基于STC15W4K56S4单片机控制的管道内钢珠运动测量装置设计

张仁朝　王先彪　张茂贵

摘  要：文章设计了一种基于STC15W4K56S4单片机控制的管道内钢珠运动测量装置。该装置采用霍尔传感器测量钢珠运动参数，通过钢珠在管道内的运动特点建立数学模型，利用数学模型实现对钢珠个数、运动方向、角度、周期的测量，通过标定法减小系统误差，并在12864LCD上进行显示。该装置可以较好地完成钢珠数量与运动方向显示，并且将倾斜角度误差的绝对值在误差范围之内。

关键词：单片机;运动;测量;显示

中图分类号：TP368.1       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）02-0041-04

Abstract：In this paper，a steel ball motion measuring device in pipeline is designed based on STC15W4K56S4 single chip microcomputer. The device uses Hall sensor to measure the movement parameters of steel balls，establishes the mathematical model through the movement characteristics of steel balls in the pipeline，realizes the measurement of the number of steel balls，movement direction，angle and period by using the mathematical model，reduces the system error by the calibration method，and displays on 12864LCD. The device can display the number of steel balls and the direction of movement well，and the absolute value of the tilt angle error is within the error range.

Keywords：SCM;motion;measure;display

0  引  言

角度測量在我们日常生活中的应用非常广泛。测量一个运动物体角度的方法除了角度传感器，应用比较多的就是霍尔传感器。通过霍尔传感器，单片机控制液晶显示运动物体的数量与角度，是角度测量的另一有效措施。

1  系统方案设计

本文计划设计并制作一个管道内钢珠运动测量装置，使用2个非接触传感器检测钢珠运动，配合信号处理和显示电路获得钢珠的运动参数。

根据以上要求，本系统主要由传感器模块、主控制模块 （MCU）、放大电路模块、比较电路模块、液晶显示模块、按键模块、电源模块构成。其系统结构如图1所示。

2  方案论证与选择

2.1  传感器的选择

2.1.1  霍尔传感器

霍尔效应是指磁场作用于导体的载流子产生横向电位差的物理现象。当电流通过霍尔元件时，垂直于电流的方向放置磁铁施加磁场，则霍尔元件两侧面会出现横向电位差（即称为霍尔电压），因为钢珠滚过管道引起霍尔传感器的磁场变化，所以霍尔元件将磁场的变化转为电信号传输给控制器来处理，从而实现测速和测长度等。霍尔传感器在实际测试中精确度高、灵敏度高、可靠性高、稳定性好。

2.1.2  光电传感器

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制。将灯安装在管道一侧，光电传感器安装在另一侧，当钢珠经过管道，光信号转换成电信号，并获得钢珠运动系数。管道的管壁较厚，光电传感器不易检测到钢珠。

2.1.3  电感式传感器

当钢珠穿过管道，电感式传感器利用电磁感应获得钢珠运动轨迹，再由电感式传感器转换为电信号输送给控制器。电感式传感器精确度高、灵敏度高，但在管壁上不好安装。

综合考虑，选择使用霍尔传感器。

2.2  主控制器的选择

2.2.1  STC15W4K56S4

STC15W4K56S4运算速度比传统的8051单片机快7～12倍，存储空间大。具有超高速四串口/UART，分时切换可当9组串口使用，功能基本满足系统要求。

2.2.2  STC89C52

STC89C52是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，具有8 K字节系统可编程Flash存储器，可直接使用串口下载，但运算速度较慢且存储空间较小。

2.2.3  STM8

其内核为高级STM8内核，具有8 K字节Flash程序存储器。抗干扰能力强，系统成本低。

综合考虑，选择STC15W4K56S4芯片。

3  钢珠运动与工作原理

将霍尔传感器安装在管道一侧，在管道另一侧放置磁铁形成磁场。当钢珠经过管道，霍尔传感器的磁场出现变化，形成电位差，霍尔元件再将信号传送给单片机进行处理。根据钢珠在管道内的运动特点，建立数学模型。

在加速直线运动中，钢珠在重力G作用下做加速运动。根据直线运动位移公式，钢珠在t时间内位移量为S，其初速度为V0，加速度为a：

实际测量中，除了存在摩擦力（摩擦因数很小，可忽略不计）造成的误差之外，还有在移动传感时，两个传感器之间的距离和管口到两个传感器的距离会产生误差。除此之外还有霍尔传感器探测精度的误差。

为了减小误差，我们采用标定法。即先设定好传感器A与传感器B之间的距离并且键入Sa、Sb，再确定管道角度（例如45°或60°），放置小球后，通过测出的角度与实际角度对比，手动调整传感器A与传感器B之间的距离。通过矫正，减小系统误差。

4  电路设计

4.1  放大比较模块

霍尔传感器输出的电信号经过放大电路进行100倍放大后，用比较器进行比较，输出到单片机，如图2所示。

4.2  电源模块

将220 V交流电经过变压器转为12 V直流电，再由电源模块进行整流、滤波、输出稳定的5 V直流电，给系统供电，如图3所示。

4.3  按键电路

由3×4矩阵组成按键电路，配合程序进行数值键入、清零等功能，如图4所示。

4.4  显示模块

本模块采用128×64LED点阵显示。带中文字库的128× 64具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，可以显示8×4行16×16点阵的汉字。也可完成图形显示，低电压、低功耗是其显著特点。

5  软件设计

主程序流程圖如图5所示。主程序通过按键进行功能切换，显示钢珠的个数、计算角度与运动的方向。

6  测试结果与分析

测试仪器：量尺、量角器、秒表。测试结果如表1、表2所示。

其中，S1、S2为管口分别到传感器A和传感器B的距离。间距为传感器A与传感器B之间的距离。

从表1可以看出，基本要求中的钢珠个数、钢珠运动方向、钢珠运动周期的测试结果完全正确，符合基本要求中的测量指标。从表2的角度测量表可以看出，10°到60°的角度误差在1°内，60°到80°角度测量的误差在2°内，整个测量的角度误差都在3°内，并且能够准确地显示出来，符合题目发挥部分设计的要求。

7  结  论

本文设计的管道内钢珠运动测量装置，来源于全国大学生电子设计竞赛试题。该装置以STC15W4K56S4单片机为核心，经过实际测试，能够准确测量钢珠个数、运动方向与周期，并能显示管道的角度。角度的误差在允许范围之内，且管道支架牢固、系统稳定，较好地完成了试题的要求。

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作者简介：张仁朝（1982-），男，汉族，安徽淮北人，高级实

验师，硕士，本科，研究方向：单片机技术应用、实训教学与管理。