基于IAP15W4K58S4单片机管道内钢珠运动测量系统的设计

张桂红

(武汉交通职业学院,湖北 武汉 430065)

基于IAP15W4K58S4单片机管道内钢珠运动测量系统的设计

张桂红

(武汉交通职业学院,湖北 武汉 430065)

文章设计了一个管道内钢珠运动测量装置,通过检测进入管道钢珠的运动状态,实现了钢珠个数、运动方向、周期及管道放置角度的测量.本系统以IAP15W4K58S4单片机为核心,利用电感式接近开关传感器的电涡流效应,将检测到的信号发送至单片机进行分析,计算出管道放置的角度,并送至LCD液晶显示屏显示.

单片机;钢珠;传感器;测量

1 系统方案设计

1.1 总体方案设计

系统总体方案如图1所示.

图1 系统总体方案设计

钢珠以零速度进入管道,两个电感式接近开关传感器分别检测钢珠运动到开关所需时间并送到单片机进行处理,计算出两点的不同速度,进而计算出管道放置的角度,最后通过按键控制单片机选择显示的数据[1].

1.2 方案论证

传感器模块采用电感式接近开关,它是在电涡流效应的基础上,利用振荡器产生交变的磁场,当金属物体接近磁场时振荡发生变化,通过这一变化达到检测目标的目的.具有寿命长、低功耗的特点,检测物体必须是导电体[2].

1.2.1 测量方法与工作原理分析

装置模拟如图2所示,L为传感器1与传感器2之间的距离,θ为管道放置的角度,t1起始时间,t2为截止时间.将管道放置任一角度(10°~80°),从A端放入钢珠,通过动能定理:

式中m为物体质量,v为运动速度,J为转动惯量,ω为角速度,g为重力加速度,r为钢珠半径.

将式(2)、(3)代入式(1)得

式中l为从管口到任一点的距离.

考虑t1,t2的时刻所对应的v1,v2代入式(4)得

通过传感器检测出v1,v2,代入式(5)可得

将测得v1,v2的值代入式(6),计算出管道放置的角度.

图2 装置模拟

1.2.2 检测电路原理分析计算

选择电感式接近开关模块,它是一种利用涡流效应感知物体的传感器.它由振荡器、放大电路、检波电路及输出电路组成.如图3所示,谐振回路由L1,C3,C4与C5构成,可知谐振回路的总电容量为:

当钢珠没有接近感应头时,振荡器开始振荡,输出端产生一个持续的高电平,当钢珠接近感应头时,振荡器中的磁力线被钢珠破坏,由振荡变为不振荡,输出端由高电平变为低电平,通过这一变化可检测出钢珠的运动状态.

2 硬件电路

系统硬件电路由单片机IAP15W4K58S4,12864液晶显示器,矩阵键盘,传感器模块等4部分组成.传感器模块电路主要由LC振荡电路、放大电路、检波电路及开关输出电路组成[31],其电路如图3所示,

图3 电感式接近开关模块原理

3 程序设计

程序开始,系统初始化.钢珠到达传感器1感应区、传感器1感应区,通过定时器得到时间t1,t2.经单片机分析运算,计算出管道放置的角度、钢珠数等数据送至液晶显示屏.通过按键选择显示模式,按下键1,显示钢珠个数、运动周期和方向;按下键2,调节传感器之间的距离并显示;按下键3,显示计算的角度[4].程序流程如图4所示.

本系统经测试,传感器1和2之间的距离L任意选择时,由A端放入钢珠,液晶显示屏可准确地显示放入钢珠个数.倾斜角在10°~80°之间变化时,由A端放入1粒钢珠,液晶显示屏可以显示管道的角度,并与实际放置角度误差的绝对值均≤3°,整个系统的精度比较高.调整管道的方向,A端朝下,B端朝上,可以显示钢珠运动的方向.

图4 程序流程

[1]李锐.高频接近开关检测原理与设计[J].微机原理与应用,2012(23):22-24.

[2]李艳红.传感器原理及实际应用设计[M].北京:北京理工大学出版社,2016.

[3]周晴,李文旭.接近开关的原理与应用[J].电子元器件应用,2007(6):18-20.

[4]吴良孟.改进型电感式接近开关的设计及应用[J].长三角,2009(7):147-148.

Design of the measurement system of steel ball movement in pipeline based on IAP15W4K58S4 single chip microcomputer

Zhang Guihong
(Wuhan Technical College of Communications, Wuhan 430065, China)

In this paper, a steel ball movement in pipeline measuring device is designed, which by detecting into the pipeline steel ball movement, has realized the number of steel ball, movement direction, cycle and pipeline placed angle measurement. IAP15W4K58S4 single chip microcomputer as the core, this system using the eddy current effect of inductive proximity switch sensor to send the detected signal to the single chip microcomputer to analyze, and calculate the angle of the pipeline placed and send to the LCD liquid display shows.

single chip microcomputer; steel ball; switch sensor; measurement

张桂红(1972- ),女,湖北仙桃人,副教授,硕士;研究方向:电工电子,通信.