1、逻辑控制芯片的选择

本项目中逻辑控制芯片用于接收传感器反馈的输入信号，并根据反馈信号输出相应控制信号给继电器控制模块，从而实现降低绕线圈转速的目的。逻辑控制芯片 74LS21P 符合本项目控制要求。逻辑控制芯片 74LS21 为两组 4 输入端与门（正逻辑），其主要电气特性的典型值为：tPLH 为 8 ns，tphl 为 10 ns，PD 为 9 mW，其逻辑关系如图 3 所示。

图 3 中，输入电压为 7 V，A~D 间电压为 5.5 V，工作环境温度为 0~70 ℃，存储温度为-65~150 ℃。

各功能如表 1 所示。

2、 继电器模块

本项目所采用的电磁式继电器由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力作用下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。

这样吸合、释放，就可达到在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的常开、常闭触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为常开触点；处于接通状态的静触点称为常闭触点。继电器一般有两股电路，即低压控制电路和高压工作电路。当继电器线圈两端无电压或电压不够时，继电器的公共端（COM）与常闭端（NC）接通。当继电器线圈两端电压达到吸合时，继电器的公共端（COM）与常开端（NO）接通，其原理如图 4 所示。

图 4 继电器工作原理

在调试中，测得脚踏板中 Rp5 的电阻为 500 Ω。因此，为了控制绕线电机的速度，在继电器控制模块中联入 2 个最大值为 1 000 Ω 的可调电阻 R1 和 R2。

3、红外线数字避障传感器

本项目选用了价格便宜、抗干扰性强、灵敏度高以及反应快的反射式红外线数字避障传感器  ，博光-50NK，这是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。博光-50NK（NPN 型光电开关）其输出状态是 0、1，即数字电路中的高电平和低电平。没检测到物体时输出高电平及 VCC，检测到物体时输出低电平及 0.7 V。

其电气特性如下：工作电压为 5 V，工作电流为 10 mA，信号输出为 TTL 电平。感应距离为 2~50cm。尺寸为 31 mm×25 mm×13 mm。接线图时输出信号需要加上拉电阻。特点为输出信号稳定，不受可见光影响，寿命长。

4、联机测试

通电源，当按下安全防护装置的开关按键，安全防护装置红色指示灯亮，两继电器红色电源 LED 指示灯亮，处于常态（非动作状态），此时可调电阻 R1、R2 没有串入脚踏调速回路，绕线机稳定工作。

（1）当操作工人将手移动到次级红外线数字避障传感器检测范围时，次级继电器动作，常闭触点断开，常开触点吸合，相对应的黄色 LED 指示灯亮，这时脚踏调速回路中串入可调电阻 R1 使得总电阻增加，导致输入到绕线变频器的模拟电压的电压源 U 降低，绕线变频器的频率随之降低，根据式（1）可知，绕线电机的转速 n 也随之降低，即储线环的转速也就降低了，这时工人操作的安全性也就提高了。

（2）当工人手继续往储线环移动，进入一级红外线数字避障传感器检测范围时，一级继电器动作，常闭触点断开，常开触点吸合，黄色 LED 指示灯都亮，这时脚踏调速回路中串入可调电阻 R1、R2 使得总电阻增加到最大，导致输入到绕线变频器的模拟电压的电压源 U 降到可调节的最低值，绕线变频器的频率随之降到最低。同样根据式（1）可知，这时绕线电机的转速 n 也进一步降低，即储线环的转速也就降到较低速度，这时工人操作的安全性再次提高。

本项目所设计安全防护装置需与绕线机配合完成工作，并按照以下步骤进行测试。

（1）检查安全防护装置接线是否正确。

（2）将传感器安装到绕线机适当位置。

（3）将安全防护装置串接到绕线机脚踏调速回路中。

（4）将未绕线铁芯放入 3 个滚动轮中，打开储线环本体燕尾锁条，将储线环开口活动段分开，让未绕线铁芯中心空位穿越储线环开口部分，然后锁上锁条。

（5）踩下脚踏开关，使储线环转动。

（6）将两只手分别从储线环两边慢慢伸入到其中心位置，观察红外线数字避障传感器和继电器模块工作状态灯的发光情况及储线环转动的速度。

基于本系统完成的 4 套护手装置经过 3 个月的运行，没有发生安全事故，有效保护了设备和工人的安全。

本系统是基于环形绕线机设计的一种安全防护装置，弥补了市场同类产品的缺陷，加装该安全防护装置，能降低断指工伤的发生率，具有成本低、体积小、控制较精确等优点，普遍推广应用的价值大，市场潜力巨大，创造的社会、经济效益值得期待。