基于單片機(jī)技術(shù)的機(jī)械設(shè)備計(jì)時(shí)器的研制

1計(jì)時(shí)器組成及工作原理
　　(1)硬件組成及計(jì)時(shí)原理
　　計(jì)時(shí)智能控制系統(tǒng)采用硬件觸發(fā)加軟件檢測、控制的方法，利用機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，通過微處理器來判斷是否有代表設(shè)備運(yùn)行的信號(hào)出現(xiàn)，控制計(jì)時(shí)并進(jìn)行簡單運(yùn)算，觸發(fā)計(jì)時(shí)器進(jìn)入工作狀態(tài)，再由CPU讀取開機(jī)時(shí)間參數(shù)，并存儲(chǔ)；振動(dòng)信號(hào)消失后，計(jì)時(shí)觸發(fā)信號(hào)消失，計(jì)時(shí)器停止工作，并將當(dāng)前工作時(shí)間和累計(jì)工作時(shí)間分別存儲(chǔ)。通過通訊口進(jìn)行簡單查詢或與計(jì)算機(jī)連接讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，得到機(jī)械設(shè)備工作的有關(guān)數(shù)據(jù)。硬件原理圖如圖1所示。  

　　計(jì)時(shí)器核心采用性價(jià)比高、體積小、支持低功耗模式的87C51芯片作為微處理器，該芯片集成了2個(gè)定時(shí)／計(jì)時(shí)器、2個(gè)外中斷源、串行I／O口、并行I／O口；具有算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、控制轉(zhuǎn)移等功能，并可對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)多種功能。工業(yè)芯片使用范圍為-40～70℃，性能可靠穩(wěn)定。為增加計(jì)時(shí)精度，增加1片頻率為32768Hz的手表晶振；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選用E²PROM芯片，用耗能低且可靠性高的4位點(diǎn)陣液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)。

　　(2)軟件系統(tǒng)構(gòu)成及功能
　　軟件系統(tǒng)按模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要由主程序模塊、信號(hào)檢測程序模塊、中斷程序模塊、通訊程序模塊和數(shù)據(jù)分析程序模塊等組成。主程序模塊進(jìn)行定時(shí)、串口和中斷系統(tǒng)初始化，并循環(huán)檢測是否有機(jī)械設(shè)備運(yùn)行觸發(fā)信號(hào)。應(yīng)用程序采用中斷方式調(diào)用。主程序模塊流程圖如圖2所示，檢測程序流程如圖3所示。

2技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案
　　(1)計(jì)時(shí)控制技術(shù)
　　機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的振幅約為80～100μm，頻率約為5～100Hz。根據(jù)需要，采用由硬件觸發(fā)加軟件檢測、控制的方法，由振動(dòng)傳感器和單片機(jī)的有機(jī)合作作為計(jì)時(shí)器的智能控制核心，以τ電路為主的數(shù)字電路完成軟硬件的結(jié)合。原理圖如圖4所示。

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　　振動(dòng)傳感器感應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，經(jīng)放大、整形處理，產(chǎn)生周期性二值數(shù)字信號(hào)及運(yùn)動(dòng)瞬間的觸發(fā)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)τ電路處理為反映機(jī)械實(shí)際振動(dòng)狀態(tài)的二值電平信號(hào)送入微處理器，由軟件識(shí)別機(jī)械設(shè)備的動(dòng)、靜態(tài)，決定整個(gè)系統(tǒng)工作與休眠。

　　工作時(shí)，軟件以一定的時(shí)間間隔檢測外部動(dòng)態(tài)電平，由瞬態(tài)信號(hào)了解機(jī)械設(shè)備的工作起始，記錄其啟動(dòng)時(shí)刻，并進(jìn)行工作計(jì)時(shí)和累加，微處理器通過硬件檢測提供的信息，準(zhǔn)確地把握外部設(shè)備的工作狀態(tài)。當(dāng)外部工作設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，微處理器指揮系統(tǒng)同步進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)，并將工作時(shí)間累加，等待再次觸發(fā)。

　　(2)電源管理技術(shù)
　　為消除人為因素的影響，計(jì)時(shí)器使用過程中不使用任何外部電源供電、補(bǔ)充充電和更換電池；保證計(jì)時(shí)器內(nèi)部電源長時(shí)間連續(xù)可靠工作。為此，除計(jì)時(shí)器本身采用低功耗模式設(shè)計(jì)、硬件選用CMOS元件外，還采用特殊的電源管理技術(shù)，供電電路設(shè)計(jì)如圖5。

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　　整體分區(qū)供電：智能控制電路、主機(jī)和顯示器一個(gè)電源，時(shí)鐘芯片一個(gè)電源，正常安裝使用前二者相對(duì)獨(dú)立。根據(jù)計(jì)時(shí)器在機(jī)械設(shè)備上的工作特點(diǎn)，理論上對(duì)計(jì)時(shí)器的供電可視為脈沖放電，因此，前者作為主電源，選用容量大、放電特性好的1號(hào)鋰電池(輸出電壓：3V；容量：16500mAh)；時(shí)鐘芯片采用鈕扣電池，維持時(shí)鐘同步。

　　分時(shí)供電：計(jì)時(shí)器未啟用時(shí)，開關(guān)斷開，僅由鈕扣電池以微小的電流維持時(shí)鐘芯片與當(dāng)前時(shí)鐘同步，需要安裝使用時(shí)，通過不可重復(fù)動(dòng)作開關(guān)1，使鋰電池轉(zhuǎn)入正常供電，此時(shí)，鋰電池和鈕扣電池并聯(lián)，整個(gè)計(jì)時(shí)器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

　　(3)安全技術(shù)
　　在計(jì)時(shí)器外觀、安裝等方面采用了特殊的設(shè)計(jì)方案：采用集成度高、體積小的元件，以利于封裝；除通訊口外計(jì)時(shí)器采用全封閉設(shè)計(jì)。外殼采用注塑殼體，底蓋通過螺釘與主體連接，底面作為安裝面與設(shè)備密封安裝后，除能進(jìn)行計(jì)時(shí)閱讀和數(shù)據(jù)查詢外，不能進(jìn)行任何操作。如需要，可將通訊口密封，與機(jī)械設(shè)備一起置于野外、水下、井下等。

3計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)管理
　　(1)數(shù)據(jù)查詢
　　數(shù)據(jù)查詢是計(jì)時(shí)器功能的擴(kuò)展，通過數(shù)據(jù)查詢器可查詢計(jì)時(shí)器內(nèi)部儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，包括設(shè)備每次開機(jī)時(shí)刻、每次工作時(shí)間、累計(jì)工作時(shí)間，并能對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，獲取設(shè)備使用的詳細(xì)情況。

　　(2)數(shù)據(jù)分析
　　數(shù)據(jù)分析通過軟件來完成，利用微機(jī)讀取計(jì)時(shí)器有關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合維修、保養(yǎng)、能耗等數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)程序，找出它們之間的關(guān)系，指導(dǎo)生產(chǎn)和管理。?

4結(jié)論
　　機(jī)械設(shè)備計(jì)時(shí)器的基本功能是真實(shí)、客觀地記錄設(shè)備的工作時(shí)間。它采用了成熟的微電子和振動(dòng)傳感技術(shù)，先進(jìn)的軟、硬件結(jié)合的監(jiān)測、控制技術(shù)，合理的電源管理技術(shù)。既能完成計(jì)時(shí)的需要，又能對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施有效的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的二次利用。

參考文獻(xiàn)

［1］何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994.
［2］黃石紅.低頻信號(hào)處理在振動(dòng)測試工程中的研究及應(yīng)用［D］.南京：東南大學(xué)，1995.