基于單片機(jī)技術(shù)的機(jī)械設(shè)備計時器的研制

1計時器組成及工作原理
　　(1)硬件組成及計時原理
　　計時智能控制系統(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)時產(chǎn)生的振動信號，通過微處理器來判斷是否有代表設(shè)備運(yùn)行的信號出現(xiàn)，控制計時并進(jìn)行簡單運(yùn)算，觸發(fā)計時器進(jìn)入工作狀態(tài)，再由CPU讀取開機(jī)時間參數(shù)，并存儲；振動信號消失后，計時觸發(fā)信號消失，計時器停止工作，并將當(dāng)前工作時間和累計工作時間分別存儲。通過通訊口進(jìn)行簡單查詢或與計算機(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。

　　計時器核心采用性價比高、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個定時／計時器、2個外中斷源、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。為增加計時精度，增加1片頻率為32768Hz的手表晶振；數(shù)據(jù)存儲選用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，主要由主程序模塊、信號檢測程序模塊、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、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。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)計時控制技術(shù)
　　機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生振動的振幅約為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，由振動傳感器和單片機(jī)的有機(jī)合作作為計時器的智能控制核心，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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　　振動傳感器感應(yīng)的振動信號轉(zhuǎn)化為電信號后，經(jīng)放大、整形處理，產(chǎn)生周期性二值數(shù)字信號及運(yùn)動瞬間的觸發(fā)信號，信號經(jīng)τ電路處理為反映機(jī)械實(shí)際振動狀態(tài)的二值電平信號送入微處理器，由軟件識別機(jī)械設(shè)備的動、靜態(tài)，決定整個系統(tǒng)工作與休眠。

　　工作時，軟件以一定的時間間隔檢測外部動態(tài)電平，由瞬態(tài)信號了解機(jī)械設(shè)備的工作起始，記錄其啟動時刻，并進(jìn)行工作計時和累加，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，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，計時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；保證計時器內(nèi)部電源長時間連續(xù)可靠工作。為此，除計時器本身采用低功耗模式設(shè)計、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)和顯示器一個電源，時鐘芯片一個電源，正常安裝使用前二者相對獨(dú)立。根據(jù)計時器在機(jī)械設(shè)備上的工作特點(diǎn)，理論上對計時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號鋰電池(輸出電壓：3V；容量：16500mAh)；時鐘芯片采用鈕扣電池，維持時鐘同步。

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

　　(3)安全技術(shù)
　　在計時器外觀、安裝等方面采用了特殊的設(shè)計方案：采用集成度高、體積小的元件，以利于封裝；除通訊口外計時器采用全封閉設(shè)計。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)行計時閱讀和數(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計時數(shù)據(jù)管理
　　(1)數(shù)據(jù)查詢
　　數(shù)據(jù)查詢是計時器功能的擴(kuò)展，通過數(shù)據(jù)查詢器可查詢計時器內(nèi)部儲存數(shù)據(jù)，包括設(shè)備每次開機(jī)時刻、每次工作時間、累計工作時間，并能對當(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)讀取計時器有關(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)備計時器的基本功能是真實(shí)、客觀地記錄設(shè)備的工作時間。它采用了成熟的微電子和振動傳感技術(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)。既能完成計時的需要，又能對數(shù)據(jù)實(shí)施有效的管理，實(shí)現(xiàn)對數(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［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994.
［2］黃石紅.低頻信號處理在振動測試工程中的研究及應(yīng)用［D］.南京：東南大學(xué)，1995.