基于C51系列單片機的物體分級設備的測量光幕設計

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)現方法，分析了由該方法設計的系統結構和主要性能。從而徹底解決了相鄰通路間的干擾，提高了測量精度。

１　引言

光幕是電子測量系統中應用比較多的一種設備。利用光幕可以測量恒速傳送帶上的物體高度、長(cháng)度或寬度等一系列數據，以便為后面的電子系統提供相應的參數。本文給出了一種利用單片機實(shí)現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構示意圖。圖中，光幕的一邊等間距安裝有多個(gè)紅外發(fā)射管，另一邊相應的有相同數量同樣排列的紅外接收管，每一個(gè)紅外發(fā)射管都對應有一個(gè)相應的紅外接收管，且安裝在同一條直線(xiàn)上。當同一條直線(xiàn)上的紅外發(fā)射管、紅外接收管之間沒(méi)有障礙物時(shí)，紅外發(fā)射管發(fā)出的調制信號（光信號）能順利到達紅外接收管。紅外接收管接收到調制信號后，相應的電路輸出低電平，而在有障礙物的情況下，紅外發(fā)射管發(fā)出的調制信號（光信號）不能順利到達紅外接收管，這時(shí)該紅外接收管接收不到調制信號，相應的電路輸出為高電平。當光幕中沒(méi)有物體通過(guò)時(shí)，所有紅外發(fā)射管發(fā)出的調制信號（光信號）都能順利到達另一側的相應紅外接收管，從而使內部電路全部輸出低電平。這樣，通過(guò)對內部電路狀態(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(huì )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，因而還應對紅外發(fā)射管發(fā)出的信號進(jìn)行調制。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(wèn)題，本文給出了一種用Ｃ５１單片機及相關(guān)芯片來(lái)實(shí)現高度測量的方法。

３ 高度測量光幕系統結構及工作過(guò)程

高度測量光幕的系統結構如圖２所示。器件的紅外發(fā)射和接收通路數目理論上最大可有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(huì )超過(guò)６４個(gè)。為方便介紹，本文以通路數１６為例，且按安裝的高度從高到低依次標為１路、２路、３路。……１６路。發(fā)射和接收部分的多路選擇開(kāi)關(guān)選用常見(jiàn)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? 串入并出模塊的數據讀出信號 Ｅ ＝Ｐ１．５·ＲＤ。移位控制信號端接ＴＥ同步信號。ＲＡＭ用來(lái)存儲數據，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據量的多少而定。本文選擇１ｋＢ。同步信號ＴＥ和移位時(shí)鐘ＣＰ可用單片機的定時(shí)器產(chǎn)生，也可用ＣＰ時(shí)鐘８分頻來(lái)作為ＴＥ信號。對串入并出模塊的讀和對并入串出模塊的寫(xiě)均可通過(guò)中斷方式來(lái)完成。同時(shí)?用單片機的串口可將處理后的高度數據送出。直線(xiàn)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(lái)后，向串入并出模塊寫(xiě)入要發(fā)送的數據?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ＴＥ的上升沿到來(lái)時(shí)，在移位時(shí)鐘的控制下?數據０１Ｈ開(kāi)始經(jīng)多路開(kāi)關(guān)被送到第１路的紅外發(fā)射電路，再經(jīng)調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(lái)時(shí)開(kāi)始啟動(dòng)接收。由于發(fā)送和接收的多路開(kāi)關(guān)選擇信號相同，因此，實(shí)際上只有與發(fā)射端相對應的一路（即第一路）才被接收。經(jīng)解調后的數據一般可在移位時(shí)鐘的作用下被移入串入并出模塊，并在ＴＥ下降沿到來(lái)時(shí)接收完畢，同時(shí)觸發(fā)單片機的中斷處理程序，使數據被單片機讀走。單片機再對發(fā)出的數據和接收到的數據進(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)送和接收的數據不同），則表明該路有物體通過(guò)。若相同則表示該通路中沒(méi)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(zhù)掃描第２路，同時(shí)單片機在ＴＥ下降沿到來(lái)后，送出第二路的選擇地址，并送出要發(fā)送的數據（本文用０２Ｈ?也可不同）。同樣，在ＴＥ上升沿到來(lái)時(shí)開(kāi)始移出，并通過(guò)第二路發(fā)送和接收通道，再經(jīng)調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，單片機進(jìn)行相關(guān)的處理。接著(zhù)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的頻率應當是１．６ｋＨｚ，而移位時(shí)鐘ＣＰ的頻率應當是１２．８ｋＨｚ。發(fā)送和接收的時(shí)序如圖３所示。圖中，ＲＮ是接收到的串行數據，ＴＮ是發(fā)送端移出的數據。圖中略去了調制解調部分的波形。

圖2

在直線(xiàn)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，且在檢測區域中心１／３處的檢測精度最高。最小檢測高度可縮至直線(xiàn)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置，從以上的光幕工作過(guò)程可以看出，可以用首尾光線(xiàn)阻擋模式和首尾光線(xiàn)透射模式。在首尾光線(xiàn)阻擋模式下，當物體進(jìn)入光幕區域時(shí)，光線(xiàn)被阻擋，單片機將識別被阻擋的首束光線(xiàn)的編號。然后依次由下向上計算被阻光線(xiàn)的總數，直到最后被阻擋的光線(xiàn)為止，最后累加得出數據物體的被測方向尺寸。而在首尾光線(xiàn)投射模式，當物體進(jìn)入光幕區域時(shí)，單片機將控制識別透射光線(xiàn)，并由首束透射光線(xiàn)計算，再依次累加數值直到最后透射光線(xiàn)為止，最后計算透射光線(xiàn)的總數，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，以使其工作在微導通狀態(tài)。在直線(xiàn)掃描模式下，當光軸間距為２．５ｃｍ、光幕寬為５ｍ時(shí)，最大分辨率可達２．５ｃｍ，在帶速(物體運動(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、包裹等分級處理設備中。