基于C51系列單片機(jī)的物體分級(jí)設(shè)備的測(cè)量光幕設(shè)計(jì)

摘要：首先介紹了光幕測(cè)量高度的原理，給出了高度測(cè)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(cè)量精度。

１　引言

光幕是電子測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用比較多的一種設(shè)備。利用光幕可以測(cè)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(cè)量的光幕測(cè)量方法。

２　光幕測(cè)量物體高度的基本原理

圖１所示是一個(gè)用普通光幕測(cè)量物體高度的測(cè)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(duì)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(hào)（光信號(hào)）能順利到達(dá)紅外接收管。紅外接收管接收到調(diào)制信號(hào)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(hào)（光信號(hào)）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(hào)，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(hào)（光信號(hào)）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(duì)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(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(yīng)對(duì)紅外發(fā)射管發(fā)出的信號(hào)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(cè)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(cè)量的方法。

３ 高度測(cè)量光幕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作過程

高度測(cè)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(huì)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(hào)Ｌｄ＝Ｐ１．４·ＷＲ? 串入并出模塊的數(shù)據(jù)讀出信號(hào) Ｅ ＝Ｐ１．５·ＲＤ。移位控制信號(hào)端接ＴＥ同步信號(hào)。ＲＡＭ用來存儲(chǔ)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(hào)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(hào)。對(duì)串入并出模塊的讀和對(duì)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(hào)?即第一路地址信號(hào)?。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(hào)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(hào)相同，因此，實(shí)際上只有與發(fā)射端相對(duì)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(duì)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(hào)，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(hào)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(hào)，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(hào)。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(duì)物體的高度測(cè)量更為精確，且在檢測(cè)區(qū)域中心１／３處的檢測(cè)精度最高。最小檢測(cè)高度可縮至直線掃描模式下的２／３。

４ 高度檢測(cè)的分析模式

光幕檢測(cè)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(shí)別被阻擋的首束光線的編號(hào)。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(cè)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(shí)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(cè)方向的尺寸。

５　高度測(cè)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(cè)量光幕，以用于水果、包裹等分級(jí)處理設(shè)備中。