基于ATmega128 控制的管道鋼珠測(cè)量設(shè)計(jì)

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）

1 概述

本設(shè)計(jì)來(lái)源于全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，通過(guò)一個(gè)管道A、B 兩端任意位置進(jìn)行釋放小球，AB 兩端的距離任意，要能夠測(cè)量出釋放小球的個(gè)數(shù)、管道的傾斜角度、小球的運(yùn)動(dòng)方向以及小球在管道內(nèi)擺動(dòng)的周期或者頻率。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是傳感器的選擇與信號(hào)的接收，系統(tǒng)內(nèi)部的控制算法和顯示，難點(diǎn)在于脈沖信號(hào)的獲取和小球初始速度的影響。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動(dòng)測(cè)量裝置，使用2 個(gè)非接觸傳感器檢測(cè)鋼珠運(yùn)動(dòng)，傳感器1 和傳感器2 之間的距離任意，配合信號(hào)處理和顯示電路獲得鋼珠的運(yùn)動(dòng)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(cè)量誤差的絕對(duì)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(shí)鐘頻率高，內(nèi)存小、保護(hù)能力差，功耗較高，運(yùn)行速度慢，單片機(jī)內(nèi)集成資源少[1]。方案二: AVR ATmega128 單片機(jī)，運(yùn)行時(shí)鐘高，外圍電路簡(jiǎn)單，硬件設(shè)計(jì)方便，資源豐富，可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。通過(guò)比較，綜合考慮認(rèn)為在滿足功能要求的前提下使用AVR ATmega128 單片機(jī)，運(yùn)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(cè)器是由高頻振蕩器、震蕩檢測(cè)器、音頻振蕩器和功率放大器組成，與傳統(tǒng)探測(cè)器相比：探測(cè)器工作面的特殊設(shè)計(jì)，探測(cè)面積大、掃描速度快、靈敏度極高。其缺點(diǎn)是要進(jìn)行復(fù)雜的濾波算法，信號(hào)檢測(cè)不穩(wěn)定。電感式接近開(kāi)關(guān)作為鋼珠檢測(cè)傳感器，其優(yōu)點(diǎn)為輸出的信號(hào)是數(shù)字方波，信號(hào)穩(wěn)定，便于檢測(cè)與計(jì)算最終根據(jù)實(shí)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(kāi)關(guān)。

3 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

3.1 數(shù)學(xué)模型

必須通過(guò)檢測(cè)鋼珠運(yùn)動(dòng)，利用時(shí)間和距離的關(guān)系，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律來(lái)計(jì)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(yùn)動(dòng)示意圖

3.2 小球加速度a 的測(cè)量

3.2.1 針對(duì)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(cè)量?jī)山M距離及對(duì)應(yīng)時(shí)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(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

選擇AVR ATmega128 單片機(jī)作為主控器，并通過(guò)角度傳感器和金屬接近開(kāi)關(guān)與LCD 液晶進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。AVR ATmega128 單片機(jī)具有高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗、低價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)。AVR 單片機(jī)廢除機(jī)器周期，采用RISC，以字為指令長(zhǎng)度單位，取指周期短，可預(yù)取指令，實(shí)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(jī)在軟/硬件開(kāi)銷、速度、性能和成本多方面取得優(yōu)化平衡，是高性價(jià)比的單片機(jī)。內(nèi)嵌高質(zhì)量的Flash 程序存儲(chǔ)器，擦寫方便，支持ISP 和IAP，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、更新。AVR ATmega128 單片機(jī)定時(shí)器（4個(gè)）工作模式多（定時(shí)、計(jì)數(shù)、PWM、捕捉等）、豐富的中斷資源（35 個(gè)）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(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，設(shè)計(jì)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(shí)間測(cè)量加速度和傾斜角計(jì)算模塊、傳感器信號(hào)檢測(cè)模塊、電平匹配模塊、升壓模塊等。

4.3 軟件設(shè)計(jì)

充分利用單片機(jī)內(nèi)部的硬件資源:定時(shí)器、各種中斷，以提高測(cè)量裝置的實(shí)時(shí)性目的提高測(cè)量精度。設(shè)計(jì)主要內(nèi)容計(jì)算加速度、傾角：

4.3.1 脈沖信號(hào)分析

小球經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)的脈沖信號(hào)，及變量的約定：傳感器未檢測(cè)到金屬，輸出高電平，傳感器檢測(cè)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(shí)際要求固定為20mm。

4.3.2 時(shí)間的“獲取”（送到單片機(jī)）

傳感器A（B）脈沖由PE7（PE6）傳至AVR ATmega128 單片機(jī)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(shí)器清零TCNT3=0,上升沿捕捉定時(shí)器ICR=TCNT3, 第二次下降沿讀取定時(shí)器TCNT3。

圖4

4.3.3 調(diào)試與測(cè)試

根據(jù)要求進(jìn)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(shí)候，小球不再沿管壁運(yùn)動(dòng)，與管材內(nèi)壁的平整、投放小球的“手法”影響了小球的運(yùn)動(dòng)，這樣小球經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)“距離”會(huì)有微小的變化，導(dǎo)致距離發(fā)生變化。一個(gè)原因是當(dāng)角度接近90°時(shí)，α 對(duì)加速度“很敏感”。另一原因就是對(duì)時(shí)間本身就很敏感，a 對(duì)t 偏微分將出現(xiàn)t 的4 次方。如果要解決這個(gè)問(wèn)題就需要選擇高靈敏度的傳感器。

結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用單片機(jī)和傳感器，對(duì)管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了個(gè)數(shù)、運(yùn)動(dòng)的方向，距離的測(cè)量和計(jì)算，根據(jù)不同的初速度和角度，通過(guò)單片機(jī)快速計(jì)算和中斷能力，最終實(shí)現(xiàn)了控制要求，較好的完成了控制要求，為我們以后測(cè)量提供了新的方法和新的思路。