关于2017年全国大学生电子竞赛M题的设计

杨 红

（清远职业技术学院机电工程学院，广东清远 511510）

0 引言

当前是数字信息技术和网络技术高速发展的时代，单片机控制技术与人们的生活越来越密切，例如检测管道内钢珠运动装置。在工业生产中，钢珠运动测量装置可以实现自动工件的计数、自动测量工件的运动方向、测量工件的运动速度和转动速度、测量工件在管道上的倾斜角度等。

1 管道内钢珠运动测量设计思路与内容分析

检测管道内钢珠运动装置项目采用2 个电感式金属传感器检测钢珠经过的个数，判断钢珠的运动方向，计算管道内钢珠的运动速度与管道倾角之间的关系，计算出管道与地面的倾斜角度。采用矩阵按键切换不同的检测模式，采用液晶屏LCD12864 显示钢珠个数，钢珠运动方向，钢珠管道的倾斜角度。

因此，设计内容主要有4 个方面。

（1）物体运动—工件计数。放入2～10 粒钢珠，每粒钢珠放入的时间间隔≤2 s，要求装置能显示出放入钢珠的个数。

（2）运动方向—往返周期。从高端放入1 粒钢珠，要求能显示钢珠的运动方向。

（3）连续运动。一次连续倒入2～10 粒钢珠，要求装置能显示倒入的钢珠数量。

（4）角度测量。倾斜放置管道放入1 粒钢珠，要求装置能够显示倾斜角的角度。

2 硬件电路分析

2.1 控制芯片

方案1：采用STC89C52 型单片机作为系统的控制器。STC89C52 作为最常用的单片机，其软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制看，但其片上资源少，运算速度相对较慢。

方案2：采用STC15F2K60S2 型单片机作为系统的主控制器，不需要外部晶振和外部复位的单片机，内部高精度R/C 时钟(±0.3%)，速度比型号为8051 的内核单片机快7～12 倍。内部资源丰富，内部集成了8 通道高速10 位A/D（Analog to Digital，模拟转数字）转换器，SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）通信接口，多个UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）接口，PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）接口，多个外部中断接口、支持芯片内部EEPROM 储存，PCA（Programmable Counter Array，可编程计数器阵列）捕获/比较功能等。

由于本系统对角度的精度要求比较高，处理数据速度要快，因此STC89C52 单片机不适用，本系统最终选择方案2。

2.2 显示模块

方案1：采用LCD12864 液晶模块。该液晶模块显示内容丰富，自带中文字库，可以显示简单的字符、文字和数字，容易编程实现且显示效果好。

方案2：采用LCD1602 液晶模块。该模块价格低但显示效果简单，字母、数字只能显示16×2 个。

方案3：利用2 组4 位的数码管组成一个8 位显示的数码管。该方法编程比较简单，成本比LCD1602、LCD12864 低很多，但需要占用单片机的IO（Input/Output，输入/输出）引脚比较多。

由于该设计方案IO 口资源比较紧缺、同时需要显示的内容比较丰富。综合以上原因，最后选择方案1，采用LCD12864 液晶模块作为本次设计的显示模块。

2.3 接近开关

方案1：采用电感式金属传感器测量钢珠运动。它有行程开关、微动开关的特性，动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等。

方案2：采用霍尔磁性传感器。霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。

由于霍尔传感器的输出是与磁场的强度有关，抗干扰的能力没有电感式金属传感器好，出于稳定性考虑，选择方案1。

2.4 硬件总电路设计

钢珠运动测量装置的硬件电路由单片机最小系统、传感器模块、电源供电模块、液晶屏显示模块、按键模块组成。单片机最小系统提供STC15F2K60S2 型单片机的正常运行，传感器模块提供设计数据的检测，电源供电模块为整个单片机的电路提供电源，显示模块提供最终检测数据的显示，按键模块提供不同测试模式的切换。

2.5 传感器模块

2.5.1 电感式金属接近传感器电路

本设计选择电感式金属接近传感器电路LI18 A3-8-Z/BX作为检测传感器，电感式接近开关内部电路包含振荡器电路部分、控制电路部分、射极输出部分组成。

2.5.2 电感式金属接近传感器电路工作原理

电感式金属接近传感器电路是一种利用涡流感知物体接近的接近开关，由高频震荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成。感知敏感元件为检测线圈，是振荡电路的一个组成部分，在检测线圈的工作上存在一个变量磁场。当钢珠（金属物体）接近线圈时，金属物体就会产生涡流而吸收振荡能量，通过信号比较电路后经过检测输出电路输出开关信号。

3 理论分析

3.1 物体运动—工件计数

2 个电感式金属接近传感器电路的输出引脚与分别连接到单片机的外部中断0、外部中断1（P32、P33）口，物体运动—工件计数的程序设计只需要使用其中的一个电感式金属接近传感器。单片机采用外部中断检测的方式对钢珠个数进行计算，当电感式金属接近传感器没有检测到钢珠的时候持续输出高电平，当检测到有钢珠的时候，单片机会检测到一个下降沿的信号，单片机会进入外部中断的函数，对钢珠的个数进行自加1。

3.2 运动方向—往返周期

运动方向：初始化2 个金属传感器的状态位，当其中一个金属传感器最先接收到钢珠的信号后，把对应传感器的转态位置1，随后当检测到另外一个电感式金属接近传感器也接收中断信号的时候，通过2 个金属传感器接收钢珠信号的时间差可以判断出钢珠的运动方向。

往返周期：初始化2 个金属传感器的状态位，当进入外部中断后判断当前状态是否是设定设定的金属传感器的状态。当传感器进入中断后把金属传感器的转态位取反。当金属传感器的转态再次为0 的时候，判断为钢珠往返一个周期。

3.3 连续运动

当金属传感器检测到单钢珠的时候，会产生一个持续时间为T 的低电平，如果低电平持续的时间为2T，说明2 个钢珠连续经过金属创感器，钢珠的连续运动，可以判断低电平的时间来判断钢珠经过的个数。

方案1：产生当金属传感器检测到钢珠定时器开始计时，储存20 s 内金属传感器每次低电平持续的时间，20 s 后单片机取低电平持续时间最短的时间T 作为单个钢珠经过金属传感器的时间。以该时间为基准，1.8T≤低电平持续的时间≤2.1T 时，说明该脉冲是由连续2 个钢珠经过所产生。该方法比较简单同时也软件程序也比较容易能够实现，但是有一个不定的因素：假如有多个钢珠全部连在一起，只产生一个脉冲的时候会出现计算错误。

方案2：距离ST1和距离ST2是固定不变的，当钢珠的加速度只与角度有关，所以钢珠运动的加速度相同，ST1和ST2运动的起始位置一样，运动的初速度相同。由此可知，T1与T2存在一个线性关系，T2为单个钢珠经过金属传感器产生低电平的时间，T1是钢珠从第一金属传感器到第二个金属传感器的时间。单片机可以通过计算钢珠从第一金属传感器到第二个金属传感器的时间，反推单个小球经过金属传感器时产生低电平的时间。经过深刻讨论，发现（20/T1）和T2得到的关系曲线更能满足理想状态，为（20/T1）和T2之间的关系。

3.4 角度测量

ST1=v0t+at2/2，钢珠是从静止状态放入管道中，到金属传感器前的速度v0和加速度有关，ST1的距离不变、加速度与管道的角度有关，由此推断出可以通过测量时间T1来推断出管道的倾斜角度。通过大量的测量数据证实了这一想法，把测量的数据通过MATLAB 把测量得到的数据拟合成一条曲线公式。这样，如果已知单片机通过测量时间T1，则可以通过拟合曲线公式反推出管道倾斜的角度。