魏孔貞 孫紅英 李 泉
(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院,甘肅 蘭州730060)
本設(shè)計來源于全國大學(xué)生電子設(shè)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(shè)計的關(guān)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。
設(shè)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。
2.2.1 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(shè)計方便,資源豐富,可以滿足本設(shè)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(shè)計,探測面積大、掃描速度快、靈敏度極高。其缺點是要進行復(fù)雜的濾波算法,信號檢測不穩(wěn)定。電感式接近開關(guān)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(guān)。
必須通過檢測鋼珠運動,利用時間和距離的關(guān)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(guān)系f=mgsinα。
圖1 小球運動示意圖
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(yīng)時間聯(lián)立方程,“消除”v0,求得加速度a。
解得
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(guān)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(yù)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(zhì)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
根據(jù)控制要求,設(shè)計電路主要包括初速度調(diào)節(jié)模塊,功能選擇與距離設(shè)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。
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(shè)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(yīng)面積、響應(yīng)速度、安裝距離位置有關(guān),(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(dāng)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(dǎo)致距離發(fā)生變化。一個原因是當(dāng)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。
本系統(tǒng)設(shè)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。