魏孔貞 孫紅英 李 泉

（蘭州石化職業(yè)技術學院 電子電氣工程學院,甘肅 蘭州730060）

1 概述

本設計來源于全國大學生電子設計競賽，通過一個管道A、B 兩端任意位置進行釋放小球，AB 兩端的距離任意，要能夠測量出釋放小球的個數(shù)、管道的傾斜角度、小球的運動方向以及小球在管道內(nèi)擺動的周期或者頻率。設計的關鍵是傳感器的選擇與信號的接收，系統(tǒng)內(nèi)部的控制算法和顯示，難點在于脈沖信號的獲取和小球初始速度的影響。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)設計要求

設計并制作一個管道內(nèi)鋼珠運動測量裝置，使用2 個非接觸傳感器檢測鋼珠運動，傳感器1 和傳感器2 之間的距離任意，配合信號處理和顯示電路獲得鋼珠的運動參數(shù)。傾斜角為0o～800之間的某一角度，由A 端放入1 粒鋼珠，要求裝置能夠顯示傾斜角的角度值，測量誤差的絕對值≤30。

2.2 方案論證

2.2.1 控制器選擇

方案一: STC89C51RC 是采用8051 核的ISP 在系統(tǒng)可編程芯片，工作時鐘頻率高，內(nèi)存小、保護能力差，功耗較高，運行速度慢，單片機內(nèi)集成資源少[1]。方案二: AVR ATmega128 單片機，運行時鐘高，外圍電路簡單，硬件設計方便，資源豐富，可以滿足本設計的要求。通過比較，綜合考慮認為在滿足功能要求的前提下使用AVR ATmega128 單片機，運行速度較快，資源較多。

2.2.2 傳感器選擇

電感線圈式金屬探測器是由高頻振蕩器、震蕩檢測器、音頻振蕩器和功率放大器組成，與傳統(tǒng)探測器相比：探測器工作面的特殊設計，探測面積大、掃描速度快、靈敏度極高。其缺點是要進行復雜的濾波算法，信號檢測不穩(wěn)定。電感式接近開關作為鋼珠檢測傳感器，其優(yōu)點為輸出的信號是數(shù)字方波，信號穩(wěn)定，便于檢測與計算最終根據(jù)實際情況，選擇傳感器采用TLQ5MC-7 方柱型直流三線式金屬接近開關。

3 系統(tǒng)理論分析與計算

3.1 數(shù)學模型

必須通過檢測鋼珠運動，利用時間和距離的關系，根據(jù)牛頓運動定律來計算管道的傾斜角α[2]。根據(jù)牛頓第三定律，F(xiàn)=ma,小球受力分析如圖1 所示，則小球的加速度a 與管道傾角α 的關系f=mgsinα。

圖1 小球運動示意圖

3.2 小球加速度a 的測量

3.2.1 針對本題目，傳感器安裝位置不定，投放小球的“手法”不同，初速度v0難以確定。

3.2.2 必須測量兩組距離及對應時間聯(lián)立方程，“消除”v0，求得加速度a。

解得

4 系統(tǒng)硬件、軟件設計

4.1 系統(tǒng)總體設計

選擇AVR ATmega128 單片機作為主控器，并通過角度傳感器和金屬接近開關與LCD 液晶進行實時顯示數(shù)據(jù)。AVR ATmega128 單片機具有高可靠性、功能強、高速度、低功耗、低價格等優(yōu)點。AVR 單片機廢除機器周期，采用RISC，以字為指令長度單位，取指周期短，可預取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，可高速執(zhí)行指令。有高可靠性為后盾[3]。AVR 單片機在軟/硬件開銷、速度、性能和成本多方面取得優(yōu)化平衡，是高性價比的單片機。內(nèi)嵌高質量的Flash 程序存儲器，擦寫方便，支持ISP 和IAP，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開發(fā)、生產(chǎn)、更新。AVR ATmega128 單片機定時器（4個）工作模式多（定時、計數(shù)、PWM、捕捉等）、豐富的中斷資源（35 個）完全可以滿足系統(tǒng)要求，系統(tǒng)硬件總體框圖如圖2 所示。

圖2

4.2 電路設計

根據(jù)控制要求，設計電路主要包括初速度調(diào)節(jié)模塊，功能選擇與距離設定模塊、時間測量加速度和傾斜角計算模塊、傳感器信號檢測模塊、電平匹配模塊、升壓模塊等。

4.3 軟件設計

充分利用單片機內(nèi)部的硬件資源:定時器、各種中斷，以提高測量裝置的實時性目的提高測量精度。設計主要內(nèi)容計算加速度、傾角：

4.3.1 脈沖信號分析

小球經(jīng)過傳感器時的脈沖信號，及變量的約定：傳感器未檢測到金屬，輸出高電平，傳感器檢測到金屬，燈亮，輸出低電平。

圖3

L0不是傳感器的寬度，它與小球的尺寸、傳感器的靈敏度、感應面積、響應速度、安裝距離位置有關，（具體制作的裝置取值是12.6mm）, L1為任意距離，可以根據(jù)實際要求固定為20mm。

4.3.2 時間的“獲取”（送到單片機）

傳感器A（B）脈沖由PE7（PE6）傳至AVR ATmega128 單片機引腳INT7/ICP3（INT6/T3），傳感器脈沖功能下降沿中斷、上升沿捕捉、下降沿中斷[4]。第一次下降沿中斷定時器清零TCNT3=0,上升沿捕捉定時器ICR=TCNT3, 第二次下降沿讀取定時器TCNT3。

圖4

4.3.3 調(diào)試與測試

根據(jù)要求進行了不同角度的調(diào)試，除80°效果不太理想,其它都接近控制要求。分析其原因就是當角度接近90°的時候，小球不再沿管壁運動，與管材內(nèi)壁的平整、投放小球的“手法”影響了小球的運動，這樣小球經(jīng)過傳感器時“距離”會有微小的變化，導致距離發(fā)生變化。一個原因是當角度接近90°時，α 對加速度“很敏感”。另一原因就是對時間本身就很敏感，a 對t 偏微分將出現(xiàn)t 的4 次方。如果要解決這個問題就需要選擇高靈敏度的傳感器。

結束語

本系統(tǒng)設計利用單片機和傳感器，對管道內(nèi)鋼珠運動進行了個數(shù)、運動的方向，距離的測量和計算，根據(jù)不同的初速度和角度，通過單片機快速計算和中斷能力，最終實現(xiàn)了控制要求，較好的完成了控制要求，為我們以后測量提供了新的方法和新的思路。