基于STC12C5A60S2单片机的管道内钢珠测量装置设计

牛凤文，尹晓落

(安徽职业技术学院 机电工程学院，安徽 合肥 230011)

自动测量是指系统能够智能处理传感器发来的各种模拟信号、脉冲信号、数字信号等，并对这些信号进行分析及显示。随着科技的发展，测量系统应用日益复杂，对测量精度、智能化程度提出了更高的要求[1]。管道内运动钢珠测量系统包含多重变量因素、耦合性强、自然不稳定，是近年来研究摆动控制问题的典型模型，是检验控制理论的常用研究平台，属于球杆系统的一种[2]。单片机由于自身体积小、价格低、集成度高、功能性强等优势，在家电、工业自动化、智能控制等领域应用日益广泛，常作为应用系统的核心部件，实现数据的智能采集控制[3]。本文选用增强型80C51内核的STC系列单片机STC12C5A60S2为核心控制器，设计并制作了一个管道内钢珠运动测量装置。该装置的核心为通过两个宽度小于20 mm的感应装置，实现对铁质小球的运动检测。

1 方案论证与选择

1.1 钢珠检测传感器的选择论证

电容式接近开关、电感式接近开关依据工作原理均可作为运动物体的检测传感器。电容式接近开关应用范围广泛，可识别各种物体的接近，但是受环境影响较大，对快速通过的物体不能准确识别[4]。电感式接近开关所检测的对象为导电物质，应用范围略窄，但对于铁质钢球检测灵敏，铜球连续运动时，能够快速识别。基于以上原因，本设计采用后者。

1.2 主控芯片选择方案

传统的51系列单片机只有8位，优点是控制简单，价格低廉，但存在运算速度偏慢、资源少、容量小等缺点，导致传统51单片机只能存储小体积程序，反应控制不够精准快速。与传统51系列单片机相比，STM32单片机存储容量大、反应速度快、性能更加丰富强大，但编程复杂。采用以增强型80C51为内核的STC系列单片机STC12C5A60S2，能够满足本系统的数据处理需求，且成本低、结构简单、操作方便，开发环境容易搭建[5]。

1.3 显示系统的选择

在实际应用中，常用的显示方式有LCD1602液晶显示器、薄膜场效应晶体管(thin film transistor，TFT)、12864液晶屏、MT4300C触摸屏[6]等显示屏(见图1)。其中，LCD1602是字符型液晶显示模块，结构简单，成本较低，但显示内容简单。TFT常用在笔记本电脑、台式机屏幕、中高端彩屏手机中，显示效果出色，成本较高。MT4300C触摸屏由EVIEW公司生产，属于TFT液晶显示屏的一种，分辨率320×234像素，支持多串口通信，USB接口功能强大。

图1 常用显示方式

对比前三种方式，12864自带中文字库，具有多种接口方式，分辨率为128×64，操作指令简单，可方便构成中文人机交互界面，功耗低，硬件电路结构简单，编程容易实现，模块价格远低于TFT[7]，与本设计需求最为符合。

1.4 传感器处理电路选择

传感器输出的高电压信号采用电阻分压方式转换为单片机可识别的信号，结构简单，线路搭建容易，但在实际操作中精度偏低，电流电压不稳定。本文尝试将传感器输出电压降压后，经过反相器芯片进行两次反向，将信号变为数字信号，从而可被单片机识别。采用反相器芯片后稳定性增强，输出信号更为精确。

1.5 总体思路及方案

两项反相器将传感器输出的高电压信号转换为数字信号，单片机可识别此数字信号，由主控系统对接收的信号进行处理、比较、计算，从而判断小球的个数、运动方向、倾角角度等数据，最终通过显示模块进行显示[8]。图2电路图系统核心为电感式感应传感器及单片机控制系统，输出信号经过反相器进行反向，进入主控系统。通过主控系统及传感器之间的数据传输处理，对小球的运动进行了有效的检测，并通过12864液晶屏进行显示。

图2 测量装置整体电路框图

2 系统理论分析与电路设计

2.1 接近开关输出信号分析

接近开关作为位置开关，无需与运动部件进行直接机械接触，或者对传感器施加压力，当物体接近开关的感应面，达到运动距离时，开关即可给系统提供控制指令。电感式接近开关对金属物质反应敏捷，能够对检测的物体进行快速判断。但由于电感式接近开关传感器输出的信号无法直接被单片机识别，必须进行转化。转化电路采用74HC04。芯片的工作原理见图3。

图3 74HC04信号处理原理图

74HC04是高速的硅栅CMOS器件，并兼容低功耗肖特基的TTL非门,经过该芯片可将传感器输出的开关信号转换为单片机可识别的电平信号，快速稳定地提供给单片机。单片机进行数据处理后通过12864显示屏进行显示。电路连接见图4。

图4 12864显示原理图

2.2 角度测试的计算

如图5所示，将管道倾斜放置，倾斜角度为θ，两个传感器分别位于管道两边，测量可得传感器之间的距离L，即小球运动距离。钢珠小球经过传感器时，传感器将信号发送给单片机进行处理，计算小球滑过两个传感器工作点的时间之差t,并结合小球实际运动情况，建立数学模型。

图5 管道倾斜放置示意图

小球在重力和管道的作用下，在管道内做加速直线运动。由于小球在管道口手动放置，故初速度为0，根据直线运动位移公式：

(1)

式中：L—小球经过的距离，m;t—小球运动的时间,s。

由重力的正交分解ma=mgcosθ可得加速度a的表达式：

a=gcosθ

(2)

其中，加速度a单位为m/s2。

联立式(1)—(2)可得：

(3)

通过反三角函数得出角度计算公式：

(4)

在应用测量中，实验结果与公式计算结果存在较大偏差。经过多次对比测量，认为误差原因主要有两方面：一是管道内部存在摩擦，摩擦力影响小球运动速度，从而影响参数t的精确度；二是传感器探测精度带来的误差。为解决误差问题，经过反复分析及多次实验，通过大量的数据和多次采样取平均值的办法，得到了计算小球倾斜角度公式的补偿系数。通过补偿系数的矫正，降低系统误差。

2.3 程序设计

测试系统要求显示管道内小球经过的数量、运动方向、运动角度、运动周期等，根据程序功能，设计主程序流程图(见图6)。系统初始化之后循环检测是否有小球通过，当有小球通过时，根据接近开关判断小球运动轨迹，单片机接收到传感器数据后，根据采样法推导公式t=14 865×x-0.5计算小球与水平面夹角，最后通过12864显示相关数据。

图6 主程序流程图

2.4 电路原理图

根据以上方案论证、数据分析以及程序要求，设计电路原理图(见图7)。

图7 电路原理图

3 测试与分析

3.1 个数测量

实际电路搭建之后，再进行系统测试。测试工具主要用到秒表、量角器、量尺等。分别放入2、4、6、8、10个钢珠小球，表1为测量系统显示结果，表1数据表明小球个数显示精确，可满足测量要求。

表1 钢球个数测试表

3.2 角度测量

将管道角度倾斜为10°～80°之间的某个角度，管道内放入一粒小球，系统能通过传感器对小球的感应数据计算管道倾斜角度，加入补偿系统矫正之后测量的结果(见表2)，表明误差小于2°，且能正确显示。

表2 角度测量表(传感器安装间隔20 mm)

3.3 运动方向测量

管道两端传感器分别用A、B表示，小球从A运动到B方向标记为01，从B到A运动方向标记为10。小球实际运动方向与显示结果记录见表3。

表3 运动方向测试表

3.4 运动周期测量

将小球放置于管道内，摆动管道，小球往返一次为一个周期的测试记录见表4。

表4 周期测试表

表1结果显示，测量装置对管道通过小球个数的检测准确率达到100%。表2的角度测量表中可以看出，钢球角度测量误差精确在2°以内。表3—表4显示,钢球运动方向与周期均达到测量要求，且精度较高。

4 结 语

本文设计的管道内钢珠测量装置，以STC系列单片机STC12C5A60S2为核心控制芯片，通过传感器和主控系统的配合对小球的个数、运动方向、运动周期、倾斜角度等进行有效的检测，得到了较好的实验测量数据。在角度测量中，为降低管道摩擦及传感器识别精度带来的误差，提出了采样法获得补偿系数以降低误差，测试结果证明方法有效。本装置解决了管道内部物体运动轨迹的测量，实现了封闭管道内部不可视物体运动状态的自动检测。随着单片机嵌入式系统在众多领域的广泛应用以及新型单片机接口的不断发展，在测试系统中不断利用单片机功能简化结构，并将单片机应用到测量温度、湿度、频率、摩擦系数、液位等测量中。本文的研究为今后单片机在测量系统中的进一步应用打下了一定的基础。