閆冬梅，康 冰，王有維

（吉林大學a.網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心，長春 130062；b.通信工程學院，長春 130023）

基于飛思卡爾單片機的木棒長度測量系統(tǒng)

閆冬梅1，康 冰2，王有維1

（吉林大學a.網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心，長春 130062；b.通信工程學院，長春 130023）

為解決工業(yè)生產(chǎn)中長度測量的問題，設(shè)計了基于飛思卡爾單片機的木棒長度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以飛思卡爾單片機為核心控制器，利用勻速轉(zhuǎn)動的直流電機帶動履帶，履帶兩側(cè)等距離放置三組紅外發(fā)射與接收管。將木棒放在履帶上，當木棒通過紅外對管時利用飛思卡爾單片機的內(nèi)部計時器計時，得出木棒的移動時間，從而算出木棒的長度，并用1602顯示屏顯示出木棒的長度。通過實驗驗證，該系統(tǒng)的測量誤差小于0.05%。

飛思卡爾單片機；直流電機；紅外對管；計時器

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)中，很多工件需要進行長度測量。在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)實際中，往往需要人工測量生產(chǎn)線上的工件的長度并注意記錄。這樣的測量方法不僅速度慢，而且易因為檢測人員讀數(shù)不準或疲勞而產(chǎn)生較大的誤差。而且，有些工業(yè)現(xiàn)場是不適宜進行人工測量的，如，高溫或有劇毒的現(xiàn)場。利用飛思卡爾單片機和紅外測量技術(shù)可以實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的工件長度進行測量，不僅具有準確性高、速度快等特點，還可以節(jié)省大量的人力，大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平［1］。筆者用運動的木棒模擬生產(chǎn)線上的工件長度，并進行了測量。

1 方案論證

目前，關(guān)于運動工件長度的測量方案有很多種，但各有優(yōu)缺點。

1）多組光電對管測長度。該方案是在滑槽兩側(cè)等距離地設(shè)置多組光電對管（一般是11組），通過計算被工件擋住的光電對管的個數(shù)，再根據(jù)相鄰兩組光電對管的距離，得出被測工件的長度。這種方案的缺點是光電對管的個數(shù)過多，接線非常復(fù)雜，且光電對管的信號線占用了大量的I／O端口資源。

2）基于CCD［2，3］（Charg Couple Device）攝像頭的長度測量方案。該方案是利用CCD攝像頭對生產(chǎn)線上的工件進行圖像采集［4］，然后利用圖像處理技術(shù)對工件進行長度測量。該方案的優(yōu)點是硬件設(shè)計簡單，缺點是利用圖像處理技術(shù)［5，6］使軟件設(shè)計比較復(fù)雜。

3）基于飛思卡爾單片機的方案。該系統(tǒng)以飛思卡爾單片機為核心控制器，利用勻速轉(zhuǎn)動的直流電機帶動履帶，履帶兩側(cè)等距離（距離為5cm）放置3組紅外發(fā)射與接收管［7］。將木棒放在履帶上，隨著履帶移動，當木棒通過紅外對管時利用飛思卡爾單片機的內(nèi)部計時器開始計時，離開時結(jié)束計時，得出木棒的移動時間。木棒的移動速度可以由兩組光電對管之間的距離除以木棒通過這段距離的時間得出。因此，已知木棒的移動時間和移動速度，即可算出木棒的長度。該方案硬件設(shè)計簡單，軟件實現(xiàn)也相對簡單。但電機的轉(zhuǎn)速不易控制，難以保證電機在空載和負載的情況下保持恒定的速度。為解決這個問題，該方案增加光電編碼器［8］對電機轉(zhuǎn)速進行反饋，使電機控制形成一個閉環(huán)，再結(jié)合PID［9］（Proportion Integration Differentiation）控制算法可極大地提高電機的抗干擾能力［10］，保證電機以恒定的速度運轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)由飛思卡爾單片機、直流電機模塊、紅外對管模塊和顯示模塊等組成（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)的硬件框圖Fig.1Hardware of system

1）紅外對管模塊。系統(tǒng)中，有3對紅外對管等距離分布在滑槽兩側(cè)，彼此間的距離是5cm。它們之間的距離要盡可能精確，這直接關(guān)系到木棒運動速度的測量，進而影響到木棒長度測量的結(jié)果。設(shè)置3組紅外對管是為了判斷木棒運動時是正向還是反向，從而實現(xiàn)木棒的正向計數(shù)和反向扣除。

2）電機驅(qū)動及光電編碼器反饋模塊［11］。系統(tǒng)的驅(qū)動芯片采用飛思卡爾半導體公司的半橋式驅(qū)動器MC33886。MC33886用來驅(qū)動電機［12］的運轉(zhuǎn)、停止、加速、減速和制動。直流電機的控制信號由飛思卡爾單片機PWM（Pulse Width Modulation）信號［13］產(chǎn)生。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，系統(tǒng)采用兩片MC33886并聯(lián)的方式驅(qū)動。光電編碼器用來反饋電機的轉(zhuǎn)速信號，其輸出信號為脈沖形式，由飛思卡爾單片機定時捕捉脈沖進行計數(shù)。

3）1602 顯示器模塊。1602顯示模塊用來顯示木棒的長度及相關(guān)狀態(tài)信息。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，運行初始化程序。初始化包括I／O口初始化、PWM初始化、RTI（Rea-Time Interface）初始化、1602顯示模塊初始化等。

初始化程序后，開始運行主程序。這里要定義一個全局變量RTI-counter，用來對RTI中斷［14］進行計數(shù)。飛思卡爾單片機的RTI中斷是周期定時器中斷，通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器，可使RTI的周期最短設(shè)置為64μs。當檢測到木棒首端通過紅外對管時，記下RTI-counter，存為time1；當檢測到木棒末端通過紅外對管時，記下RTI-counter，存為time2。time2與time1相減，再乘以RTI中斷的周期，得到木棒的運動時間。當檢測到木棒的首端通過第2對紅外對管時，記下此時的RTI-counter，存為time3。time3與time1相減，再乘以RTI中斷的周期，再用5cm除以該時間，得到木棒的運動速度。用木棒的運動速度乘以木棒的運動時間，得到木棒的長度。

電機控制的PID算法如下

其中Kp為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)，T為采樣周期，ei為此時刻的誤差，ei－1為前一時刻的誤差，ei－2為前兩時刻的誤差。

PID參數(shù)的確定采用Z-N（Ziegler-Nichols）震蕩法，方法如下。

在比例控制環(huán)節(jié)中，給定一個很小比例系數(shù)，逐步增加比例系數(shù)，在保證系統(tǒng)的輸出還是震蕩的情況下，記下系統(tǒng)的臨界比例增益Kp＝Kc和系統(tǒng)的震蕩周期Pc。

根據(jù)表1確定控制器的PID參數(shù)，通過實驗測得該系統(tǒng)的PID參數(shù)為

表1 Z-N震蕩法的參數(shù)設(shè)置Tab.1Parameters of Z-N Shock

系統(tǒng)的軟件流程圖和中斷流程圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 系統(tǒng)的軟件流程圖Fig.2Flow chart of the system software

圖3 中斷流程圖Fig.3Flow chart of interrupt

3 實驗結(jié)果

設(shè)計完成后，對該系統(tǒng)的精度進行了測試［15］，即用不同長度的木棒進行試驗，用來檢測系統(tǒng)的測量誤差。實驗結(jié)果如表2所示。

表2 木棒的實際尺寸、測量尺寸和誤差Tab.2Trim size，measurement of stick and error

由表2可以看出，筆者所設(shè)計的系統(tǒng)能準確測量木棒的長度，誤差［16，17］范圍小于0.05%。

4 結(jié) 語

筆者設(shè)計了一個以飛思卡爾單片機為核心控制器的木棒長度測量系統(tǒng)，利用直流電機和3組紅外發(fā)射與接收管。通過對各種方案的論證和對比，得出了筆者的設(shè)計方法，并對各個環(huán)節(jié)進行設(shè)計和調(diào)試。實驗結(jié)果表明，測量誤差小于0.05%，很好地證明了系統(tǒng)的可行性。

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Stick Length Measurement System Based on Freescale Microcontroller

YAN Dong-mei1，KANG Bing2，WANG You-wei1
（1.Center of Network ＆Educational Technology，Jilin University，Changchun 130062，China；2.College of Communication Engineering，Jilin University，Changchun 130023，China）

In order to solve the problem of the length measurement in industrial settings，we designed a system measuring the stick length based on freescale microcontroller.This system used a freescale microcontroller as the key controller.There is a track driven by a DC（Direct Current）motor which is turning with a constant speed.We placed three groups infrared transmitting and receiving devices whose distance was equal on both sides of the track.Place the stick on the track and the internal timer began to countime when the stick crossed the infrared device.Then we can get the moving time of the stick and obtaining the length of the stick.Finally，we used a 1602monitor to display the length of the stick.Through the experiment，the measurement error of this system was less than 0.05%.

freescale microcontroller；direct current motor；infrared device；timer

TG156；TP271

A

1671-5896（2012）01-0095-05

2011-08-11

閆冬梅（1978—），女，吉林伊通人，吉林大學工程師，主要從事網(wǎng)絡(luò)控制及智能控制技術(shù)研究，（Tel）86-13943017022（E-mail）ydm＠jluhp.edu.cn；王有維（1961—），男，哈爾濱人，吉林大學教授，博士，主要從事計算機網(wǎng)絡(luò)及控制理論的研究，（Tel）86-431-87836504（E-mail）wyw＠jluhp.edu.cn。

（責任編輯：劉俏亮）