一种无线胶装机控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种无线胶装机控制系统，包括ARM主控单元，所述ARM主控单元分别与FPGA驱动单元、红外传感器、光电开关、继电器、加热块、热电偶和触摸屏相连，所述FPGA驱动单元通过恒流细分驱动单元分别与夹紧电机、进料电机和胶装电机相连；其中，所述ARM主控单元包括主控芯片，以及与主控芯片相连的电源电路、时钟电路、复位电路、并口显示接口、并口通信接口、JTAG调试接口、串口调试接口、温控电路、传感器检测电路、背脊条检测电路和继电器控制电路。具有稳定性好、噪声低、胶装质量好、效率高、功能多样等特点。
【专利说明】一种无线胶装机控制系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种无线胶装机控制系统，属于打印机械【技术领域】。
【背景技术】
[0002]无线胶装机是一种集机、电、光一体的完成书刊装订的高精度、高技术设备，可用于装订书本、相册、便签簿、精装本等书籍，特别适合图文制作中心、图书馆、影楼、中小印刷企业、设计院、研究院、出版中心，政府机关、大型企业等机构的文件装订用途，配合高品质的输出工具及优质的印刷纸张，是短版快装书本、标书装订的最佳选择，胶装效果更能体现文件的专业水平。传统的胶装机主要由夹紧装置、进料装置、胶装装置、加热块、传感装置、外壳和控制系统组成，主要存在如下几个缺陷:
[0003]1、驱动夹紧装置、进料装置、胶装装置的各个电机驱动电路稳定差、噪声大、且效率低；
[0004]2、缺少人机交互界面，用户不能根据要求输出/输入各个指令。
[0005]有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种无线胶装机控制系统，本案由此产生。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的是提供一种无线胶装机控制系统，具有稳定性好、噪声低、胶装质量好、效率高、功能多样等特点。
[0007]为了实现上述目的，本实用新型的解决方案是:
[0008]一种无线胶装机控制系统，包括ARM主控单元，所述ARM主控单元分别与FPGA驱动单元、红外传感器、光电开关、继电器、加热块、热电偶和触摸屏相连，所述FPGA驱动单元通过恒流细分驱动单元分别与夹紧电机、进料电机和胶装电机相连；其中，所述ARM主控单元包括主控芯片，以及与主控芯片相连的电源电路、时钟电路、复位电路、并口显示接口、并口通信接口、JTAG调试接口、串口调试接口、温控电路、传感器检测电路、背脊条检测电路和继电器控制电路。
[0009]作为优选，所述主控芯片采用ST (意法半导体)公司生产的STM32系列芯片，具体可以选择32位基于Cortex-M3内核的STM32F103ZET6，具有高性能、低成本、低功耗等特点，而且丰富的外设接口很好的支持了无线胶装机控制系统的开发。
[0010]所述FPGA驱动单元采用Altera公司生产的Cyclone系列芯片，具体可以选择型号为EP1C6T144C8N的芯片。Cyclone系列芯片的特点是低功耗、低成本并且接口功能丰富，加上外围电路的配合，能很好的完成步进电机的控制。
[0011]所述恒流细分驱动单元包括电平转换电路、第一光电隔离电路、DAC电路、电压比较电路、滤波放大电路、第二光电隔离电路，以及分别用于驱动夹紧电机、进料电机和胶装电机的3个驱动芯片，电平转换电路先将FPGA驱动单元的I/O 口的3.3V的信号转换为5V的信号，并通过第一光电隔离电路将前端与负载完全隔离，预先保存在FPGA驱动单元内的正余弦数值，通过DAC电路转换成模拟电压，步进电机两相绕组的反馈电流经过检测电阻变成反馈电压，然后经滤波放大电路，放大后的反馈电压再通过电压比较电路与所转换的模拟电压相比较，比较结果通过第二光电隔离电路反馈给FPGA驱动单元，从而实现步进电机的恒流细分。
[0012]无线胶装机控制系统工作原理:加热块完成加热之后，先由夹紧装置固定要装订的书刊，通过光电开关、红外传感器和ARM主控单元计算出厚度，然后选择与之对应的背脊条，再从进料装置处插入背脊条，按下装订按钮后，控制系统按照工艺流程完成对书刊的装订，单册书刊的装订时间为20秒。上述无线胶装机控制系统主要具有如下几个优点:
[0013](I)由于装订流程的要求，电机需要频繁的启停，这就使得装订时间大大增加，装订时间的增加必然要影响装订效率，本是实用新型通过ARM主控单元、FPGA驱动单元以及恒流细分驱动单元实现综合控制和恒流细分驱动，各个电机的柔性加减速不仅能够保证系统的稳定性，还能缩短装订时间，达到快、准、稳的控制要求，保证无线胶装机的装订效率；
[0014](2)通过并口触摸屏实现人机交互，触摸屏主要负责用户对各种装订参数的设置，同步显示机器的工作状态，让用户随时了解无线胶装机的工作情况，出现状况反馈给用户，图形界面操作形式降低了用户的操作难度，方便用户对胶装机进行操作，相对串口触摸屏，并口触摸屏便于开发出优美的交互界面，同时还能保证系统的稳定性；
[0015](3)温度控制是无线胶装机装订工艺的要求，开机之后就要对加热块进行加热，温度达到要求后才能进行装订操作。加热时间要尽可能的短，在装订过程中，要尽可能提供一个恒温的环境，这样背脊条上面的热熔胶才能发挥最大的黏性，保证装订流程的工艺，装订出美观的书刊。选用热电偶进行温度的检测，将温度值转换为电信号，再将电信号交由ARM主控单元处理，ARM主控单元处理电信号得到温度及其变化速率，然后由温度电路对检测到的温度进行温度控制算法处理，最后通过加热控制电路控制加热块进行加热，实现恒温环境。
[0016](4)背脊条是无线胶装机的辅材，是用来作为装订书刊的书脊，背脊条上涂有条纹状的明暗相间的热熔胶，是装订书刊的重要介质，热熔胶在熔化后呈现粘合性，在特定的温度下粘合性最强，背脊条检测是帮助用户正确的插入背脊条，确保装订过程中背脊条处于正确的位置，保证书脊的牢固性与书刊的美观性。背脊条的检测是通过识别背脊条上明暗相间的条纹状的热熔胶来实现的，利用光对厚度不同、表面粗糙度不同的介质反射率不同，采用发射二极管照射背脊条，再对反射的光线进行检测，明暗相间的条纹状的热熔胶对照射的光线呈现不同的反射率，最后用光敏电阻接收反射的光线，产生相关检测信号，识别并分析信号，达到识别背脊条的目的。
[0017]以下结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本实施例的无线胶装机控制系统模块框图；
[0019]图2为本实施例的ARM主控单元框图；
[0020]图3为本实施例ARM主控单元电源电路原理图；
[0021]图4为本实施例ARM主控单元时钟和复位电路原理图；
[0022]图5为本实施例ARM主控单元JTAG调试电路图；
[0023]图6为本实施例ARM主控单元温度检测电路图；
[0024]图7为本实施例ARM主控单元加热控制电路图；
[0025]图8为本实施例ARM主控单元过零检测电路图；
[0026]图9为本实施例ARM主控单元X7和X8的检测电路图；
[0027]图10为本实施例ARM主控单元发射电路图；
[0028]图11为本实施例ARM主控单元接收电路图；
[0029]图12为本实施例ARM主控单元继电器控制电路图；
[0030]图13为本实施例的恒流细分驱动单元框图。
【具体实施方式】
[0031]如图1所示，一种无线胶装机控制系统，包括ARM主控单元I，所述ARM主控单元I分别与FPGA驱动单元2、红外传感器3、光电开关4、继电器5、加热块6、热电偶7和触摸屏8相连，所述FPGA驱动单元2通过恒流细分驱动单元9分别与夹紧电机10a、进料电机1b和胶装电机1c相连。本实施例所述的无线胶装机控制系统的核心是ARM主控单元1，ARM主控单元I通过并口连接FPGA驱动单元2，FPGA驱动单元2驱动夹紧电机10a、进料电机1b和胶装电机10c。ARM主控单元I连接触摸屏8作为显示和操作界面，连接热电偶7和加热块6用来检测和控制温度，连接红外传感器3和光电开关4检测书刊的位置、背脊条的条纹以及辅助完成装订流程，连接继电器5完成装订流程中的逻辑控制。
[0032]如图2所示，在本实施例中，所述ARM主控单元I包括主控芯片11，以及与主控芯片11相连的电源电路12、时钟电路13、复位电路14、并口显示接口 15、并口通信接口 16、JTAG调试接口 17、串口调试接口 18、温控电路19、传感器检测电路20、背脊条检测电路21和继电器控制电路22。所述主控芯片11采用ST (意法半导体)公司生产的STM32系列芯片，具体选择32位基于Cortex-M3内核的STM32F103ZET6，具有高性能、低成本、低功耗等特点，而且丰富的外设接口很好的支持了无线胶装机控制系统的开发。
[0033]如图3所示，ARM主控单元I有两种电压:5V和3.3V，3.3V由供电5V经AMSl117芯片转化而来，其最高输出电流可达1A，输出电压的精度在±1%以内，TL431的作用可等效为稳压二极管，3.3V是电源电压，VDDA是ADC/DAC电压，VREF+是ADC/DAC参考电压。为了让系统在掉电之后能保持实时时钟(RTC)正常工作，使用了 3V锂电池来供电。模拟电路和数字电路之间存在相互干扰，通过在模拟电源和数字电源之间串联磁珠，来降低模拟电源和数字电源之间的噪声干扰。
[0034]如图4所示，时钟电路13为系统提供驱动时钟，由于外部晶振能产生非常精确的主时钟，所以用来驱动系统时钟采用的是HSE晶振时钟(高速外部时钟信号)，驱动实时时钟采用的是32.768kHz的LSE晶振(低速外部晶振)，它的优点在于能为实时时钟提供一个低速的，但高度精确的时钟源。为确保控制系统电路的运行稳定可靠，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的功能是:系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经过一定的延时才能撤销复位信号，以防止因为电源开关的抖动而影响复位，RC复位电路就可以实现上述功能。
[0035]主控芯片11 STM32F103ZET6芯片有多种启动模式，由B00T[1:0]弓丨脚决定了三种不同的启动模式。STM32芯片上的两个管脚Β00Τ0和B00T1，这两个管脚在芯片复位时的电平状态决定了芯片复位后以何种方式启动。BOOTl=X, BOOTO=O,从主闪存存储器启动，这是正常的工作模式；B00T1=0，B00T0=1，从系统存储器启动，这种模式启动的程序功能由厂家设置；B00T1=1，BOOTO=I,从内置SRAM启动，这种模式可以用于调试。下载调试接口选用的是20针JTAG, JTAG(Joint TestAct1n Group,联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试，JTAG技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路TAP (Test Access Port,测试访问口),通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试，如图5所示。
[0036]温控电路19对于无线胶装机来说十分重要，精确的控制是对装订质量的保障，温控电路19由温度检测电路、加热控制电路和过零检测电路组成。在本实施例中，热电偶7选用的是K型贴片热电偶，K型贴片热电偶的测量范围为+500°C?_50°C，测量精度0.1°C，完全满足无线胶装机控制系统对装订温度的测量要求，K型贴片热电偶体积小巧、安装方便、价格便宜，相对其它型号的热电偶来说，更适合无线胶装机。
[0037]温度检测电路采用专门的芯片来处理，如图6所示，选用的是Maxim(美信半导体)公司生产的MAX31855。MAX31855自带冷端补偿，将热电偶的电压信号转化为数字量温度，输出信号为SPI形式的带符号14位二进制，信号只读，测量范围为_270°C?+1800°C，精度为0.25°C，连接方式如图所示。热电偶产生的热电势非常微弱，无线胶装机的三个电机运行时会对热电势产生非常大的干扰，解决方法就是在热电偶两端并联电容，滤除高频干扰。
[0038]温度控制信号是通过M0C3043和BTA16来控制加热块的，M0C3043是双向可控硅光耦，BTA16是双向可控硅，由于加热块使用的是交流电，所以使用双向可控硅光耦和双向可控硅来控制加热块再合适不过，加热控制电路如图7所示。
[0039]加热块使用的是交流电，必须知道过零点才能控制双向可控硅的导通角，导通角的大小决定了可控硅的导通时间，从而控制加热块的导通时间，过零检测电路如图8所示，过零检测电路检测的是交流电的过零点。当处于正半波时，二极管D6、D7导通，光耦输入端发光二极管导通，输出端光敏二极管一端接地，另一端与地导通，经过74LVC14后，信号INTO为低；当处于负半波时，二极管D6、D7关断，光耦输入端关断，输出端一端接地，另一端被上拉电阻拉高，同样经过74LVC14，信号INTO为高，所以信号INTO的上升沿对应的就是交流电由正半波转入负半波的过零点，同理信号INTl的上升沿对应的是另一个过零点。
[0040]本实施例所述的无线胶装机控制系统使用了 8个传感器模块，从Xl到X8分别有不同的作用。其中包括3对红外对射传感器和4个光电开关，由于无线胶装机加热块温度较高，会对红外对射传感器产生干扰，所以驱动红外对射传感器采用的是特殊频率。
[0041](I)Xl的作用是胶装电机位置的检测，在无线胶装机初始化的时候，让胶装电机转到初始零点位置，装订流程中以初始零点为参考，检测胶装电机的位置；
[0042](2)X2和X3形成了红外对射，X2上是2个红外发射传感器，X3上是2个红外接收传感器，这2对传感器是用来检测背脊条的位置的，一个称之为宽对射，背脊条刚插入的时候检测背脊条宽度的，另一个是长对射，当宽对射检测到有背脊条插入时，进料电机开始转动，与此同时进行背脊条的条纹检测，长对射的作用就是当背脊条检测完成之后，确定背脊条的位置，以便进料电机开始加速；
[0043](3)X5的作用是背脊条位置的检测，配合X2和X3的宽对射，需要装订的书刊有不同的厚度，不同厚度就要选择不同类型的背脊条，不同类型的背脊条宽度不一样，如果系统提示使用宽背脊条，而用户拿了窄的背脊条，当插入背脊条时，X5和宽对射不能同时检测到背脊条，系统就会提示用户更换背脊条；
[0044](4)X6的作用是夹紧电机位置的检测，X6上集成了 2个光电开关，这2个光电开关和机械结构配合，再加上对步进电机步数的计数，可以相对精确的计算出被夹紧待装订书刊的厚度，并完成各种装订流程的逻辑控制；
[0045]X7和X8检测电路:
[0046](5)X7和X8分别是另一对红外对射的发射和接收传感器，它们的作用是当夹紧装置夹紧要装订的书刊时，检测被装订书刊是否放置到位。如果没有放置到位会严重影响无线胶装机的装订效果。X7和X8的检测电路如图9所示，其它传感器的检测电路类似。
[0047]正确使用背脊条对于无线胶装机的装订效果来说非常重要。背脊条上涂有条纹状的明暗相间的热熔胶，这个设计就是为了解决背脊条检测的问题。背脊条上涂的条纹状热熔胶厚薄不一样，同时表面的粗糙度也不一样，这样就导致了对光的反射率不一样，利用这一点，在无线胶装机上安装了一个反射型光电传感器X4。当插入背脊条后，系统检测到背脊条打开背脊条检测功能，反射型光电传感器X4发射端就发射出特定波长的光，被透明状热熔胶反射后照射到X4接收端，经过由运放组成的信号处理电路，反馈到系统，完成背脊条的检测。背脊条检测电路分为发射电路和接收电路。
[0048](I)发射电路
[0049]反射型光电传感器X4发射端的实质是发光二极管，发射电路通过控制流经发光二极管的电流来控制发光强度。发射电路如图10所示，当检测条纹功能开启之后，系统给出控制信号，打开反射型光电传感器发射端，三极管基极给出信号之后，三极管集电极和发射极导通，通过调节滑动电阻器R315来调节电流，电阻R314的作用是限制电流，防止发光二极管因电流过大烧掉，起到保护作用。
[0050](2)接收电路
[0051]反射型光电传感器X4接收端的实质是光敏电阻，发射电路控制发光二极管的发光强度，发出的光照射到背脊条上涂抹的条纹状明暗相间的热熔胶上，反射到反射型光电传感器X4接收端，接收端光敏电阻根据接收到的光的强弱，呈现出不同阻值，接收到的信号经过接收电路的处理，反馈到系统，完成背脊条的检测。接收电路如图11所示，信号处理使用的芯片是由4个运放组成的TLV274。第一级运放的作用是电流转电压，输入端因为光敏电阻阻值的变化，导致电流的变化，反应在输出端就是电压不断的变化；第二级运放的作用是整流叠加，对第一级运放输出的信号进行整流，将两个运放的输出电压进行叠加，同时输出端的极性电容有迟滞的作用；第三级运放的作用是电压比较，同相输入端的信号来自第一级运放，反向输入端的信号来自第二级运放，这两个信号进行比较，第三级运放是带有迟滞回路的电压比较器，这样就使得输出端比较稳定，不会因为输入端细小的波动而导致输出端的变化。背脊条检测电路的功能就是检测被插入的背脊条的位置是否正确，只要检测出明暗相间的条纹状热熔胶的反射率和间距符合要求，就认为其位置是正确的。
[0052]继电器是配合机械系统完成各种无线胶装机装订流程的逻辑控制，无线胶装机采用的是24V继电器，由于继电器不能长时间导通，所以需要设计一个继电器控制电路，不能让继电器因为长时间导通而发热。如图12所示，用ICM7555搭建振荡器，并且周期和占空比可调，然后通过光隔控制达林顿管TIP142，从而控制继电器的导通。
[0053]在本实施例中，所述FPGA驱动单元2采用Altera公司生产的Cyclone系列芯片，具体可以选择型号为EP1C6T144C8N的芯片。Cyclone系列芯片的特点是低功耗、低成本并且接口功能丰富，加上外围电路的配合，能很好的完成步进电机的控制。
[0054]如图13所示，所述恒流细分驱动单元9包括电平转换电路91、第一光电隔离电路
92、DAC电路93、电压比较电路94、滤波放大电路95、第二光电隔离电路96，以及分别用于驱动夹紧电机10a、进料电机1b和胶装电机1c的第一驱动芯片97a，第二驱动芯片97b，第三驱动芯片97c，FPGA驱动单元2的I/O 口电压为3.3V，恒流细分驱动单元9的后续电路电压为5V，电平转换电路91先将3.3V的信号转换为5V的信号，同时增强FPGA的驱动能力，以便能驱动后续电路，并通过第一光电隔离电路92使前端与负载完全隔离，加强电路的安全性，同时减小电压的干扰，减化电路的设计，步进电机的第一驱动芯片97a，第二驱动芯片97b，第三驱动芯片97c采用的是L298N，恒流细分驱动能减小步距角，缓解电机振动，降低系统噪声，使得电机平稳运行。为实现恒流细分驱动，使两相电流按正余弦规律均匀变化。正余弦数值表被预先保存在FPGA驱动单元I内，然后通过DAC电路93转换成模拟电压，各个步进电机两相绕组的反馈电流经过检测电阻变成反馈电压，然后经滤波放大电路95，滤波放大电路95是为了滤除电机本身产生的高频噪声，同时放大反馈电压，放大后的反馈电压再通过电压比较电路与所转换的模拟电压相比较，比较结果通过第二光电隔离电路96反馈给FPGA驱动单元2，从而实现步进电机的恒流细分。
[0055]上述实施例和图式并非限定本实用新型的产品形态和式样，任何所属【技术领域】的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本实用新型的专利范畴。
【权利要求】
1.一种无线胶装机控制系统，其特征在于:包括ARM主控单元，所述ARM主控单元分别与FPGA驱动单元、红外传感器、光电开关、继电器、加热块、热电偶和触摸屏相连，所述FPGA驱动单元通过恒流细分驱动单元分别与夹紧电机、进料电机和胶装电机相连；其中，所述ARM主控单元包括主控芯片，以及与主控芯片相连的电源电路、时钟电路、复位电路、并口显示接口、并口通信接口、JTAG调试接口、串口调试接口、温控电路、传感器检测电路、背脊条检测电路和继电器控制电路。
2.如权利要求1所述的一种无线胶装机控制系统，其特征在于:所述主控芯片采用ST公司生产的STM32系列芯片。
3.如权利要求2所述的一种无线胶装机控制系统，其特征在于:所述主控芯片采用32位基于 Cortex-M3 内核的 STM32F103ZET6。
4.如权利要求1所述的一种无线胶装机控制系统，其特征在于:所述FPGA驱动单元采用Altera公司生产的Cyclone系列芯片。
5.如权利要求4所述的一种无线胶装机控制系统，其特征在于:所述FPGA驱动单元选择型号为EP1C6T144C8N的芯片。
6.如权利要求1所述的一种无线胶装机控制系统，其特征在于:所述恒流细分驱动单元包括电平转换电路、第一光电隔离电路、DAC电路、电压比较电路、滤波放大电路、第二光电隔离电路，以及分别用于驱动夹紧电机、进料电机和胶装电机的3个驱动芯片，电平转换电路先将FPGA驱动单元的I/O 口的3.3V的信号转换为5V的信号，并通过第一光电隔离电路将前端与负载完全隔离，预先保存在FPGA驱动单元内的正余弦数值，通过DAC电路转换成模拟电压，步进电机两相绕组的反馈电流经过检测电阻变成反馈电压，然后经滤波放大电路，放大后的反馈电压再通过电压比较电路与所转换的模拟电压相比较，比较结果通过第二光电隔离电路反馈给FPGA驱动单元，从而实现步进电机的恒流细分。
【文档编号】G05B19/042GK204166319SQ201420556391
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】王晓红 申请人:浙江工贸职业技术学院