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)

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)分析

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(jì)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 各模塊方案選擇與論證

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(jì)方便，資源豐富，可以滿足本設(shè)計(jì)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(jì)方案框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

2 理論分析與計(jì)算

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(jì)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(jì)算角度是本題的難點(diǎn)，若采用數(shù)學(xué)公式計(jì)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(jì)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(jì)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。

2.1 角度與鋼球滾動時間關(guān)系

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

2.2 測試結(jié)果與分析(測量數(shù)據(jù)單位均為°)

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。

3 軟件與部分硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 電平轉(zhuǎn)換電路

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(jì)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。

4 結(jié)論

我們設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)競賽，參賽作品榮獲國家二等獎。