一種利用檢測(cè)鋼球通過(guò)管道來(lái)判斷管道角度的裝置設(shè)計(jì)

張通 張萌 谷櫟娜

（石家莊工程職業(yè)學(xué)院 河北省石家莊市 050061）

1 硬件設(shè)計(jì)方案

整套系統(tǒng)包括主控控制芯片、非接觸是傳感器和顯示模塊。

1.1 顯示部分的論證與選擇

顯示部分是整套系統(tǒng)的展現(xiàn)給使用者的人機(jī)交互界面，需要清晰的展示顯示的內(nèi)容，也需要考慮采購(gòu)價(jià)格。綜合考慮我們采用12864 LED 液晶顯示，這一款顯示屏自帶中文字庫(kù)，同時(shí)能顯示字符和數(shù)字，編程簡(jiǎn)單。

1.2 非接觸式傳感器的認(rèn)證與選擇

因?yàn)椴贿m用角度傳感器，我們采用電感式接近開(kāi)關(guān)。將電感式接近開(kāi)關(guān)安裝到管道上，可以通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)管道角度的測(cè)量。電感式接近開(kāi)關(guān)具有精度高、體積小、安裝方便的特點(diǎn)，特別適合測(cè)量鋼鐵等金屬物體。

1.3 主控芯片的選取

整套系統(tǒng)采用的是51 內(nèi)核的國(guó)產(chǎn)單片機(jī)STC89C52RC 單片機(jī)，該單片機(jī)簡(jiǎn)單實(shí)用相關(guān)技術(shù)資料文檔齊全，開(kāi)發(fā)快捷并且高效。芯片有8K 字節(jié)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間，并且可以通過(guò)串口進(jìn)行下載代碼，方便開(kāi)發(fā)者調(diào)試和更新程序。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)代碼部分并不復(fù)雜所以采取該型號(hào)單片機(jī)。

2 理論分析與計(jì)算

本裝置設(shè)計(jì)要求計(jì)量鋼球的投放個(gè)數(shù)、顯示鋼球運(yùn)動(dòng)方向、統(tǒng)計(jì)管道的擺動(dòng)周期三個(gè)內(nèi)容通過(guò)單片機(jī)對(duì)傳感器的檢測(cè)信號(hào)的分析即可完成，下面主要分析從管道一端投入一枚鋼球，要求顯示管道的傾斜角度。

鋼球在通過(guò)傾斜管道時(shí)一共收到三個(gè)力的作用，分別是鋼球收到的重力、鋼球收到管道給的摩擦力和管道對(duì)鋼球的支持力。鋼球沿斜面向下運(yùn)動(dòng)主要受重力沿斜面的向下的分力和斜面對(duì)鋼球的沿斜面向上的摩擦力的作用。設(shè)斜面的傾角為α，鋼球在管道內(nèi)滾動(dòng)摩擦系數(shù)為μ（摩擦系數(shù)μ 可以根據(jù)管道的材質(zhì)通過(guò)查閱資料獲得，同時(shí)根據(jù)實(shí)際的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行調(diào)整），則鋼球沿管道向下運(yùn)動(dòng)的加速度為：

（1）/（2）可以推出：

由（3）（4）可以推出：

由（2）-（1）可以推出：

最后可以推出

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

通過(guò)鋼球進(jìn)行管道角度系統(tǒng)的硬件電路單片機(jī)采用51 架構(gòu)STC89C52 單片機(jī)，通過(guò)鋼球進(jìn)行管道角度系統(tǒng)人機(jī)交互部分采用12864B 液晶顯示模塊，然后利用兩組電感式接近開(kāi)關(guān)傳感器連接到51 架構(gòu)STC89C52 單片機(jī)的外部中斷端口，電源供電采用電池組供電，使用外部12M 晶振。通過(guò)鋼球進(jìn)行管道角度系統(tǒng)整體硬件電路圖如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)電路原理圖

3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

程序采用C 語(yǔ)言設(shè)計(jì)，通過(guò)鋼球進(jìn)行管道角度系統(tǒng)程序邏輯主要是通過(guò)單片機(jī)外部中斷管腳對(duì)兩組電感式接近開(kāi)關(guān)傳感器采集信號(hào)時(shí)間和順序進(jìn)行判斷，然后確定管道的擺動(dòng)周期、鋼球的掉落的具體數(shù)目，再配合內(nèi)部定時(shí)器計(jì)量鋼球通過(guò)兩個(gè)傳感器的時(shí)間，計(jì)算管道的傾斜角度。

3.2.1 管道的擺動(dòng)周期程序流程框圖

如圖2所示。

圖2：管道擺動(dòng)周期流程圖

首先單片機(jī)主程序開(kāi)始判斷第一個(gè)傳感器是否檢測(cè)到有效信號(hào)，如果檢測(cè)到讓標(biāo)志位mark1 自動(dòng)進(jìn)行加1，然后判斷第二個(gè)傳感器是不是檢測(cè)到有效信號(hào)，檢測(cè)到后讓mark2 自動(dòng)進(jìn)行加1，再對(duì)兩個(gè)變量進(jìn)行判斷，得出鋼球經(jīng)過(guò)管道的方向，為下一步計(jì)算角度進(jìn)行準(zhǔn)備。

3.2.2 管道傾斜角度程序框圖

如圖3所示。

圖3：管道擺動(dòng)周期流程圖

首先通過(guò)第一個(gè)傳感器判斷是否有鋼球經(jīng)過(guò)，檢測(cè)到信號(hào)后打開(kāi)單片機(jī)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)诙€(gè)傳感器檢測(cè)到鋼球經(jīng)過(guò)信號(hào)后關(guān)閉單片機(jī)定時(shí)器，將時(shí)間記錄下來(lái)。

4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

4.1 管道內(nèi)鋼球運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試部分設(shè)計(jì)

通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)，我們需要進(jìn)行對(duì)之前內(nèi)容的分析和計(jì)算。將兩個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān)固定在管道上特點(diǎn)位置。首先將多個(gè)鋼球放到管道內(nèi)讓其下落，通過(guò)傳感器進(jìn)行檢測(cè)掉落鋼球以及通過(guò)單片機(jī)出掉落鋼球數(shù)量，將掉落鋼球數(shù)量和實(shí)際掉落的鋼球數(shù)量進(jìn)行對(duì)比通過(guò)多次對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際掉落鋼球數(shù)量和管道內(nèi)鋼球運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)顯示數(shù)字一致。

4.2 管道內(nèi)鋼球運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試需要測(cè)試條件與儀器

實(shí)驗(yàn)室條件下，測(cè)量管道傾角時(shí)使用傾角儀。

4.3 管道內(nèi)鋼球運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及分析

（1）將兩個(gè)傳感器安裝在管道的任意距離，然后進(jìn)行測(cè)試。管道傾角測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1：角度測(cè)試表

（2）將兩個(gè)傳感器安裝在管道固定位置，兩個(gè)傳感器的間距在20mm，管道傾角測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2：角度測(cè)試表

5 結(jié)論

通過(guò)本文設(shè)計(jì)一種利用檢測(cè)鋼球通過(guò)管道來(lái)判斷管道角度的裝置，可以檢測(cè)管道的角度以及通過(guò)管道的鋼球數(shù)量。該裝置可以用在不方便使用角度傳感器又需要檢測(cè)管道角度的項(xiàng)目中。