用C51系列单片机设计物体分级设备的测量光幕

摘要：首先介绍了光幕测量高度的原理，给出了高度测量光幕的一种实现方法，分析了由该方法设计的系统结构和主要性能。从而彻底解决了相邻通路间的干扰，提高了测量精度。

１　引言

光幕是电子测量系统中应用比较多的一种设备。利用光幕可以测量恒速传送带上的物体高度、长度或宽度等一系列数据，以便为后面的电子系统提供相应的参数。本文给出了一种利用单片机实现物体高度测量的光幕测量方法。

２　光幕测量物体高度的基本原理

图１所示是一个用普通光幕测量物体高度的测试原理结构示意图。图中，光幕的一边等间距安装有多个红外发射管，另一边相应的有相同数量同样排列的红外接收管，每一个红外发射管都对应有一个相应的红外接收管，且安装在同一条直线上。当同一条直线上的红外发射管、红外接收管之间没有障碍物时，红外发射管发出的调制信号（光信号）能顺利到达红外接收管。红外接收管接收到调制信号后，相应的电路输出低电平，而在有障碍物的情况下，红外发射管发出的调制信号（光信号）不能顺利到达红外接收管，这时该红外接收管接收不到调制信号，相应的电路输出为高电平。当光幕中没有物体通过时，所有红外发射管发出的调制信号（光信号）都能顺利到达另一侧的相应红外接收管，从而使内部电路全部输出低电平。这样，通过对内部电路状态进行分析就可以得出物体的高度信息。由于上下相邻光路可能会相互干扰，因此，选取的红外发光管的发射角度要小于１５°，此外，考虑到光幕要有一定的宽度，因而还应对红外发射管发出的信号进行调制。但在实际制作中，上下两路总存在干扰，很难提高测量精度。为了彻底从根本上解决相邻两路的干扰问题，本文给出了一种用Ｃ５１单片机及相关芯片来实现高度测量的方法。

３ 高度测量光幕系统结构及工作过程

高度测量光幕的系统结构如图２所示。器件的红外发射和接收通路数目理论上最大可有２１５个，考虑到实际光幕的高度和上下通路之间的间距，一般不会超过６４个。为方便介绍，本文以通路数１６为例，且按安装的高度从高到低依次标为１路、２路、３路。……１６路。发射和接收部分的多路选择开关选用常见的多路选择器（如７ＬＳ１５系列）。发送端的多路选择器的Ａ０～Ａ３接单片机的Ｐ１．０～Ｐ１．３，接收端的多路选择器的Ａ０～Ａ３接单片机的Ｐ１．４～Ｐ１．７，并入串出模块和串入并出模块选用８位移位寄存器（如７４ｌＬＳ１６５和７４ＨＣ５９５）。并入串出模块的装载信号Ｌｄ＝Ｐ１．４·ＷＲ? 串入并出模块的数据读出信号 Ｅ ＝Ｐ１．５·ＲＤ。移位控制信号端接ＴＥ同步信号。ＲＡＭ用来存储数据，可将其接在单片机的Ｐ０和Ｐ２口上。其容量的大小视处理的数据量的多少而定。本文选择１ｋＢ。同步信号ＴＥ和移位时钟ＣＰ可用单片机的定时器产生，也可用ＣＰ时钟８分频来作为ＴＥ信号。对串入并出模块的读和对并入串出模块的写均可通过中断方式来完成。同时?用单片机的串口可将处理后的高度数据送出。直线扫描模式下，器件的工作流程如下：首先单片机在ＴＥ的下降沿到来后，向串入并出模块写入要发送的数据?如０１Ｈ?，并同时向发送端和接收端送出相同的通路选择信号?即第一路地址信号?。而当ＴＥ的上升沿到来时，在移位时钟的控制下?数据０１Ｈ开始经多路开关被送到第１路的红外发射电路，再经调制后以光信号形式发出，与此同时?红外接收电路在ＴＥ上升沿到来时开始启动接收。由于发送和接收的多路开关选择信号相同，因此，实际上只有与发射端相对应的一路（即第一路）才被接收。经解调后的数据一般可在移位时钟的作用下被移入串入并出模块，并在ＴＥ下降沿到来时接收完毕，同时触发单片机的中断处理程序，使数据被单片机读走。单片机再对发出的数据和接收到的数据进行比较，若不同?注：这里只有在该通路中有物体阻挡时，才接收不到发送信号，致使发送和接收的数据不同），则表明该路有物体通过。若相同则表示该通路中没有物体阻挡或者是物体高度比该路红外发射管安装高度要低。接着扫描第２路，同时单片机在ＴＥ下降沿到来后，送出第二路的选择地址，并送出要发送的数据（本文用０２Ｈ?也可不同）。同样，在ＴＥ上升沿到来时开始移出，并通过第二路发送和接收通道，再经调制后以光信号形式发出。与此同时，ＴＥ的上升沿启动第二路接收。接收完毕后，单片机进行相关的处理。接着是第三路、第四路、……第十五路、第十六路，从而完成一次从第一路到第十六路的扫描。若要求以１００次／ｓ的速度进行扫描，则ＴＥ的频率应当是１．６ｋＨｚ，而移位时钟ＣＰ的频率应当是１２．８ｋＨｚ。发送和接收的时序如图３所示。图中，ＲＮ是接收到的串行数据，ＴＮ是发送端移出的数据。图中略去了调制解调部分的波形。

图2

    在直线扫描模式下，单片机每次向发送端和接收端发送相同的通路选择信号，即第一路发第一路收、第二路发第二路收、…第十五路发第十五路收、第十六路发第十六路收。而在交叉扫描模式下，单片机每次向发送端和接收端发送不同的通路选择信号。即第一路发第二路收、第二路发第一路收、……第十五路发第十六路收、第十六路发第十五路收。相比之下，交叉扫描模式对物体的高度测量更为精确，且在检测区域中心１／３处的检测精度最高。最小检测高度可缩至直线扫描模式下的２／３。

４ 高度检测的分析模式

光幕检测模式可以有多种设置，从以上的光幕工作过程可以看出，可以用首尾光线阻挡模式和首尾光线透射模式。在首尾光线阻挡模式下，当物体进入光幕区域时，光线被阻挡，单片机将识别被阻挡的首束光线的编号。然后依次由下向上计算被阻光线的总数，直到最后被阻挡的光线为止，最后累加得出数据物体的被测方向尺寸。而在首尾光线投射模式，当物体进入光幕区域时，单片机将控制识别透射光线，并由首束透射光线计算，再依次累加数值直到最后透射光线为止，最后计算透射光线的总数，得出物体被测方向的尺寸。

５　高度测量光幕器件的性能和结果

制作光幕时，要注意选用高亮度红外发射二极管和高灵敏度红外接收管。为了防止红外接收管饱和，可外加滤光片，以使其工作在微导通状态。在直线扫描模式下，当光轴间距为２．５ｃｍ、光幕宽为５ｍ时，最大分辨率可达２．５ｃｍ，在带速(物体运动速度)为５ｍ／ｓ时，扫描间距为１ｃｍ。实际上，本方法也适用于制作高精度测量光幕，以用于水果、包裹等分级处理设备中。