廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙二廠南海生產(chǎn)部 梁可榮

智能計米器及其信息管理系統(tǒng)設(shè)計

廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙二廠南海生產(chǎn)部 梁可榮

工業(yè)中許多產(chǎn)品需要測量其長度，但傳統(tǒng)的機械式計米器不能有效克服機械慣性，精度差，同時不能將長度信息進行管理，不適應(yīng)當(dāng)今信息化的生產(chǎn)環(huán)境。本文采用集成霍爾傳感器設(shè)計智能化計米器，能克服機械式的上述缺點。通過和上位計算機的通信可實現(xiàn)生產(chǎn)管理、銷售。

霍爾傳感器 智能計米器 單片機

一、引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，紡織企業(yè)產(chǎn)品都需要測量其長度。機械式的計米器，其缺點是需要人在機器旁值守，而且由于機械式計米器的機械慣性作用導(dǎo)致測量誤差較大，降低了機器的生產(chǎn)效率和耗費不必要的人力、物力?，F(xiàn)代化的生產(chǎn)要求產(chǎn)品的測量和管理具有較高的自動化程度，要求產(chǎn)品由測量到管理統(tǒng)計都由計算機完成，將現(xiàn)代電腦技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)有機結(jié)合起來，提高生產(chǎn)效率，增強企業(yè)的生存能力。

二、系統(tǒng)設(shè)計

1. 系統(tǒng)分析與方案設(shè)計。本設(shè)計采用的是在普通機械式計米器的基礎(chǔ)上進行改造，用于改造的機械式計米器是市面上常見的Z96-F型滾動式計數(shù)器。其主要用途為：用于測量長度和各種機械傳動的計數(shù)器，一般用于紡織、印染等長度的記錄。其特點：顯示為五位數(shù)，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向可順逆轉(zhuǎn)動，順轉(zhuǎn)為遞加，逆轉(zhuǎn)為遞減，測量長度范圍為0~9999.9m，精度為0.1m，測量輪滾動三圈為一米。于是只要通過適當(dāng)?shù)臋z測技術(shù)，將測量輪的轉(zhuǎn)動角度測量出來，即可計算被測量物的長度。通過對市場上常用的傳感器作調(diào)查后，可選用的傳感器有多種多樣，但考慮其安裝便易性、性能價格等因素，本系統(tǒng)選用集成開關(guān)霍爾傳感器。為此，本改進的測量方案是在此計數(shù)器的轉(zhuǎn)輪（即檢測輪）上平均安裝了5個磁鐵，即每隔72°安裝一個。并且在輪側(cè)安裝了兩個用來檢測的霍爾開關(guān)式傳感器，當(dāng)檢測輪開始轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)輪上的磁鐵接近或遠(yuǎn)離霍爾傳感器，使得霍爾傳感器輸出脈沖。

檢測傳感器為一對光電傳感器，作用是檢測被測量物的有無，以克服機械計米器在沒被測物時由于機械慣性導(dǎo)致的測量長度誤差，當(dāng)光電傳感器檢測到?jīng)]有被測物時自動停止測量，機械慣性導(dǎo)致的測量輪的轉(zhuǎn)動不會當(dāng)作有效的長度的計算。其測量輪和傳感器安裝示意圖如圖1所示。為了正確的識別被測物的運動方向，達到正確的測量長度的目的，要求測量輪上粘貼磁片的大小和傳感器的安裝有一定的要求。磁片大小和兩個霍爾傳感器的尺寸相近。這樣保證了兩個霍爾傳感器輸出脈沖在電角度上相差90度。由于測量精度要求達0.1m，故測量輪轉(zhuǎn)動（即1米）三圈傳感器必須輸出10個以上的脈沖。于是磁片的數(shù)量不少于10/3＝4個，但考慮到長度的計算，本文設(shè)計選用5個。磁片數(shù)越多，精度越高。但相互之間的影響導(dǎo)致磁片位置過近，反而給測量帶來不利。于是測量輪上的磁片數(shù)量應(yīng)有一個限制，故而要求傳感器的尺寸盡可能的小。

2. 霍爾傳感器電路。通過上面的系統(tǒng)分析和方案設(shè)計，改造的計米器中選用的集成開關(guān)霍爾傳感器[1,2]為CS3020，它是由電壓調(diào)整器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出集成的集成電路。其結(jié)構(gòu)和接線如圖2所示。

計米器中將磁鐵的長度做成大約為兩個霍爾元件的寬度，其作用是使A、B兩個霍爾元件發(fā)出的脈沖波形相位大約相差90°，使得鑒相和記數(shù)比較方便。之所以將兩個霍爾元件并排放置是因為改造計米器的要求有：

圖1 系統(tǒng)測量輪和傳感器安裝示意圖

1）能夠識別產(chǎn)品的正、反方向運動。

2）測量產(chǎn)品的長度，精度為+0.1 m。在測量輪中平均放置有5個磁鐵，轉(zhuǎn)輪每三圈為1米，所以轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)過一米時可測得30個脈沖，既每3個脈沖為0.1m，易于在單片機中實現(xiàn)，且精度符合要求。另外，鑒相原理是通過判斷兩霍爾傳感器的相位差來實現(xiàn)的，所以要求兩霍爾元件并排排列。而且要求兩霍爾寬度的和與磁鐵的寬度相差不大。

圖2 CS3020霍爾傳感器結(jié)構(gòu)和接線圖

3. 系統(tǒng)電路設(shè)計。廉價高性能單片機AT89C1051/AT89C2051是美國愛特梅爾（ATMEL）生產(chǎn)的一種可工作于低電壓的CMOS 8位單片機，并且有1K字節(jié)的閃爍存儲器、它采用目前流行的80C31單片機內(nèi)核，指令系統(tǒng)與MCS-51系列完全兼容，它除了沒有外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器等擴展功能外，具有80C31單片機所有的功能。系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

本電源采用常用的橋式整流，經(jīng)濾波后輸出，由于單片機對電源的要求較高，所以我們采用了MC7805穩(wěn)壓管，即圖上的VCC接口；而對于傳感器的供電，由于霍爾傳感器的供電電壓可有4.5~9V，所以對電壓要求不高，本著盡量降低成本而不損失系統(tǒng)穩(wěn)定性的原則下，選擇經(jīng)橋式整流，再經(jīng)濾波后直接輸出。這樣，既降低了系統(tǒng)的成本，又不失系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖中的VCCPP即為對傳感器的供電接口；而VCCP接口是對LED顯示電路進行供電的，這是由于大型LED顯示器要求較大的電流，所以專門給它提供電源。

圖3 系統(tǒng)電路圖

圖中霍爾傳感器的脈沖輸出經(jīng)過光電隔離送入單片機；長度的顯示采用動態(tài)顯示方法以節(jié)約硬件成本。通訊采用傳統(tǒng)的RS-232轉(zhuǎn)換成RS-485實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通訊，將測量的長度信息傳輸?shù)缴衔挥嬎銠C便于管理。由于上位計算機的數(shù)據(jù)庫管理軟件較為成熟，故不敘述。

三、鑒向與長度測量的軟件設(shè)計

為正確測量長度，必須測量被測物的運動方向，也就是測量輪的正反鑒向。傳統(tǒng)的方法是硬件鑒向[3,4,5]，如圖4所示。隨著單片機在測控儀表中的廣泛應(yīng)用，也出現(xiàn)了軟件鑒向方法，但其程序設(shè)計通常是列舉出各種情況下的兩相脈沖狀況，如文獻3枚舉了4種情況的8種計數(shù)方式下軟件鑒向的方法。

顯然這在程序設(shè)計中比較復(fù)雜，本文分析硬件的基礎(chǔ)上，用軟件來實現(xiàn)其硬件功能。從圖4的a圖的硬件鑒向和b圖正、反轉(zhuǎn)時序圖可看出，關(guān)鍵是在B向的上升沿時，A相的電平情況。在B相出項上升沿時，A相如為低電平，則判斷為正轉(zhuǎn)。同時也可以判斷出現(xiàn)了一個計數(shù)脈沖；反之，當(dāng)B相出現(xiàn)上升沿時，A相為高電平，則判斷為反轉(zhuǎn)，同時也表示出現(xiàn)一個計數(shù)脈沖。而判斷B相是否出現(xiàn)上升沿，在單片機中只要用到位指令，當(dāng)然，還必須有記錄B相電平狀態(tài)的寄存器，只有當(dāng)B為高電平，同時電平狀態(tài)寄存器存放著上次采樣時的電平狀態(tài)，如為低時，才表示出現(xiàn)脈沖；如高，則還是處于高電平狀態(tài)，不是上升沿，即不能計數(shù)。顯然用這種方法易于編程。由于上述的傳感器硬件設(shè)計上使得測量輪轉(zhuǎn)動3圈產(chǎn)生15個脈沖，在將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化為長度的計算中，程序設(shè)計上摒棄了浮點運算，而是采用3個脈沖計算0.2m，又由于精度要求為0.1m，故3個脈沖計算2個計量單位（0.2m）可以滿足精度要求而不必進行浮點運算。

圖4 方向辨別原理圖和波形圖

四、結(jié)論

本系統(tǒng)通過對傳統(tǒng)機械計米器的智能化改造，并應(yīng)用于紡織企業(yè)的布匹長度測量，結(jié)果表明系統(tǒng)可以有效的克服了機械式計米器的機械慣性作用導(dǎo)致測量誤差，通過采用計算機管理布匹的信息，減少了廠家與經(jīng)銷商之間的摩擦，提高了產(chǎn)品信譽，是將現(xiàn)代電腦技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)有機結(jié)合起來的成功例子。

[1] 胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù)[M]. 北京：清華出版社. 1996.

[2] 強錫富.傳感器[M]. 北京：機械工業(yè)出版社. 1994.

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[4] 方佩敏.新編傳感器原理?應(yīng)用?電路詳解[M]. 北京：電子工業(yè)出版社. 1994.

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