基于MC9S12XS128單片機的管道內鋼珠運動測量系統設計＊

邵華

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基于MC9S12XS128單片機的管道內鋼珠運動測量系統設計＊

邵華

（寧波城市職業技術學院 信息與智能工程學院，浙江 寧波 315100）

系統以單片機為核心控制模塊，采用電感式接近開關為傳感器實現鋼珠數量、管道傾斜角度的測量。系統通過兩個傳感器各自測得的信號計算鋼珠數量，然后計算不同管道傾角下兩個傳感器所測得時間間隔△，通過數據擬合獲取了與△的冪函數關系，并由此函數關系計算該管道傾斜角度。實驗證明，本系統能準確獲得鋼珠數量、運動方向及管道傾斜角度。

MC9S12XS128；電感式傳感器；鋼珠檢測；角度測量

管道內鋼珠運動測量系統是球桿系統的一種，是一個不穩定的開環物理控制系統。在該類系統中存在非線性、多變量、時變性和自然不穩定特性[1-3]，受影響的因素比較多，因此被控系統的數學模型并不容易準確建立。本文設計的管道內鋼珠運動測量系統從實驗數據角度出發，通過對大量數據詳細分析與擬合，找出管道內鋼珠運動系統中管道角度與鋼珠運動時間的基本函數關系，并以此函數關系來計算管道角度，滿足普通嵌入式系統實時獲得較好測量精度的要求。

1 系統設計原理分析

基于單片機的管道內鋼珠運動測量系統設計以單片機為控制核心，通過2個非接觸式電感接近開關檢測鋼珠運動。當鋼珠通過接近開關會產生脈沖信號，獲取該脈沖信號數量，獲得通過鋼珠數量。將2個電感接近開關分布于管道不同位置，檢測2個傳感器脈沖信號產生次序來判別鋼珠運動方向和運行周期。同時，檢測2個傳感器脈沖信號產生時間差來獲取管道的傾斜角度。管道內鋼珠運動測量系統如圖1所示。

圖1 管道內鋼珠運動測量系統框圖

1.1 鋼珠檢測原理分析

在本系統中，鋼珠檢測是通過電感式接近開關來實現。電感式接近開關是利用電渦流特性實現的傳感器，其由振蕩器、開關電路及內部放大輸出電路組成。振蕩器在傳感器感應面的前方產生高頻交變電磁場，當所測量的金屬物體接近磁場產生渦流效應，導致振蕩電路信號減弱，同時通過其后置電路放大該振蕩變化并轉換為開關輸出信號輸出，實現非接觸式金屬檢測[4]。

因此，鋼珠在管道內滾動通過電感式接近開關位置時，即可在三線制電感式接近開關信號端送出一個脈沖信號，通過單片機來捕獲該脈沖信號即可檢測到鋼珠。

1.2 鋼珠運動參數獲取分析

在本系統中需要獲取的運動參數分別為鋼珠數量、運動方向和管道傾斜角度。由于鋼珠滾動通過電感式接近開關位置時，即可在接近開關信號端送出一個脈沖信號，捕獲該脈沖信號數量即為鋼珠數量。

在管道角度獲取過程中，系統通過檢測不同管道角度下2個傳感器所測得鋼珠時間間隔?α，通過在不同角度下及不同2個非接觸傳感器不同間距條件下進行多次測量，對測量數據進行分析擬合，獲得管道角度和時間間隔?α之間的函數關系，即：

=（?α）. （1）

式（1）中：為系統參數，與2個傳感器分別在管道上所處位置及相互距離相關，當傳感器在管道上所處位置及相互距離固定后，可獲取固定值。

通過測試實驗結果驗證分析，該函數滿足冪函數關系：

=（?α）－. （2）

式（2）中：、為系統參數，與2個傳感器分別在管道上所處位置及相互距離相關。

2 系統硬件電路設計

本設計硬件模塊電路設計，其核心控制模塊為MC9S12XS128單片機[5]，主要應用了該款單片機的TIM模塊對外部通道的邊沿信號進行檢測。檢測系統以LJ12A3型電感接近開關為檢測傳感器，在本系統中，該傳感器用于檢測鋼珠信號，當鋼珠通過該傳感器時，會產生一個脈沖信號，用以啟動或停止MC9S12XS128單片機定時器，再由單片機記錄中斷時間和次數，并算出鋼珠數量、角度等信息。

3 系統測試及結果分析

3.1 鋼珠數量檢測

系統由A端放入 2～10 粒鋼珠，每粒鋼珠放入的時間間隔小于等于2 s，測試裝置顯示放入鋼珠個數。測試數據如表1所示。結果表明該系統滿足要求。

表1 鋼珠數量顯示測試結果（單位：粒）

序號放入鋼珠數量測得鋼珠數量 133 266 388 499 51010

3.2 管道傾斜角度測試

設定傳感器A和B之間距離為100 mm，當管道傾斜角為10o～80o之間的某一角度，由A端放入1粒鋼珠，測量傾斜角的角度值，其測試數據如表2所示。

表2 傳感器間距100 mm管道傾斜角度測試結果

序號量角器角度/°傳感器檢測時間間隔/（1/25 000 s）測得角度/°絕對誤差/° 11046 789100 21537 292150 32031 766200 42528 084250 53025 204300 63523 882350 74021 697400 84520 312450 95018 872500 105518 095541 116017 244611 126516 351641 137015 909700 147515 417732 158015 049811

圖2 兩個傳感器檢測時間間隔與管道角度曲線圖

該系統在角度較大時測量誤差略大于角度小時，最大絕對誤差為2°。對傳感器檢測時間間隔與角度數據進行函數擬合，其曲線如圖2所示。

4 結束語

本系統設計的管道內鋼珠運動測量裝置，通過非接觸傳感器檢測鋼珠運動，配合信號處理與顯示電路獲得鋼珠個數、運動方向、管道傾角等的運動參數，同時得出管道傾角與傳感器檢測時間間隔間存在著冪函數關系。

［1］孫亭玉.鋼珠分檢控制系統設計［D］.長春：長春理工大學，2013.

［2］張桂紅.基于IAP15W4K58S4單片機管道內鋼珠運動測量系統的設計［J］.無線互聯科技，2017（22）：71-72.

［3］承浩，朱佳威，姜康佳.一種內置鋼珠的塑料管道傾角的測量方法［J］.沙洲職業工學院學報，2017（3）：1-6.

［4］吳良孟.改進型電感式接近開關的設計及應用［J］.長三角，2009（7）：147-150.

［5］王貴山，劉亞茹.基于XS128單片機的多功能測量系統設計［J］.河南科技，2013（22）：92-94.

邵華（1979—），男，浙江杭州人，副教授，工程師，研究方向為信號采集與處理。

浙江省教育廳2016年度高校科研項目（編號：Y201635391）；寧波城市職業技術學院科研項目（編號：ZZX17107）

2095－6835（2019）02－0108－02

TH122

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.108

〔編輯：嚴麗琴〕