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【摘 要】我国是烟花爆竹生产大国，然而现阶段的鞭炮生产还是主要以手工生产为主，尤其是直接与火药接触的鞭炮的装药和插引工序，危险性极高、效率十分低下。本文结合这两道工序的特点，经过多方面的研究，设计了一种安全高效的基于arm的自动装药和插引系统。
【关键词】鞭炮；装药；插引；arm；系统
0.引言
燃放鞭炮是人们庆祝重要日子的传统习俗，在国内外都有很大的需求量，我国是世界花炮贸易的主要提供者，然而现阶段其生产仍然多为手工操作，生产效率低，安全隐患重。据统计近几年每年都有三百人左右死于烟花爆竹事故，直接经济损失达数亿元。对目前鞭炮生产的过程进行研究发现，在整个鞭炮生产的工序中，装药和插引这两道工序的机械化程度最低，而且由于直接和火药接触，安全隐患最大，因此，为了提高鞭炮生产的自动化程度并降低危险性，本文设计了自动化装药和插引系统，并利用arm9芯片搭建了安全监控系统。
1.鞭炮自动装药和插引机构
根据鞭炮的生产流程，自动装药和插引机构的系统结构如图1所示，在直流电机电机的控制下以正六边形排列的炮盘，经炮盘送给和夹紧机构被送到传送带上之后，传送到引线插引和装药机构处，在3个步进电机的控制下完成引线的自动送给和定长切割和炮盘旋转，切割后的引线落入炮盘完场炮盘插引工作；然后按照国家的《GB10631-89烟花爆竹安全与质量》规范，炮药计量及下药机构将定量的炮药途经振动装药机构，通过两级振动，使得炮药颗粒能够平整、均匀地铺满装过引线的炮盘中完成装药过程；紧接着在步进电机的控制下将炮盘输送经毛刷机构，刷去炮盘边缘漏药，再经过振动压实机构使装入的炮药有一定的压实度，最后输送漏药到药物回收机构，至此完成了整个鞭炮的生产过程。
图1 自动装药和插引机构的系统结构
整个过程是在程序的控制下自动完成的，实现了鞭炮的自动化流水线生产。另外，为了将危险性降到最低，必须增加安全防护装置。比如在监控室和装药室之间安装非常厚的防护墙；在插引和装药机构外侧增加10mm厚的钢板；在装药室的顶部安装安全淋喷装置和可以人工控制的5kg的压力水包；在室内增加风机装置等。
2.运动控制和安全监控硬件系统
自动装药、插引机构以及自动流水线机构设计完成以后，要想实现自动化的流水线生产，还必须构建整个过程的控制系统，用于完成整个流水线的自动控制和安全监控任务。整个系统的控制中心是一个以arm9为内核的S3C2410X最小系统，该最小系统的外围电路主要包括电源电路、复位电路、始终电路、JTAG接口电路、及负责与pc机通信的以太网电路。
2.1运动控制硬件构建
选用4个ZA系列防爆安全型直流电机，分别用于完成炮盘的送给任务、一级振动机构中的筛网振动任务、和二级振动机构中的两个筛网振动任务，通过S3C2410内部有4个PWM定时器，利用PWM控制技术对4个电机进行调速，直流电机的驱动控制电路选用由美国国家半导体公司（NS）推出的专用电机驱动功率集成芯片LMD18200；选用5个深圳白山机电生产的两相混合式步进电机：103H7123-0440（0410），完成对引线送给、切割、炮盘回转、炮盘加紧、炮盘输送等工序的控制，通过S3C2410的GPIO功能对这些电机进行控制。步进电机的驱动电路选用白山机电的DQ245M。
2.2安全监控硬件构建
鞭炮生产中直接面对的火药对温度、湿度、静电、粉尘、火花等因素十分的敏感，所以必须通过传感器对这些信号进行安全监控。为了提高系统的安全性和响应频率，同时降低电路设计的复杂性，安全监控系统中用到的所有传感器都采用数字式的集成防爆传感器，以便能够安全方便地读取环境监测数据。
温湿度和氧气浓度的监控分别选用防爆型温湿度数字传感器JWSM-2A和防爆型数字式的氧气浓度传感器GYH25，这两种传感器通过S3C2410的IIC总线进行信号的传输；明火监控选用火焰探测器FS-2000E，该传感器报警输出端通过干簧继电器与装药室内的安全淋喷灭火装置连接，并将数字信号送到S3C2410芯片的相应管脚上。另外还可以通过屋顶的压力水包将危险系数降到最低；对于粉尘可以通过密封性较好的CCD摄像头进行检测；另外，自动装药机构在运动过程中，振动装药机构由于运行频率较高，容易产生较多的热量，为了提高安全性，应当对振动网筛部分温度进行实时监测。振动网筛温度监测采用DS18B20智能数字温度传感器，通过简单的单总线方式实现与微控制器的数据通讯。
图2 系统软件结构
3.运动控制和安全监控软件系统
自动装药硬件系统为自动装药机械机构提供动力的支持和安全的保障，在此基础上，增加应用软件为整个系统提供“思想”，就可以控制整个系统高效安全的自动运行。整个软件系统主要包括两大部分：下位机系统软件和上位人机交互软件。软件系统的结构如图2所示。
3.1下位机系统软件
首先完成下位机内核的移植，即在下位机中装入实时性较强的嵌入式linux操作系统，用来管理和控制内存、多任务、周边资源，以提高系统的可靠性，降低应用软件开发的复杂性。然后在嵌入式Linux操作系统的基础上，利用linux系统的多线程调度来完成整个机构的运动控制任务、安全监控任务和通信任务，具體的任务包括：炮盘送给和夹紧、炮盘插引、振动装药和炮盘输送等运动控制任务；开机环境监测、温湿度、氧气浓度监测、筛网温度检测及明火监测等安全监控任务；下位机与上位机之间的UDP通信任务，用来完成下位机和上位机之间的通信，以保证操作者能在远程的上位机上完成整个鞭炮生产过程的监测和控制任务，提高系统的安全性。
图3 人机交互主窗口
3.2上位机系统软件
在完成了下位机的运动控制、安全监控和网络UDP通讯任务之后，上位机软件主要的任务就是利用windows下的Visual C++6.0软件开发出一个友好的人机交互界面，使得系统操作者能在远离装药室的基础上，监控整个系统的自动化运行过程。上位机的人机交互窗口如上图3所示：
4.结束语
针对现阶段的鞭炮生产存在着危险性高、效率低下的问题，经过对鞭炮生产的过程研究，发现主要问题集中在鞭炮的装药和插引两道工序中，因此，本文利用嵌入式ARM9芯片搭建了鞭炮自动装药及插引过程的运动控制和安全监测平台，并将监测的数据通过以太网传输给PC机，通过安全监控人机交互软件监控整个生产过程，更加充分保证了装药和插引过程的安全性，最终实现高效率、高安全性的鞭炮自动装药和插引系统的设计。
【参考文献】
[1]任振锁.基于ARM的鞭炮自动装药系统研究和设计[D].洛阳：河南科技大学，2011.
[2]江俊辉.基于ARM的嵌入式系统硬件设计[J].微计算机信息，2005，21（7）.
[3]朱奉春，姜德成.鞭炮引线插装自动机械设计[J].机械设计与制造，2003，（1）：59-60.
【关键词】鞭炮；装药；插引；arm；系统
0.引言
燃放鞭炮是人们庆祝重要日子的传统习俗，在国内外都有很大的需求量，我国是世界花炮贸易的主要提供者，然而现阶段其生产仍然多为手工操作，生产效率低，安全隐患重。据统计近几年每年都有三百人左右死于烟花爆竹事故，直接经济损失达数亿元。对目前鞭炮生产的过程进行研究发现，在整个鞭炮生产的工序中，装药和插引这两道工序的机械化程度最低，而且由于直接和火药接触，安全隐患最大，因此，为了提高鞭炮生产的自动化程度并降低危险性，本文设计了自动化装药和插引系统，并利用arm9芯片搭建了安全监控系统。
1.鞭炮自动装药和插引机构
根据鞭炮的生产流程，自动装药和插引机构的系统结构如图1所示，在直流电机电机的控制下以正六边形排列的炮盘，经炮盘送给和夹紧机构被送到传送带上之后，传送到引线插引和装药机构处，在3个步进电机的控制下完成引线的自动送给和定长切割和炮盘旋转，切割后的引线落入炮盘完场炮盘插引工作；然后按照国家的《GB10631-89烟花爆竹安全与质量》规范，炮药计量及下药机构将定量的炮药途经振动装药机构，通过两级振动，使得炮药颗粒能够平整、均匀地铺满装过引线的炮盘中完成装药过程；紧接着在步进电机的控制下将炮盘输送经毛刷机构，刷去炮盘边缘漏药，再经过振动压实机构使装入的炮药有一定的压实度，最后输送漏药到药物回收机构，至此完成了整个鞭炮的生产过程。
图1 自动装药和插引机构的系统结构
整个过程是在程序的控制下自动完成的，实现了鞭炮的自动化流水线生产。另外，为了将危险性降到最低，必须增加安全防护装置。比如在监控室和装药室之间安装非常厚的防护墙；在插引和装药机构外侧增加10mm厚的钢板；在装药室的顶部安装安全淋喷装置和可以人工控制的5kg的压力水包；在室内增加风机装置等。
2.运动控制和安全监控硬件系统
自动装药、插引机构以及自动流水线机构设计完成以后，要想实现自动化的流水线生产，还必须构建整个过程的控制系统，用于完成整个流水线的自动控制和安全监控任务。整个系统的控制中心是一个以arm9为内核的S3C2410X最小系统，该最小系统的外围电路主要包括电源电路、复位电路、始终电路、JTAG接口电路、及负责与pc机通信的以太网电路。
2.1运动控制硬件构建
选用4个ZA系列防爆安全型直流电机，分别用于完成炮盘的送给任务、一级振动机构中的筛网振动任务、和二级振动机构中的两个筛网振动任务，通过S3C2410内部有4个PWM定时器，利用PWM控制技术对4个电机进行调速，直流电机的驱动控制电路选用由美国国家半导体公司（NS）推出的专用电机驱动功率集成芯片LMD18200；选用5个深圳白山机电生产的两相混合式步进电机：103H7123-0440（0410），完成对引线送给、切割、炮盘回转、炮盘加紧、炮盘输送等工序的控制，通过S3C2410的GPIO功能对这些电机进行控制。步进电机的驱动电路选用白山机电的DQ245M。
2.2安全监控硬件构建
鞭炮生产中直接面对的火药对温度、湿度、静电、粉尘、火花等因素十分的敏感，所以必须通过传感器对这些信号进行安全监控。为了提高系统的安全性和响应频率，同时降低电路设计的复杂性，安全监控系统中用到的所有传感器都采用数字式的集成防爆传感器，以便能够安全方便地读取环境监测数据。
温湿度和氧气浓度的监控分别选用防爆型温湿度数字传感器JWSM-2A和防爆型数字式的氧气浓度传感器GYH25，这两种传感器通过S3C2410的IIC总线进行信号的传输；明火监控选用火焰探测器FS-2000E，该传感器报警输出端通过干簧继电器与装药室内的安全淋喷灭火装置连接，并将数字信号送到S3C2410芯片的相应管脚上。另外还可以通过屋顶的压力水包将危险系数降到最低；对于粉尘可以通过密封性较好的CCD摄像头进行检测；另外，自动装药机构在运动过程中，振动装药机构由于运行频率较高，容易产生较多的热量，为了提高安全性，应当对振动网筛部分温度进行实时监测。振动网筛温度监测采用DS18B20智能数字温度传感器，通过简单的单总线方式实现与微控制器的数据通讯。
图2 系统软件结构
3.运动控制和安全监控软件系统
自动装药硬件系统为自动装药机械机构提供动力的支持和安全的保障，在此基础上，增加应用软件为整个系统提供“思想”，就可以控制整个系统高效安全的自动运行。整个软件系统主要包括两大部分：下位机系统软件和上位人机交互软件。软件系统的结构如图2所示。
3.1下位机系统软件
首先完成下位机内核的移植，即在下位机中装入实时性较强的嵌入式linux操作系统，用来管理和控制内存、多任务、周边资源，以提高系统的可靠性，降低应用软件开发的复杂性。然后在嵌入式Linux操作系统的基础上，利用linux系统的多线程调度来完成整个机构的运动控制任务、安全监控任务和通信任务，具體的任务包括：炮盘送给和夹紧、炮盘插引、振动装药和炮盘输送等运动控制任务；开机环境监测、温湿度、氧气浓度监测、筛网温度检测及明火监测等安全监控任务；下位机与上位机之间的UDP通信任务，用来完成下位机和上位机之间的通信，以保证操作者能在远程的上位机上完成整个鞭炮生产过程的监测和控制任务，提高系统的安全性。
图3 人机交互主窗口
3.2上位机系统软件
在完成了下位机的运动控制、安全监控和网络UDP通讯任务之后，上位机软件主要的任务就是利用windows下的Visual C++6.0软件开发出一个友好的人机交互界面，使得系统操作者能在远离装药室的基础上，监控整个系统的自动化运行过程。上位机的人机交互窗口如上图3所示：
4.结束语
针对现阶段的鞭炮生产存在着危险性高、效率低下的问题，经过对鞭炮生产的过程研究，发现主要问题集中在鞭炮的装药和插引两道工序中，因此，本文利用嵌入式ARM9芯片搭建了鞭炮自动装药及插引过程的运动控制和安全监测平台，并将监测的数据通过以太网传输给PC机，通过安全监控人机交互软件监控整个生产过程，更加充分保证了装药和插引过程的安全性，最终实现高效率、高安全性的鞭炮自动装药和插引系统的设计。
【参考文献】
[1]任振锁.基于ARM的鞭炮自动装药系统研究和设计[D].洛阳：河南科技大学，2011.
[2]江俊辉.基于ARM的嵌入式系统硬件设计[J].微计算机信息，2005，21（7）.
[3]朱奉春，姜德成.鞭炮引线插装自动机械设计[J].机械设计与制造，2003，（1）：59-60.