1、邏輯控制芯片的選擇

本項目中邏輯控制芯片用于接收傳感器反饋的輸入信號，并根據反饋信號輸出相應控制信號給繼電器控制模塊，從而實現降低繞線圈轉速的目的。邏輯控制芯片 74LS21P 符合本項目控制要求。邏輯控制芯片 74LS21 為兩組 4 輸入端與門（正邏輯），其主要電氣特性的典型值為：tPLH 為 8 ns，tphl 為 10 ns，PD 為 9 mW，其邏輯關系如圖 3 所示。

圖 3 中，輸入電壓為 7 V，A~D 間電壓為 5.5 V，工作環境溫度為 0~70 ℃，存儲溫度為-65~150 ℃。

各功能如表 1 所示。

2、 繼電器模塊

本項目所采用的電磁式繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力作用下返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。

這樣吸合、釋放，就可達到在電路中的導通、切斷的目的。

對于繼電器的常開、常閉觸點，可以這樣來區分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態的靜觸點，稱為常開觸點；處于接通狀態的靜觸點稱為常閉觸點。繼電器一般有兩股電路，即低壓控制電路和高壓工作電路。當繼電器線圈兩端無電壓或電壓不夠時，繼電器的公共端（COM）與常閉端（NC）接通。當繼電器線圈兩端電壓達到吸合時，繼電器的公共端（COM）與常開端（NO）接通，其原理如圖 4 所示。

圖 4 繼電器工作原理

在調試中，測得腳踏板中 Rp5 的電阻為 500 Ω。因此，為了控制繞線電機的速度，在繼電器控制模塊中聯入 2 個最大值為 1 000 Ω 的可調電阻 R1 和 R2。

3、紅外線數字避障傳感器

本項目選用了價格便宜、抗干擾性強、靈敏度高以及反應快的反射式紅外線數字避障傳感器  ，博光-50NK，這是一種集發射與接收于一體的光電傳感器。檢測距離可以根據要求進行調節。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點，可以廣泛應用于機器人避障、流水線計件等眾多場合。博光-50NK（NPN 型光電開關）其輸出狀態是 0、1，即數字電路中的高電平和低電平。沒檢測到物體時輸出高電平及 VCC，檢測到物體時輸出低電平及 0.7 V。

其電氣特性如下：工作電壓為 5 V，工作電流為 10 mA，信號輸出為 TTL 電平。感應距離為 2~50cm。尺寸為 31 mm×25 mm×13 mm。接線圖時輸出信號需要加上拉電阻。特點為輸出信號穩定，不受可見光影響，壽命長。

4、聯機測試

通電源，當按下安全防護裝置的開關按鍵，安全防護裝置紅色指示燈亮，兩繼電器紅色電源 LED 指示燈亮，處于常態（非動作狀態），此時可調電阻 R1、R2 沒有串入腳踏調速回路，繞線機穩定工作。

（1）當操作工人將手移動到次級紅外線數字避障傳感器檢測范圍時，次級繼電器動作，常閉觸點斷開，常開觸點吸合，相對應的黃色 LED 指示燈亮，這時腳踏調速回路中串入可調電阻 R1 使得總電阻增加，導致輸入到繞線變頻器的模擬電壓的電壓源 U 降低，繞線變頻器的頻率隨之降低，根據式（1）可知，繞線電機的轉速 n 也隨之降低，即儲線環的轉速也就降低了，這時工人操作的安全性也就提高了。

（2）當工人手繼續往儲線環移動，進入一級紅外線數字避障傳感器檢測范圍時，一級繼電器動作，常閉觸點斷開，常開觸點吸合，黃色 LED 指示燈都亮，這時腳踏調速回路中串入可調電阻 R1、R2 使得總電阻增加到最大，導致輸入到繞線變頻器的模擬電壓的電壓源 U 降到可調節的最低值，繞線變頻器的頻率隨之降到最低。同樣根據式（1）可知，這時繞線電機的轉速 n 也進一步降低，即儲線環的轉速也就降到較低速度，這時工人操作的安全性再次提高。

本項目所設計安全防護裝置需與繞線機配合完成工作，并按照以下步驟進行測試。

（1）檢查安全防護裝置接線是否正確。

（2）將傳感器安裝到繞線機適當位置。

（3）將安全防護裝置串接到繞線機腳踏調速回路中。

（4）將未繞線鐵芯放入 3 個滾動輪中，打開儲線環本體燕尾鎖條，將儲線環開口活動段分開，讓未繞線鐵芯中心空位穿越儲線環開口部分，然后鎖上鎖條。

（5）踩下腳踏開關，使儲線環轉動。

（6）將兩只手分別從儲線環兩邊慢慢伸入到其中心位置，觀察紅外線數字避障傳感器和繼電器模塊工作狀態燈的發光情況及儲線環轉動的速度。

基于本系統完成的 4 套護手裝置經過 3 個月的運行，沒有發生安全事故，有效保護了設備和工人的安全。

本系統是基于環形繞線機設計的一種安全防護裝置，彌補了市場同類產品的缺陷，加裝該安全防護裝置，能降低斷指工傷的發生率，具有成本低、體積小、控制較精確等優點，普遍推廣應用的價值大，市場潛力巨大，創造的社會、經濟效益值得期待。