方案后，我們便通過(guò)Protel99se軟件來(lái)制作出需要的PCB板。其制作過(guò)程大致如下：</p><p><b

20、>　　新建工程文件</b></p><p>　　啟動(dòng)Protel99se-FileNew Design輸入工程名，設(shè)置保持地址確定。</p><p><b>　　新建原理圖元件庫(kù)</b></p><p>　　在所剛建的工程文件下FileNew，在彈出的如下對(duì)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(kù)文件，在其中逐個(gè)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(kù)</p><p>　　返回

22、原來(lái)的工程文件夾下FileNew，在彈出的如下對(duì)話框中選擇“PCB Libraty Document”，按OK。</p><p>　　雙擊新建的PCB元件封裝庫(kù)文件，在其中逐個(gè)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(duì)話框中選擇“Schematic Document”，按OK。</p><p>　　導(dǎo)入剛剛畫(huà)好的原理圖元件庫(kù)，并利用元件庫(kù)中的元件繪制電路圖。</p><p>　　自動(dòng)編號(hào)及檢查電氣錯(cuò)誤</p><p>　　

24、繪制完電路圖后，可以對(duì)應(yīng)用軟件對(duì)原理圖中的元件自動(dòng)編號(hào)。</p><p>　　其方法為：ToolsAnnotate選擇一種編號(hào)規(guī)則確定。</p><p>　　編號(hào)后為了確保原理圖的正確性，最好進(jìn)行電氣規(guī)則的檢測(cè)。當(dāng)原理圖純?cè)陔姎忮e(cuò)誤，如有導(dǎo)線沒(méi)有連接好時(shí)，系統(tǒng)會(huì)作出提醒；如沒(méi)有錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)會(huì)作出無(wú)錯(cuò)誤的提示。如下圖：</p><p>　　檢測(cè)封裝與元件庫(kù)中元件的相互

25、對(duì)應(yīng)關(guān)系</p><p>　　在生成PCB前，最關(guān)鍵的一部是必須要確保原理圖中的元件的封裝設(shè)定與PCB Library Document中創(chuàng)建好的封裝一一對(duì)應(yīng)，各個(gè)引腳也要互相對(duì)應(yīng)。</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(duì)話框中選擇“PCB Document”，按

26、OK。</p><p>　　在之前幾步工作的基礎(chǔ)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(duì)生成的PCB元件進(jìn)行合理的調(diào)整。之后便可以進(jìn)行布線。布線主要有兩種手段，一種是利用軟件系統(tǒng)自動(dòng)布線，另一種是設(shè)計(jì)

27、者自己手動(dòng)布線。通常手動(dòng)布線會(huì)更加美觀，也更能考慮到電路的穩(wěn)定性問(wèn)題，因此本設(shè)計(jì)中我們采用的是手動(dòng)布線。布線的最后結(jié)果如下圖：</p><p>　　關(guān)于布線，在本設(shè)計(jì)中，鑒于實(shí)驗(yàn)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(shè)備有限要求我們布線和設(shè)計(jì)時(shí)電路中的焊盤應(yīng)該盡量的大，導(dǎo)線應(yīng)該盡量的粗，兩導(dǎo)線之間的安全距離應(yīng)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(lái)就是把右圖用硫酸紙打印出來(lái)，并用其反面（注意由于要鏡像，必須用反面）來(lái)對(duì)感光板在太陽(yáng)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(guò)設(shè)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(shí)候要選用其反面來(lái)進(jìn)行曝光。</p><p><b>　　焊接元件</b></p><p>　　在制作好的PCB板中對(duì)應(yīng)焊接相應(yīng)的元件，待所有元件焊好后，用膠條固定激光頭，讓其對(duì)準(zhǔn)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(diào)試過(guò)程與理論計(jì)算</p><p>　　用5V穩(wěn)壓電源對(duì)本裝置進(jìn)行測(cè)試。如下圖所示連接電路：</p><p><b>　　調(diào)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(shí)時(shí)的檢測(cè)工作了。如果“流水線”在規(guī)定的延時(shí)時(shí)間內(nèi)，有物體經(jīng)過(guò)，即蜂鳴器不會(huì)響，當(dāng)限定的延時(shí)時(shí)間內(nèi)，發(fā)現(xiàn)光敏三

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

32、 Rx=400</p><p>　　由理論可知，Rx越小，即該轉(zhuǎn)置的探測(cè)分辨率越高，為了滿足設(shè)計(jì)要求中0.5mm分辨率的要求，經(jīng)過(guò)調(diào)試，此時(shí)的Rx約為200。</p><p>　　另一方面，根據(jù)公式（2）這里我們?cè)O(shè)置的延時(shí)時(shí)間為</p><p>　　利用秒表對(duì)裝置的延時(shí)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得，可見(jiàn)已與理論值很吻合。</p><p><b

33、>　　結(jié)果分析</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)調(diào)試，本裝置可以較好的滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)流水線故障的快速實(shí)時(shí)檢測(cè)。通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器，改變Rx的值，可以改變檢測(cè)的分辨率，實(shí)現(xiàn)精確檢測(cè)。當(dāng)激光頭和光敏二極管之間有遮擋物（即產(chǎn)品）經(jīng)過(guò)，且兩個(gè)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)的時(shí)間小于限定的延時(shí)時(shí)間，則判斷為流水線上沒(méi)有發(fā)生故障，此時(shí)蜂鳴器沒(méi)有工作。一旦流水線上在最后一個(gè)延時(shí)時(shí)間內(nèi)都沒(méi)有東西經(jīng)過(guò)，即光敏三極管接收到的光強(qiáng)沒(méi)

34、有跳變，此時(shí)判斷為流水線上發(fā)生了故障，此時(shí)74HC123便會(huì)在立即恢復(fù)高電平，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，提醒人工檢查。</p><p><b>　　總結(jié)與心得體會(huì)</b></p><p><b>　?。ㄊ÷裕?lt;/b></p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】</b></p><p>