基于單片機技術(shù)的機械設備計時(shí)器的研制

1計時(shí)器組成及工作原理
　　(1)硬件組成及計時(shí)原理
　　計時(shí)智能控制系統采用硬件觸發(fā)加軟件檢測、控制的方法，利用機械設備運轉時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號，通過(guò)微處理器來(lái)判斷是否有代表設備運行的信號出現，控制計時(shí)并進(jìn)行簡(jiǎn)單運算，觸發(fā)計時(shí)器進(jìn)入工作狀態(tài)，再由CPU讀取開(kāi)機時(shí)間參數，并存儲；振動(dòng)信號消失后，計時(shí)觸發(fā)信號消失，計時(shí)器停止工作，并將當前工作時(shí)間和累計工作時(shí)間分別存儲。通過(guò)通訊口進(jìn)行簡(jiǎn)單查詢(xún)或與計算機連接讀取數據并進(jìn)行分析，得到機械設備工作的有關(guān)數據。硬件原理圖如圖1所示。

　　計時(shí)器核心采用性?xún)r(jià)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(gè)定時(shí)／計時(shí)器、2個(gè)外中斷源、串行I／O口、并行I／O口；具有算術(shù)運算、邏輯運算、控制轉移等功能，并可對其編程實(shí)現多種功能。工業(yè)芯片使用范圍為-40～70℃，性能可靠穩定。為增加計時(shí)精度，增加1片頻率為32768Hz的手表晶振；數據存儲選用E²PROM芯片，用耗能低且可靠性高的4位點(diǎn)陣液晶顯示屏顯示數據。

　　(2)軟件系統構成及功能
　　軟件系統按模塊化進(jìn)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、通訊程序模塊和數據分析程序模塊等組成。主程序模塊進(jìn)行定時(shí)、串口和中斷系統初始化，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(shù)實(shí)現方案
　　(1)計時(shí)控制技術(shù)
　　機械設備運轉時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的振幅約為80～100μm，頻率約為5～100Hz。根據需要，采用由硬件觸發(fā)加軟件檢測、控制的方法，由振動(dòng)傳感器和單片機的有機合作作為計時(shí)器的智能控制核心，以τ電路為主的數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(dòng)傳感器感應的振動(dòng)信號轉化為電信號后，經(jīng)放大、整形處理，產(chǎn)生周期性二值數字信號及運動(dòng)瞬間的觸發(fā)信號，信號經(jīng)τ電路處理為反映機械實(shí)際振動(dòng)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(dòng)、靜態(tài)，決定整個(gè)系統工作與休眠。

　　工作時(shí)，軟件以一定的時(shí)間間隔檢測外部動(dòng)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(dòng)時(shí)刻，并進(jìn)行工作計時(shí)和累加，微處理器通過(guò)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(shí)，微處理器指揮系統同步進(jìn)入靜止狀態(tài)，并將工作時(shí)間累加，等待再次觸發(fā)。

　　(2)電源管理技術(shù)
　　為消除人為因素的影響，計時(shí)器使用過(guò)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(shí)器內部電源長(cháng)時(shí)間連續可靠工作。為此，除計時(shí)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(shù)，供電電路設計如圖5。

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　　整體分區供電：智能控制電路、主機和顯示器一個(gè)電源，時(shí)鐘芯片一個(gè)電源，正常安裝使用前二者相對獨立。根據計時(shí)器在機械設備上的工作特點(diǎn)，理論上對計時(shí)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(shí)鐘芯片采用鈕扣電池，維持時(shí)鐘同步。

　　分時(shí)供電：計時(shí)器未啟用時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，僅由鈕扣電池以微小的電流維持時(shí)鐘芯片與當前時(shí)鐘同步，需要安裝使用時(shí)，通過(guò)不可重復動(dòng)作開(kāi)關(guān)1，使鋰電池轉入正常供電，此時(shí)，鋰電池和鈕扣電池并聯(lián)，整個(gè)計時(shí)器進(jìn)入待機狀態(tài)。

　　(3)安全技術(shù)
　　在計時(shí)器外觀(guān)、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(shí)器采用全封閉設計。外殼采用注塑殼體，底蓋通過(guò)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(jìn)行計時(shí)閱讀和數據查詢(xún)外，不能進(jìn)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(shí)數據管理
　　(1)數據查詢(xún)
　　數據查詢(xún)是計時(shí)器功能的擴展，通過(guò)數據查詢(xún)器可查詢(xún)計時(shí)器內部?jì)Υ鏀祿?，包括設備每次開(kāi)機時(shí)刻、每次工作時(shí)間、累計工作時(shí)間，并能對當前數據進(jìn)行檢索，獲取設備使用的詳細情況。

　　(2)數據分析
　　數據分析通過(guò)軟件來(lái)完成，利用微機讀取計時(shí)器有關(guān)數據，結合維修、保養、能耗等數據，設計程序，找出它們之間的關(guān)系，指導生產(chǎn)和管理。?

4結論
　　機械設備計時(shí)器的基本功能是真實(shí)、客觀(guān)地記錄設備的工作時(shí)間。它采用了成熟的微電子和振動(dòng)傳感技術(shù)，先進(jìn)的軟、硬件結合的監測、控制技術(shù)，合理的電源管理技術(shù)。既能完成計時(shí)的需要，又能對數據實(shí)施有效的管理，實(shí)現對數據的二次利用。

參考文獻

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