用C51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)物體分級設(shè)備的測量光幕

摘要：首先介紹了光幕測量高度的原理，給出了高度測量光幕的一種實(shí)現(xiàn)方法，分析了由該方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要性能。從而徹底解決了相鄰?fù)烽g的干擾，提高了測量精度。 關(guān)鍵詞：單片機(jī);測量光幕;分級 1　引言 光幕是電子測量系統(tǒng)中應(yīng)用比較多的一種設(shè)備。利用光幕可以測量恒速傳送帶上的物體高度、長度或?qū)挾鹊纫幌盗袛?shù)據(jù)，以便為后面的電子系統(tǒng)提供相應(yīng)的參數(shù)。本文給出了一種利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)物體高度測量的光幕測量方法。 2　光幕測量物體高度的基本原理 圖1所示是一個(gè)用普通光幕測量物體高度的測試原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，光幕的一邊等間距安裝有多個(gè)紅外發(fā)射管，另一邊相應(yīng)的有相同數(shù)量同樣排列的紅外接收管，每一個(gè)紅外發(fā)射管都對應(yīng)有一個(gè)相應(yīng)的紅外接收管，且安裝在同一條直線上。當(dāng)同一條直線上的紅外發(fā)射管、紅外接收管之間沒有障礙物時(shí)，紅外發(fā)射管發(fā)出的調(diào)制信號(光信號)能順利到達(dá)紅外接收管。紅外接收管接收到調(diào)制信號后，相應(yīng)的電路輸出低電平，而在有障礙物的情況下，紅外發(fā)射管發(fā)出的調(diào)制信號(光信號)不能順利到達(dá)紅外接收管，這時(shí)該紅外接收管接收不到調(diào)制信號，相應(yīng)的電路輸出為高電平。當(dāng)光幕中沒有物體通過時(shí)，所有紅外發(fā)射管發(fā)出的調(diào)制信號(光信號)都能順利到達(dá)另一側(cè)的相應(yīng)紅外接收管，從而使內(nèi)部電路全部輸出低電平。這樣，通過對內(nèi)部電路狀態(tài)進(jìn)行分析就可以得出物體的高度信息。由于上下相鄰光路可能會相互干擾，因此，選取的紅外發(fā)光管的發(fā)射角度要小于15%26;#176;，此外，考慮到光幕要有一定的寬度，因而還應(yīng)對紅外發(fā)射管發(fā)出的信號進(jìn)行調(diào)制。但在實(shí)際制作中，上下兩路總存在干擾，很難提高測量精度。為了徹底從根本上解決相鄰兩路的干擾問題，本文給出了一種用C51單片機(jī)及相關(guān)芯片來實(shí)現(xiàn)高度測量的方法。

3 高度測量光幕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作過程 高度測量光幕的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。器件的紅外發(fā)射和接收通路數(shù)目理論上最大可有215個(gè)，考慮到實(shí)際光幕的高度和上下通路之間的間距，一般不會超過64個(gè)。為方便介紹，本文以通路數(shù)16為例，且按安裝的高度從高到低依次標(biāo)為1路、2路、3路。……16路。發(fā)射和接收部分的多路選擇開關(guān)選用常見的多路選擇器(如7LS15系列)。發(fā)送端的多路選擇器的A0～A3接單片機(jī)的P1.0～P1.3，接收端的多路選擇器的A0～A3接單片機(jī)的P1.4～P1.7，并入串出模塊和串入并出模塊選用8位移位寄存器(如74lLS165和74HC595)。并入串出模塊的裝載信號Ld=P1.4%26;#183;WR 串入并出模塊的數(shù)據(jù)讀出信號 E =P1.5%26;#183;RD。移位控制信號端接TE同步信號。RAM用來存儲數(shù)據(jù)，可將其接在單片機(jī)的P0和P2口上。其容量的大小視處理的數(shù)據(jù)量的多少而定。本文選擇1kB。同步信號TE和移位時(shí)鐘CP可用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生，也可用CP時(shí)鐘8分頻來作為TE信號。對串入并出模塊的讀和對并入串出模塊的寫均可通過中斷方式來完成。同時(shí)用單片機(jī)的串口可將處理后的高度數(shù)據(jù)送出。直線掃描模式下，器件的工作流程如下：首先單片機(jī)在TE的下降沿到來后，向串入并出模塊寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)如01H，并同時(shí)向發(fā)送端和接收端送出相同的通路選擇信號即第一路地址信號。而當(dāng)TE的上升沿到來時(shí)，在移位時(shí)鐘的控制下數(shù)據(jù)01H開始經(jīng)多路開關(guān)被送到第1路的紅外發(fā)射電路，再經(jīng)調(diào)制后以光信號形式發(fā)出，與此同時(shí)紅外接收電路在TE上升沿到來時(shí)開始啟動(dòng)接收。由于發(fā)送和接收的多路開關(guān)選擇信號相同，因此，實(shí)際上只有與發(fā)射端相對應(yīng)的一路(即第一路)才被接收。經(jīng)解調(diào)后的數(shù)據(jù)一般可在移位時(shí)鐘的作用下被移入串入并出模塊，并在TE下降沿到來時(shí)接收完畢，同時(shí)觸發(fā)單片機(jī)的中斷處理程序，使數(shù)據(jù)被單片機(jī)讀走。單片機(jī)再對發(fā)出的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若不同注：這里只有在該通路中有物體阻擋時(shí)，才接收不到發(fā)送信號，致使發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)不同)，則表明該路有物體通過。若相同則表示該通路中沒有物體阻擋或者是物體高度比該路紅外發(fā)射管安裝高度要低。接著掃描第2路，同時(shí)單片機(jī)在TE下降沿到來后，送出第二路的選擇地址，并送出要發(fā)送的數(shù)據(jù)(本文用02H也可不同)。同樣，在TE上升沿到來時(shí)開始移出，并通過第二路發(fā)送和接收通道，再經(jīng)調(diào)制后以光信號形式發(fā)出。與此同時(shí)，TE的上升沿啟動(dòng)第二路接收。接收完畢后，單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)的處理。接著是第三路、第四路、……第十五路、第十六路，從而完成一次從第一路到第十六路的掃描。若要求以100次/s的速度進(jìn)行掃描，則TE的頻率應(yīng)當(dāng)是1.6kHz，而移位時(shí)鐘CP的頻率應(yīng)當(dāng)是12.8kHz。發(fā)送和接收的時(shí)序如圖3所示。圖中，RN是接收到的串行數(shù)據(jù)，TN是發(fā)送端移出的數(shù)據(jù)。圖中略去了調(diào)制解調(diào)部分的波形。 圖2 在直線掃描模式下，單片機(jī)每次向發(fā)送端和接收端發(fā)送相同的通路選擇信號，即第一路發(fā)第一路收、第二路發(fā)第二路收、…第十五路發(fā)第十五路收、第十六路發(fā)第十六路收。而在交叉掃描模式下，單片機(jī)每次向發(fā)送端和接收端發(fā)送不同的通路選擇信號。即第一路發(fā)第二路收、第二路發(fā)第一路收、……第十五路發(fā)第十六路收、第十六路發(fā)第十五路收。相比之下，交叉掃描模式對物體的高度測量更為精確，且在檢測區(qū)域中心1/3處的檢測精度最高。最小檢測高度可縮至直線掃描模式下的2/3。 4 高度檢測的分析模式 光幕檢測模式可以有多種設(shè)置，從以上的光幕工作過程可以看出，可以用首尾光線阻擋模式和首尾光線透射模式。在首尾光線阻擋模式下，當(dāng)物體進(jìn)入光幕區(qū)域時(shí)，光線被阻擋，單片機(jī)將識別被阻擋的首束光線的編號。然后依次由下向上計(jì)算被阻光線的總數(shù)，直到最后被阻擋的光線為止，最后累加得出數(shù)據(jù)物體的被測方向尺寸。而在首尾光線投射模式，當(dāng)物體進(jìn)入光幕區(qū)域時(shí)，單片機(jī)將控制識別透射光線，并由首束透射光線計(jì)算，再依次累加數(shù)值直到最后透射光線為止，最后計(jì)算透射光線的總數(shù)，得出物體被測方向的尺寸。

5　高度測量光幕器件的性能和結(jié)果 制作光幕時(shí)，要注意選用高亮度紅外發(fā)射二極管和高靈敏度紅外接收管。為了防止紅外接收管飽和，可外加濾光片，以使其工作在微導(dǎo)通狀態(tài)。在直線掃描模式下，當(dāng)光軸間距為2.5cm、光幕寬為5m時(shí)，最大分辨率可達(dá)2.5cm，在帶速(物體運(yùn)動(dòng)速度)為5m/s時(shí)，掃描間距為1cm。實(shí)際上，本方法也適用于制作高精度測量光幕，以用于水果、包裹等分級處理設(shè)備中。