一种利用检测钢球通过管道来判断管道角度的装置设计

张通 张萌 谷栎娜

（石家庄工程职业学院 河北省石家庄市 050061）

1 硬件设计方案

整套系统包括主控控制芯片、非接触是传感器和显示模块。

1.1 显示部分的论证与选择

显示部分是整套系统的展现给使用者的人机交互界面，需要清晰的展示显示的内容，也需要考虑采购价格。综合考虑我们采用12864 LED 液晶显示，这一款显示屏自带中文字库，同时能显示字符和数字，编程简单。

1.2 非接触式传感器的认证与选择

因为不适用角度传感器，我们采用电感式接近开关。将电感式接近开关安装到管道上，可以通过算法实现管道角度的测量。电感式接近开关具有精度高、体积小、安装方便的特点，特别适合测量钢铁等金属物体。

1.3 主控芯片的选取

整套系统采用的是51 内核的国产单片机STC89C52RC 单片机，该单片机简单实用相关技术资料文档齐全，开发快捷并且高效。芯片有8K 字节的数据储存空间，并且可以通过串口进行下载代码，方便开发者调试和更新程序。本系统设计代码部分并不复杂所以采取该型号单片机。

2 理论分析与计算

本装置设计要求计量钢球的投放个数、显示钢球运动方向、统计管道的摆动周期三个内容通过单片机对传感器的检测信号的分析即可完成，下面主要分析从管道一端投入一枚钢球，要求显示管道的倾斜角度。

钢球在通过倾斜管道时一共收到三个力的作用，分别是钢球收到的重力、钢球收到管道给的摩擦力和管道对钢球的支持力。钢球沿斜面向下运动主要受重力沿斜面的向下的分力和斜面对钢球的沿斜面向上的摩擦力的作用。设斜面的倾角为α，钢球在管道内滚动摩擦系数为μ（摩擦系数μ 可以根据管道的材质通过查阅资料获得，同时根据实际的测量结果进行调整），则钢球沿管道向下运动的加速度为：

（1）/（2）可以推出：

由（3）（4）可以推出：

由（2）-（1）可以推出：

最后可以推出

3 电路与程序设计

3.1 系统电路设计

通过钢球进行管道角度系统的硬件电路单片机采用51 架构STC89C52 单片机，通过钢球进行管道角度系统人机交互部分采用12864B 液晶显示模块，然后利用两组电感式接近开关传感器连接到51 架构STC89C52 单片机的外部中断端口，电源供电采用电池组供电，使用外部12M 晶振。通过钢球进行管道角度系统整体硬件电路图如图1所示。

图1：系统电路原理图

3.2 系统程序设计

程序采用C 语言设计，通过钢球进行管道角度系统程序逻辑主要是通过单片机外部中断管脚对两组电感式接近开关传感器采集信号时间和顺序进行判断，然后确定管道的摆动周期、钢球的掉落的具体数目，再配合内部定时器计量钢球通过两个传感器的时间，计算管道的倾斜角度。

3.2.1 管道的摆动周期程序流程框图

如图2所示。

图2：管道摆动周期流程图

首先单片机主程序开始判断第一个传感器是否检测到有效信号，如果检测到让标志位mark1 自动进行加1，然后判断第二个传感器是不是检测到有效信号，检测到后让mark2 自动进行加1，再对两个变量进行判断，得出钢球经过管道的方向，为下一步计算角度进行准备。

3.2.2 管道倾斜角度程序框图

如图3所示。

图3：管道摆动周期流程图

首先通过第一个传感器判断是否有钢球经过，检测到信号后打开单片机定时器开始计时，当第二个传感器检测到钢球经过信号后关闭单片机定时器，将时间记录下来。

4 测试方案与测试结果

4.1 管道内钢球运动检测系统测试部分设计

通过软硬件设计，我们需要进行对之前内容的分析和计算。将两个电感式接近开关固定在管道上特点位置。首先将多个钢球放到管道内让其下落，通过传感器进行检测掉落钢球以及通过单片机出掉落钢球数量，将掉落钢球数量和实际掉落的钢球数量进行对比通过多次对比可以发现实际掉落钢球数量和管道内钢球运动检测系统显示数字一致。

4.2 管道内钢球运动检测系统测试需要测试条件与仪器

实验室条件下，测量管道倾角时使用倾角仪。

4.3 管道内钢球运动检测系统测试结果及分析

（1）将两个传感器安装在管道的任意距离，然后进行测试。管道倾角测试结果见表1。

表1：角度测试表

（2）将两个传感器安装在管道固定位置，两个传感器的间距在20mm，管道倾角测试结果见表2。

表2：角度测试表

5 结论

通过本文设计一种利用检测钢球通过管道来判断管道角度的装置，可以检测管道的角度以及通过管道的钢球数量。该装置可以用在不方便使用角度传感器又需要检测管道角度的项目中。