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本文介紹一種基于單片機和振動傳感器技術，采用軟、硬件結合設計的新型數字式機械設備計時器，分析了原理、硬件結構、技術方法、配套設備和軟件功能。 1 計時器組成及工作原理 (1)硬件組成及計時原理 計時智能控制系統采用硬件觸發加軟件檢測、控制的方法，利用機械設備運轉時產生的振動信號，通過微處理器來判斷是否有代表設備運行的信號出現，控制計時并進行簡單運算，觸發計時器進入工作狀態，再由CPU讀取開機時間參數，并存儲；振動信號消失后，計時觸發信號消失，計時器停止工作，并將當前工作時間和累計工作時間分別存儲。通過通訊口進行簡單查詢或與計算機連接讀取數據并進行分析，得到機械設備工作的有關數據。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；具有算術運算、邏輯運算、控制轉移等功能，并可對其編程實現多種功能。工業芯片使用范圍為-40～70℃，性能可靠穩定。為增加計時精度，增加1片頻率為32768Hz的手表晶振；數據存儲選用E2PROM芯片，用耗能低且可靠性高的4位點陣液晶顯示屏顯示數據。 (2)軟件系統構成及功能 軟件系統按模塊化進行設計，主要由主程序模塊、信號檢測程序模塊、中斷程序模塊、通訊程序模塊和數據分析程序模塊等組成。主程序模塊進行定時、串口和中斷系統初始化，并循環檢測是否有機械設備運行觸發信號。應用程序采用中斷方式調用。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 技術實現方案 (1)計時控制技術 機械設備運轉時產生振動的振幅約為80～100μm，頻率約為5～100Hz。根據需要，采用由硬件觸發加軟件檢測、控制的方法，由振動傳感器和單片機的有機合作作為計時器的智能控制核心，以τ電路為主的數字電路完成軟硬件的結合。原理圖如圖4所示。 振動傳感器感應的振動信號轉化為電信號后，經放大、整形處理，產生周期性二值數字信號及運動瞬間的觸發信號，信號經τ電路處理為反映機械實際振動狀態的二值電平信號送入微處理器，由軟件識別機械設備的動、靜態，決定整個系統工作與休眠。 工作時，軟件以一定的時間間隔檢測外部動態電平，由瞬態信號了解機械設備的工作起始，記錄其啟動時刻，并進行工作計時和累加，微處理器通過硬件檢測提供的信息，準確地把握外部設備的工作狀態。當外部工作設備處于靜止狀態時，微處理器指揮系統同步進入靜止狀態，并將工作時間累加，等待再次觸發。 (2)電源管理技術 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、補充充電和更換電池；保證計時器內部電源長時間連續可靠工作。為此，除計時器本身采用低功耗模式設計、硬件選用CMOS元件外，還采用特殊的電源管理技術，供電電路設計如圖5。 整體分區供電：智能控制電路、主機和顯示器一個電源，時鐘芯片一個電源，正常安裝使用前二者相對獨立。根據計時器在機械設備上的工作特點，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，開關斷開，僅由鈕扣電池以微小的電流維持時鐘芯片與當前時鐘同步，需要安裝使用時，通過不可重復動作開關1，使鋰電池轉入正常供電，此時，鋰電池和鈕扣電池并聯，整個計時器進入待機狀態。 (3)安全技術 在計時器外觀、安裝等方面采用了特殊的設計方案：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備密封安裝后，除能進行計時閱讀和數據查詢外，不能進行任何操作。如需要，可將通訊口密封，與機械設備一起置于野外、水下、井下等。 3 計時數據管理 (1)數據查詢 數據查詢是計時器功能的擴展，通過數據查詢器可查詢計時器內部儲存數據，包括設備每次開機時刻、每次工作時間、累計工作時間，并能對當前數據進行檢索，獲取設備使用的詳細情況。 (2)數據分析 數據分析通過軟件來完成，利用微機讀取計時器有關數據，結合維修、保養、能耗等數據，設計程序，找出它們之間的關系，指導生產和管理。 4 結論 機械設備計時器的基本功能是真實、客觀地記錄設備的工作時間。它采用了成熟的微電子和振動傳感技術，先進的軟、硬件結合的監測、控制技術，合理的電源管理技術。既能完成計時的需要，又能對數據實施有效的管理，實現對數據的二次利用。 |
