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)鋼珠運動測量系統(tǒng)的設(shè)計

張桂紅

(武漢交通職業(yè)學(xué)院,湖北 武漢 430065)

文章設(shè)計了一個管道內(nèi)鋼珠運動測量裝置,通過檢測進(jìn)入管道鋼珠的運動狀態(tài),實現(xiàn)了鋼珠個數(shù)、運動方向、周期及管道放置角度的測量.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),將檢測到的信號發(fā)送至單片機(jī)進(jìn)行分析,計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;測量

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)總體方案如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

鋼珠以零速度進(jìn)入管道,兩個電感式接近開關(guān)傳感器分別檢測鋼珠運動到開關(guān)所需時間并送到單片機(jī)進(jìn)行處理,計算出兩點的不同速度,進(jìn)而計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,當(dāng)金屬物體接近磁場時振蕩發(fā)生變化,通過這一變化達(dá)到檢測目標(biāo)的目的.具有壽命長、低功耗的特點,檢測物體必須是導(dǎo)電體[2].

1.2.1 測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起始時間,t2為截止時間.將管道放置任一角度(10°~80°),從A端放入鋼珠,通過動能定理:

式中m為物體質(zhì)量,v為運動速度,J為轉(zhuǎn)動慣量,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)為從管口到任一點的距離.

考慮t1,t2的時刻所對應(yīng)的v1,v2代入式(4)得

通過傳感器檢測出v1,v2,代入式(5)可得

將測得v1,v2的值代入式(6),計算出管道放置的角度.

圖2 裝置模擬

1.2.2 檢測電路原理分析計算

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,振蕩器開始振蕩,輸出端產(chǎn)生一個持續(xù)的高電平,當(dāng)鋼珠接近感應(yīng)頭時,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出鋼珠的運動狀態(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

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),通過定時器得到時間t1,t2.經(jīng)單片機(jī)分析運算,計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,顯示鋼珠個數(shù)、運動周期和方向;按下鍵2,調(diào)節(jié)傳感器之間的距離并顯示;按下鍵3,顯示計算的角度[4].程序流程如圖4所示.

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

圖4 程序流程

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

[2]李艷紅.傳感器原理及實際應(yīng)用設(shè)計[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)計及應(yīng)用[J].長三角,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.