基于IAP15W4K58S4單片機(jī)管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張桂紅

(武漢交通職業(yè)學(xué)院,湖北 武漢 430065)

基于IAP15W4K58S4單片機(jī)管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張桂紅

(武漢交通職業(yè)學(xué)院,湖北 武漢 430065)

文章設(shè)計(jì)了一個(gè)管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動(dòng)測(cè)量裝置,通過檢測(cè)進(jìn)入管道鋼珠的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了鋼珠個(gè)數(shù)、運(yùn)動(dòng)方向、周期及管道放置角度的測(cè)量.本系統(tǒng)以IAP15W4K58S4單片機(jī)為核心,利用電感式接近開關(guān)傳感器的電渦流效應(yīng),將檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)進(jìn)行分析,計(jì)算出管道放置的角度,并送至LCD液晶顯示屏顯示.

單片機(jī);鋼珠;傳感器;測(cè)量

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體方案如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

鋼珠以零速度進(jìn)入管道,兩個(gè)電感式接近開關(guān)傳感器分別檢測(cè)鋼珠運(yùn)動(dòng)到開關(guān)所需時(shí)間并送到單片機(jī)進(jìn)行處理,計(jì)算出兩點(diǎn)的不同速度,進(jìn)而計(jì)算出管道放置的角度,最后通過按鍵控制單片機(jī)選擇顯示的數(shù)據(jù)[1].

1.2 方案論證

傳感器模塊采用電感式接近開關(guān),它是在電渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上,利用振蕩器產(chǎn)生交變的磁場(chǎng),當(dāng)金屬物體接近磁場(chǎng)時(shí)振蕩發(fā)生變化,通過這一變化達(dá)到檢測(cè)目標(biāo)的目的.具有壽命長(zhǎng)、低功耗的特點(diǎn),檢測(cè)物體必須是導(dǎo)電體[2].

1.2.1 測(cè)量方法與工作原理分析

裝置模擬如圖2所示,L為傳感器1與傳感器2之間的距離,θ為管道放置的角度,t1起始時(shí)間,t2為截止時(shí)間.將管道放置任一角度(10°~80°),從A端放入鋼珠,通過動(dòng)能定理:

式中m為物體質(zhì)量,v為運(yùn)動(dòng)速度,J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,ω為角速度,g為重力加速度,r為鋼珠半徑.

將式(2)、(3)代入式(1)得

式中l(wèi)為從管口到任一點(diǎn)的距離.

考慮t1,t2的時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的v1,v2代入式(4)得

通過傳感器檢測(cè)出v1,v2,代入式(5)可得

將測(cè)得v1,v2的值代入式(6),計(jì)算出管道放置的角度.

圖2 裝置模擬

1.2.2 檢測(cè)電路原理分析計(jì)算

選擇電感式接近開關(guān)模塊,它是一種利用渦流效應(yīng)感知物體的傳感器.它由振蕩器、放大電路、檢波電路及輸出電路組成.如圖3所示,諧振回路由L1,C3,C4與C5構(gòu)成,可知諧振回路的總電容量為:

當(dāng)鋼珠沒有接近感應(yīng)頭時(shí),振蕩器開始振蕩,輸出端產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)的高電平,當(dāng)鋼珠接近感應(yīng)頭時(shí),振蕩器中的磁力線被鋼珠破壞,由振蕩變?yōu)椴徽袷?輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?通過這一變化可檢測(cè)出鋼珠的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

2 硬件電路

系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)IAP15W4K58S4,12864液晶顯示器,矩陣鍵盤,傳感器模塊等4部分組成.傳感器模塊電路主要由LC振蕩電路、放大電路、檢波電路及開關(guān)輸出電路組成[31],其電路如圖3所示,

圖3 電感式接近開關(guān)模塊原理

3 程序設(shè)計(jì)

程序開始,系統(tǒng)初始化.鋼珠到達(dá)傳感器1感應(yīng)區(qū)、傳感器1感應(yīng)區(qū),通過定時(shí)器得到時(shí)間t1,t2.經(jīng)單片機(jī)分析運(yùn)算,計(jì)算出管道放置的角度、鋼珠數(shù)等數(shù)據(jù)送至液晶顯示屏.通過按鍵選擇顯示模式,按下鍵1,顯示鋼珠個(gè)數(shù)、運(yùn)動(dòng)周期和方向;按下鍵2,調(diào)節(jié)傳感器之間的距離并顯示;按下鍵3,顯示計(jì)算的角度[4].程序流程如圖4所示.

本系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試,傳感器1和2之間的距離L任意選擇時(shí),由A端放入鋼珠,液晶顯示屏可準(zhǔn)確地顯示放入鋼珠個(gè)數(shù).傾斜角在10°~80°之間變化時(shí),由A端放入1粒鋼珠,液晶顯示屏可以顯示管道的角度,并與實(shí)際放置角度誤差的絕對(duì)值均≤3°,整個(gè)系統(tǒng)的精度比較高.調(diào)整管道的方向,A端朝下,B端朝上,可以顯示鋼珠運(yùn)動(dòng)的方向.

圖4 程序流程

[1]李銳.高頻接近開關(guān)檢測(cè)原理與設(shè)計(jì)[J].微機(jī)原理與應(yīng)用,2012(23):22-24.

[2]李艷紅.傳感器原理及實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2016.

[3]周晴,李文旭.接近開關(guān)的原理與應(yīng)用[J].電子元器件應(yīng)用,2007(6):18-20.

[4]吳良孟.改進(jìn)型電感式接近開關(guān)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].長(zhǎng)三角,2009(7):147-148.

Design of the measurement system of steel ball movement in pipeline based on IAP15W4K58S4 single chip microcomputer

Zhang Guihong
(Wuhan Technical College of Communications, Wuhan 430065, China)

In this paper, a steel ball movement in pipeline measuring device is designed, which by detecting into the pipeline steel ball movement, has realized the number of steel ball, movement direction, cycle and pipeline placed angle measurement. IAP15W4K58S4 single chip microcomputer as the core, this system using the eddy current effect of inductive proximity switch sensor to send the detected signal to the single chip microcomputer to analyze, and calculate the angle of the pipeline placed and send to the LCD liquid display shows.

single chip microcomputer; steel ball; switch sensor; measurement

張桂紅(1972- ),女,湖北仙桃人,副教授,碩士;研究方向:電工電子,通信.