基于单片机的机械加工安全保护装置研究

陈恺亮

(江苏省句容市华联特种设备制造有限公司，江苏 句容 212400)

目前，在大部分企业中，数控技术已得到了普遍的应用，在生产的过程中，由于自动化程度的提高，工人的劳动强度逐渐降低，简单重复劳动所占有的时间变长，在生产的过程中更容易发生注意力转移的现象。在这种情况下，工伤事故发生的可能性变大。而目前的生产安全保护装置主要为铭牌警示，位置警报和紧急停车等，这些装置对于防止工人因长时间工作而产生的注意力转移所而造成的事故作用不大。本研究利用红外边沿检测技术，研制出一种基于单片机的机械加工保护装置。

1 功能与控制原理

本研究采用红外线发总接收分体阵列，红外接近传感器作为对禁止区域，危险区域的检测元件，通过对模块所产生信号的调制与分析，将信号与设定的值进行比较作出当前操作是否含有潜在的危险。如果有危险则根据规则停止相关设备或发出警报，否则允许设备继续按照当前的模式继续运行。

系统的核心处理装置为Atmega128 单片机，该芯片有丰富的片内资源:它带有8 路10位的AD 转换器，128K 的FLASH 程序存储空间，4K 的RAM 数据存储空间，4K 的EEPROM 掉电保持数据存储空间，可通过SPI 实现系统内编程，高级语言编程采用功能强大且高效率的GCC 编译器和GDB 调试器，从而使得处理器指令和数据并行，大大提高了处理效率。

整个系统的检测区域可以分为禁止区域和危险区域，禁止区域为在加工过程中必然发生危险的地方，而危险区域为在加工过程中可能发生危险的地方。一般情况下在机械加工的过程中，禁止区域比较小，而危险区域相对较大，所以在禁止区域中使用分体式红外检测装置，形成网状检测区域，在危险区域使用红外入侵探测传感器。生产过程中生产现场的适时信号由红外传感器提供。

系统的启停装置由运动监控装置或启动开关组成，当生产设备主要运动装置启动后，有运动检测装置检测出系统的启动，整个系统即对各区域的安全状况进行监测，当系统检测到所有运动装置均处于停止状态时，系统停机。

系统的执行机构为声光报警器，系统急停装置，当禁止区域中发现入侵时，启动系统急停按钮，当危险区域中发生入侵时采用声光报警系统。

2 硬件电路设计

系统的硬件主要包括数据采集单元，数据处理单元，系统执行单元及系统保护单元等。

2.1 数据采集单元

数据采集单元在禁止区域中采用的是分体式红外发送和接收装置，如图 1，用 A，B 两板的交错来控制红外装置的敏感度，A，B 两板的交错性越大，红外装置发送和接受器的角度越小，灵敏度越低。放大电路采用AD623 和CA3140 进行两级放大，提高信号质量，根据不同情况，系统的检测间隔可在0.01秒-2秒内调节。

危险区域检测单元采用红外接近传感器检测模块，核心处理器为BISS0001,该模块最大检测角140度，感应距离7-8米，反应时间为0.7秒。

2.2 数据处理

系统的核心处理装置为Atmega128单片机，它带有8路10位的AD转换器，6路用于对红外整列的型号强度进行监测，2 路用于机床主要运动该设备的主运动进行检测。双路信号比较器用于检测两路机床开关，4K的EEPROM 掉电保持数据存储空间主要用于存储系统设置，保存每一次重要报警数据，另外Atmega128具有强大的数据通信能力，在本研究中，通过485接口很容易实现生产现场安全的整体监测。

2.3 执行机构

执行机构包括系统启停开关，系统对事件的处理机构。系统启停开关由两部分组成，分别是机器开关和关键运动机构运动检测器，机器开关直接由机器的启动开关引出经电压调制后进入单片机。运动检测模块由JMDM-120DIOADD 运动编码器和相关外部元件组成，JMDM-120DIOADD 是深圳市精敏数字机器有限公司自主研发的一款工业级高性能小型可编程两轴运动控制器，经外部调制后可测范围为20-6000rpm。系统对事件的处理机构通过继电器直接连入系统急停开关或声光报警器。

3 软件设计

系统软件主要包括初始化程序，采样程序，事件处理程序，滤波程序，通信程序等。程序在机床接通电源时即开始工作。系统的工作流程图3。

4 结束语

本文提出了一种利用单片机为核心，利用红外整列进行探测的工业生产防护装置，实现了利用声光，急停等方法降低工业生产中工人的意外伤害的几率。该装置安装方便，适合在不同的机床，桁架，吊桥等生产现场使用，且装置的各项配置价格较低，适合推广。

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