電子儀器課程設計--鋼坯識別光電觸發(fā)智能控制儀

1、<p><b>　　電子儀器課程設計</b></p><p>　　題 目 鋼坯識別光電觸發(fā)智能控制儀 </p><p>　　摘要：結合生產實際需要，為解決生產線上鋼坯光電檢測與識別問題，我們采用MSP430F149單片機作為處理器，利用現(xiàn)代光電傳感技術與高速低功耗單片機技術的結合，實現(xiàn)運動鋼坯的到位檢測和鋼坯圖像的觸發(fā)采集。本系統(tǒng)主要

2、有三大部分組成：鋼坯到位信息的光電檢測，單片機信息采集與處理，系統(tǒng)的穩(wěn)定性及直流穩(wěn)壓電源電路。針對實際操作過程中的干擾信號做了進一步的檢測與處理，系統(tǒng)運行良好。</p><p>　　關鍵字：鋼坯到位檢測，單片機，直流穩(wěn)壓電源</p><p>　　Abstract: To meet the needs of actual production, to solve the problem o

3、f production line billet photoelectric detection and recognition, we use MSP430F149 single chip as the processor, using modern photoelectric sensing technology combined with the high-speed low-power microcontroller techn

4、ology to realize the movement of the billet in position detection and billet image acquisition to trigger.This system mainly consists of three parts: the billet photoelectric detection in place information, </p>&

5、lt;p>　　Key word: Steel detection Single chip microcomputer power</p><p><b>　　一、系統(tǒng)概要</b></p><p>　　1.1課題背景及意義</p><p>　　我國大型鋼鐵企業(yè)以及大型軋鋼廠的鋼坯號的識別主要靠人工來完成，在生產線上還未見鋼坯號自動識別

6、系統(tǒng)，嚴重影響鋼坯生產線的自動化、智能化水平。因此，結合武鋼軋鋼生產線鋼坯號檢測及自動識別的需求，我們研發(fā)了光電控制系統(tǒng)。</p><p>　　在市場競爭日益激烈的今天，如何提高企業(yè)生產效率，降低生產成本，實現(xiàn)經濟效益最大化的目標，智能化生產也就成了大多企業(yè)關注的焦點。我們的鋼坯識別光電控制系統(tǒng)，解決了武鋼重軌生產線以前鋼坯號的人工記錄所帶來的勞動強度大、耗時耗力、生產效率低、資源浪費等困難，提高我國鋼鐵企業(yè)生產

7、線的自動化和智能化水平。鋼坯識別光電控制系統(tǒng)性能的一個重要影響因素，就是在復雜、惡劣的工業(yè)生產環(huán)境，能夠很準確地獲取到鋼坯端面字符信息的控制信號。我們知道，很多傳感器都可以很好地獲取到各種檢測信號，但考慮到獲取鋼坯端面字符信息的穩(wěn)定性、可靠性，我們用光電控制系統(tǒng)設計思想，被控對象為CCD工業(yè)攝像頭，變送傳感裝置為光電傳感器，控制器為單片機、去噪、降壓、穩(wěn)壓電路。鋼坯識別光電控制系統(tǒng)組成如下：</p><p>&l

8、t;b>　　圖1-1</b></p><p>　　1.2光電傳感器簡介</p><p>　　光電傳感器是利用光電子應用技術，將光信號轉換成電信號從而檢測被測目標的一種裝置。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高，反應快，非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，體積小。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光

9、照度、輻射測溫和氣體成分等；也可用來檢測能轉換成光量的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度和加速度，以及物體形狀、工作狀態(tài)等。光電式傳感器具有非接觸，響應快，性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用</p><p>　　1.3、MSP430系列單片機簡介</p><p>　　MSP430 是德州公司新開發(fā)的一類具有 16 位總線的帶 FLASH 的單

10、片機,由于其性價比和集成度高,受到廣大技術開發(fā)人員的青睞.它采用 16 位的總線,外設和內存統(tǒng)一編址,尋址范圍可達64K,還可以外擴展存儲器.具有統(tǒng)一的中斷管理,具有豐富的片上外圍模塊,片內有精密硬件乘法器、兩個 16 位定時器、一個 14 路的 12 位的模數(shù)轉換器、一個看門狗、 6 路 P 口、兩路 USART通信端口、一個比較器、一個 DCO 內部振蕩器和兩個外部時鐘,支持 8M 的時鐘.由于為 FLASH型,則可以在線對單片機進

11、行調試和下載,且 JTAG 口直接和 FET(FLASH EMULATION TOOL)的相連,不須另外的仿真工具,方便實用,而且,可以在超低功耗模式下工作,對環(huán)境和人體的輻射小,測量結果為 100mw 左右的功耗(電流為 14mA 左右),可靠性能好,加強電干擾運行不受影響，適應工業(yè)級的運行環(huán)境,適合與做手柄之類的自動控制的設備。</p><p>　　二、硬件電路模塊設計</p><p>

12、;　　2.1光電傳感器的組成及特點</p><p>　　1、光電傳感器的組成</p><p>　　光電傳感器是將非電信號轉換為電信號來測量，在一般情況下,有三部分構成。</p><p>　　發(fā)送器、接收器和檢測電路。發(fā)送器是提供光源的,光源一般來源于半導體光源,發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。接收器由三部分組成;光電二極管、光電三極管、光電池。檢測

13、電路,它能濾出有效信號和應用該信號。</p><p>　　工作方式: 反射板反射式光電開關:在一個裝置里裝入發(fā)光器和收光器,前方裝一反光板,利用反射原理的開關。一般看來，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到,要是被物體擋住了,收光器接收不到光時,光電開關就會做出相應的反應。輸出一個開關控制信號它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器,只是沒有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。要是檢測物體背光

14、擋住了,只有部分光反射回,收光器就會收到信號,作出相應的反應。</p><p>　　2、光電傳感器的使用特點</p><p>　?、贆z測距離長。②對檢測物體的限制少。③響應時間短。④分辨率高。能通過高級設計使投光光束集中在小光點，或通過構成特殊的受光光學系統(tǒng)，來實現(xiàn)高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測。⑤可實現(xiàn)非接觸的檢測?？蔁o機械接觸地檢測物體，因此不會對檢測物體和傳感器造

15、成損傷。因此，傳感器能長期使用。⑥可實現(xiàn)顏色判別。通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合而有所差異。利用這種性質，可對檢測物體的顏色進行檢測。⑦便于調整。在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對檢測物體的位置進行調整。</p><p>　　3、系統(tǒng)光電傳感器選擇</p><p>　　本系統(tǒng)選擇E3Z-T61A2M歐姆龍生產的通用對射式NPN型

16、光電傳感器。有電源逆接保護、輸出保護電路等特點，工作穩(wěn)定可靠。</p><p>　　其主要性能參數(shù)如表1。</p><p><b>　　圖2-1</b></p><p>　　2.2直流穩(wěn)壓電源的設計</p><p>　　1. 可調式三端穩(wěn)壓電源設計</p><p>　　三端穩(wěn)壓電源構成直流可調原理

17、框圖如3—2.1所示。該方案需使用三端穩(wěn)壓芯片CW317作為穩(wěn)壓電路可調部分，其輸出電壓調整范圍寬，但該穩(wěn)壓電路輸出地基準電壓是1.25V，而要求電壓從0V起，還需設計電壓補償電路方可實現(xiàn)。原理框圖如下：</p><p><b>　　圖2-2</b></p><p>　　2、總體電路圖接線圖</p><p>　　如電路圖4—2.1所示，在輸入端

18、加上220V交流電壓經過變壓器變壓之后得到合適的電壓；將降壓后的交流電壓通過整流電路變換為單向脈動電壓。其中的整流元件（晶體二極管）；整流后的單向脈動電壓經濾波后減小了電壓的脈動程度，逐漸達到負載的需要；經過濾波后的電壓最后再由穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓之后將會輸出直流電U0。.而穩(wěn)壓環(huán)節(jié)是該方案的關鍵部分，根據(jù)要求輸出電壓從0V起可變輸出，而我們在穩(wěn)壓部分選用的LM317輸出的基準電壓為1.25V，所以需要一個補償電路來達到輸出電壓為0V。上圖中由

19、R2和穩(wěn)壓管Dz組成的穩(wěn)壓電路便可達到此效果（通過穩(wěn)壓管使A點為-1.25V，這樣當Rp=0時，VA和輸出的基準電壓相抵消，便可近似認為U0為0V）；通過改變Rp的阻值大小，即可調節(jié)輸出電壓U0的大小，實現(xiàn)電壓從0V起連續(xù)可調。</p><p><b>　　圖2-3</b></p><p><b>　?。?）、整流電路</b></p>

20、<p>　　在整流部分我們選用單相橋式整流電路，其電路圖如圖5—1.2所示。我們先來分該環(huán)節(jié)的工作情況。</p><p>　　在變壓器二次側電壓u的正半周時即a點電位高于b點電位，二極管D1和 D3 D3導通，D2和D4截止，電流i1的通路a到D1到RL到D3到b。這時負載電阻RL上得到一個半波電壓。</p><p>　　在電壓u的負半周時，變壓器二次側

21、則是上負下正D1和D3截止D2和D4導通。電流i2的通路是b D2 RL D4 a同樣在負載電阻上得到一個半波電壓。整流后的電壓電流的波形如圖5—2.2所示</p><p>　　整流電路中二極管的參數(shù)計算：u0</p><p>　　變壓器二次側電壓有效值為U=15Vu0</p><p>　　于是URM=1.414*15≈22V。I

22、D=I0/2=100mA。i1i2i1i2</p><p>　　查二極管分立元件參數(shù)表，二極管選用</p><p>　　2CZ55B（IOM=1000mA；URWM=50V）滿足電 wt</p><p>　　路需求。圖5—2.2整流后的波形</p><p><b>　?。?）、濾波電路</b></p&g

23、t;<p>　　如圖5—3.1所示與負載并聯(lián)的電容</p><p>　　器就是一個最簡單的濾波器，也是我們~uC1 RL</p><p><b>　　所選擇的濾波電路。</b></p><p>　　下面分析該電路的工作情況：如果電</p><p>　　路不接電容濾波器，輸出電壓波形如圖&

24、lt;/p><p>　　5—3.2（a）所示，加電容濾波器后就如圖2-4電容濾波器</p><p>　　該圖（b）所示。電容器的端電壓在電路狀態(tài)改變時不能躍變，因此濾波器以此原理制成。</p><p>　　在二極管導通時，一方面供電給負載，同時對電容器C充電。在忽略二極管正向壓降的情況下，充電電壓uc與上升的正弦電壓u一致，電源電壓u達到最大值時，uc也達到最大值。而

25、后u和uc都開始下降，u安正弦規(guī)律下降，當u<uc時，二極管承受反向電壓而截止，電容器對負載放電，負載中仍有電流，而uc按放電曲線下降。在u的下個周期內，當u＞uc時，二極管再行導通，電容器再被充電，重復上述過程。</p><p><b>　　u0u0</b></p><p>　　0（a）wt0(b)wt</p><p>　　

26、圖2-5整流前后的波形對比</p><p>　　整流電路輸出電壓與輸出電流的外特性曲線如圖所示。由圖5—3.3可見，有無電容濾波時比較輸出電壓隨負載電阻的變換有較大的變化，即外特性較差或者說帶載能力較差。</p><p>　　通常取 U0=U（半波）</p><p>　　U0=1.2U（全波）</p><p>　　采用電容濾波時輸出電

27、壓的脈動程度與電U0</p><p>　　容放電時間常數(shù)RLC有關系。RLC大一些1.4U電容濾波</p><p>　　脈動就小一些。為了得到比較平直的輸出</p><p>　　電壓一般要求RL≥（10—15）1/ wC。0.45U無電容濾波</p><p>　　即RLC≥（3—5）T/2。式中T電源交流電</p>&

28、lt;p><b>　　的周期。</b></p><p><b>　　0</b></p><p>　　濾波電容參數(shù)計算：圖2-6外特性曲線</p><p>　　Ui=15V,Iimax=200mA,可得RL=15/0.2=75Ω</p><p>　　又RLC≥（3—5）T/2，T=0.02S；

29、電容 C=（5*T）/（2R）=667μF。應去電容常用值C=1000μF。</p><p>　　2.3、采樣模塊設計</p><p>　　1、AD7799工作原理</p><p>　?。?）、由于系統(tǒng)首先要檢測光電傳感器發(fā)出的信號，并且要檢測低電平的時間，所以系統(tǒng)選用24位高精度、低功耗、低噪聲的芯片AD7799。其內部結構如圖所示：</p><

30、;p><b>　　圖2-7</b></p><p>　　如圖所示，數(shù)字接口有四條線，片選信號 CS，串行同步時鐘 SCLK，數(shù)據(jù)輸入線 DIN，數(shù)據(jù)輸出 DOUT/RDY， DOUT/RDY 的第二個功能是 AD 轉換結束的通知信號，可以接單片機的外部中斷口，當沒有轉換結束時， DOUT/RDY 為高電平，一旦轉換結束DOUT/RDY 為低電平，觸發(fā)中斷。進入中斷服務程序，首先禁止外中

31、斷，然后通過對430單片機的 IO 口編程模仿圖所示示序，讀寫 AD7799 中各個寄存器的數(shù)據(jù)。讀寫過程 CS 為低電平。</p><p>　　單片機讀數(shù)過程為：單片機發(fā) SCLK 的下降沿 AD7799 輸出一位數(shù)據(jù)， 單片機讀入。寫數(shù)過程為：單片機發(fā) DIN，再發(fā) SCLK 的上升沿，則 DIN的上 1 位</p><p>　　數(shù)據(jù)移入 AD7799。多個 AD7799 的 DIN

32、、 DOUT/RDY、 SCLK 線可以公用，哪個 AD7799 的 CS 為低則訪問哪個 AD7799。</p><p>　?。?）AD7799的工作時序圖如下：</p><p><b>　　圖2-7</b></p><p>　　（3）應用原理圖如下：</p><p><b>　　圖2-8</b>

33、</p><p>　　2.4、單片機的選擇及原理</p><p>　　1、系統(tǒng)選擇TI公司16位超低功耗單片機MSP430f149，單片機內部有豐富的功能模塊，其結構圖如下：</p><p><b>　　圖2-9</b></p><p><b>　　其引腳圖如下：</b></p>&l

34、t;p><b>　　圖2-10</b></p><p>　　2、MSP430系列單片機的特點</p><p><b>　?。?）、超低功耗</b></p><p>　　MSP430 系列單片機的電源電壓采用 1 .8~3.6V 低電壓， RAM 數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅 0.1uA， 活動模式耗電 250pA／ MIPS

35、(MIPS：每秒百萬條指令數(shù))， IO 輸入端口的漏電流最大僅 50nA。 MSP430 系列單片機有獨特的時鐘系統(tǒng)設計， 包括兩個不同的時鐘系統(tǒng)： 基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和 FLL+)時鐘系統(tǒng)或 DCO 數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。 由時鐘系統(tǒng)產生 CPU 和各功能模塊所需的時鐘， 并且這些時鐘可以在指令的控制下打開或關閉， 從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。 由于系統(tǒng)運行時使用的功能模塊不同， 即采用不同的工作模式， 芯片的功耗有明顯的差異。

36、 在系統(tǒng)中共有種活動模式(AM)和 5 種低功耗模式(LPM0~LPM4）。</p><p>　　另外， MSP430 系列單片機采用矢量中斷， 支持十多個中斷源， 并可以任意嵌套。用中斷請求將 CPU喚醒只要 6us， 通過合理編程， 既以降低系統(tǒng)功耗， 又可以對外部事件請求作出快速響應。</p><p>　　(2)、強大的處理能力</p><p>　　MSP43

37、0 系列單片機是 16 位單片機， 采用了目前流行的、 頗受學術界好評的精簡指令集(RISC)結構，一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令(傳統(tǒng)的 MCS51 單片機要 12 個時鐘周期才可以執(zhí)行一條指令)， 使MSP430 在 8MHz 晶振工作時， 指令速度可達 8MIPS(注意：同樣 8MIPS 的指令速度，在運算性能上 16位處理器比 8 位處理器高遠不止兩倍)。</p><p>　?。?）、高性能模擬技術及豐富的

38、片上外圍模塊</p><p>　　MSP430 系列單片機結合 TI 的高性能模擬技術， 各成員都集成了較豐富的片內外設。 視型號不同可能組合有以下功能模塊： 看門狗(WDT)， 模擬比較器 A， 定時器 A(Timer_A)， 定時器 B(Timer_B)， 串口 0、1 (USART0、 I)， 硬件乘法器， 液晶驅動器， 10 位， 12， 14 位 ADC， 12 位 DAC， 1 2C 總線， 直接數(shù)據(jù)

39、存取(DMA)， 端口 1 -6(P1 -P6)， 基本定時器(Basic Timer)等。</p><p>　?。?）、系統(tǒng)工作穩(wěn)定</p><p>　　上電復位后， 首先由 DCO_CLK 啟動 CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行， 保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間。然后軟件可設置適當?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。 如果晶體振蕩器在用做 CPU 時鐘 MCLK 時發(fā)

40、生故障， DCO 會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作。 這種結構和運行機制，在目前各系列單片機中是絕無僅有的。 另外， MSP430 系列單片機均為工業(yè)級器件， 運行環(huán)境溫度為-40~+85"C， 運行穩(wěn)定、 可靠性高， 所設計的產品適用于各種民用和工業(yè)環(huán)境。</p><p><b>　　三、軟件模塊</b></p><p>　　1、MSP430F149開發(fā)環(huán)境

41、介紹</p><p>　　目前廣泛使用的MSP430軟件是IAR Embedded Workbench for MSP430軟件，它是一種能夠開發(fā)不同目標處理器類型的、靈活的集成開發(fā)環(huán)境，在軟件中包括快速編譯、高效連接器、對應處理所需的庫文件，具有高亮語法顯示和自動縮進功能的編輯器、Make工具和C-SPY調試工具及項目管理工具。</p><p>　　IAR運行及調試界面如下：</p

42、><p><b>　　圖3-1</b></p><p><b>　　2、軟件流程設計</b></p><p>　　當AD7799采集到光電傳感器的的低電平信號是，430單片機對其進行判斷，如果是不連續(xù)的低電平，430單片機不響應系統(tǒng)請求，即不輸出驅動信號，CCD工業(yè)攝像機仍處于待機狀態(tài)；如果AD7799采集到的是連續(xù)的低電平信

43、號，則立即向連接IO口的CCD工業(yè)攝像頭發(fā)出信號，驅動攝像頭工作。程序流程圖如下：</p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p><b>　　三、系統(tǒng)原理概述</b></p><p><b>　　1、系統(tǒng)總體方案<

44、;/b></p><p>　　在鋼坯運動軌道兩邊的恰當位置安裝紅光對射型光電傳感器，給光電開關供電，光電開關持續(xù)輸出常態(tài)高電平。當鋼坯在軌道上運動經過時，發(fā)射極發(fā)出的光被鋼坯擋住，接收極接收不到紅光信號，光電傳感器輸出一個下降沿觸發(fā)信號。CCD相機接收到觸發(fā)信號，攝取鋼坯端面圖像。最后識別鋼坯號。</p><p>　　系統(tǒng)通過AD7799實時采樣被觸發(fā)的下降沿信號，MSP430F14

45、9對此信號進行判斷，如果此下降沿信號不連續(xù)，切不是持續(xù)低電平，則430單片機不向CCD工業(yè)攝像機發(fā)送驅動信號，如果經過判斷，是連續(xù)低電平信號，則單片機觸發(fā)CCD攝像頭開始采集鋼坯端面圖像。</p><p><b>　　2、系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　四、系統(tǒng)總結分析</b></p><p>　　剛開始做的

46、時候，完全不知道做什么，后來找老師的研究生分析了一下，這個系統(tǒng)主要是做控制著一塊，也就是控制單元的選擇和外設資源的合理搭配利用，我想了一下，自己以前用過STM32F103開發(fā)板，并對其中的串口相當熟悉，準備用他來作為處理器，控制攝像頭，但后來發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)不需要那么多快的處理速度，就用自己比較熟練地MSP430F149單片機，它的IO口比51單片機要豐富的多，并且用外部ADC的話，處理能力完全夠用，然后就開始做，開始光電傳感器的信號，AD芯