沈英才,刘朝英,宋雪玲
(河北科技大学电气信息学院,河北石家庄 050054)
摘 要:提出1种以MCS251单片机为核心,集微电子、光电检测及电感检测技术为一体的面积测量方法,介绍了它的设计、组成和故障诊断方法,指出其采用容错技术、自校正技术和抗干扰技术后具有测量精度高、性能价格比高等特点,且少量传感器出现故障时不影响测量精度,适用于测量皮革及其他不规则片状物体的面积。
关键词:单片机;面积测量;光电检测;电感检测
中图分类号:TP273 文献标识码:A
将不规则物体先分成若干矩形小块,然后求和即得到该物体的近似面积,矩形越小则精度越高。测量仪工作原理见图1,光源和光传感器分成2排平行地固定在支架上,被测物体在电机拖动装置拖动下水平、匀速地在光源和光传感器之间通过。当被测物体通过光源和光传感器时,有物体的地方光源被遮挡,对应的光传感器输出电平为“1”,否则输出电平为“0”。由计算机读取光传感器的信息,再统计“1”的个数,然后求和。
若光传感器之间的距离为a,单位时间被测物体移动的距离(即线速度)为v,光传感器“1”的个数为N,则每个小矩形面积为a×v,第i个单位时间测量的面积为
则被测物体的单张面积为
式中,m是微型计算机的读入次数。
1 硬件设计
1.1 主机及接口板电路
以Intel 8031为核心,分别扩展1片EPROM27C256(固化程序)、E2PROM28C128(存放设定参数及保存测量历史数据)和RAM62C64。数据总线和控制总线采用74LS245和74LS125驱动。用1片74HC154产生光传感器三态缓冲器和打印机端口地址,最多可连接128个光传感器。同步传感器输出与8031的T1连接,见图2。由MC14538及外接RC构成“看门狗”电路[1,2]。
1.2 测量传感器
测量传感器是面积测量仪的关键部分之一,它的性能好坏直接关系到测量精度。图2中光传感器可以分为2种:一是光电传感器,它具有体积小、速度快、成本高等特点,安装条件要求高,适用于比较洁净的环境;二是光敏传感器,它以日光灯作为共用光源,其成本及对安装条件、使用环境要求都比较低。面积测量仪与测量传感器的接口电路可以根据具体情况任选其一。传感器接口电路见图3。
该测量仪有同步测量或异步测量方式可供选择。所谓同步测量方式(转速检测)是指在线检测电机的速度,根据电机速度计算出被测物体移动的线速度。异步测量方式是根据电机额定转速计算出被测物体移动的线速度,但电网电压的波动将影响测量精度。对于速度检测方法大体有3种:其一是脉冲盘式角度数字转换器,特点是精度较高,但脉冲盘较易磨损;其二是光电码盘数字转换器,特点是精度高、码盘无磨损、光源寿命短;其三是电感应接近开关,主要用于测量距离,特点是结构简单、安装方便且价格低廉,但用于转速测量较前2种方法精度偏
低。前2种方法适用于高速测量,由于本测量仪转速较低,因此,选用GEN21705接近开关。
1.3 键盘显示接口电路
键盘显示接口电路见图4,它由13个8段LED数码管、8个LED状态显示和8个按键组成。8个按键共定义了18种功能(上、下档加复合键)。13个LED数码管分上下2排,每2个数码管共用1个位选锁存器及驱动信号,位选择信号与按键连接,P1.5作为键的扫描信号。该电路省去了字型驱动及上拉电阻。硬件的简化使功耗降低,并巧妙地解决了大(25.4 mm)、小(12.7 mm)数码管共用1个位选择及驱动数码管的亮度问题。
1.4 微型打印机接口及其他
打印机接口采用同步传送方式,TPμP240微型打印机和标准的普通打印机均可,具有瞬间掉电保护功能,重新上电后继续掉电前瞬间的工作;8031串口留作与上位机通信。
2 软件设计
程序采用自顶向下设计及模块结构,包含监控程序、动态扫描显示、打印、算法等模块。T 0为定时中断方式,设计万年历及时钟程序,采样及重要程序在该中断服务程序内。为了保证显示器的亮度,编程过程中侧重了在优先保证采样测量模块顺序工作的前提下,用尽量多的时间执行显示子程序,对需要软件延时则调用显示子程序实现。如打印程序、键盘消抖、E 2PROM写入等均为调用显示子程序方法。设定或修改重要参数需要口令保护,重要参数存放于E 2PROM内。因此,操作人员的误操作不会影响测量的正常进行。
2.1 采样及数据处理程序
采样及数据处理模块放在T 0的中断服务程序内,采样模块采用逐行扫描方式读取传感器值。单张面积算法如下:
式中:v i是第i次采样线速度;C是常数;Ti是单位时间内计数值;a是传感器间距;NI是第i次采样电平“1”的个数;S i是采样至第i次时的面积和;si为第i个单位时间测量的面积。数据处理模块耗费不详细叙述。
2.2 系统自诊断程序
本文中测量采用开关型传感器,由于开关型传感器故障只有2种表现形式,电平恒等于“1”或“0”(即开路或短路),因此,可以采用程序判断法来判断开关型传感器至单片机各个部分电路是否正常。开路故障自诊断程序见图5,当出现故障时提示故障位置号和故障点总数[3,4] 。
2.3 系统自校正程序
采用了容错技术,即根据故障诊断结果进行修正,因此,当有少量传感器出现故障时不影响测量精度。所谓少量传感器出现故障是指安装位置不能有2个或2个以上相邻的传感器同时出现故障。当同
图5 自诊断程序框图
Fig.5 Flow diagram of self2detection
步传感器有故障时,自动切换到异步测量方式。在异步测量方式时,当工频电压波动较大时将对测量精度有所影响。
3 抗干扰措施
硬件设计了“看门狗”电路;印刷电路板设计充分考虑到布线电容问题、大规模集成芯片的电源之间跨接电容问题等;软件采用指令冗余、软件陷阱和“软看门狗”技术等[5] 。
4 主要性能指标及特点
测量范围为0~2 400 mm;测量扎数为1~9 999;每包扎数在1~99之间、每包张数在1~99之间可任意设定;测量制式有公制、市制、英制;测量误差≤0.01 m2或≤0.01尺2(1尺合1/3 m)或≤
0.01英尺2(1英尺合0·304 8 m);单张测量面积0.01~ 99.99 m2;实时显示单张面积、张号、包面积及包张数、日期、时钟等,并能随时查询上述参数;自动诊断并显示故障位置号和故障点总数;自动报表打印测量时间、包清单、累计面积、等级、颜色、品种、单价及总价格等;测量数据可以长期保存且随时可查询打印。
设定参数可长期保存;测量历史数据不可修改;具有掉电保护功能。
5 结 论
该测量仪经河北省标准计量局按国标JJG413—89检定规程进行了检测,其结果是:每包张数的显示值和打印值一致,正确无误;累计面积的显示值正确无误;显示值重复性小于0.01 m2;显示值误差小于±0.01 m2。检测结论是:各项性能指标达到设计任务书中的要求,操作简单,运行可靠。实践表明,该测量仪与目前同类产品比较,具有如下特点:其一采用了容错技术,即根据故障诊断结果,在少量测量传感器出现故障时仍能保证测量精度;其二采用了开放式设计思路,允许用户在原定基础上将被测物体的品种代码和颜色代码分别扩展到100种。自诊断给出了传感器的故障位置号,便于维修。本文提出的自诊断方法可以推广到计算机测量及控制系统中的开关型诊断。本测量仪适用于牛皮、羊皮、猪皮、狗皮及其他各种不规则形状软性片状物体的面积测量。
参考文献:
[1] 张毅刚,彭喜源.MCS251单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.
[2] 何利民.单片机应用设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1990.
[3] 沈英才,刘朝英,宋雪玲.智能仪表的几种程序自检方法[J].河北工业科技,2004,21(4):37239.
[4] 沈英才,刘朝英,宋雪玲.计算机测量控制系统的自诊断方法[J].计算机测量与控制,2004,12(11):1 04321 045.
[5] 王辛之.单片机应用系统抗干扰技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.
