基于飛思卡爾單片機(jī)的木棒長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)

閆冬梅，康 冰，王有維

（吉林大學(xué)a.網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130062；b.通信工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130023）

基于飛思卡爾單片機(jī)的木棒長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)

閆冬梅1，康 冰2，王有維1

（吉林大學(xué)a.網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130062；b.通信工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130023）

為解決工業(yè)生產(chǎn)中長(zhǎng)度測(cè)量的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于飛思卡爾單片機(jī)的木棒長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以飛思卡爾單片機(jī)為核心控制器，利用勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流電機(jī)帶動(dòng)履帶，履帶兩側(cè)等距離放置三組紅外發(fā)射與接收管。將木棒放在履帶上，當(dāng)木棒通過(guò)紅外對(duì)管時(shí)利用飛思卡爾單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，得出木棒的移動(dòng)時(shí)間，從而算出木棒的長(zhǎng)度，并用1602顯示屏顯示出木棒的長(zhǎng)度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)的測(cè)量誤差小于0.05%。

飛思卡爾單片機(jī)；直流電機(jī)；紅外對(duì)管；計(jì)時(shí)器

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)中，很多工件需要進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量。在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中，往往需要人工測(cè)量生產(chǎn)線上的工件的長(zhǎng)度并注意記錄。這樣的測(cè)量方法不僅速度慢，而且易因?yàn)闄z測(cè)人員讀數(shù)不準(zhǔn)或疲勞而產(chǎn)生較大的誤差。而且，有些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)是不適宜進(jìn)行人工測(cè)量的，如，高溫或有劇毒的現(xiàn)場(chǎng)。利用飛思卡爾單片機(jī)和紅外測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工件長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，不僅具有準(zhǔn)確性高、速度快等特點(diǎn)，還可以節(jié)省大量的人力，大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平［1］。筆者用運(yùn)動(dòng)的木棒模擬生產(chǎn)線上的工件長(zhǎng)度，并進(jìn)行了測(cè)量。

1 方案論證

目前，關(guān)于運(yùn)動(dòng)工件長(zhǎng)度的測(cè)量方案有很多種，但各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1）多組光電對(duì)管測(cè)長(zhǎng)度。該方案是在滑槽兩側(cè)等距離地設(shè)置多組光電對(duì)管（一般是11組），通過(guò)計(jì)算被工件擋住的光電對(duì)管的個(gè)數(shù)，再根據(jù)相鄰兩組光電對(duì)管的距離，得出被測(cè)工件的長(zhǎng)度。這種方案的缺點(diǎn)是光電對(duì)管的個(gè)數(shù)過(guò)多，接線非常復(fù)雜，且光電對(duì)管的信號(hào)線占用了大量的I／O端口資源。

2）基于CCD［2，3］（Charg Couple Device）攝像頭的長(zhǎng)度測(cè)量方案。該方案是利用CCD攝像頭對(duì)生產(chǎn)線上的工件進(jìn)行圖像采集［4］，然后利用圖像處理技術(shù)對(duì)工件進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量。該方案的優(yōu)點(diǎn)是硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是利用圖像處理技術(shù)［5，6］使軟件設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。

3）基于飛思卡爾單片機(jī)的方案。該系統(tǒng)以飛思卡爾單片機(jī)為核心控制器，利用勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流電機(jī)帶動(dòng)履帶，履帶兩側(cè)等距離（距離為5cm）放置3組紅外發(fā)射與接收管［7］。將木棒放在履帶上，隨著履帶移動(dòng)，當(dāng)木棒通過(guò)紅外對(duì)管時(shí)利用飛思卡爾單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，離開(kāi)時(shí)結(jié)束計(jì)時(shí)，得出木棒的移動(dòng)時(shí)間。木棒的移動(dòng)速度可以由兩組光電對(duì)管之間的距離除以木棒通過(guò)這段距離的時(shí)間得出。因此，已知木棒的移動(dòng)時(shí)間和移動(dòng)速度，即可算出木棒的長(zhǎng)度。該方案硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，軟件實(shí)現(xiàn)也相對(duì)簡(jiǎn)單。但電機(jī)的轉(zhuǎn)速不易控制，難以保證電機(jī)在空載和負(fù)載的情況下保持恒定的速度。為解決這個(gè)問(wèn)題，該方案增加光電編碼器［8］對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋，使電機(jī)控制形成一個(gè)閉環(huán)，再結(jié)合PID［9］（Proportion Integration Differentiation）控制算法可極大地提高電機(jī)的抗干擾能力［10］，保證電機(jī)以恒定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由飛思卡爾單片機(jī)、直流電機(jī)模塊、紅外對(duì)管模塊和顯示模塊等組成（見(jiàn)圖1）。

圖1 系統(tǒng)的硬件框圖Fig.1Hardware of system

1）紅外對(duì)管模塊。系統(tǒng)中，有3對(duì)紅外對(duì)管等距離分布在滑槽兩側(cè)，彼此間的距離是5cm。它們之間的距離要盡可能精確，這直接關(guān)系到木棒運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量，進(jìn)而影響到木棒長(zhǎng)度測(cè)量的結(jié)果。設(shè)置3組紅外對(duì)管是為了判斷木棒運(yùn)動(dòng)時(shí)是正向還是反向，從而實(shí)現(xiàn)木棒的正向計(jì)數(shù)和反向扣除。

2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)及光電編碼器反饋模塊［11］。系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)芯片采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的半橋式驅(qū)動(dòng)器MC33886。MC33886用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)［12］的運(yùn)轉(zhuǎn)、停止、加速、減速和制動(dòng)。直流電機(jī)的控制信號(hào)由飛思卡爾單片機(jī)PWM（Pulse Width Modulation）信號(hào)［13］產(chǎn)生。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)采用兩片MC33886并聯(lián)的方式驅(qū)動(dòng)。光電編碼器用來(lái)反饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，其輸出信號(hào)為脈沖形式，由飛思卡爾單片機(jī)定時(shí)捕捉脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。

3）1602 顯示器模塊。1602顯示模塊用來(lái)顯示木棒的長(zhǎng)度及相關(guān)狀態(tài)信息。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，運(yùn)行初始化程序。初始化包括I／O口初始化、PWM初始化、RTI（Rea-Time Interface）初始化、1602顯示模塊初始化等。

初始化程序后，開(kāi)始運(yùn)行主程序。這里要定義一個(gè)全局變量RTI-counter，用來(lái)對(duì)RTI中斷［14］進(jìn)行計(jì)數(shù)。飛思卡爾單片機(jī)的RTI中斷是周期定時(shí)器中斷，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的寄存器，可使RTI的周期最短設(shè)置為64μs。當(dāng)檢測(cè)到木棒首端通過(guò)紅外對(duì)管時(shí)，記下RTI-counter，存為time1；當(dāng)檢測(cè)到木棒末端通過(guò)紅外對(duì)管時(shí)，記下RTI-counter，存為time2。time2與time1相減，再乘以RTI中斷的周期，得到木棒的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。當(dāng)檢測(cè)到木棒的首端通過(guò)第2對(duì)紅外對(duì)管時(shí)，記下此時(shí)的RTI-counter，存為time3。time3與time1相減，再乘以RTI中斷的周期，再用5cm除以該時(shí)間，得到木棒的運(yùn)動(dòng)速度。用木棒的運(yùn)動(dòng)速度乘以木棒的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，得到木棒的長(zhǎng)度。

電機(jī)控制的PID算法如下

其中Kp為比例系數(shù)，TI為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)，T為采樣周期，ei為此時(shí)刻的誤差，ei－1為前一時(shí)刻的誤差，ei－2為前兩時(shí)刻的誤差。

PID參數(shù)的確定采用Z-N（Ziegler-Nichols）震蕩法，方法如下。

在比例控制環(huán)節(jié)中，給定一個(gè)很小比例系數(shù)，逐步增加比例系數(shù)，在保證系統(tǒng)的輸出還是震蕩的情況下，記下系統(tǒng)的臨界比例增益Kp＝Kc和系統(tǒng)的震蕩周期Pc。

根據(jù)表1確定控制器的PID參數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得該系統(tǒng)的PID參數(shù)為

表1 Z-N震蕩法的參數(shù)設(shè)置Tab.1Parameters of Z-N Shock

系統(tǒng)的軟件流程圖和中斷流程圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 系統(tǒng)的軟件流程圖Fig.2Flow chart of the system software

圖3 中斷流程圖Fig.3Flow chart of interrupt

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)完成后，對(duì)該系統(tǒng)的精度進(jìn)行了測(cè)試［15］，即用不同長(zhǎng)度的木棒進(jìn)行試驗(yàn)，用來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 木棒的實(shí)際尺寸、測(cè)量尺寸和誤差Tab.2Trim size，measurement of stick and error

由表2可以看出，筆者所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能準(zhǔn)確測(cè)量木棒的長(zhǎng)度，誤差［16，17］范圍小于0.05%。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)以飛思卡爾單片機(jī)為核心控制器的木棒長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)，利用直流電機(jī)和3組紅外發(fā)射與接收管。通過(guò)對(duì)各種方案的論證和對(duì)比，得出了筆者的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量誤差小于0.05%，很好地證明了系統(tǒng)的可行性。

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Stick Length Measurement System Based on Freescale Microcontroller

YAN Dong-mei1，KANG Bing2，WANG You-wei1
（1.Center of Network ＆Educational Technology，Jilin University，Changchun 130062，China；2.College of Communication Engineering，Jilin University，Changchun 130023，China）

In order to solve the problem of the length measurement in industrial settings，we designed a system measuring the stick length based on freescale microcontroller.This system used a freescale microcontroller as the key controller.There is a track driven by a DC（Direct Current）motor which is turning with a constant speed.We placed three groups infrared transmitting and receiving devices whose distance was equal on both sides of the track.Place the stick on the track and the internal timer began to countime when the stick crossed the infrared device.Then we can get the moving time of the stick and obtaining the length of the stick.Finally，we used a 1602monitor to display the length of the stick.Through the experiment，the measurement error of this system was less than 0.05%.

freescale microcontroller；direct current motor；infrared device；timer

TG156；TP271

A

1671-5896（2012）01-0095-05

2011-08-11

閆冬梅（1978—），女，吉林伊通人，吉林大學(xué)工程師，主要從事網(wǎng)絡(luò)控制及智能控制技術(shù)研究，（Tel）86-13943017022（E-mail）ydm＠jluhp.edu.cn；王有維（1961—），男，哈爾濱人，吉林大學(xué)教授，博士，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及控制理論的研究，（Tel）86-431-87836504（E-mail）wyw＠jluhp.edu.cn。

（責(zé)任編輯：劉俏亮）