魏孔贞 孙红英 李 泉

（兰州石化职业技术学院 电子电气工程学院,甘肃 兰州730060）

1 概述

本设计来源于全国大学生电子设计竞赛，通过一个管道A、B 两端任意位置进行释放小球，AB 两端的距离任意，要能够测量出释放小球的个数、管道的倾斜角度、小球的运动方向以及小球在管道内摆动的周期或者频率。设计的关键是传感器的选择与信号的接收，系统内部的控制算法和显示，难点在于脉冲信号的获取和小球初始速度的影响。

2 系统总体设计

2.1 系统设计要求

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，传感器1 和传感器2 之间的距离任意，配合信号处理和显示电路获得钢珠的运动参数。倾斜角为0o～800之间的某一角度，由A 端放入1 粒钢珠，要求装置能够显示倾斜角的角度值，测量误差的绝对值≤30。

2.2 方案论证

2.2.1 控制器选择

方案一: STC89C51RC 是采用8051 核的ISP 在系统可编程芯片，工作时钟频率高，内存小、保护能力差，功耗较高，运行速度慢，单片机内集成资源少[1]。方案二: AVR ATmega128 单片机，运行时钟高，外围电路简单，硬件设计方便，资源丰富，可以满足本设计的要求。通过比较，综合考虑认为在满足功能要求的前提下使用AVR ATmega128 单片机，运行速度较快，资源较多。

2.2.2 传感器选择

电感线圈式金属探测器是由高频振荡器、震荡检测器、音频振荡器和功率放大器组成，与传统探测器相比：探测器工作面的特殊设计，探测面积大、扫描速度快、灵敏度极高。其缺点是要进行复杂的滤波算法，信号检测不稳定。电感式接近开关作为钢珠检测传感器，其优点为输出的信号是数字方波，信号稳定，便于检测与计算最终根据实际情况，选择传感器采用TLQ5MC-7 方柱型直流三线式金属接近开关。

3 系统理论分析与计算

3.1 数学模型

必须通过检测钢珠运动，利用时间和距离的关系，根据牛顿运动定律来计算管道的倾斜角α[2]。根据牛顿第三定律，F=ma,小球受力分析如图1 所示，则小球的加速度a 与管道倾角α 的关系f=mgsinα。

图1 小球运动示意图

3.2 小球加速度a 的测量

3.2.1 针对本题目，传感器安装位置不定，投放小球的“手法”不同，初速度v0难以确定。

3.2.2 必须测量两组距离及对应时间联立方程，“消除”v0，求得加速度a。

解得

4 系统硬件、软件设计

4.1 系统总体设计

选择AVR ATmega128 单片机作为主控器，并通过角度传感器和金属接近开关与LCD 液晶进行实时显示数据。AVR ATmega128 单片机具有高可靠性、功能强、高速度、低功耗、低价格等优点。AVR 单片机废除机器周期，采用RISC，以字为指令长度单位，取指周期短，可预取指令，实现流水作业，可高速执行指令。有高可靠性为后盾[3]。AVR 单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本多方面取得优化平衡，是高性价比的单片机。内嵌高质量的Flash 程序存储器，擦写方便，支持ISP 和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。AVR ATmega128 单片机定时器（4个）工作模式多（定时、计数、PWM、捕捉等）、丰富的中断资源（35 个）完全可以满足系统要求，系统硬件总体框图如图2 所示。

图2

4.2 电路设计

根据控制要求，设计电路主要包括初速度调节模块，功能选择与距离设定模块、时间测量加速度和倾斜角计算模块、传感器信号检测模块、电平匹配模块、升压模块等。

4.3 软件设计

充分利用单片机内部的硬件资源:定时器、各种中断，以提高测量装置的实时性目的提高测量精度。设计主要内容计算加速度、倾角：

4.3.1 脉冲信号分析

小球经过传感器时的脉冲信号，及变量的约定：传感器未检测到金属，输出高电平，传感器检测到金属，灯亮，输出低电平。

图3

L0不是传感器的宽度，它与小球的尺寸、传感器的灵敏度、感应面积、响应速度、安装距离位置有关，（具体制作的装置取值是12.6mm）, L1为任意距离，可以根据实际要求固定为20mm。

4.3.2 时间的“获取”（送到单片机）

传感器A（B）脉冲由PE7（PE6）传至AVR ATmega128 单片机引脚INT7/ICP3（INT6/T3），传感器脉冲功能下降沿中断、上升沿捕捉、下降沿中断[4]。第一次下降沿中断定时器清零TCNT3=0,上升沿捕捉定时器ICR=TCNT3, 第二次下降沿读取定时器TCNT3。

图4

4.3.3 调试与测试

根据要求进行了不同角度的调试，除80°效果不太理想,其它都接近控制要求。分析其原因就是当角度接近90°的时候，小球不再沿管壁运动，与管材内壁的平整、投放小球的“手法”影响了小球的运动，这样小球经过传感器时“距离”会有微小的变化，导致距离发生变化。一个原因是当角度接近90°时，α 对加速度“很敏感”。另一原因就是对时间本身就很敏感，a 对t 偏微分将出现t 的4 次方。如果要解决这个问题就需要选择高灵敏度的传感器。

结束语

本系统设计利用单片机和传感器，对管道内钢珠运动进行了个数、运动的方向，距离的测量和计算，根据不同的初速度和角度，通过单片机快速计算和中断能力，最终实现了控制要求，较好的完成了控制要求，为我们以后测量提供了新的方法和新的思路。