墻板生產線中模具車測距及防碰撞系統開發

馮 升， 萬 熠， 李炳燃， 朱振杰， 張 東

(1.山東大學 高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東 濟南 250061；2.齊魯醫院，山東 濟南 250012)

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·儀器設備研制與開發·

墻板生產線中模具車測距及防碰撞系統開發

馮 升1， 萬 熠1， 李炳燃1， 朱振杰1， 張 東2

(1.山東大學 高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，山東 濟南 250061；2.齊魯醫院，山東 濟南 250012)

針對墻板自動化生產線中模具車在行走以及養護排隊過程中的碰撞問題，在單片機及PLC硬件平臺上開發了模具車智能測距及防碰撞系統。該系統采用超聲波測距模塊進行距離信息的采集，并實時地傳送給單片機，經單片機處理后，將距離顯示在LCD上，并利用LED燈對不同的距離范圍進行不同的信號預警，同時通過PLC及變頻器控制電機，實現模具車制動以及在養護系統中較為精確距離定位，防止發生碰撞。實驗驗證表明：該系統有效地解決了模具車的碰撞問題，可確保墻板生產的安全性和可靠性，且成本低。

模具車； 單片機； 超聲波測距； LCD顯示； 防碰撞

0 引 言

近年來，隨著建筑工業化進程的推進，墻板的需求量越來越大，為了提高墻板生產的效率，墻板的自動化生產線便應運而生[1]。生產線主要有裝模、攪拌注漿、養護、拆模等生產環節組成，而模具車就穿梭于各個生產環節之間，將各個生產環節緊密地連接在一起，是墻板從注漿到凝固成型，再到拆模成品整個生產過程中重要的運輸工具，通過自動化控制來實現整條生產線有條不紊的流水作業。

由于生產線中軌道布置較為復雜，模具車在軌道中也常有快速、慢速、啟停等移動狀態，加之生產流水線上模具車較多，因此模具車極易發生碰撞問題。并且在養護系統中，模具車需要移動排隊，并要求保持不小于50 cm的安全距離。因此為了防止模具車發生碰撞并實現較為準確的距離定位，就需要對模具車進行測距及防碰撞制動，這也是實現墻板自動化生產和保證生產安全性和可靠性的前提，生產線的平面布置圖如圖1所示。

圖1 墻板生產線的平面布置示意圖

目前，工業中常用的測距技術主要有激光測距、紅外測距和超聲波測距等技術，其中超聲波測距是一種利用超聲波的可定向發射、方向性好、在介質中傳播距離較遠等特性，結合電子計數等微電子技術來實現的非接觸式檢測方式。超聲波測距在使用中不受光線、電磁波、被測物體的顏色等因素影響[2-4]，加之成本較低，易于做到實時控制，因此在工業生產中應用較多。

因此在墻板自動化生產線中，采用超聲波測距技術，基于單片機的控制開發了模具車智能測距及防碰撞系統。該系統利用超聲波測距模塊進行距離檢測，并實時地在LCD上顯示，同時根據距離的范圍分別控制紅黃綠三盞LED燈進行信號預警。實際生產線中，模具車的動力驅動是三相交流異步電機，到達需制動距離時，單片機會自動給出制動信號，由PLC及變頻器來控制電機的制動及停止，防止模具車發生碰撞，在養護系統中還可以實現較為精確的距離定位，本系統可推廣到眾多生產線的移動小車控制中。

1 超聲波測距原理

超聲波測距原理如圖2所示，簡單描述為超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，碰到障礙物就立刻返回來，超聲波接收器收到反射波并轉化為電信號就立即停止計時。

這樣，只要測出發送和接收時間差t，即可求出距離：

s=Ct/2

(1)

式中，C為超聲波在空氣中的傳播速度，其與環境溫度T的關系式如下：

(2)

由此可知，聲速與溫度有著密切的關系，因此檢測的距離在一定程度上也會受到溫度的影響。如對測距有特殊的精度要求，則必須進行溫度補償[3-5]。

圖2 超聲波測距原理

2 系統設計

本文設計的模具車智能測距及防碰撞系統主要由單片機處理器、超聲波測距模塊、LCD顯示模塊、LED警示模塊、電機控制模塊組成，系統的總體工作結構如圖3所示。由于模具車可能正向行走，也可能反向行走，因此每輛模具車在車頭和車尾各部署一個超聲波測距模塊，系統整體設計如下。

圖3 模具車智能測距及防碰撞系統模擬圖

超聲波測距模塊將被測物體與模具車的距離信息通過串口通信輸入Arduino單片機，單片機處理后在LCD顯示屏上顯示出距離數值，并由紅黃綠三盞燈來提示距離的范圍，當距離大于100 cm時，綠燈亮，表示安全距離，模具車可以正常行駛；當距離≥100 cm時，黃燈亮，表示模具車需減速準備制動；當距離到達50 cm時，紅燈亮，表示模具車需立即制動停止。實際生產線中模具車要求留出至少50 cm的安全距離，考慮到模具車較重，在行駛過程中慣性較大，故提前100 cm就需要及時減速，以備在距離到達50 cm時，模具車已經達到隨時停止的安全速度，以備及時制動停止。模具車的減速制動是利用PLC和變頻器控制電機來實現的[6]，當測距達到100 cm時，單片機會自動給PLC一個開關量輸入，此時PLC便會通過變頻器控制電機減速，并在50 cm內實現兩個速段的減速，達到停止速度；當測距達到50 cm時，此時單片機會再給PLC一個開關量輸入，PLC直接控制電機停轉，模具車停止。

3 硬件設計

3.1 超聲波測距模塊

本系統所采用的是US-100超聲波測距模塊，它可以實現2～450 cm的非接觸測試功能，擁有2.4～5.5 V的寬電壓輸入范圍，靜態功率消耗低于2 mA，自帶溫度補償對測距結果進行校正，測距精度可達0.3 cm，同時具有GPIO、串口等多種通信方式，內帶看門狗，工作穩定可靠。此模塊有UART(串口)模式和電平觸發模式，本系統利用的是電平觸發模式，5Pin接口的接線圖如圖4所示[7]。

圖4 5Pin接口接線圖

模塊工作原理如下：

(1)采用單片機IO口觸發模塊Trig管腳，給至少10 μs的高電平信號。

(2)觸發Trig管腳后，模塊會自動發送8個40 kHz的方波，然后自動檢測是否有信號返回。

(3)當有信號返回時，模塊進行溫度的測量，然后根據當前溫度對測距結果進行校正，將校正后的結果通過Echo管腳輸出，同時模塊Echo管腳輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。

(4)單片機根據式(1)計算距離s，由于已進行溫度補償，故C=340 m/s[8]。

該模塊在模具車的車頭和車尾各布置1個，對模具車的前后距離都進行實時檢測。

3.2 Arduino單片機

本系統設計在單片機的選擇上考慮了需求、功耗、成本、尺寸、穩定性和開發難易程度等因素，采用的單片機是Arduino nano 3.0(ATmega328)。它有14個數字IO口，其中6個(3、5、6、9、10、11)可提供8位PWM輸出；有8個模擬IO口，工作電壓是5 VDC[9]。

單片機在系統中的作用主要有：①控制超聲波發射電路發射超聲波，控制接收電路檢測超聲波，并接收回波信號；②接收電路接收到信號，利用內部定時器來計算超聲波從發射到返回的時間；③在顯示模塊上顯示所測得距離值；④控制LED燈根據距離范圍進行顯示；⑤給PLC開關量信號，控制電機減速、停止。

3.3 模具車電機控制模塊

實際生產線中模具車的控制是通過PLC和變頻器控制三相交流異步電機實現的，所選用的PLC為西門子S7-200,CPU為CPU226(DC/AC/Relay)，變頻器為西門子MM440，其核心部件是CPU單元，根據設定的參數，經過運算輸出控制正弦波信號，再經過SPWM調制，放大輸出正弦交流電驅動三相異步電動機運[10-11]?？刂平泳€圖如圖5所示，在系統實現的功能是：當超聲波測距到100 cm時，PLC接到單片機的開關量信號，然后控制變頻器使電機減速，在50 cm內通過延時一定的時間自動實現兩級降速，當測距到達50 cm時，PLC控制電機停止轉動，具體控制通過程序來完成。

圖5 S7-200與MM440接線圖

3.4 LED與LCD顯示模塊

本文選用的LCD為LCD12864，該顯示模塊內置8 192個16×16點漢字，和128個16×8點ASCII字符集，顯示分辨率為128×64?？梢燥@示8×4行16×16點陣漢字，也可以完成圖形顯示，該模塊低電壓低功耗，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也比相同點陣的圖形液晶模塊要低。

LCD顯示模塊主要是用于實時顯示模具車的前后距離值，給人直觀的距離顯示，LED主要是紅黃藍三色燈，主要是根據距離的大小范圍，分別顯示綠黃紅，給人及時的距離信息的提示，并表示模具車的三種運行狀態[12-14]。

4 軟件設計

系統控制的電路原理圖如圖6所示。

系統的單片機控制是采用C語言進行編程，主要有主程序及各模塊子程序組成，PLC控制電機的程序是基于STEP7開發環境的梯形圖程序，系統的整體流程圖如圖7所示。

圖6 系統電路原理圖

圖7 系統基本流程圖

墻板自動化生產的過程中，生產線上的模具車的數量高達60輛，在軌道上行走的狀態也變化多樣，模具車在軌道行走的過程中，通過前后的超聲波測距模塊采集數據信息送至單片機，單片機通過計算得出距離值，并實時顯示在LCD上，通過距離的顯示可以讓工人獲得前后車距。同時單片機對得出的距離值進行判斷，如果距離大于100 cm，控制LED綠燈亮，表示屬于安全距離；如果距離到達100 cm，控制LED黃燈亮，表示模具車需減速慢行，同時單片機給PLC一個開關量輸入，通過變頻器控制電機完成兩個速段的減速；當距離到達50 cm，控制LED紅燈亮，表示危險距離，模具車需立即停止，此時單片機給PLC一個開關量輸入，控制電機立即停止[15]，這樣就避免了模具車發生碰撞。

在墻板養護系統中，為了保證養護軌道上可以放置一定數量的模具車，因此要求模具車排隊的間距保持在50 cm左右。當模具車到達養護系統時，通過上述控制流程，通過模具車的提前減速和及時制動，可以實現模具車在養護排隊的過程中較為準確的距離定位，保證養護環節的正常運行。

5 結 語

為避免墻板的自動化生產線中模具車的碰撞問題，設計了一套自動化控制的模具車智能測距及防碰撞系統，該系統基于單片機控制，通過超聲波測距模塊對距離進行檢測，并將距離值實時顯示在LCD上，通過3個LED燈的亮滅來提示距離的范圍，讓工人及時獲得模具車的前后距離。同時通過模具車自身的PLC及變頻器，對電機的減速和制動進行控制，解決了模具車的碰撞問題，并在墻板的養護系統中，實現了模具車較為準確的距離定位，保證了模具車的有序排隊。經測試，該系統性能良好，性價比高，在墻板的實際生產線中應用穩定，同時，此系統也可推廣到其他應用移動小車的生產線中。

[1] 張 甜，陳德海.一種車輛防碰撞預警及自動剎車系統[J].江西理工大學學報，2006,27(6)：57-60.

[2] 卜英勇，王紀蟬，趙海鳴.基于單片機的高精度超聲波測距系統[J].儀器儀表與傳感器，2007(3):66-69.

[3] Zhang Xin-bao, Lu Hong, Li Zhu.Distance-measuring technology using LD for auto anti-collision[J].Wuhan University Journal of Natural Sciences, 2004,9(1):.83-88.

[4] Zhi Chuan-guan, Yong Wang-liu, Yu Cai-shi.Problems and developing direction of anti-collision technology in the dense well pattern area[J].Procedia Engineering, 2010, 7: 304-311.

[5] 彭翠云，趙廣耀，戎海龍.汽車倒車系統中超聲波測距模塊的設計[J].壓電與聲光，2008,30(2):251-254.

[6] 楊 旭，劉小方，張澤奇.基于單片機的超聲波測距系統設計[J].機床與液壓，2011,39(8):106-109.

[7] 黃永紅，吉裕輝，楊 東.PLC控制電機變頻調速試驗系統的設計與實現[J].電機與控制應用，2007,34(10)：40-43.

[8] 陳黎敏.傳感器技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，2010:128-134.

[9] 蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].電子設計工程，2012,20(16):155-158.

[10] 高洪斌，孔美靜，赫孟和.西門子PLC與工業控制網絡應用[M].北京：電子工業出版社，2006.

[11] 向曉漢，陸 彬.西門子PLC S7-200/300/400/1200應用案例精講[M].北京：化學工業出版社，2011.

[12] 苑 潔，常太華.基于STM32單片機的高精度超聲波測距系統的設計[J].電子設計工程，2011,19(15):76-79.

[13] 阮觀強. 智能防碰撞報警制動系統的研究與開發[J].煤炭技術，2012,31(4):221-224.

[14] 胡 瑜.汽車防碰撞系統的應用與研究[J].機械工程與自動化，2010(4):214-217.

[15] 詹軍權，伍海翔，莫榮滔.基于51單片機的汽車防碰撞系統的設計[J].電子世界，2013(15)：31-33.

Development of Intelligent Measuring and Anti-collision System for Mold Automated Guided Vehicle in Wallboard Production Line

FENGSheng1,WANYi1,LIBing-ran1,ZHUZhen-jie1,ZHANGDong2

(1. Key Laboratory of High Efficiency and Clean Manufacturing, Shandong University,Jinan 250061, China; 2. Qilu Hospital, Shandong University, Jinan 250012, China)

An intelligent measuring and anti-collision system is developed based on MCU and PLC, to overcome collision problems during AGV (Automated Guided Vehicle) moving and lining up in production line of wallboard. Ultrasonic module is used to measure the distance between mould AGVs and signals are processed by MCU. Then real-time distance values are shown in LCD. Alarm signals are also displayed in LED according to different distances. Braking and precision positioning are controlled by PLC and frequency transformer. Experimental validation shows that this system is reliable and costs lower, it can solve the collision problems in wallboard production effectively.

mold AGV; MCU; ultrasonic distance measuring; LCD display; anti-collision

2014-07-07

國家自然基金資助項目(51175306)；教育部新世紀優秀人才資助項目(NCET-11-0310)；山東大學基本科研業務費專項資金資助(2014JC020)

馮 升(1990-)，男，山東臨沂人，碩士生，主要從事機械制造自動化方面的研究。

Tel.：15098839835；E-mail：fengshengwin@163.com

萬 熠(1977-)，男，山東濟南人，副教授，碩士生導師，

Tel.：0531-88392539；E-mail：wanyi@sdu.edu.cn

TP 271+.4

A

1006-7167(2015)05-0045-04