基于單片機的安全玻璃沖擊試驗機沖擊高度自控裝置研究

吳巍 羅益綿 王芳

（廣州市光機電技術研究院）

1 引言

霰彈袋沖擊性能是鋼化玻璃、夾層安全玻璃的一項重要安全性能指標，是鋼化玻璃和夾層玻璃國家標準中強制性檢驗項目[1,2]，也是安全玻璃強制性產品認證（CCC認證）檢驗項目之一[3]。因此，做好霰彈袋沖擊性能檢測為企業(yè)提高產品質量以及安全玻璃產品質量監(jiān)管提供了實驗依據。為了保證霰彈袋沖擊性能試驗中沖擊高度定位的準確性，實現(xiàn)沖擊高度定位的自動控制，保證檢測數(shù)據準確公正，本文研制了一套安全玻璃沖擊試驗機沖擊高度自控裝置。

2 研究內容及實施方案

該沖擊高度自控裝置用于配套霰彈袋沖擊試驗機。適用于依據國家標準 GB 15763.2-2005、GB 15763.3-2009對鋼化玻璃和夾層玻璃進行霰彈袋沖擊試驗；依據貼膜玻璃標準 JC 846-2007及 BS EN 12600:2002對貼膜玻璃、鋼化玻璃、夾層玻璃進行雙輪胎沖擊試驗。

沖擊試驗機沖擊高度自控裝置分為傳動和控制兩個部分，包括機械傳動裝置、電器控制系統(tǒng)、計算機程序等硬件設計和軟件設計。

2.1 裝置工作原理

該裝置根據輸入的沖擊高度，單片機計算步進電機的步進脈沖數(shù)，并由步進電機牽動檢測單元上升到設定的高度。檢測單元由一對紅外光電傳感器組成，紅外光電傳感器的投光器和受光器光軸重合在同一水平線上。檢測單元到達設定位置后卷揚機開始提升沖擊體，當沖擊體進入檢測區(qū)域時，投光器發(fā)出的紅外光被遮擋，受光器無光可受，傳感器輸出狀態(tài)發(fā)生改變，卷揚機停止工作[4]。裝置原理圖如圖1所示。

2.2 裝置硬件設計

本裝置硬件部分主要包括傳動裝置和控制電路。傳動裝置以鋁型材為外框，步進電機及其驅動器固定在型材上，用于帶動同步帶輪轉動。同步帶輪的位置可以上下微調，用于繃緊同步帶。傳動裝置軌道上下各設置了一個限位傳感器，防止紅外傳感器超出移動范圍。

控制電路主要由單片機芯片、存儲芯片、矩陣鍵盤、固態(tài)繼電器、對射式光電傳感器和步進電機驅動器的輸入輸出接口、數(shù)碼管顯示電路以及外圍電源等部件組成[5]。控制電路通過矩陣鍵盤輸入數(shù)據，并對輸入數(shù)據進行存儲，同時通過數(shù)碼管顯示，以單片機芯片為核心，計算出同步輪所需轉動的步數(shù)，然后控制步進電機轉動，步進電機帶動紅外光電傳感器上升，當步進電機完成所需步數(shù)后通過固態(tài)繼電器控制卷揚機提升沖擊體，直到紅外傳感器投光器發(fā)出的信號被沖擊體阻斷，卷揚機停止工作。

在硬件控制電路中采取了多種抗干擾措施，避免了外界電磁場對整個裝置的電磁干擾，提升了裝置的穩(wěn)定性和控制精度。I/O通道采用光電耦合器件隔離，這樣既可避免構成地環(huán)路還可有效地抑制噪聲；在輸入輸出通道上采用過壓保護電路，以防引入高電壓，傷害控制系統(tǒng)[6,7]；繼電器接線點兩端并接RC串聯(lián)電路，用于抑制繼電器吸合時產生的火花，減小電火花影響。

2.3 裝置軟件設計

該裝置的軟件主要指單片機控制程序。單片機是整個系統(tǒng)的核心和控制中心，各個系統(tǒng)的數(shù)據都送到單片機進行處理，且所有的命令都由單片機發(fā)出，所以單片機的軟件設計非常重要，它關系整個系統(tǒng)的功能。單片機控制電路中的 AT89S52根據輸入的沖擊高度值計算步進電動機應獲得的脈沖個數(shù)，并控制步進電機帶動紅外傳感器到達設定的高度，同時控制顯示沖擊高度和卷揚電機的運轉。單片機程序包括設備的初始化程序、顯示程序、輸入程序、存儲程序以及步進電機和卷揚機的驅動程序。裝置上電后程序先將各端口初始化，等待實驗人員選擇沖擊體，此時屏蔽任何其它操作。選擇沖擊體后程序從存儲芯片內讀出沖擊體當前位置并加以顯示。如果當前高度即為所需的沖擊高度，可按鍵控制卷揚機提升沖擊體。否則，可以輸入所需的沖擊高度，程序換算出步進電機轉動的步數(shù)，驅動步進電機轉動使紅外傳感器上升至所需高度，存儲程序寫入當前位置，然后程序一邊繼續(xù)檢查按鍵，一邊控制卷揚機提升沖擊體直到程序檢測到紅外傳感器的信號被截斷，卷揚機停止工作。單片機程序流程圖如圖2 所示。

3 裝置的安裝要求

該沖擊高度自控裝置的兩個紅外光電傳感器分別安裝在兩個鋁型材軌道上，兩軌道的定位對于控制精度至關重要。首先要保證兩個軌道底座的穩(wěn)固性，并且與水平面垂直，兩軌道在底座上相對放置，所組成的平面應與沖擊體被提升時的運動軌跡在同一個平面內。兩個紅外光電傳感器在最低點時，通過調整軌道底座使光電傳感器投光器和受光器光軸重合在同一直線上，另外，帶動紅外傳感器運行的同步帶應繃緊，避免傳感器在運行過程中左右搖擺。

圖2 程序流程圖

4 實驗結果

霰彈袋沖擊試驗機沖擊高度自動控制裝置在半年的試用期內，依據我國標準GB 15763.2-2005、GB 15763.3-2009和歐洲標準BS EN12600:2002對相關實驗的要求，共進行了安全玻璃沖擊試驗71批次，每批次沖擊玻璃4至12片，所使用的沖擊體包括霰彈袋沖擊體和雙輪胎沖擊體，沖擊對象包括 4mm至19mm鋼化玻璃和 4mm+0.38+4mm至8mm+1.52+8mm夾層玻璃，沖擊高度包括190mm、300mm、450mm、750mm和1200mm。

試用結果表明，沖擊試驗機配備該沖擊高度控制裝置后，可實現(xiàn)沖擊高度自動控制。試用期內，該套裝置運行狀況良好，系統(tǒng)穩(wěn)定，操作方便，定位準確，重復性好，適用性強，適用于依據GB 15763.2-2005、GB 15763.3-2009和BS EN 12600:2002等國內、國外標準進行安全玻璃沖擊試驗。

5 結論

本項目研制的與安全玻璃沖擊試驗機配套使用的沖擊高度自動控制裝置，可在0mm～1200mm范圍內任意控制霰彈袋沖擊體或雙輪胎沖擊體的沖擊高度。具有定位準確、控制精度高、重復性好、適用性強的特點。整套裝置運行狀況良好，控制系統(tǒng)穩(wěn)定，操作方便，達到了項目預期目標。項目以實際需求為導向，結合現(xiàn)代光電傳感器技術和步進電機技術，在提高安全玻璃沖擊試驗機沖擊高度自控裝置控制精度的基礎上，保證了裝置運行的可靠性和穩(wěn)定性。同時，該裝置采用新型單片機控制和利用沖擊體自身阻斷紅外線實現(xiàn)沖擊高度定位的設計思路，為其他同類高度控制設備的設計提供了參考。

[1]全國建筑用玻璃標準化技術委員會.GB 15763.2-2005 建筑用安全玻璃 第2部分：鋼化玻璃[S].北京:中國標準出版社,2005.

[2]全國建筑用玻璃標準化技術委員會.GB 15763.3-2009 建筑用安全玻璃 第3部分：夾層玻璃[S].北京:中國標準出版社,2005.

[3]中國國家認證認可監(jiān)督管理委員會. CNCA-04C-028：2009安全玻璃類強制性認證實施規(guī)則 安全玻璃產品[S].北京:中國標準出版社,2009.

[4]董春利. 傳感器與自動檢測技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.2.

[5]沈紅衛(wèi).基于單片機的智能系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.1.

[6]潘永雄.新編單片機原理與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2003.2.

[7]劉軍等.單片機原理與接口技術[M].上海:華東理工大學出版社,2006.2.