传感器应用实例

传感器应用系统设计

——关于自动啤酒瓶计数的传感器

一. 目标分析

现在一般啤酒厂日产啤酒几十万瓶, 为及时掌握啤酒瓶子生产数量,需要在灌装生产线上安装计数器, 每当酒瓶通过计数器时,就会被计数器的传感器检测到,酒瓶个数自动加1。接近开关通过检测金属瓶盖计数。酒瓶通过时就会将发射的光束反射回来, 被接受端接受到, 开关状态改变, 计数电路检测到状态变化而计数。

二. 相关行业知识

由于系统需要将光信号转换为电信号，因而需要使用光电传感器并设计相应的信号调理电路，以得到符合要求的脉冲信号，送给单片机STC80C51进行计数。

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

单片机是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）的简称，是指在一块芯片上集成了处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM或EPROM、定时器/计数器、中断控制器以及串行和并行I/O接口等部件，构成一个完整的微型计算机。目前，

新型单片机内还有A/D及D/A转换器、高速输入/输出等部件。由于它的结构和指令功能都是按工业控制要求设计的，特别适用于工业控制及其数据处理场合，因此，确切的称谓应是微控制器（Microcontroller）.

系统使用的单片机是STC C51型单片机。STC C51单片机是基于MCS-51单片机为内核的，其输入/输出管脚以及指令系统和MCS-51单片机是完全兼容的。其优越的性价比使其成为颇受欢迎的8位单片机。如图9是STC C51结构框图。

STC 80C51单片机的特点：

⑴ 它内部有一个8位的CPU，具有4KB的EEPROM。

⑵ 128字节的RAM数据存储器，21个特殊功能寄存器SFR。

⑶ 4个8位并行I/O口，其中P0、P2为地址/数据线，可寻址KB ROM和KB RAM.

⑷ 一个可编程全双工串行口,具有5个中断源。

⑸ 两个16位定时器/计数器。

电源模块为系统板上其它模块提供＋5V电源。电源的设计有分立元件和集成稳压器几种方法，目前较常用的是用集成稳压器来设计稳压电源。常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式集成稳压器有LM317系列，它们的输出电压从1.25V－37伏可调，负端则为LM337等。最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5A。

三. 选择测量参数

传感器将啤酒生产线上流动信号转变成了电脉冲信号，该信号经过集成运算放大器送到单片机进行脉冲计数。当传送带上没有玻璃瓶通过时, 光敏三极管受光直射呈低电阻, 光电流很大，不满足触发单片机信号翻转的条件

当有玻璃瓶通过的遮光瞬间, 光电管呈高阻，单片机信号出现上升沿，通过计数器来进行计数加1。

啤酒瓶个数的测量结果经过译码， 输出的8位并行数据通过STC80C51 的并行口(P0口)输出，送至7段LED ，同时由P2口输出位扫描信号以实现测量数据的动态显示。P0口 和 P2口都是准双向口，输出时需要接上拉电阻。P0内部没有上拉电阻，P2口内部有弱上拉。所以P0口外围电路设计为低电平有效，高电平无效。要使数码管S0-S7的其中一个亮，其对应的P2端口要置高，P2的其余端口置低。如：S0亮：P2.0置高，P2.1-P2.7置低。

系统将定时把缓冲区的数据送出，在数码管上显示。

四. 传感器选择

由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。

红外发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿

命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。

五. 系统构成特点

系统由信号预处理电路、单片机STC C51、系统化LED显示模块、串口数据存储电路和系统软件组成。其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机匹配的TTL信号；通过对单片机的编程设置可使内部定时器T0对输入脉冲进行计数，这样就能精确地算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数；设计计数显示部分采用价格低廉且使用方便的LED模块，通过相关计算方法计算得到的计数数字通过I2C总线放到E2PROM存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。

软件部分由数据处理程序、按键程序设计、中断服务子程序、LED显示程序等几个部分组成。数据处理完成对各种测量数据的处理，如各种数据的计算、数据格式的转换等。按键程序包括按键防抖动处理、判键及修改项目等。

为了消除玻璃瓶经过光敏三极管时由于透射和折射产生的干扰信号, 采用了一级单稳电路 , 利用玻璃瓶前沿到达光敏三极管瞬间触发单稳态电路翻转, 并利用单稳态电路的暂稳期隔离光电信号, 使玻璃瓶前沿以后所产生的折射和透射干扰不能进入计数电路, 保证一个产品只产生一个计数脉冲.

计数器要求计数脉冲不能太宽, 如将单稳态电路的输出直接加到计数器, 会产生两次甚至多次翻转。同时为使计数脉冲获得质量较好的上升和下降边沿, 并且具有一定的幅度

和宽度, 采用了一级积分整形电路。

为使电路供电简单化, 统一采用5 V 直流稳压电源。选用光敏三极管作为光电传感器, 该元件灵敏度高、性能稳定, 能够适合生产线复杂的工作环境要求。

机械093

马翠娟

2009071170