用C51系列单片机设计物体分级设备的测量光幕
用C51系列单片机设计物体分级设备的测量光幕 关键词：单片机；测量光幕；
分级 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７４ ｌＬＳ１６５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Ｔ Ｅ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２．５ ｃｍ，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。