劉永鋒
(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系,山西 太原 030006)
本系統(tǒng)采用新型接近開關(guān)傳感器,將傳感器安裝在管壁外,可以在不接觸鋼球和不破壞管道的情況下,檢測到管道內(nèi)高速通過的小球,靈敏度極高,當(dāng)傳感器內(nèi)有小球經(jīng)過時,傳感器產(chǎn)生低電平信號,經(jīng)過LM358P電平轉(zhuǎn)換,反饋給單片機(jī)IO口形成閉環(huán)控制系統(tǒng),計算出所需信息,送給1602液晶顯示,按鍵可以切換到所需任務(wù),方便靈活,易于操作。
1.2.1 主控芯片
方案一:STC89C51單片機(jī)價格低廉,技術(shù)成熟,但功耗較高,運(yùn)行速度慢,單片機(jī)內(nèi)集成資源少。
方案二:STC公司新款I(lǐng)AP15f2k61s2單片機(jī),無需外接晶振,外圍電路簡單,運(yùn)行速度快,硬件設(shè)計方便,資源豐富,可以滿足本設(shè)計的要求[2]。
通過比較,綜合考慮認(rèn)為在滿足功能要求的前提下使用IAP15f2k61s2單片機(jī),運(yùn)行速度較快,資源較多。故選擇方案二。
1.2.2 傳感器
方案一:金屬傳感器,可以感應(yīng)管道內(nèi)鋼珠,但是當(dāng)鋼珠運(yùn)動過快時,靈敏度降低,且價格昂貴。
方案二:采用新型環(huán)形接近開關(guān)傳感器精度高,輸出反應(yīng)速度快,工作可靠,功耗低,操作頻率高,體積小,安裝調(diào)整方便。
本系統(tǒng)中傳感器的選擇極為重要,能否正確感知到鋼珠的存在,關(guān)系到系統(tǒng)的成功與否,考慮到系統(tǒng)對傳感器的靈敏度要求較高,故選用方案二。
經(jīng)過以上論證,最終確定總體設(shè)計方案框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體方案框圖
利用單片機(jī)外部中斷檢測環(huán)形接近開關(guān)產(chǎn)生的低電平脈沖信號,即可計算出管道內(nèi)運(yùn)動的小球的個數(shù)。系統(tǒng)中的兩個環(huán)形接近開關(guān)產(chǎn)生信號的先后順序可以判斷出小球滾動的方向。測量小球經(jīng)過兩個傳感器的次數(shù)來判斷運(yùn)動周期,計算角度是本題的難點(diǎn),若采用數(shù)學(xué)公式計算,首先難度較大,另外會產(chǎn)生較大誤差,并不能模擬真實(shí)小球運(yùn)動。所以采用統(tǒng)計分析法,通過大量測試,將小球運(yùn)動時間與管道傾斜角度相對應(yīng),這樣,計算出小球在管道內(nèi)的運(yùn)動時間即可得到角度,且誤差較小。
通過多次試驗(yàn)測量,得到管道角度與鋼球滾動時間關(guān)系如圖2所示。
圖2 角度與鋼球滾動時間關(guān)系圖
表1 傳感器間距為任意距離測得角度數(shù)據(jù)
表2 傳感器間距為20cm測得角度數(shù)據(jù)
在測試中,取邊界值來測試,以測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性與誤差,經(jīng)過測量,由于機(jī)械結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定,所以由機(jī)械部分造成的誤差幾乎沒有,可以發(fā)現(xiàn)隨著角度的上升,誤差逐漸增大,誤差角度保持在≤3°滿足題目要求。
圖3 系統(tǒng)軟件流程圖
圖4 傳感器電平轉(zhuǎn)換原理圖
如圖4所示,由于傳感器是由12 V供電,所以它的反饋端輸出的電壓也是12 V左右,為了方便給單片機(jī)反饋數(shù)據(jù),所以設(shè)計這部分電壓比較電路。具體的原理:通過把傳感器的反饋端輸出的電壓接到比較器的(OUT1)同相輸入端,然后在反向輸入端設(shè)定一個基準(zhǔn)電壓,使得輸出端OUT1.1輸出一個低于5 V的電壓給單片機(jī)[3]。最后通過單片機(jī)處理反饋的數(shù)據(jù)來作出相應(yīng)的指令。
我們設(shè)計的管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動測量裝置以IAP15F2K60S2為系統(tǒng)核心,使用環(huán)形接近開關(guān)傳感器,來感應(yīng)到管道內(nèi)高速運(yùn)動的小球,并通過系統(tǒng)分析方法,根據(jù)小球運(yùn)動的速度,計算得到管道相應(yīng)的角度,測量誤差范圍控制在3°以內(nèi),滿足系統(tǒng)要求。本系統(tǒng)來源于全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽,參賽作品榮獲國家二等獎。