用C51系列單片機設(shè)計物體分級設(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現(xiàn)方法，分析了由該方法設(shè)計的系統(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。

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實現(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，每一個紅外發(fā)射管都對應(yīng)有一個相應(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，紅外發(fā)射管發(fā)出的調(diào)制信號（光信號）能順利到達紅外接收管。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）不能順利到達紅外接收管，這時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，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°，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)出的信號進行調(diào)制。但在實際制作中，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單片機及相關(guān)芯片來實現(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，考慮到實際光幕的高度和上下通路之間的間距，一般不會超過６４個。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接單片機的Ｐ１．０～Ｐ１．３，接收端的多路選擇器的Ａ０～Ａ３接單片機的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·ＷＲ? 串入并出模塊的數(shù)據(jù)讀出信號 Ｅ ＝Ｐ１．５·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和移位時鐘ＣＰ可用單片機的定時器產(chǎn)生，也可用ＣＰ時鐘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?用單片機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，在移位時鐘的控制下?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?紅外接收電路在ＴＥ上升沿到來時開始啟動接收。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)一般可在移位時鐘的作用下被移入串入并出模塊，并在ＴＥ下降沿到來時接收完畢，同時觸發(fā)單片機的中斷處理程序，使數(shù)據(jù)被單片機讀走。單片機再對發(fā)出的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)進行比較，若不同?注：這里只有在該通路中有物體阻擋時，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，同時單片機在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，ＴＥ的上升沿啟動第二路接收。接收完畢后，單片機進行相關(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的速度進行掃描，則ＴＥ的頻率應(yīng)當(dāng)是１．６ｋＨｚ，而移位時鐘ＣＰ的頻率應(yīng)當(dāng)是１２．８ｋＨｚ。發(fā)送和接收的時序如圖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)物體進入光幕區(qū)域時，光線被阻擋，單片機將識別被阻擋的首束光線的編號。然后依次由下向上計算被阻光線的總數(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)物體進入光幕區(qū)域時，單片機將控制識別透射光線，并由首束透射光線計算，再依次累加數(shù)值直到最后透射光線為止，最后計算透射光線的總數(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，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，最大分辨率可達２．５ｃｍ，在帶速(物體運動速度)為５ｍ／ｓ時，掃描間距為１ｃｍ。實際上，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。