机械专业微机原理与接口技术课程综合实验

张艳荣，曹伟青

(西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

对于机械专业的学生来说，学习微机原理与接口技术课程的目标是将计算机技术与本专业知识相结合，应用计算机技术解决本专业领域中出现的实际问题，比如可以将计算机应用于机械制造过程的自动化、机械设备的故障诊断、机器人控制等领域。为了让学生能够深入地理解微机在机械领域的应用，本实验对实验室已有的硬件系统进行了二次开发：使用HK8688TE微机接口实验仪[1]，通过添加较少的外围芯片，实现了对德普施工件传输实验台[2]的传输线速度的测量。它将传感器技术、基础电子电路、计算机技术[3-5]和数据处理技巧[6]综合在一起，能够提高学生工程实践能力、综合应用能力、创新精神和创新能力[7-11]。

1 实验内容及方案设计

1.1 测速原理

本实验利用安装在传输线下面的红外对射式传感器测量传输线的运行速度。测量原理如下：传输线由安装在它下面的链条带动而运动，如图1所示。

图1 红外对射传感器运动速度测量示意图

红外对射式传感器的发射和接收窗口被固定在传动链条的两侧，当链条在电动机的拖动下运动时，链条的滚子会有规律地遮挡传感器发出的红外线，在传感器的输出端上就会得到连续的脉冲。

由于链条的滚子之间的距离(即节距d)相等，所以测得传感器输出的脉冲频率(F)，就可以推算出链条的运动速度V为

V=d·F

(1)

测量传感器输出脉冲频率F的方法如下：在时间间隔T内对传感器输出的脉冲信号进行计数，假设计数值为N，则F为

F=N/T

(2)

把(2)代入式(1)，有：

V=d·N/T

(3)

式(3)中的链条节距d不是整数(d=12.7 mm)，为了提高测量精度，计算链条速度需要采用浮点数运算，这将大大增加程序的复杂度。为了降低计算复杂度，如果取时间间隔T=d=12.7 s，则链条速度为

V=N

(4)

根据式(4)，只需要在12.7 s的开门时间内对传感器输出的脉冲信号进行计数，并在计数结束后显示该计数值，如此往复不断，即可实时测量传输线的速度。

1.2 硬件设计

1.2.1 门控信号的产生

使用8253的计数通道2对传感器输出的脉冲进行计数。根据式(4)，计数通道2的门控信号需要提供12.7 s的开门时间，它由微机接口实验仪HK8688TE提供的标准脉冲(19.19 kHz)经过分频实现。为了提供12.7 s的开门时间，计数通道的分频系数为

19.19 kHz(12.7 s2) = 487 426

该数值超过了8 253一个计数通道的最高计数值(65 536)，因此需要进行2次分频：首先把19.19 kHz的标准脉冲送入8253的计数通道0进行第1次分频(工作在方式3)，然后把计数通道0的输出送入计数通道1进行第2次分频(工作在方式3)，即可得到预计的开门信号。

两次分频的分频系数可以是总分频系数487 426的任意2个因子，只要每个因子不超过65 536即可。例如，如果取第1次分频系数为2 000，则第2次分频系数则为244。

1.2.2 计数显示方案

每次计数完成，需要把计数值(也就是链条速度)显示到8段码数码显示器上。本实验采用中断方式实现该功能。具体方法如下：计数通道2门控信号的下降沿作为8259的中断申请的触发沿，这样每次计数结束，CPU就立刻接到来自8259的“计数结束”中断请求信号，从而及时地从8253中读出计数值并显示出来。

1.2.3 硬件设计

实验原理框图如图2所示。

图2 传输线测量实验原理图

实验台上红外对射式传感器的输出信号为0～5 V的数字信号，但信号毛刺太多，如果直接送入8253进行计数，则测量结果很不准确，所以，该信号先送入施密特触发器74LS14进行整形，然后才送到8253计数通道2的时钟输入端。

19.19 kHz的标准脉冲通过8253的计数通道0和1两次分频后产生12.7 s的门控信号，它一方面送入计数通道2的门控信号输入端，另一方面取非后送入中断控制器8259A的0号中断请求输入端，取非的原因是8259需要上升沿触发。

8279接收来自CPU的显示数据，然后通过驱动电路将数据显示在8段码显示器上。

1.3 软件设计

本实验需要设计2个主要程序，主程序和中断服务程序。主程序和中断服务程序的流程图分别如图3(a)和图3(b)所示。

图3 传输线测速实验主程序和中断服务程序流程图

主程序运行过程如下：主程序负责所有接口芯片的初始化工作，然后显示实验名称“speed”，并进入暂停状态，等待来自8259的中断请求；当有中断请求时，系统退出暂停状态，转去执行中断服务程序；在中断服务程序中，系统读出8253通道2的当前计数值并返回主程序；接下来，主程序负责显示当前计数值，也就是传输线的速度，之后仍回到暂停状态等待下一个中断请求的到来。程序这样一直执行下去，实时显示传输线的当前速度，直到关机。

中断服务程序的任务如下：先保护现场，接着命令8253锁存计数通道2的当前计数值，然后读出该计数值，最后恢复现场，打开中断，从中断服务程序返回。

2 实验结果和系统扩展

图4为系统初始化后未开始测速的显示：8段码显示器显示speed，表示该实验为传输线速度实验。图5为测速开始后的测速结果：传输线当前速度为81 mm/s。

图4 系统初始化显示

图5 传输线速度显示

本实验是一个基本综合实验，在程序加载后自动不停歇地运行，直至关机。对于学有余力的学生，可以在本实验基础上进行扩展，比如加入“启动”和“停止”按键，通过按键随时控制系统的启动和停止。如果给系统配备了机械手，可以在本实验基础上根据传输线速度和其他的传感器控制机械手抓取传输线上正在传输的工件。

3 结束语

针对机械专业学生的特点，依托实验室现有硬件系统，实现了对德普施工件传输实验台的传输线速度的测量。本实验系统将传感器技术，基础电子电路和计算机技术综合在一起，使机械专业学生对微机接口技术在机械方向上的应用有清晰和较完整的认识。本实验系统有助于激发学生的潜能及学习兴趣，使学生的实践能力得到提高，学生的综合能力在实验完成的过程中能够得到很好的锻炼。

在推导速度测量公式时，本实验对开门时间进行了巧妙选择，从而大大减轻了软件设计的复杂度，使学生对软硬件结合处理数据的技巧有了初步的认识。另外，本实验系统整合了实验室的现有资源，大大提高了现有硬件资源的共享和利用率。

[1] 武汉恒科电子教学仪器有限公司.HK8688TE使用手册[Z].武汉恒科电子教学仪器有限公司,2005.

[2] 圳市蓝津信息技术有限公司.蓝津信息传感器使用说明书[Z].圳市蓝津信息技术有限公司,2005.

[3] Brey B B.Intel 微处理器[M].金惠华,艾明晶，尚利宏，译.北京：机械工业出版社,2010.

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[6] 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京: 北京航空航天大学出版社,1995.

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