基于飞思卡尔单片机的木棒长度测量系统

闫冬梅，康 冰，王有维

（吉林大学a.网络与教育技术中心，长春 130062；b.通信工程学院，长春 130023）

基于飞思卡尔单片机的木棒长度测量系统

闫冬梅1，康 冰2，王有维1

（吉林大学a.网络与教育技术中心，长春 130062；b.通信工程学院，长春 130023）

为解决工业生产中长度测量的问题，设计了基于飞思卡尔单片机的木棒长度测量系统。该系统以飞思卡尔单片机为核心控制器，利用匀速转动的直流电机带动履带，履带两侧等距离放置三组红外发射与接收管。将木棒放在履带上，当木棒通过红外对管时利用飞思卡尔单片机的内部计时器计时，得出木棒的移动时间，从而算出木棒的长度，并用1602显示屏显示出木棒的长度。通过实验验证，该系统的测量误差小于0.05%。

飞思卡尔单片机；直流电机；红外对管；计时器

0 引 言

在工业生产中，很多工件需要进行长度测量。在传统的工业生产实际中，往往需要人工测量生产线上的工件的长度并注意记录。这样的测量方法不仅速度慢，而且易因为检测人员读数不准或疲劳而产生较大的误差。而且，有些工业现场是不适宜进行人工测量的，如，高温或有剧毒的现场。利用飞思卡尔单片机和红外测量技术可以实现对工业生产现场的工件长度进行测量，不仅具有准确性高、速度快等特点，还可以节省大量的人力，大大提高了工业生产的自动化水平［1］。笔者用运动的木棒模拟生产线上的工件长度，并进行了测量。

1 方案论证

目前，关于运动工件长度的测量方案有很多种，但各有优缺点。

1）多组光电对管测长度。该方案是在滑槽两侧等距离地设置多组光电对管（一般是11组），通过计算被工件挡住的光电对管的个数，再根据相邻两组光电对管的距离，得出被测工件的长度。这种方案的缺点是光电对管的个数过多，接线非常复杂，且光电对管的信号线占用了大量的I／O端口资源。

2）基于CCD［2，3］（Charg Couple Device）摄像头的长度测量方案。该方案是利用CCD摄像头对生产线上的工件进行图像采集［4］，然后利用图像处理技术对工件进行长度测量。该方案的优点是硬件设计简单，缺点是利用图像处理技术［5，6］使软件设计比较复杂。

3）基于飞思卡尔单片机的方案。该系统以飞思卡尔单片机为核心控制器，利用匀速转动的直流电机带动履带，履带两侧等距离（距离为5cm）放置3组红外发射与接收管［7］。将木棒放在履带上，随着履带移动，当木棒通过红外对管时利用飞思卡尔单片机的内部计时器开始计时，离开时结束计时，得出木棒的移动时间。木棒的移动速度可以由两组光电对管之间的距离除以木棒通过这段距离的时间得出。因此，已知木棒的移动时间和移动速度，即可算出木棒的长度。该方案硬件设计简单，软件实现也相对简单。但电机的转速不易控制，难以保证电机在空载和负载的情况下保持恒定的速度。为解决这个问题，该方案增加光电编码器［8］对电机转速进行反馈，使电机控制形成一个闭环，再结合PID［9］（Proportion Integration Differentiation）控制算法可极大地提高电机的抗干扰能力［10］，保证电机以恒定的速度运转。

2 系统设计方案

2.1 系统的硬件设计

系统由飞思卡尔单片机、直流电机模块、红外对管模块和显示模块等组成（见图1）。

图1 系统的硬件框图Fig.1Hardware of system

1）红外对管模块。系统中，有3对红外对管等距离分布在滑槽两侧，彼此间的距离是5cm。它们之间的距离要尽可能精确，这直接关系到木棒运动速度的测量，进而影响到木棒长度测量的结果。设置3组红外对管是为了判断木棒运动时是正向还是反向，从而实现木棒的正向计数和反向扣除。

2）电机驱动及光电编码器反馈模块［11］。系统的驱动芯片采用飞思卡尔半导体公司的半桥式驱动器MC33886。MC33886用来驱动电机［12］的运转、停止、加速、减速和制动。直流电机的控制信号由飞思卡尔单片机PWM（Pulse Width Modulation）信号［13］产生。为保证系统的稳定运行，系统采用两片MC33886并联的方式驱动。光电编码器用来反馈电机的转速信号，其输出信号为脉冲形式，由飞思卡尔单片机定时捕捉脉冲进行计数。

3）1602 显示器模块。1602显示模块用来显示木棒的长度及相关状态信息。

2.2 系统的软件设计

系统上电后，运行初始化程序。初始化包括I／O口初始化、PWM初始化、RTI（Rea-Time Interface）初始化、1602显示模块初始化等。

初始化程序后，开始运行主程序。这里要定义一个全局变量RTI-counter，用来对RTI中断［14］进行计数。飞思卡尔单片机的RTI中断是周期定时器中断，通过设置相应的寄存器，可使RTI的周期最短设置为64μs。当检测到木棒首端通过红外对管时，记下RTI-counter，存为time1；当检测到木棒末端通过红外对管时，记下RTI-counter，存为time2。time2与time1相减，再乘以RTI中断的周期，得到木棒的运动时间。当检测到木棒的首端通过第2对红外对管时，记下此时的RTI-counter，存为time3。time3与time1相减，再乘以RTI中断的周期，再用5cm除以该时间，得到木棒的运动速度。用木棒的运动速度乘以木棒的运动时间，得到木棒的长度。

电机控制的PID算法如下

其中Kp为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数，T为采样周期，ei为此时刻的误差，ei－1为前一时刻的误差，ei－2为前两时刻的误差。

PID参数的确定采用Z-N（Ziegler-Nichols）震荡法，方法如下。

在比例控制环节中，给定一个很小比例系数，逐步增加比例系数，在保证系统的输出还是震荡的情况下，记下系统的临界比例增益Kp＝Kc和系统的震荡周期Pc。

根据表1确定控制器的PID参数，通过实验测得该系统的PID参数为

表1 Z-N震荡法的参数设置Tab.1Parameters of Z-N Shock

系统的软件流程图和中断流程图分别如图2和图3所示。

图2 系统的软件流程图Fig.2Flow chart of the system software

图3 中断流程图Fig.3Flow chart of interrupt

3 实验结果

设计完成后，对该系统的精度进行了测试［15］，即用不同长度的木棒进行试验，用来检测系统的测量误差。实验结果如表2所示。

表2 木棒的实际尺寸、测量尺寸和误差Tab.2Trim size，measurement of stick and error

由表2可以看出，笔者所设计的系统能准确测量木棒的长度，误差［16，17］范围小于0.05%。

4 结 语

笔者设计了一个以飞思卡尔单片机为核心控制器的木棒长度测量系统，利用直流电机和3组红外发射与接收管。通过对各种方案的论证和对比，得出了笔者的设计方法，并对各个环节进行设计和调试。实验结果表明，测量误差小于0.05%，很好地证明了系统的可行性。

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Stick Length Measurement System Based on Freescale Microcontroller

YAN Dong-mei1，KANG Bing2，WANG You-wei1
（1.Center of Network ＆Educational Technology，Jilin University，Changchun 130062，China；2.College of Communication Engineering，Jilin University，Changchun 130023，China）

In order to solve the problem of the length measurement in industrial settings，we designed a system measuring the stick length based on freescale microcontroller.This system used a freescale microcontroller as the key controller.There is a track driven by a DC（Direct Current）motor which is turning with a constant speed.We placed three groups infrared transmitting and receiving devices whose distance was equal on both sides of the track.Place the stick on the track and the internal timer began to countime when the stick crossed the infrared device.Then we can get the moving time of the stick and obtaining the length of the stick.Finally，we used a 1602monitor to display the length of the stick.Through the experiment，the measurement error of this system was less than 0.05%.

freescale microcontroller；direct current motor；infrared device；timer

TG156；TP271

A

1671-5896（2012）01-0095-05

2011-08-11

闫冬梅（1978—），女，吉林伊通人，吉林大学工程师，主要从事网络控制及智能控制技术研究，（Tel）86-13943017022（E-mail）ydm＠jluhp.edu.cn；王有维（1961—），男，哈尔滨人，吉林大学教授，博士，主要从事计算机网络及控制理论的研究，（Tel）86-431-87836504（E-mail）wyw＠jluhp.edu.cn。

（责任编辑：刘俏亮）