關于2017年全國大學生電子競賽M題的設計

楊 紅

（清遠職業技術學院機電工程學院，廣東清遠 511510）

0 引言

當前是數字信息技術和網絡技術高速發展的時代，單片機控制技術與人們的生活越來越密切，例如檢測管道內鋼珠運動裝置。在工業生產中，鋼珠運動測量裝置可以實現自動工件的計數、自動測量工件的運動方向、測量工件的運動速度和轉動速度、測量工件在管道上的傾斜角度等。

1 管道內鋼珠運動測量設計思路與內容分析

檢測管道內鋼珠運動裝置項目采用2 個電感式金屬傳感器檢測鋼珠經過的個數，判斷鋼珠的運動方向，計算管道內鋼珠的運動速度與管道傾角之間的關系，計算出管道與地面的傾斜角度。采用矩陣按鍵切換不同的檢測模式，采用液晶屏LCD12864 顯示鋼珠個數，鋼珠運動方向，鋼珠管道的傾斜角度。

因此，設計內容主要有4 個方面。

（1）物體運動—工件計數。放入2～10 粒鋼珠，每粒鋼珠放入的時間間隔≤2 s，要求裝置能顯示出放入鋼珠的個數。

（2）運動方向—往返周期。從高端放入1 粒鋼珠，要求能顯示鋼珠的運動方向。

（3）連續運動。一次連續倒入2～10 粒鋼珠，要求裝置能顯示倒入的鋼珠數量。

（4）角度測量。傾斜放置管道放入1 粒鋼珠，要求裝置能夠顯示傾斜角的角度。

2 硬件電路分析

2.1 控制芯片

方案1：采用STC89C52 型單片機作為系統的控制器。STC89C52 作為最常用的單片機，其軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制看，但其片上資源少，運算速度相對較慢。

方案2：采用STC15F2K60S2 型單片機作為系統的主控制器，不需要外部晶振和外部復位的單片機，內部高精度R/C 時鐘(±0.3%)，速度比型號為8051 的內核單片機快7～12 倍。內部資源豐富，內部集成了8 通道高速10 位A/D（Analog to Digital，模擬轉數字）轉換器，SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）通信接口，多個UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發傳輸器）接口，PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）接口，多個外部中斷接口、支持芯片內部EEPROM 儲存，PCA（Programmable Counter Array，可編程計數器陣列）捕獲/比較功能等。

由于本系統對角度的精度要求比較高，處理數據速度要快，因此STC89C52 單片機不適用，本系統最終選擇方案2。

2.2 顯示模塊

方案1：采用LCD12864 液晶模塊。該液晶模塊顯示內容豐富，自帶中文字庫，可以顯示簡單的字符、文字和數字，容易編程實現且顯示效果好。

方案2：采用LCD1602 液晶模塊。該模塊價格低但顯示效果簡單，字母、數字只能顯示16×2 個。

方案3：利用2 組4 位的數碼管組成一個8 位顯示的數碼管。該方法編程比較簡單，成本比LCD1602、LCD12864 低很多，但需要占用單片機的IO（Input/Output，輸入/輸出）引腳比較多。

由于該設計方案IO 口資源比較緊缺、同時需要顯示的內容比較豐富。綜合以上原因，最后選擇方案1，采用LCD12864 液晶模塊作為本次設計的顯示模塊。

2.3 接近開關

方案1：采用電感式金屬傳感器測量鋼珠運動。它有行程開關、微動開關的特性，動作可靠，性能穩定，頻率響應快，應用壽命長，抗干擾能力強等。

方案2：采用霍爾磁性傳感器。霍爾電壓隨磁場強度的變化而變化，磁場越強，電壓越高，磁場越弱，電壓越低。

由于霍爾傳感器的輸出是與磁場的強度有關，抗干擾的能力沒有電感式金屬傳感器好，出于穩定性考慮，選擇方案1。

2.4 硬件總電路設計

鋼珠運動測量裝置的硬件電路由單片機最小系統、傳感器模塊、電源供電模塊、液晶屏顯示模塊、按鍵模塊組成。單片機最小系統提供STC15F2K60S2 型單片機的正常運行，傳感器模塊提供設計數據的檢測，電源供電模塊為整個單片機的電路提供電源，顯示模塊提供最終檢測數據的顯示，按鍵模塊提供不同測試模式的切換。

2.5 傳感器模塊

2.5.1 電感式金屬接近傳感器電路

本設計選擇電感式金屬接近傳感器電路LI18 A3-8-Z/BX作為檢測傳感器，電感式接近開關內部電路包含振蕩器電路部分、控制電路部分、射極輸出部分組成。

2.5.2 電感式金屬接近傳感器電路工作原理

電感式金屬接近傳感器電路是一種利用渦流感知物體接近的接近開關，由高頻震蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。感知敏感元件為檢測線圈，是振蕩電路的一個組成部分，在檢測線圈的工作上存在一個變量磁場。當鋼珠（金屬物體）接近線圈時，金屬物體就會產生渦流而吸收振蕩能量，通過信號比較電路后經過檢測輸出電路輸出開關信號。

3 理論分析

3.1 物體運動—工件計數

2 個電感式金屬接近傳感器電路的輸出引腳與分別連接到單片機的外部中斷0、外部中斷1（P32、P33）口，物體運動—工件計數的程序設計只需要使用其中的一個電感式金屬接近傳感器。單片機采用外部中斷檢測的方式對鋼珠個數進行計算，當電感式金屬接近傳感器沒有檢測到鋼珠的時候持續輸出高電平，當檢測到有鋼珠的時候，單片機會檢測到一個下降沿的信號，單片機會進入外部中斷的函數，對鋼珠的個數進行自加1。

3.2 運動方向—往返周期

運動方向：初始化2 個金屬傳感器的狀態位，當其中一個金屬傳感器最先接收到鋼珠的信號后，把對應傳感器的轉態位置1，隨后當檢測到另外一個電感式金屬接近傳感器也接收中斷信號的時候，通過2 個金屬傳感器接收鋼珠信號的時間差可以判斷出鋼珠的運動方向。

往返周期：初始化2 個金屬傳感器的狀態位，當進入外部中斷后判斷當前狀態是否是設定設定的金屬傳感器的狀態。當傳感器進入中斷后把金屬傳感器的轉態位取反。當金屬傳感器的轉態再次為0 的時候，判斷為鋼珠往返一個周期。

3.3 連續運動

當金屬傳感器檢測到單鋼珠的時候，會產生一個持續時間為T 的低電平，如果低電平持續的時間為2T，說明2 個鋼珠連續經過金屬創感器，鋼珠的連續運動，可以判斷低電平的時間來判斷鋼珠經過的個數。

方案1：產生當金屬傳感器檢測到鋼珠定時器開始計時，儲存20 s 內金屬傳感器每次低電平持續的時間，20 s 后單片機取低電平持續時間最短的時間T 作為單個鋼珠經過金屬傳感器的時間。以該時間為基準，1.8T≤低電平持續的時間≤2.1T 時，說明該脈沖是由連續2 個鋼珠經過所產生。該方法比較簡單同時也軟件程序也比較容易能夠實現，但是有一個不定的因素：假如有多個鋼珠全部連在一起，只產生一個脈沖的時候會出現計算錯誤。

方案2：距離ST1和距離ST2是固定不變的，當鋼珠的加速度只與角度有關，所以鋼珠運動的加速度相同，ST1和ST2運動的起始位置一樣，運動的初速度相同。由此可知，T1與T2存在一個線性關系，T2為單個鋼珠經過金屬傳感器產生低電平的時間，T1是鋼珠從第一金屬傳感器到第二個金屬傳感器的時間。單片機可以通過計算鋼珠從第一金屬傳感器到第二個金屬傳感器的時間，反推單個小球經過金屬傳感器時產生低電平的時間。經過深刻討論，發現（20/T1）和T2得到的關系曲線更能滿足理想狀態，為（20/T1）和T2之間的關系。

3.4 角度測量

ST1=v0t+at2/2，鋼珠是從靜止狀態放入管道中，到金屬傳感器前的速度v0和加速度有關，ST1的距離不變、加速度與管道的角度有關，由此推斷出可以通過測量時間T1來推斷出管道的傾斜角度。通過大量的測量數據證實了這一想法，把測量的數據通過MATLAB 把測量得到的數據擬合成一條曲線公式。這樣，如果已知單片機通過測量時間T1，則可以通過擬合曲線公式反推出管道傾斜的角度。