基于红外检测的产品自动分装系统设计

摘要：设计了基于红外检测的产品自动分装系统。采用红外传感器与基于NE567的单音解码电路组成红外检测电路以提高系统检测灵敏度，增强检测系统的抗干扰能力。利用NE567中CCO的输出信号控制红外发射电路的发射频率，实现了红外收发频率的自动同步跟踪，同时简化了红外检测电路，使电路更易调试。通过编程实现二进制与BCD码之间的码制转换，利用可编程软元件完成产品分装计数功能，同时为显示电路提供时钟脉冲，使系统显示电路大大简化。该系统灵敏度高，抗干扰能力强，能精确完成产品分装，能显示瓶装片数(0～999)，及实时显示工作进程(0～9999)。
关键词：红外检测；NE567；自动分装；PLC；梯形图

    随着我国经济建设的飞速发展，生产自动化水平越来越高，光传感器因具有体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点在生产控制自动化领域得到广泛的应用。光传感器又称光断续器，分反射式和对射式两种。反射式光传感器主要应用于自动控制、物体识别及光接近开关等方面：对射式光传感器主要应用于光电控制和光电计量等电路中，由于红外光具有很强的抗干扰性能，因此光传感器主要以红外光为主。

1 产品自动分装系统功能
    系统为药片自动分装系统，其工作过程为系统启动后传输带运行，5s后空药瓶到达药片分装位置，传输带停止，漏斗控制开关打开，开始分装药片。同时，红外检测电路开始工作，检测有无药片落入药瓶内，当瓶内装够系统设置的药片数量后，立刻关闭漏斗开关，并启动传输带运行，5s后传输带再次停止，如此反复循环。
    系统要求可通过手动操作设置每瓶可装药片的片数，系统在工作过程中按下停止按钮时，应在当前药瓶装满后才可停止工作，采用数字显示器显示日产量和瓶装药片数。
    通过对系统工作过程及系统功能要求的分析，系统所需的控制操作按钮和完成功能必须控制的对象如表1所示。

2 系统组成
    PLC是专为工业控制设计的可编程控制器，具有可靠性高，抗干扰能力强，适应性强，应用灵活，编程方便，具有与各种外设连接的应用接口，功能完善等优点，因此本系统以三菱公司生产的FX系列PLC为核心器件进行控制设计，药片检测采用红外传感器检测，系统组成如图1所示。

    以PLC为核心进行系统控制时，其I／O分配如表2所示。

3 系统电路设计
    自动分装系统电路由控制按钮电路、红外检测电路、PLC、传输带电机驱动电路、漏斗开关控制电路及显示电路6部分组成，其中控制按钮电路、传输带电机驱动电路、漏斗开关驱动电路都比较简单，本文主要设计红外检测电路和系统显示电路。
3．1 红外检测电路
    红外检测电路的主要功能是检测有无药片落入瓶中。每当一片药片落入瓶中，红外检测电路会产生1个脉冲，提供给PLC，驱动PLC的可编程计数器CO开始计数，当瓶中装入的药片数等于设置值时，CO输出的进位脉冲从Y2输出，为日产量计数显示电路提供时钟信号。
    药片检测电路可采用发光二极管和光敏二极管面对面安装在漏斗正下方检测有无药片落下，检测电路简单，但由于光敏二极管易受环境光源影响，环境光强度的变化会使传感器产生误判，影响系统的分装精度。采用超强发光二极管可以提高检测系统的抗干扰能力，但功耗太大，因此系统不采用此方案。
    红外光传感器体积小、重量轻，易于安装，且灵敏度高，外围电路简单，性能稳定，因此本系统采用红外传感器作为检测传感器。
    红外检测电路由红外发射电路，红外接收电路和基于NE567的单音解码电路组成，电路如图2所示。

    基于NE567的单音解码电路由NE567与R1，C1，C2，G3，RL共同组成，NE567是一集成锁相环，由主鉴相器、直流放大器、电流控制振荡器(CCO)、正交鉴相器和功率输出级组成，R1，C1为电流控制振荡器的定时电阻和电容，决定了CCO的振荡频率，G2为环路滤波器的外接滤波电容，其参数大小会影响解码电路的通频带，C2取值一般为C1的2倍，C3为NE567的外接输出滤波电容，其参数会影响解码电路输出波形的质量，G3太小，引脚8的输出可能会在开关期间发生脉冲，因此C3取值一般应大于等于2倍的C2。单音信号从NE567的3引脚输入，环路锁定时(CCO的振荡频率等于输入的单音频率)，正交鉴相器输出端(引脚1)的平均电压随着引脚3输入信号的幅度增大而减小。当引脚1上的平均电压低于3．8 V时，功率输出级导通，引脚8即检测电路的输出端输出低电平：引脚1上的平均电压高于3．8 V时，功率输出级截止，引脚8输出高电平，即引脚3输入的音频信号强，检测电路输出低电平，引脚3输入音频信号弱，检测电路输出高电平。
    红外发射电路由发光二极管，RP，R2，C4以及开关三极管9014组成，由5V直流电源供电，调节RP可调节红外传感器的灵敏度，利用NE567引脚5输出的方波信号控制9014的开关，从而控制红外光二极管，使红外发射电路的发射频率等于引脚5输出方波电压的频率。利用NE567引脚5的信号作为发射信号，省去了信号发生器电路，使检测电路简化，且由于NE567的跟踪功能，防止了因周围环境变化和元件参数变化造成的收发频率不同，完成了红外发射与接收的同步自动跟踪，提高了电路的稳定性，增强了电路的抗干扰能力。调节RP可保证无药片落下时，检测电路输出低电平，有药片落下时检测电路输出高电平，即保证红外检测电路能灵敏如检测到药片。
    红外接收电路由红外接收二极管及R3组成，由5 V直流电源供电，红外接收二极管两端的输出电压作为单音解码电路的输入信号从NE567的引脚3输入。
    红外检测电路的工作原理为：单音解码电路的引脚5输出信号的频率等于引脚3输入信号的频率(锁定)，因此红外接收电路的频率等于红外发射电路的频率。当无药片通过红外传感器时，红外接收电路接收到的信号强，即引脚3的输入信号强，引脚1的平均电压小于3．8 V，检测电路的输出端即引脚8输出低电平；当有药片通过红外传感器时，红外接收电路接收到的信号弱，即引脚3的输入信号弱，此时引脚1的平均电压大于3．8 V，检测电路的输出端即引脚8输出高电平，即检测电路每输出一个高电平信号，就代表检测到一片药片。检测电路的输出信号由X6送入PLC进行计数控制。
3．2 系统显示电路
    系统显示电路包含了日产量显示和瓶装片数显示电路。日产量显示电路是由加法计数器CD4518和显示译码器CD4511组成四位计数显示电路，显示范围为0～9 999，电路结构简单，如显示位数不够，可很方便地进行扩展。其时钟信号由PLC的输出点Y2提供，每装满一瓶药品，Y2会输出一个脉冲，日产量显示电路显示的数字会自动加1，实现工作进程的实时显示功能。日产量显示电路如图3所示。

    瓶装片数显示电路显示规定的瓶装药片数，工作人员可根据任务要求设置此值，系统显示设置值，生产线按设置值自动分装，每瓶分装的药片数等于设置值。
    电路由反相器CD4069和显示译码器CD4511组成三位译码显示电路，显示范围为0～999，工作人员设置的瓶装药片数经PLC装换成对应的BCD码，分别从Y17～Y14(最高位)，Y13～Y10(中间位)，Y7～Y4(最低位)输出控制显示电路工作，由于PLC的I／O模块的特点，输出信号经CD4569按位取反，方可得到CD4511所需的BCD码，完成显示功能。瓶装片数显示电路如图4所示。

4 系统控制程序设计
    系统控制程序应具有如下控制功能：
    1)处理红外检测电路传输到PLC的的信号，利用此信号进行药片计数，并产生日生产量显示电路所需的时钟信号，从PLC的Y2端提供给日产量显示电路；
    2)将工作人员设置的每瓶可装药片数量转化成BCD码，从Y4～Y17共12个输出点输出，提供给瓶装片数显示电路；
    3)按要求时刻从Y0端输出传输带电机驱动信号，控制电机运转；
    4)按要求时刻从Y1端输出漏斗开关驱动信号，控制漏斗的开关。
    依照自动分装系统的工作过程及功能要求，设计出基于上述硬件电路的系统顺序控制功能图，顺序控制功能图如图5所示。顺序控制图在设置瓶装药片数时采用多选一的方式，运用不同支路可设计不同的药片数量。依照系统顺序功能图，可方便地编写出自动控制程序。

5 结论
    基于红外检测的产品自动封装系统以FX系列PLC为核心进行系统功能控制，采用基于NE567的单音解码电路与红外发射接收电路共同完成药片检测，因利用NE567引脚5的输出信号作为发射信号，既省去了信号发生器电路，又使检测电路简单，便于调试，且实现了红外收发信号同步，使检测系统既有较高的检测灵敏度，又有较强的抗干扰能力。控制程序中采用了可编程计数器CO，可编程定时器TO，既完成了自动装瓶的过程，又为日产量统计电路提供了时钟信号，程序中采用了BCD编码等功能指令，实现了码制转换，简化了系统显示电路，系统可方便地设置并显示每瓶装药片的数量，显示范围为0～999，系统能实时显示已完成的任务量，显示范围为0～9999。