基于單片機的光電長度計量系統設計

李琳

（鄭州航空工業管理學院，河南 鄭州 450015）

1 概述

我國十二五電網發展的總體目標，到2015年，建成堅強的西北、東北送端電網和三華特高壓受端電網，電網優化配置資源能力大幅提高。基本形成智能電網運行控制和互動服務體系，關鍵技術和裝備實現重大突破。電網建設的規模和發展方式的重大改變，都將給行業帶來巨大的市場需求和創新空間。未來10年，我國線纜行業發展速度將會以高于GDP的速度發展，達到8%-10%及以上。

隨著線纜纜的需求量增大，簡單易行線纜的測量成為供方和需方的一個需要解決的實際問題。光電側米計量系統是一種有效的測量電線、電纜長度的新型系統，它能在電線、電纜的生產線和復繞狀態下對電線、電纜進行有效的長度測量和定長控制，從而實現電線、電纜的高精度測量和控制。光電米測試儀作為一種有效的高精度的計量儀表，已經廣泛的應用于電線、電纜，工礦企業、紡織，影印，印染，皮革綢緞，布匹，鋼材，塑料薄膜，地毯制作等行業，是一種適合與現代工業生產的新型測量設備。

2 系統總體設計

系統設計思路是開關機按鈕、增加、減少、單位長度光電傳感器采用反射式光電開關電路，為了提高光電開關對環境雜散光的抗干擾性能，利用調制技術對光電開關電路的電源進行500Hz頻率調制，使得這些電路工作時的狀態受到功能信號和調制信號的二維約束，實現功能電路性能的唯一性的同時，又提高了它的抗干擾能力和實用性；500Hz調制信號由單片機提供，工作時，功能信號傳送給單片機，它根據增加和減少的預置測試長度進行數字顯示，并驅動吐線電機轉動吐線，數字顯示數字開始遞減，當吐線長度等于原預置長度時，吐線電機停轉，單片機輸出信號驅動電剪剪斷線體，同時發出“滴滴”聲告知完成。

3 系統電路設計

電源電路設計根據系統電路正常工作所需的額定電源電壓分析后進行優化進行分析可知，CPU電源和周邊電路采用5VDC電流300mADC，負載電源采用24VDC/300MA，根據以上分析，選用AC/DC電源模塊LH20-10D0524-03，特點是220V/50Hz供電，兩路直流輸出5VDC/24VDC,若該產品采用直流24CDC供電時可選擇兩套方案，其電源電路可選擇DC/DC電源模塊PWB4805LT-1W5；電路原理圖如圖4。(5)

圖4 24VDC供電電路原理圖

圖中U1光電開關單元電路用于開機/待機功能控制電路，ajkonzhi2端子單片機輸入500Hz信號驅動光電開關器件U1發光二極管，使他產生發射一個光脈沖串，當反射物體置于光電開關器件U1上方合適位置時，光脈沖串經反射物體將光反射給U1光電三極管轉換成功能控制電信號傳送給CPU,同理，U2(加)、U3(減)、U4(線單位長度脈沖發生電路)的工作原理類同，其目的是為了避免電器開關易磨損和產生干擾。電路參數計算，由于電路單元電路的類同性，所以以U1、Q1、Q17組成的單元電路為設計目標，計算如下，根據光電開關電路U1的發光二極管、R5、Q17的集電極、發射機構成的回路列KVL方程，已知條件：該支路工作在數字開關狀態，電源電壓5V,支路電流10mA（由光電開關器件的參數決定，并設光電開關器件的發光二極管的工作電壓為VF），R5 電路參數由下（1）、（2）計算；

R5=（5V-VCES-VF）/10Ma=(5V-0.5V-1.3V)/10Ma=32Ω(1)

P(功率)=（10mA）2R5=0.032mW(2)

電阻功率取安全系數為5，則PR=0.16mW；取標稱值R5=300R(1/16W)。

若選擇光電開關器件中的BJT集電極電流為IC=0.5mA,則有以下（3）式決定，

R6=(5V－VCES)/0.3mA=（5V－0.5V）/0.3mA=15kΩ (3)

取標稱值R6=15kΩ(1/16W)。

R53計算條件是IC=10mA，Q17的β值為250，輸入電壓脈沖幅值等于5V，則R53值由下式（4）決定，

取標稱值R53=100kΩ(1/16W)。

R13是Q1的偏置電阻，其電路參數計算由（5）式決定，

R13 =(VU1CE－VBEU1)/0.3mA/βQ1=208kΩ

上式中VU1CE=1V,是由于光電開關元件的光電三極管暴露在雜散光下產生一個光電流形成的UU1CE=1V,所以VU1C=1V,取標稱值R13=200K/1/16W。

同理R1=10KΩ/1/16W。其中C1是一個加速電容，它是為了提高電路的反應速度而設定的，其原理是電路穩態時C1不起作用，當他的兩端電位突然變化時，將產生一個階躍電流，加速Q1BJT的狀態翻轉，達到提高開關速度的目的。

圖中 CPU選擇 STC12C5A40S2，選擇12MHz時鐘，顯示電路采用3位半LED字段共陰極顯示模塊，采用掃描式驅動方式；功能操作采用LED顯示，供用戶確定操作狀態。其蜂鳴器供操作者確定參考狀態。

4 系統驅動設計

系統電路的直流電機和步進電機的驅動電路，它采用隔離電路U5、U5、U7、U11 光電隔離器進行負載與CPU之間的電隔離，防止負載意外狀態負載24V高壓CPU的損害，提高系統穩定的可靠性。電機驅動電路采用專用芯片LV8731V,特點：它是一個全橋式功率驅動芯片，體積小，效率高，它可以驅動直流電機又可驅動步進電機，并且功能選擇多樣化，控制功能端數量少，工作效率高，給設計提高了方便。PCB電路板選擇雙層電路板布局，采用貼片元件來提高元件布置密度，同時要求全工藝制板。

總結

光電側米計量在電線、電纜的生產線和復繞狀態下對電線、電纜進行有效的長度測量和定長控制，從而實現電線、電纜的高精度測量和控制，對于測量電線、電纜長度有著快捷、準確、低成本等特點，系統目前還處于市場初試階段，一些細節的應用，還需要進一步研究。

[1]李照青.單機原理與接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社.1999.3.

[2]馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計[M].北京航空航天大學出版社,2003.1.13.

[3]張石.微控制器原理及接口技術實驗教程[M].沈陽：東北大學出版社，2004.1.