廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙二廠南海生產(chǎn)部 梁可榮

智能計(jì)米器及其信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司廣州卷煙二廠南海生產(chǎn)部 梁可榮

工業(yè)中許多產(chǎn)品需要測(cè)量其長(zhǎng)度，但傳統(tǒng)的機(jī)械式計(jì)米器不能有效克服機(jī)械慣性，精度差，同時(shí)不能將長(zhǎng)度信息進(jìn)行管理，不適應(yīng)當(dāng)今信息化的生產(chǎn)環(huán)境。本文采用集成霍爾傳感器設(shè)計(jì)智能化計(jì)米器，能克服機(jī)械式的上述缺點(diǎn)。通過(guò)和上位計(jì)算機(jī)的通信可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理、銷售。

霍爾傳感器 智能計(jì)米器 單片機(jī)

一、引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，紡織企業(yè)產(chǎn)品都需要測(cè)量其長(zhǎng)度。機(jī)械式的計(jì)米器，其缺點(diǎn)是需要人在機(jī)器旁值守，而且由于機(jī)械式計(jì)米器的機(jī)械慣性作用導(dǎo)致測(cè)量誤差較大，降低了機(jī)器的生產(chǎn)效率和耗費(fèi)不必要的人力、物力?，F(xiàn)代化的生產(chǎn)要求產(chǎn)品的測(cè)量和管理具有較高的自動(dòng)化程度，要求產(chǎn)品由測(cè)量到管理統(tǒng)計(jì)都由計(jì)算機(jī)完成，將現(xiàn)代電腦技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，提高生產(chǎn)效率，增強(qiáng)企業(yè)的生存能力。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 系統(tǒng)分析與方案設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用的是在普通機(jī)械式計(jì)米器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，用于改造的機(jī)械式計(jì)米器是市面上常見的Z96-F型滾動(dòng)式計(jì)數(shù)器。其主要用途為：用于測(cè)量長(zhǎng)度和各種機(jī)械傳動(dòng)的計(jì)數(shù)器，一般用于紡織、印染等長(zhǎng)度的記錄。其特點(diǎn)：顯示為五位數(shù)，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向可順逆轉(zhuǎn)動(dòng)，順轉(zhuǎn)為遞加，逆轉(zhuǎn)為遞減，測(cè)量長(zhǎng)度范圍為0~9999.9m，精度為0.1m，測(cè)量輪滾動(dòng)三圈為一米。于是只要通過(guò)適當(dāng)?shù)臋z測(cè)技術(shù)，將測(cè)量輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度測(cè)量出來(lái)，即可計(jì)算被測(cè)量物的長(zhǎng)度。通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上常用的傳感器作調(diào)查后，可選用的傳感器有多種多樣，但考慮其安裝便易性、性能價(jià)格等因素，本系統(tǒng)選用集成開關(guān)霍爾傳感器。為此，本改進(jìn)的測(cè)量方案是在此計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)輪（即檢測(cè)輪）上平均安裝了5個(gè)磁鐵，即每隔72°安裝一個(gè)。并且在輪側(cè)安裝了兩個(gè)用來(lái)檢測(cè)的霍爾開關(guān)式傳感器，當(dāng)檢測(cè)輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)輪上的磁鐵接近或遠(yuǎn)離霍爾傳感器，使得霍爾傳感器輸出脈沖。

檢測(cè)傳感器為一對(duì)光電傳感器，作用是檢測(cè)被測(cè)量物的有無(wú)，以克服機(jī)械計(jì)米器在沒(méi)被測(cè)物時(shí)由于機(jī)械慣性導(dǎo)致的測(cè)量長(zhǎng)度誤差，當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到?jīng)]有被測(cè)物時(shí)自動(dòng)停止測(cè)量，機(jī)械慣性導(dǎo)致的測(cè)量輪的轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)當(dāng)作有效的長(zhǎng)度的計(jì)算。其測(cè)量輪和傳感器安裝示意圖如圖1所示。為了正確的識(shí)別被測(cè)物的運(yùn)動(dòng)方向，達(dá)到正確的測(cè)量長(zhǎng)度的目的，要求測(cè)量輪上粘貼磁片的大小和傳感器的安裝有一定的要求。磁片大小和兩個(gè)霍爾傳感器的尺寸相近。這樣保證了兩個(gè)霍爾傳感器輸出脈沖在電角度上相差90度。由于測(cè)量精度要求達(dá)0.1m，故測(cè)量輪轉(zhuǎn)動(dòng)（即1米）三圈傳感器必須輸出10個(gè)以上的脈沖。于是磁片的數(shù)量不少于10/3＝4個(gè)，但考慮到長(zhǎng)度的計(jì)算，本文設(shè)計(jì)選用5個(gè)。磁片數(shù)越多，精度越高。但相互之間的影響導(dǎo)致磁片位置過(guò)近，反而給測(cè)量帶來(lái)不利。于是測(cè)量輪上的磁片數(shù)量應(yīng)有一個(gè)限制，故而要求傳感器的尺寸盡可能的小。

2. 霍爾傳感器電路。通過(guò)上面的系統(tǒng)分析和方案設(shè)計(jì)，改造的計(jì)米器中選用的集成開關(guān)霍爾傳感器[1,2]為CS3020，它是由電壓調(diào)整器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出集成的集成電路。其結(jié)構(gòu)和接線如圖2所示。

計(jì)米器中將磁鐵的長(zhǎng)度做成大約為兩個(gè)霍爾元件的寬度，其作用是使A、B兩個(gè)霍爾元件發(fā)出的脈沖波形相位大約相差90°，使得鑒相和記數(shù)比較方便。之所以將兩個(gè)霍爾元件并排放置是因?yàn)楦脑煊?jì)米器的要求有：

圖1 系統(tǒng)測(cè)量輪和傳感器安裝示意圖

1）能夠識(shí)別產(chǎn)品的正、反方向運(yùn)動(dòng)。

2）測(cè)量產(chǎn)品的長(zhǎng)度，精度為+0.1 m。在測(cè)量輪中平均放置有5個(gè)磁鐵，轉(zhuǎn)輪每三圈為1米，所以轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)過(guò)一米時(shí)可測(cè)得30個(gè)脈沖，既每3個(gè)脈沖為0.1m，易于在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)，且精度符合要求。另外，鑒相原理是通過(guò)判斷兩霍爾傳感器的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以要求兩霍爾元件并排排列。而且要求兩霍爾寬度的和與磁鐵的寬度相差不大。

圖2 CS3020霍爾傳感器結(jié)構(gòu)和接線圖

3. 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。廉價(jià)高性能單片機(jī)AT89C1051/AT89C2051是美國(guó)愛特梅爾（ATMEL）生產(chǎn)的一種可工作于低電壓的CMOS 8位單片機(jī)，并且有1K字節(jié)的閃爍存儲(chǔ)器、它采用目前流行的80C31單片機(jī)內(nèi)核，指令系統(tǒng)與MCS-51系列完全兼容，它除了沒(méi)有外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等擴(kuò)展功能外，具有80C31單片機(jī)所有的功能。系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

本電源采用常用的橋式整流，經(jīng)濾波后輸出，由于單片機(jī)對(duì)電源的要求較高，所以我們采用了MC7805穩(wěn)壓管，即圖上的VCC接口；而對(duì)于傳感器的供電，由于霍爾傳感器的供電電壓可有4.5~9V，所以對(duì)電壓要求不高，本著盡量降低成本而不損失系統(tǒng)穩(wěn)定性的原則下，選擇經(jīng)橋式整流，再經(jīng)濾波后直接輸出。這樣，既降低了系統(tǒng)的成本，又不失系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖中的VCCPP即為對(duì)傳感器的供電接口；而VCCP接口是對(duì)LED顯示電路進(jìn)行供電的，這是由于大型LED顯示器要求較大的電流，所以專門給它提供電源。

圖3 系統(tǒng)電路圖

圖中霍爾傳感器的脈沖輸出經(jīng)過(guò)光電隔離送入單片機(jī)；長(zhǎng)度的顯示采用動(dòng)態(tài)顯示方法以節(jié)約硬件成本。通訊采用傳統(tǒng)的RS-232轉(zhuǎn)換成RS-485實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通訊，將測(cè)量的長(zhǎng)度信息傳輸?shù)缴衔挥?jì)算機(jī)便于管理。由于上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件較為成熟，故不敘述。

三、鑒向與長(zhǎng)度測(cè)量的軟件設(shè)計(jì)

為正確測(cè)量長(zhǎng)度，必須測(cè)量被測(cè)物的運(yùn)動(dòng)方向，也就是測(cè)量輪的正反鑒向。傳統(tǒng)的方法是硬件鑒向[3,4,5]，如圖4所示。隨著單片機(jī)在測(cè)控儀表中的廣泛應(yīng)用，也出現(xiàn)了軟件鑒向方法，但其程序設(shè)計(jì)通常是列舉出各種情況下的兩相脈沖狀況，如文獻(xiàn)3枚舉了4種情況的8種計(jì)數(shù)方式下軟件鑒向的方法。

顯然這在程序設(shè)計(jì)中比較復(fù)雜，本文分析硬件的基礎(chǔ)上，用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)其硬件功能。從圖4的a圖的硬件鑒向和b圖正、反轉(zhuǎn)時(shí)序圖可看出，關(guān)鍵是在B向的上升沿時(shí)，A相的電平情況。在B相出項(xiàng)上升沿時(shí)，A相如為低電平，則判斷為正轉(zhuǎn)。同時(shí)也可以判斷出現(xiàn)了一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖；反之，當(dāng)B相出現(xiàn)上升沿時(shí)，A相為高電平，則判斷為反轉(zhuǎn)，同時(shí)也表示出現(xiàn)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。而判斷B相是否出現(xiàn)上升沿，在單片機(jī)中只要用到位指令，當(dāng)然，還必須有記錄B相電平狀態(tài)的寄存器，只有當(dāng)B為高電平，同時(shí)電平狀態(tài)寄存器存放著上次采樣時(shí)的電平狀態(tài)，如為低時(shí)，才表示出現(xiàn)脈沖；如高，則還是處于高電平狀態(tài)，不是上升沿，即不能計(jì)數(shù)。顯然用這種方法易于編程。由于上述的傳感器硬件設(shè)計(jì)上使得測(cè)量輪轉(zhuǎn)動(dòng)3圈產(chǎn)生15個(gè)脈沖，在將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)度的計(jì)算中，程序設(shè)計(jì)上摒棄了浮點(diǎn)運(yùn)算，而是采用3個(gè)脈沖計(jì)算0.2m，又由于精度要求為0.1m，故3個(gè)脈沖計(jì)算2個(gè)計(jì)量單位（0.2m）可以滿足精度要求而不必進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算。

圖4 方向辨別原理圖和波形圖

四、結(jié)論

本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械計(jì)米器的智能化改造，并應(yīng)用于紡織企業(yè)的布匹長(zhǎng)度測(cè)量，結(jié)果表明系統(tǒng)可以有效的克服了機(jī)械式計(jì)米器的機(jī)械慣性作用導(dǎo)致測(cè)量誤差，通過(guò)采用計(jì)算機(jī)管理布匹的信息，減少了廠家與經(jīng)銷商之間的摩擦，提高了產(chǎn)品信譽(yù)，是將現(xiàn)代電腦技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的成功例子。

[1] 胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M]. 北京：清華出版社. 1996.

[2] 強(qiáng)錫富.傳感器[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 1994.

[3] 張福學(xué).傳感器應(yīng)用及其電路精選[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1992.

[4] 方佩敏.新編傳感器原理?應(yīng)用?電路詳解[M]. 北京：電子工業(yè)出版社. 1994.

[5] 劉君華.智能傳感器系統(tǒng)[M]. 西安: 電子科技大學(xué)出版社. 2000.

[6] 徐惠民,安德寧.單片微型計(jì)算機(jī)原理接口、應(yīng)用[M]. 北京:郵電學(xué)院出版社.1990.