宋水泉

(惠州工程技術(shù)學(xué)校 實訓(xùn)中心，廣東 惠州 516001)

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基于DSPIC30微控制器的光電傳感器設(shè)計

宋水泉

(惠州工程技術(shù)學(xué)校 實訓(xùn)中心，廣東 惠州 516001)

針對在大型構(gòu)件吊裝過程中會出現(xiàn)像碰撞、吊裝錯位、違規(guī)操作、管理不規(guī)范等問題，提出了一種基于DSPIC30微控制器的光電傳感器設(shè)計。在該設(shè)計中，以DSPIC30為主控芯片，以nRF24L01作為無線傳輸模塊，可以實現(xiàn)對待測量物體進行精準的定位，定位誤差可達到0.2 mm的測量精度，從而保證了對測量物體的精準操作，避免了因碰撞或違規(guī)等不準確操作給操作人員及施工人員帶來的人生安全性問題。在較大程度上減少了人力和物力的損失，該設(shè)計對未來大型構(gòu)建吊裝的精準位置起到有效作用，并具有廣泛的應(yīng)用前景。

光電傳感器；DSPIC30；nRF24L01；構(gòu)件吊裝

隨著大型構(gòu)件吊裝在雷達、飛機配件、發(fā)電設(shè)備等當中的應(yīng)用廣泛。整體吊裝、綜合整體吊裝以及散件吊裝被稱為大型構(gòu)件與設(shè)備吊裝技術(shù)[1]。在吊裝過程中，隨時會有發(fā)生意外發(fā)生，直接關(guān)系到吊裝人員的性命安全。因此，為了確保吊件和吊裝人員的生命安全，本文設(shè)計了基于DSPIC30微控制器[2]的光電傳感器設(shè)計，該設(shè)計將有助于吊裝過程中的精確監(jiān)控和預(yù)防。

iGPS[3]是一種用于定位的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了激光發(fā)射器[4]，其作用是模擬衛(wèi)星發(fā)射器。首先，激光發(fā)射器對空間進行掃描探測，然后探測結(jié)果被光電傳感器接收，最后在通過相應(yīng)的算法[5]處理即可得到物體的精準坐標，就目前的測量精度可達0.2 m。

1 無線傳感器總體設(shè)計

1.1 無線光電傳感器

如圖1所示為無線光電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，基于DSPIC30的光電傳感器通過無線通訊技術(shù)將采集的信息發(fā)送給上位機[6]進行實時的處理。在該無線光電傳感器模塊中由傳感器、信號處理電路、前端微型處理器和無線發(fā)射模塊組成。信號處理電路的作用是將傳感器檢測到的微弱信號進行放大處理[7]，然后再傳送給微型處理器進行處理，在微型處理器處理后便可通過無線發(fā)射模塊[8]將信息發(fā)射出去。

圖1 無線光電傳感器結(jié)構(gòu)

1.2 傳感器

為了能夠有電流輸出，本文選擇可產(chǎn)生伏特效應(yīng)的硅光電池。該電池具有大面積的PN結(jié)，在光照的作用下，電子會發(fā)生躍遷過程，躍遷產(chǎn)生的電子聚集在PN結(jié)的兩端，從而產(chǎn)生電勢差，將PN結(jié)兩端接通之后，就會有電流的輸出。在綜合考慮傳感器的一些特性后，本文選擇PC50—6型硅光電池[8]，該電池由德國Pacific Silicon Sensor 公司生產(chǎn)，噪聲及頻率特性均相對穩(wěn)定，因此可作為本文傳感器的選擇。

1.3 微處理器

本文的微處理器采用DSPIC30，該微控制器為16位的高性能數(shù)字信號處理器，該芯片F(xiàn)lash空間容量大，因此在外圍可以連接豐富的部件。該芯片能靈活處理外部中斷，方便的實現(xiàn)與外圍器件的結(jié)合。因為需要對接收到的傳感器信號進行算法處理，DSPIC30則有84個基本指令，且為單周期的，因此算法效率較高。

2 光電傳感器的硬件電路設(shè)計

由于硅光電池的輸出信號比較微弱，一般情況均要加上前端電路進行合適的處理才能被微控制器所接收。通常前置電路有前置放大、差分減法、低通濾波以及末級放大等電路。如圖2所示為前置放大電路，由于硅光電池輸出的是電流信號，而微控制器能處理的是電壓信號。因此，該模塊能夠?qū)㈦娏髁哭D(zhuǎn)換為電壓量進行處理，通常用公式U0=-RI[9]。

圖2 前置放大電路

如圖3所示，為差分補償電路，對于硅光電池的輸出信號有可能會被電磁場、外界溫度變化以及周圍環(huán)境所影響[10]。因此，在圖3中選用兩個硅光電池減少外界環(huán)境的影響。

圖3 差分補償電路

圖4為低通濾波器電路，該電路的作用是濾除差分補償電路輸出中的高頻噪聲信號[11]，圖4中所示為四階的貝塞爾函數(shù)濾波器，在圖中經(jīng)過對有源電路設(shè)計手冊進行查表可得：R1=0.55 kΩ，R2=2 kΩ，R3=R4=5.1 kΩ，R5=820 kΩ，R6=11 kΩ，R7為開路，電容值C1=C2=C3=0.001 μF，C4=0.000 1 μF。

圖4 低通濾波器

因DSPIC30的A/D采集參考電壓為3.3 V，所以需要在末端配置相應(yīng)的末級放大電路。圖5為末級放大電路，信號在經(jīng)過該末級放大電路后可放大3.3倍。

圖5 末級放大電路

3 光電傳感器的軟件實現(xiàn)

3.1 AD 采集

如圖6所示為 A/D 轉(zhuǎn)換設(shè)置步驟流程圖，由于DSPIC30內(nèi)部具有10位A/D轉(zhuǎn)換器[12]，其ADC轉(zhuǎn)換速率最高為1 MSample·s-1，故需要將A/D轉(zhuǎn)換一次設(shè)置為1 μs。

圖6 A/D 轉(zhuǎn)換設(shè)置步驟

3.2 MCU 軟件

圖7為主控芯片軟件設(shè)置流程圖，在對芯片進行上電完成后，首先進行初始化設(shè)置，初始化的設(shè)置包括發(fā)送端的地址數(shù)據(jù)、各個信道的頻率設(shè)置以及發(fā)射次數(shù)等[13-15]。當初始化結(jié)束后，系統(tǒng)會進入如圖7所示的主控流程進行循環(huán)運行，因此光電傳感器信號就能順利的進行發(fā)射。

圖7 主控芯片流程圖

4 系統(tǒng)測試實驗

為了驗證本系統(tǒng)設(shè)計的正確性和實用性，選用了一個無線光傳感器，然后用激光平面發(fā)射器對該傳感器進行照射，將激光掃描頻率設(shè)置為50 Hz。測試結(jié)果表明，AD 采集與無線發(fā)送數(shù)據(jù)速度能達到10 μs。在無障礙物作用下，光電傳感器的信號可被傳送到50 m的距離處，若加上天線，則光電傳感器信號即可穿越障礙物，滿足了對于大型吊裝場合的需求和應(yīng)用。如圖8所示為測試距離與誤差分析圖，由該圖中可知在距離為4 m時，測試誤差達到最小，為0.25 mm。該實驗驗證了基于DSPIC30的光電傳感器設(shè)計的實用性，其在未來的應(yīng)用前景廣闊。

圖8 測量距離與誤差分析圖

5 結(jié)束語

本文以大型吊裝中操作不準確，環(huán)境變換以及錯位吊裝等會給吊裝人員帶來安全性問題出發(fā)，采用DSPIC30為主控制芯片，設(shè)計了光電傳感器系統(tǒng)，該光電傳感器系統(tǒng)的精確度可達0.2 mm，在未來大型構(gòu)件吊裝中具有重要作用。

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Design of Photoelectric Sensors Based on the DSPIC30 Microcontroller

SONG Shuiquan

(Training Center, Huizhou Engineering & Technical School, Huizhou 516001, China)

A new photoelectric sensor based on DSPIC30 microcontroller is proposed to solve the problem of nonstandard operation such as collision, lifting dislocation and illegal operation in the process of hoisting large components. This design, with DSPIC30 as the main chip and nRF24L01 as the wireless transmission module, realizes precise positioning of objects to be measured with an accuracy of 0.2 mm, thus ensuring the accurate operation of the measuring object, avoiding collision or other violations of inaccurate operation safety problems of life brought to the operating personnel or the construction personnel, and greatly reducing the manpower and material loss. The design of the future construction of large-scale hoisting precise position plays an inestimable role and has broad prospects for development.

lifting; photoelectric sensor; DSPIC30; nRF24L01; component hoisting

2016- 12- 27

宋水泉(1981-)，男，實驗師。研究方向：電氣工程及自動化。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.044

TP212.2

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1007-7820(2017)08-159-03