一種利用檢測鋼球通過管道來判斷管道角度的裝置設計

張通 張萌 谷櫟娜

（石家莊工程職業學院 河北省石家莊市 050061）

1 硬件設計方案

整套系統包括主控控制芯片、非接觸是傳感器和顯示模塊。

1.1 顯示部分的論證與選擇

顯示部分是整套系統的展現給使用者的人機交互界面，需要清晰的展示顯示的內容，也需要考慮采購價格。綜合考慮我們采用12864 LED 液晶顯示，這一款顯示屏自帶中文字庫，同時能顯示字符和數字，編程簡單。

1.2 非接觸式傳感器的認證與選擇

因為不適用角度傳感器，我們采用電感式接近開關。將電感式接近開關安裝到管道上，可以通過算法實現管道角度的測量。電感式接近開關具有精度高、體積小、安裝方便的特點，特別適合測量鋼鐵等金屬物體。

1.3 主控芯片的選取

整套系統采用的是51 內核的國產單片機STC89C52RC 單片機，該單片機簡單實用相關技術資料文檔齊全，開發快捷并且高效。芯片有8K 字節的數據儲存空間，并且可以通過串口進行下載代碼，方便開發者調試和更新程序。本系統設計代碼部分并不復雜所以采取該型號單片機。

2 理論分析與計算

本裝置設計要求計量鋼球的投放個數、顯示鋼球運動方向、統計管道的擺動周期三個內容通過單片機對傳感器的檢測信號的分析即可完成，下面主要分析從管道一端投入一枚鋼球，要求顯示管道的傾斜角度。

鋼球在通過傾斜管道時一共收到三個力的作用，分別是鋼球收到的重力、鋼球收到管道給的摩擦力和管道對鋼球的支持力。鋼球沿斜面向下運動主要受重力沿斜面的向下的分力和斜面對鋼球的沿斜面向上的摩擦力的作用。設斜面的傾角為α，鋼球在管道內滾動摩擦系數為μ（摩擦系數μ 可以根據管道的材質通過查閱資料獲得，同時根據實際的測量結果進行調整），則鋼球沿管道向下運動的加速度為：

（1）/（2）可以推出：

由（3）（4）可以推出：

由（2）-（1）可以推出：

最后可以推出

3 電路與程序設計

3.1 系統電路設計

通過鋼球進行管道角度系統的硬件電路單片機采用51 架構STC89C52 單片機，通過鋼球進行管道角度系統人機交互部分采用12864B 液晶顯示模塊，然后利用兩組電感式接近開關傳感器連接到51 架構STC89C52 單片機的外部中斷端口，電源供電采用電池組供電，使用外部12M 晶振。通過鋼球進行管道角度系統整體硬件電路圖如圖1所示。

圖1：系統電路原理圖

3.2 系統程序設計

程序采用C 語言設計，通過鋼球進行管道角度系統程序邏輯主要是通過單片機外部中斷管腳對兩組電感式接近開關傳感器采集信號時間和順序進行判斷，然后確定管道的擺動周期、鋼球的掉落的具體數目，再配合內部定時器計量鋼球通過兩個傳感器的時間，計算管道的傾斜角度。

3.2.1 管道的擺動周期程序流程框圖

如圖2所示。

圖2：管道擺動周期流程圖

首先單片機主程序開始判斷第一個傳感器是否檢測到有效信號，如果檢測到讓標志位mark1 自動進行加1，然后判斷第二個傳感器是不是檢測到有效信號，檢測到后讓mark2 自動進行加1，再對兩個變量進行判斷，得出鋼球經過管道的方向，為下一步計算角度進行準備。

3.2.2 管道傾斜角度程序框圖

如圖3所示。

圖3：管道擺動周期流程圖

首先通過第一個傳感器判斷是否有鋼球經過，檢測到信號后打開單片機定時器開始計時，當第二個傳感器檢測到鋼球經過信號后關閉單片機定時器，將時間記錄下來。

4 測試方案與測試結果

4.1 管道內鋼球運動檢測系統測試部分設計

通過軟硬件設計，我們需要進行對之前內容的分析和計算。將兩個電感式接近開關固定在管道上特點位置。首先將多個鋼球放到管道內讓其下落，通過傳感器進行檢測掉落鋼球以及通過單片機出掉落鋼球數量，將掉落鋼球數量和實際掉落的鋼球數量進行對比通過多次對比可以發現實際掉落鋼球數量和管道內鋼球運動檢測系統顯示數字一致。

4.2 管道內鋼球運動檢測系統測試需要測試條件與儀器

實驗室條件下，測量管道傾角時使用傾角儀。

4.3 管道內鋼球運動檢測系統測試結果及分析

（1）將兩個傳感器安裝在管道的任意距離，然后進行測試。管道傾角測試結果見表1。

表1：角度測試表

（2）將兩個傳感器安裝在管道固定位置，兩個傳感器的間距在20mm，管道傾角測試結果見表2。

表2：角度測試表

5 結論

通過本文設計一種利用檢測鋼球通過管道來判斷管道角度的裝置，可以檢測管道的角度以及通過管道的鋼球數量。該裝置可以用在不方便使用角度傳感器又需要檢測管道角度的項目中。