基于STC15W4K56S4單片機(jī)控制的管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動(dòng)測量裝置設(shè)計(jì)

張仁朝　王先彪　張茂貴

摘? 要：文章設(shè)計(jì)了一種基于STC15W4K56S4單片機(jī)控制的管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動(dòng)測量裝置。該裝置采用霍爾傳感器測量鋼珠運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過鋼珠在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)建立數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼珠個(gè)數(shù)、運(yùn)動(dòng)方向、角度、周期的測量，通過標(biāo)定法減小系統(tǒng)誤差，并在12864LCD上進(jìn)行顯示。該裝置可以較好地完成鋼珠數(shù)量與運(yùn)動(dòng)方向顯示，并且將傾斜角度誤差的絕對(duì)值在誤差范圍之內(nèi)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);運(yùn)動(dòng);測量;顯示

中圖分類號(hào)：TP368.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）02-0041-04

Abstract：In this paper，a steel ball motion measuring device in pipeline is designed based on STC15W4K56S4 single chip microcomputer. The device uses Hall sensor to measure the movement parameters of steel balls，establishes the mathematical model through the movement characteristics of steel balls in the pipeline，realizes the measurement of the number of steel balls，movement direction，angle and period by using the mathematical model，reduces the system error by the calibration method，and displays on 12864LCD. The device can display the number of steel balls and the direction of movement well，and the absolute value of the tilt angle error is within the error range.

Keywords：SCM;motion;measure;display

0? 引? 言

角度測量在我們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用非常廣泛。測量一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體角度的方法除了角度傳感器，應(yīng)用比較多的就是霍爾傳感器。通過霍爾傳感器，單片機(jī)控制液晶顯示運(yùn)動(dòng)物體的數(shù)量與角度，是角度測量的另一有效措施。

1? 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文計(jì)劃設(shè)計(jì)并制作一個(gè)管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動(dòng)測量裝置，使用2個(gè)非接觸傳感器檢測鋼珠運(yùn)動(dòng)，配合信號(hào)處理和顯示電路獲得鋼珠的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

根據(jù)以上要求，本系統(tǒng)主要由傳感器模塊、主控制模塊 （MCU）、放大電路模塊、比較電路模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊、電源模塊構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? 方案論證與選擇

2.1? 傳感器的選擇

2.1.1? 霍爾傳感器

霍爾效應(yīng)是指磁場作用于導(dǎo)體的載流子產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。當(dāng)電流通過霍爾元件時(shí)，垂直于電流的方向放置磁鐵施加磁場，則霍爾元件兩側(cè)面會(huì)出現(xiàn)橫向電位差（即稱為霍爾電壓），因?yàn)殇撝闈L過管道引起霍爾傳感器的磁場變化，所以霍爾元件將磁場的變化轉(zhuǎn)為電信號(hào)傳輸給控制器來處理，從而實(shí)現(xiàn)測速和測長度等。霍爾傳感器在實(shí)際測試中精確度高、靈敏度高、可靠性高、穩(wěn)定性好。

2.1.2? 光電傳感器

光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來實(shí)現(xiàn)控制。將燈安裝在管道一側(cè)，光電傳感器安裝在另一側(cè)，當(dāng)鋼珠經(jīng)過管道，光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并獲得鋼珠運(yùn)動(dòng)系數(shù)。管道的管壁較厚，光電傳感器不易檢測到鋼珠。

2.1.3? 電感式傳感器

當(dāng)鋼珠穿過管道，電感式傳感器利用電磁感應(yīng)獲得鋼珠運(yùn)動(dòng)軌跡，再由電感式傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸送給控制器。電感式傳感器精確度高、靈敏度高，但在管壁上不好安裝。

綜合考慮，選擇使用霍爾傳感器。

2.2? 主控制器的選擇

2.2.1? STC15W4K56S4

STC15W4K56S4運(yùn)算速度比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)快7～12倍，存儲(chǔ)空間大。具有超高速四串口/UART，分時(shí)切換可當(dāng)9組串口使用，功能基本滿足系統(tǒng)要求。

2.2.2? STC89C52

STC89C52是一種低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，具有8 K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，可直接使用串口下載，但運(yùn)算速度較慢且存儲(chǔ)空間較小。

2.2.3? STM8

其內(nèi)核為高級(jí)STM8內(nèi)核，具有8 K字節(jié)Flash程序存儲(chǔ)器?？垢蓴_能力強(qiáng)，系統(tǒng)成本低。

綜合考慮，選擇STC15W4K56S4芯片。

3? 鋼珠運(yùn)動(dòng)與工作原理

將霍爾傳感器安裝在管道一側(cè)，在管道另一側(cè)放置磁鐵形成磁場。當(dāng)鋼珠經(jīng)過管道，霍爾傳感器的磁場出現(xiàn)變化，形成電位差，霍爾元件再將信號(hào)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。根據(jù)鋼珠在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，建立數(shù)學(xué)模型。

在加速直線運(yùn)動(dòng)中，鋼珠在重力G作用下做加速運(yùn)動(dòng)。根據(jù)直線運(yùn)動(dòng)位移公式，鋼珠在t時(shí)間內(nèi)位移量為S，其初速度為V0，加速度為a：

實(shí)際測量中，除了存在摩擦力（摩擦因數(shù)很小，可忽略不計(jì)）造成的誤差之外，還有在移動(dòng)傳感時(shí)，兩個(gè)傳感器之間的距離和管口到兩個(gè)傳感器的距離會(huì)產(chǎn)生誤差。除此之外還有霍爾傳感器探測精度的誤差。

為了減小誤差，我們采用標(biāo)定法。即先設(shè)定好傳感器A與傳感器B之間的距離并且鍵入Sa、Sb，再確定管道角度（例如45°或60°），放置小球后，通過測出的角度與實(shí)際角度對(duì)比，手動(dòng)調(diào)整傳感器A與傳感器B之間的距離。通過矯正，減小系統(tǒng)誤差。

4? 電路設(shè)計(jì)

4.1? 放大比較模塊

霍爾傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)過放大電路進(jìn)行100倍放大后，用比較器進(jìn)行比較，輸出到單片機(jī)，如圖2所示。

4.2? 電源模塊

將220 V交流電經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)為12 V直流電，再由電源模塊進(jìn)行整流、濾波、輸出穩(wěn)定的5 V直流電，給系統(tǒng)供電，如圖3所示。

4.3? 按鍵電路

由3×4矩陣組成按鍵電路，配合程序進(jìn)行數(shù)值鍵入、清零等功能，如圖4所示。

4.4? 顯示模塊

本模塊采用128×64LED點(diǎn)陣顯示。帶中文字庫的128× 64具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字。也可完成圖形顯示，低電壓、低功耗是其顯著特點(diǎn)。

5? 軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖5所示。主程序通過按鍵進(jìn)行功能切換，顯示鋼珠的個(gè)數(shù)、計(jì)算角度與運(yùn)動(dòng)的方向。

6? 測試結(jié)果與分析

測試儀器：量尺、量角器、秒表。測試結(jié)果如表1、表2所示。

其中，S1、S2為管口分別到傳感器A和傳感器B的距離。間距為傳感器A與傳感器B之間的距離。

從表1可以看出，基本要求中的鋼珠個(gè)數(shù)、鋼珠運(yùn)動(dòng)方向、鋼珠運(yùn)動(dòng)周期的測試結(jié)果完全正確，符合基本要求中的測量指標(biāo)。從表2的角度測量表可以看出，10°到60°的角度誤差在1°內(nèi)，60°到80°角度測量的誤差在2°內(nèi)，整個(gè)測量的角度誤差都在3°內(nèi)，并且能夠準(zhǔn)確地顯示出來，符合題目發(fā)揮部分設(shè)計(jì)的要求。

7? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)的管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動(dòng)測量裝置，來源于全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽試題。該裝置以STC15W4K56S4單片機(jī)為核心，經(jīng)過實(shí)際測試，能夠準(zhǔn)確測量鋼珠個(gè)數(shù)、運(yùn)動(dòng)方向與周期，并能顯示管道的角度。角度的誤差在允許范圍之內(nèi)，且管道支架牢固、系統(tǒng)穩(wěn)定，較好地完成了試題的要求。

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作者簡介：張仁朝（1982-），男，漢族，安徽淮北人，高級(jí)實(shí)

驗(yàn)師，碩士，本科，研究方向：單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用、實(shí)訓(xùn)教學(xué)與管理。