基于單片機技術的機械設備計時器的研制

1計時器組成及工作原理
　　(1)硬件組成及計時原理
　　計時智能控制系統(tǒng)采用硬件觸發(fā)加軟件檢測、控制的方法，利用機械設備運轉時產生的振動信號，通過微處理器來判斷是否有代表設備運行的信號出現(xiàn)，控制計時并進行簡單運算，觸發(fā)計時器進入工作狀態(tài)，再由CPU讀取開機時間參數(shù)，并存儲；振動信號消失后，計時觸發(fā)信號消失，計時器停止工作，并將當前工作時間和累計工作時間分別存儲。通過通訊口進行簡單查詢或與計算機連接讀取數(shù)據(jù)并進行分析，得到機械設備工作的有關數(shù)據(jù)。硬件原理圖如圖1所示。

　　計時器核心采用性價比高、體積小、支持低功耗模式的87C51芯片作為微處理器，該芯片集成了2個定時／計時器、2個外中斷源、串行I／O口、并行I／O口；具有算術運算、邏輯運算、控制轉移等功能，并可對其編程實現(xiàn)多種功能。工業(yè)芯片使用范圍為-40～70℃，性能可靠穩(wěn)定。為增加計時精度，增加1片頻率為32768Hz的手表晶振；數(shù)據(jù)存儲選用E²PROM芯片，用耗能低且可靠性高的4位點陣液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)。

　　(2)軟件系統(tǒng)構成及功能
　　軟件系統(tǒng)按模塊化進行設計，主要由主程序模塊、信號檢測程序模塊、中斷程序模塊、通訊程序模塊和數(shù)據(jù)分析程序模塊等組成。主程序模塊進行定時、串口和中斷系統(tǒng)初始化，并循環(huán)檢測是否有機械設備運行觸發(fā)信號。應用程序采用中斷方式調用。主程序模塊流程圖如圖2所示，檢測程序流程如圖3所示。

2技術實現(xiàn)方案
　　(1)計時控制技術
　　機械設備運轉時產生振動的振幅約為80～100μm，頻率約為5～100Hz。根據(jù)需要，采用由硬件觸發(fā)加軟件檢測、控制的方法，由振動傳感器和單片機的有機合作作為計時器的智能控制核心，以τ電路為主的數(shù)字電路完成軟硬件的結合。原理圖如圖4所示。

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　　振動傳感器感應的振動信號轉化為電信號后，經(jīng)放大、整形處理，產生周期性二值數(shù)字信號及運動瞬間的觸發(fā)信號，信號經(jīng)τ電路處理為反映機械實際振動狀態(tài)的二值電平信號送入微處理器，由軟件識別機械設備的動、靜態(tài)，決定整個系統(tǒng)工作與休眠。

　　工作時，軟件以一定的時間間隔檢測外部動態(tài)電平，由瞬態(tài)信號了解機械設備的工作起始，記錄其啟動時刻，并進行工作計時和累加，微處理器通過硬件檢測提供的信息，準確地把握外部設備的工作狀態(tài)。當外部工作設備處于靜止狀態(tài)時，微處理器指揮系統(tǒng)同步進入靜止狀態(tài)，并將工作時間累加，等待再次觸發(fā)。

　　(2)電源管理技術
　　為消除人為因素的影響，計時器使用過程中不使用任何外部電源供電、補充充電和更換電池；保證計時器內部電源長時間連續(xù)可靠工作。為此，除計時器本身采用低功耗模式設計、硬件選用CMOS元件外，還采用特殊的電源管理技術，供電電路設計如圖5。

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　　整體分區(qū)供電：智能控制電路、主機和顯示器一個電源，時鐘芯片一個電源，正常安裝使用前二者相對獨立。根據(jù)計時器在機械設備上的工作特點，理論上對計時器的供電可視為脈沖放電，因此，前者作為主電源，選用容量大、放電特性好的1號鋰電池(輸出電壓：3V；容量：16500mAh)；時鐘芯片采用鈕扣電池，維持時鐘同步。

　　分時供電：計時器未啟用時，開關斷開，僅由鈕扣電池以微小的電流維持時鐘芯片與當前時鐘同步，需要安裝使用時，通過不可重復動作開關1，使鋰電池轉入正常供電，此時，鋰電池和鈕扣電池并聯(lián)，整個計時器進入待機狀態(tài)。

　　(3)安全技術
　　在計時器外觀、安裝等方面采用了特殊的設計方案：采用集成度高、體積小的元件，以利于封裝；除通訊口外計時器采用全封閉設計。外殼采用注塑殼體，底蓋通過螺釘與主體連接，底面作為安裝面與設備密封安裝后，除能進行計時閱讀和數(shù)據(jù)查詢外，不能進行任何操作。如需要，可將通訊口密封，與機械設備一起置于野外、水下、井下等。

3計時數(shù)據(jù)管理
　　(1)數(shù)據(jù)查詢
　　數(shù)據(jù)查詢是計時器功能的擴展，通過數(shù)據(jù)查詢器可查詢計時器內部儲存數(shù)據(jù)，包括設備每次開機時刻、每次工作時間、累計工作時間，并能對當前數(shù)據(jù)進行檢索，獲取設備使用的詳細情況。

　　(2)數(shù)據(jù)分析
　　數(shù)據(jù)分析通過軟件來完成，利用微機讀取計時器有關數(shù)據(jù)，結合維修、保養(yǎng)、能耗等數(shù)據(jù)，設計程序，找出它們之間的關系，指導生產和管理。?

4結論
　　機械設備計時器的基本功能是真實、客觀地記錄設備的工作時間。它采用了成熟的微電子和振動傳感技術，先進的軟、硬件結合的監(jiān)測、控制技術，合理的電源管理技術。既能完成計時的需要，又能對數(shù)據(jù)實施有效的管理，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的二次利用。

參考文獻

［1］何立民.單片機應用系統(tǒng)設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1994.
［2］黃石紅.低頻信號處理在振動測試工程中的研究及應用［D］.南京：東南大學，1995.