基于单片机的安全玻璃冲击试验机冲击高度自控装置研究

吴巍 罗益绵 王芳

（广州市光机电技术研究院）

1 引言

霰弹袋冲击性能是钢化玻璃、夹层安全玻璃的一项重要安全性能指标，是钢化玻璃和夹层玻璃国家标准中强制性检验项目[1,2]，也是安全玻璃强制性产品认证（CCC认证）检验项目之一[3]。因此，做好霰弹袋冲击性能检测为企业提高产品质量以及安全玻璃产品质量监管提供了实验依据。为了保证霰弹袋冲击性能试验中冲击高度定位的准确性，实现冲击高度定位的自动控制，保证检测数据准确公正，本文研制了一套安全玻璃冲击试验机冲击高度自控装置。

2 研究内容及实施方案

该冲击高度自控装置用于配套霰弹袋冲击试验机。适用于依据国家标准 GB 15763.2-2005、GB 15763.3-2009对钢化玻璃和夹层玻璃进行霰弹袋冲击试验；依据贴膜玻璃标准 JC 846-2007及 BS EN 12600:2002对贴膜玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃进行双轮胎冲击试验。

冲击试验机冲击高度自控装置分为传动和控制两个部分，包括机械传动装置、电器控制系统、计算机程序等硬件设计和软件设计。

2.1 装置工作原理

该装置根据输入的冲击高度，单片机计算步进电机的步进脉冲数，并由步进电机牵动检测单元上升到设定的高度。检测单元由一对红外光电传感器组成，红外光电传感器的投光器和受光器光轴重合在同一水平线上。检测单元到达设定位置后卷扬机开始提升冲击体，当冲击体进入检测区域时，投光器发出的红外光被遮挡，受光器无光可受，传感器输出状态发生改变，卷扬机停止工作[4]。装置原理图如图1所示。

2.2 装置硬件设计

本装置硬件部分主要包括传动装置和控制电路。传动装置以铝型材为外框，步进电机及其驱动器固定在型材上，用于带动同步带轮转动。同步带轮的位置可以上下微调，用于绷紧同步带。传动装置轨道上下各设置了一个限位传感器，防止红外传感器超出移动范围。

控制电路主要由单片机芯片、存储芯片、矩阵键盘、固态继电器、对射式光电传感器和步进电机驱动器的输入输出接口、数码管显示电路以及外围电源等部件组成[5]。控制电路通过矩阵键盘输入数据，并对输入数据进行存储，同时通过数码管显示，以单片机芯片为核心，计算出同步轮所需转动的步数，然后控制步进电机转动，步进电机带动红外光电传感器上升，当步进电机完成所需步数后通过固态继电器控制卷扬机提升冲击体，直到红外传感器投光器发出的信号被冲击体阻断，卷扬机停止工作。

在硬件控制电路中采取了多种抗干扰措施，避免了外界电磁场对整个装置的电磁干扰，提升了装置的稳定性和控制精度。I/O通道采用光电耦合器件隔离，这样既可避免构成地环路还可有效地抑制噪声；在输入输出通道上采用过压保护电路，以防引入高电压，伤害控制系统[6,7]；继电器接线点两端并接RC串联电路，用于抑制继电器吸合时产生的火花，减小电火花影响。

2.3 装置软件设计

该装置的软件主要指单片机控制程序。单片机是整个系统的核心和控制中心，各个系统的数据都送到单片机进行处理，且所有的命令都由单片机发出，所以单片机的软件设计非常重要，它关系整个系统的功能。单片机控制电路中的 AT89S52根据输入的冲击高度值计算步进电动机应获得的脉冲个数，并控制步进电机带动红外传感器到达设定的高度，同时控制显示冲击高度和卷扬电机的运转。单片机程序包括设备的初始化程序、显示程序、输入程序、存储程序以及步进电机和卷扬机的驱动程序。装置上电后程序先将各端口初始化，等待实验人员选择冲击体，此时屏蔽任何其它操作。选择冲击体后程序从存储芯片内读出冲击体当前位置并加以显示。如果当前高度即为所需的冲击高度，可按键控制卷扬机提升冲击体。否则，可以输入所需的冲击高度，程序换算出步进电机转动的步数，驱动步进电机转动使红外传感器上升至所需高度，存储程序写入当前位置，然后程序一边继续检查按键，一边控制卷扬机提升冲击体直到程序检测到红外传感器的信号被截断，卷扬机停止工作。单片机程序流程图如图2 所示。

3 装置的安装要求

该冲击高度自控装置的两个红外光电传感器分别安装在两个铝型材轨道上，两轨道的定位对于控制精度至关重要。首先要保证两个轨道底座的稳固性，并且与水平面垂直，两轨道在底座上相对放置，所组成的平面应与冲击体被提升时的运动轨迹在同一个平面内。两个红外光电传感器在最低点时，通过调整轨道底座使光电传感器投光器和受光器光轴重合在同一直线上，另外，带动红外传感器运行的同步带应绷紧，避免传感器在运行过程中左右摇摆。

图2 程序流程图

4 实验结果

霰弹袋冲击试验机冲击高度自动控制装置在半年的试用期内，依据我国标准GB 15763.2-2005、GB 15763.3-2009和欧洲标准BS EN12600:2002对相关实验的要求，共进行了安全玻璃冲击试验71批次，每批次冲击玻璃4至12片，所使用的冲击体包括霰弹袋冲击体和双轮胎冲击体，冲击对象包括 4mm至19mm钢化玻璃和 4mm+0.38+4mm至8mm+1.52+8mm夹层玻璃，冲击高度包括190mm、300mm、450mm、750mm和1200mm。

试用结果表明，冲击试验机配备该冲击高度控制装置后，可实现冲击高度自动控制。试用期内，该套装置运行状况良好，系统稳定，操作方便，定位准确，重复性好，适用性强，适用于依据GB 15763.2-2005、GB 15763.3-2009和BS EN 12600:2002等国内、国外标准进行安全玻璃冲击试验。

5 结论

本项目研制的与安全玻璃冲击试验机配套使用的冲击高度自动控制装置，可在0mm～1200mm范围内任意控制霰弹袋冲击体或双轮胎冲击体的冲击高度。具有定位准确、控制精度高、重复性好、适用性强的特点。整套装置运行状况良好，控制系统稳定，操作方便，达到了项目预期目标。项目以实际需求为导向，结合现代光电传感器技术和步进电机技术，在提高安全玻璃冲击试验机冲击高度自控装置控制精度的基础上，保证了装置运行的可靠性和稳定性。同时，该装置采用新型单片机控制和利用冲击体自身阻断红外线实现冲击高度定位的设计思路，为其他同类高度控制设备的设计提供了参考。

[1]全国建筑用玻璃标准化技术委员会.GB 15763.2-2005 建筑用安全玻璃 第2部分：钢化玻璃[S].北京:中国标准出版社,2005.

[2]全国建筑用玻璃标准化技术委员会.GB 15763.3-2009 建筑用安全玻璃 第3部分：夹层玻璃[S].北京:中国标准出版社,2005.

[3]中国国家认证认可监督管理委员会. CNCA-04C-028：2009安全玻璃类强制性认证实施规则 安全玻璃产品[S].北京:中国标准出版社,2009.

[4]董春利. 传感器与自动检测技术[M].北京:机械工业出版社,2008.2.

[5]沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现[M].北京:电子工业出版社,2005.1.

[6]潘永雄.新编单片机原理与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.2.

[7]刘军等.单片机原理与接口技术[M].上海:华东理工大学出版社,2006.2.