基于MC9S12XS128单片机的管道内钢珠运动测量系统设计＊

邵华



基于MC9S12XS128单片机的管道内钢珠运动测量系统设计＊

邵华

（宁波城市职业技术学院 信息与智能工程学院，浙江 宁波 315100）

系统以单片机为核心控制模块，采用电感式接近开关为传感器实现钢珠数量、管道倾斜角度的测量。系统通过两个传感器各自测得的信号计算钢珠数量，然后计算不同管道倾角下两个传感器所测得时间间隔△，通过数据拟合获取了与△的幂函数关系，并由此函数关系计算该管道倾斜角度。实验证明，本系统能准确获得钢珠数量、运动方向及管道倾斜角度。

MC9S12XS128；电感式传感器；钢珠检测；角度测量

管道内钢珠运动测量系统是球杆系统的一种，是一个不稳定的开环物理控制系统。在该类系统中存在非线性、多变量、时变性和自然不稳定特性[1-3]，受影响的因素比较多，因此被控系统的数学模型并不容易准确建立。本文设计的管道内钢珠运动测量系统从实验数据角度出发，通过对大量数据详细分析与拟合，找出管道内钢珠运动系统中管道角度与钢珠运动时间的基本函数关系，并以此函数关系来计算管道角度，满足普通嵌入式系统实时获得较好测量精度的要求。

1 系统设计原理分析

基于单片机的管道内钢珠运动测量系统设计以单片机为控制核心，通过2个非接触式电感接近开关检测钢珠运动。当钢珠通过接近开关会产生脉冲信号，获取该脉冲信号数量，获得通过钢珠数量。将2个电感接近开关分布于管道不同位置，检测2个传感器脉冲信号产生次序来判别钢珠运动方向和运行周期。同时，检测2个传感器脉冲信号产生时间差来获取管道的倾斜角度。管道内钢珠运动测量系统如图1所示。

图1 管道内钢珠运动测量系统框图

1.1 钢珠检测原理分析

在本系统中，钢珠检测是通过电感式接近开关来实现。电感式接近开关是利用电涡流特性实现的传感器，其由振荡器、开关电路及内部放大输出电路组成。振荡器在传感器感应面的前方产生高频交变电磁场，当所测量的金属物体接近磁场产生涡流效应，导致振荡电路信号减弱，同时通过其后置电路放大该振荡变化并转换为开关输出信号输出，实现非接触式金属检测[4]。

因此，钢珠在管道内滚动通过电感式接近开关位置时，即可在三线制电感式接近开关信号端送出一个脉冲信号，通过单片机来捕获该脉冲信号即可检测到钢珠。

1.2 钢珠运动参数获取分析

在本系统中需要获取的运动参数分别为钢珠数量、运动方向和管道倾斜角度。由于钢珠滚动通过电感式接近开关位置时，即可在接近开关信号端送出一个脉冲信号，捕获该脉冲信号数量即为钢珠数量。

在管道角度获取过程中，系统通过检测不同管道角度下2个传感器所测得钢珠时间间隔∆α，通过在不同角度下及不同2个非接触传感器不同间距条件下进行多次测量，对测量数据进行分析拟合，获得管道角度和时间间隔∆α之间的函数关系，即：

=（∆α）. （1）

式（1）中：为系统参数，与2个传感器分别在管道上所处位置及相互距离相关，当传感器在管道上所处位置及相互距离固定后，可获取固定值。

通过测试实验结果验证分析，该函数满足幂函数关系：

=（∆α）－. （2）

式（2）中：、为系统参数，与2个传感器分别在管道上所处位置及相互距离相关。

2 系统硬件电路设计

本设计硬件模块电路设计，其核心控制模块为MC9S12XS128单片机[5]，主要应用了该款单片机的TIM模块对外部通道的边沿信号进行检测。检测系统以LJ12A3型电感接近开关为检测传感器，在本系统中，该传感器用于检测钢珠信号，当钢珠通过该传感器时，会产生一个脉冲信号，用以启动或停止MC9S12XS128单片机定时器，再由单片机记录中断时间和次数，并算出钢珠数量、角度等信息。

3 系统测试及结果分析

3.1 钢珠数量检测

系统由A端放入 2～10 粒钢珠，每粒钢珠放入的时间间隔小于等于2 s，测试装置显示放入钢珠个数。测试数据如表1所示。结果表明该系统满足要求。

表1 钢珠数量显示测试结果（单位：粒）

序号放入钢珠数量测得钢珠数量 133 266 388 499 51010

3.2 管道倾斜角度测试

设定传感器A和B之间距离为100 mm，当管道倾斜角为10º～80º之间的某一角度，由A端放入1粒钢珠，测量倾斜角的角度值，其测试数据如表2所示。

表2 传感器间距100 mm管道倾斜角度测试结果

序号量角器角度/°传感器检测时间间隔/（1/25 000 s）测得角度/°绝对误差/° 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

图2 两个传感器检测时间间隔与管道角度曲线图

该系统在角度较大时测量误差略大于角度小时，最大绝对误差为2°。对传感器检测时间间隔与角度数据进行函数拟合，其曲线如图2所示。

4 结束语

本系统设计的管道内钢珠运动测量装置，通过非接触传感器检测钢珠运动，配合信号处理与显示电路获得钢珠个数、运动方向、管道倾角等的运动参数，同时得出管道倾角与传感器检测时间间隔间存在着幂函数关系。

［1］孙亭玉.钢珠分检控制系统设计［D］.长春：长春理工大学，2013.

［2］张桂红.基于IAP15W4K58S4单片机管道内钢珠运动测量系统的设计［J］.无线互联科技，2017（22）：71-72.

［3］承浩，朱佳威，姜康佳.一种内置钢珠的塑料管道倾角的测量方法［J］.沙洲职业工学院学报，2017（3）：1-6.

［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）：147-150.

［5］王贵山，刘亚茹.基于XS128单片机的多功能测量系统设计［J］.河南科技，2013（22）：92-94.

邵华（1979—），男，浙江杭州人，副教授，工程师，研究方向为信号采集与处理。

浙江省教育厅2016年度高校科研项目（编号：Y201635391）；宁波城市职业技术学院科研项目（编号：ZZX17107）

2095－6835（2019）02－0108－02

TH122

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.108

〔编辑：严丽琴〕