邵華

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基于MC9S12XS128單片機(jī)的管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動測量系統(tǒng)設(shè)計＊

邵華

（寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與智能工程學(xué)院，浙江 寧波 315100）

系統(tǒng)以單片機(jī)為核心控制模塊，采用電感式接近開關(guān)為傳感器實(shí)現(xiàn)鋼珠數(shù)量、管道傾斜角度的測量。系統(tǒng)通過兩個傳感器各自測得的信號計算鋼珠數(shù)量，然后計算不同管道傾角下兩個傳感器所測得時間間隔△，通過數(shù)據(jù)擬合獲取了與△的冪函數(shù)關(guān)系，并由此函數(shù)關(guān)系計算該管道傾斜角度。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)能準(zhǔn)確獲得鋼珠數(shù)量、運(yùn)動方向及管道傾斜角度。

MC9S12XS128；電感式傳感器；鋼珠檢測；角度測量

管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動測量系統(tǒng)是球桿系統(tǒng)的一種，是一個不穩(wěn)定的開環(huán)物理控制系統(tǒng)。在該類系統(tǒng)中存在非線性、多變量、時變性和自然不穩(wěn)定特性[1-3]，受影響的因素比較多，因此被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并不容易準(zhǔn)確建立。本文設(shè)計的管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動測量系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)角度出發(fā)，通過對大量數(shù)據(jù)詳細(xì)分析與擬合，找出管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動系統(tǒng)中管道角度與鋼珠運(yùn)動時間的基本函數(shù)關(guān)系，并以此函數(shù)關(guān)系來計算管道角度，滿足普通嵌入式系統(tǒng)實(shí)時獲得較好測量精度的要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理分析

基于單片機(jī)的管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動測量系統(tǒng)設(shè)計以單片機(jī)為控制核心，通過2個非接觸式電感接近開關(guān)檢測鋼珠運(yùn)動。當(dāng)鋼珠通過接近開關(guān)會產(chǎn)生脈沖信號，獲取該脈沖信號數(shù)量，獲得通過鋼珠數(shù)量。將2個電感接近開關(guān)分布于管道不同位置，檢測2個傳感器脈沖信號產(chǎn)生次序來判別鋼珠運(yùn)動方向和運(yùn)行周期。同時，檢測2個傳感器脈沖信號產(chǎn)生時間差來獲取管道的傾斜角度。管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動測量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動測量系統(tǒng)框圖

1.1 鋼珠檢測原理分析

在本系統(tǒng)中，鋼珠檢測是通過電感式接近開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。電感式接近開關(guān)是利用電渦流特性實(shí)現(xiàn)的傳感器，其由振蕩器、開關(guān)電路及內(nèi)部放大輸出電路組成。振蕩器在傳感器感應(yīng)面的前方產(chǎn)生高頻交變電磁場，當(dāng)所測量的金屬物體接近磁場產(chǎn)生渦流效應(yīng)，導(dǎo)致振蕩電路信號減弱，同時通過其后置電路放大該振蕩變化并轉(zhuǎn)換為開關(guān)輸出信號輸出，實(shí)現(xiàn)非接觸式金屬檢測[4]。

因此，鋼珠在管道內(nèi)滾動通過電感式接近開關(guān)位置時，即可在三線制電感式接近開關(guān)信號端送出一個脈沖信號，通過單片機(jī)來捕獲該脈沖信號即可檢測到鋼珠。

1.2 鋼珠運(yùn)動參數(shù)獲取分析

在本系統(tǒng)中需要獲取的運(yùn)動參數(shù)分別為鋼珠數(shù)量、運(yùn)動方向和管道傾斜角度。由于鋼珠滾動通過電感式接近開關(guān)位置時，即可在接近開關(guān)信號端送出一個脈沖信號，捕獲該脈沖信號數(shù)量即為鋼珠數(shù)量。

在管道角度獲取過程中，系統(tǒng)通過檢測不同管道角度下2個傳感器所測得鋼珠時間間隔?α，通過在不同角度下及不同2個非接觸傳感器不同間距條件下進(jìn)行多次測量，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合，獲得管道角度和時間間隔?α之間的函數(shù)關(guān)系，即：

=（?α）. （1）

式（1）中：為系統(tǒng)參數(shù)，與2個傳感器分別在管道上所處位置及相互距離相關(guān)，當(dāng)傳感器在管道上所處位置及相互距離固定后，可獲取固定值。

通過測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證分析，該函數(shù)滿足冪函數(shù)關(guān)系：

=（?α）－. （2）

式（2）中：、為系統(tǒng)參數(shù)，與2個傳感器分別在管道上所處位置及相互距離相關(guān)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本設(shè)計硬件模塊電路設(shè)計，其核心控制模塊為MC9S12XS128單片機(jī)[5]，主要應(yīng)用了該款單片機(jī)的TIM模塊對外部通道的邊沿信號進(jìn)行檢測。檢測系統(tǒng)以LJ12A3型電感接近開關(guān)為檢測傳感器，在本系統(tǒng)中，該傳感器用于檢測鋼珠信號，當(dāng)鋼珠通過該傳感器時，會產(chǎn)生一個脈沖信號，用以啟動或停止MC9S12XS128單片機(jī)定時器，再由單片機(jī)記錄中斷時間和次數(shù)，并算出鋼珠數(shù)量、角度等信息。

3 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

3.1 鋼珠數(shù)量檢測

系統(tǒng)由A端放入 2～10 粒鋼珠，每粒鋼珠放入的時間間隔小于等于2 s，測試裝置顯示放入鋼珠個數(shù)。測試數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足要求。

表1 鋼珠數(shù)量顯示測試結(jié)果（單位：粒）

序號放入鋼珠數(shù)量測得鋼珠數(shù)量 133 266 388 499 51010

3.2 管道傾斜角度測試

設(shè)定傳感器A和B之間距離為100 mm，當(dāng)管道傾斜角為10o～80o之間的某一角度，由A端放入1粒鋼珠，測量傾斜角的角度值，其測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 傳感器間距100 mm管道傾斜角度測試結(jié)果

序號量角器角度/°傳感器檢測時間間隔/（1/25 000 s）測得角度/°絕對誤差/° 11046 789100 21537 292150 32031 766200 42528 084250 53025 204300 63523 882350 74021 697400 84520 312450 95018 872500 105518 095541 116017 244611 126516 351641 137015 909700 147515 417732 158015 049811

圖2 兩個傳感器檢測時間間隔與管道角度曲線圖

該系統(tǒng)在角度較大時測量誤差略大于角度小時，最大絕對誤差為2°。對傳感器檢測時間間隔與角度數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合，其曲線如圖2所示。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計的管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動測量裝置，通過非接觸傳感器檢測鋼珠運(yùn)動，配合信號處理與顯示電路獲得鋼珠個數(shù)、運(yùn)動方向、管道傾角等的運(yùn)動參數(shù)，同時得出管道傾角與傳感器檢測時間間隔間存在著冪函數(shù)關(guān)系。

［1］孫亭玉.鋼珠分檢控制系統(tǒng)設(shè)計［D］.長春：長春理工大學(xué)，2013.

［2］張桂紅.基于IAP15W4K58S4單片機(jī)管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動測量系統(tǒng)的設(shè)計［J］.無線互聯(lián)科技，2017（22）：71-72.

［3］承浩，朱佳威，姜康佳.一種內(nèi)置鋼珠的塑料管道傾角的測量方法［J］.沙洲職業(yè)工學(xué)院學(xué)報，2017（3）：1-6.

［4］吳良孟.改進(jìn)型電感式接近開關(guān)的設(shè)計及應(yīng)用［J］.長三角，2009（7）：147-150.

［5］王貴山，劉亞茹.基于XS128單片機(jī)的多功能測量系統(tǒng)設(shè)計［J］.河南科技，2013（22）：92-94.

邵華（1979—），男，浙江杭州人，副教授，工程師，研究方向?yàn)樾盘柌杉c處理。

浙江省教育廳2016年度高校科研項(xiàng)目（編號：Y201635391）；寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（編號：ZZX17107）

2095－6835（2019）02－0108－02

TH122

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.108

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕