20120468_基于三维磁场的机械伤残控制系统.doc

基于三维磁场的机械伤残控制系统胡代洲，操杰，邓于（重庆文理学院电子电气工程学院，重庆 永川 402160）收稿日期：2012-12-10基金项目：重庆文理学院学生科研项目基金（XY20120019）作者简介：胡代洲(1989-)，男，重庆云阳人,学生，主要从事嵌入式系统设计方面的研究操 杰(1990-)，男，湖北黄冈人,学生，主要从事嵌入程序设计方面的研究邓 于(1960-)，男，重庆璧山人,实验师，主要从事物理实验教学与研究通讯地址及邮编：重庆市永川区重庆文理学院电子电气工程学院 402160联系电话-mail:532864718基于三维磁场的机械伤残控制系统胡代洲，操杰，邓于（重庆文理学院电子电气工程学院，重庆 永川 402160）摘 要系统以AT89C52单片机为控制单元，介绍了一种由4个线性霍尔传感器构成三维磁场测量的机械伤残控制系统。将含有磁体的特殊物品佩戴在手腕上，利用系统测量磁体与“0”点的距离，间接的检测“人手”的位置，以达到保护人体的目的。该系统具有结构新颖、电路简单、控制准确、生产成本低廉和体积小巧等优点，特别适合应用于工农业的机械设备的安全控制。关键词线性霍尔位置传感器；三维磁场测量；机械伤残控制系统；中图分类号 TN710.9Based on 3d magnetic field mechanical disable control systemHU Dai-zhou，CAO Jie, DENG Yu(Department of Electronics and Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160，China)Abstract: system to AT89C52 single chip microcomputer as control unit, this paper introduces a kind of by four linear hall sensor constitute a three-dimensional magnetic field measurement of mechanical disable control system. Will contain magnets of special items to wear wrist, using the system measurement magnet and 0 point distance, indirect detection hand position, in order to achieve the purpose of the protection of the body. The system has the advantages of novel structure, simple circuit, control accuracy, low cost and small volume production, etc., and it is especially suitable for industrial and agricultural machinery equipment safety control.Key words: linear hall position sensor; 3 d magnetic field measurement; Mechanical disable control system;生产中使用大量的机械，如加工机械、木工机械、起重机械、厂内运输机械等。因机械故障或操作人员的不安全行为等原因造成一系列工业安全事故。受伤者轻则皮肉受伤，重则伤筋动骨、断肢致残，甚至危及生命。报告显示，经永川人民中心医院鉴定为机械对人体所造成的十级以上的伤残每年高达1300多例。而大多数是在机械操作中被设备割断手指或四肢。因此设计一种能够在工人被伤害之前作出智能判断并采取措施的设备尤为重要。本项目研究成果给工农业带来了生命的安全保障。使得工人被机械伤害的情况大幅度的降低，非常具有适用价值。本系统是基于三维磁场的机械伤残控制系统，其系统框图如图1所示。系统采用了4个A1321线性霍尔传感器从多个方向进行磁场强度测量，传感器输出的电压由仪表放大器放大，放大后的模拟电压由A/D转换器转换，转换的数字量由单片机处理并计算出被测点与传感器“0”点的距离。用户可传感器1传感器2传感器4单片机显示器键 盘输出驱动报警器A/D转换器传感器3图 1 系统框图通过键盘预设被测点与“0”点的安全距离，单片机将用户设置的安全距离与实际测量的距离进行计算，以差值为依据，判断是否启动报警器和输出控制信号，输出信号由输出驱动进行电流放大后控制外部动力设备和减速装置，使动力设备立即停止。已达到保护人体和安全生产的目的。1. 硬件电路设计1.1 A1321线性霍尔传感器A1321线性霍尔传感器，具有灵敏、稳定等特点。霍尔效应传感器可输出与所施加的磁场成比例的电压。A1321具有等于电源电压50%的静态以及2.5 mV/G灵敏度。器件集成了温度补偿电路，以降低霍尔元件小信号高增益放大器和轨对轨低阻抗输出级所固有的灵敏度漂移。动态偏移取消技术，连同内部高频时钟，可降低通常由器件超模压、温度依存性及热应力引起的残余偏移电压。高频时钟可支持更高的取样率，从而达到更高的精确度和更快的信号处理能力。该传感器在制造过程中进行内部增益和偏置修正调整，可输出高精度的比例电压1。图 2 SOIC封装A1321线性霍尔传感器封装类型较多，本设计所选用的封装如图2，SOIC封装容易安装更利于磁场的检测。其引脚功能见表1。表 1 A1321线性霍尔传感器引脚功能名称 编号 功能描述VCC 1 电源正(4.5V-5.5V)VOUT+ 2 差分输出(1.25 mV/G)VOUT- 3 差分输出(1.25 mV/G)GND 4 电源负1.2 仪表放大电路设计仪表放大电路如图3，将传感器的输出端连接至差分放大器的输入端。A1321线性霍尔传感器在检测到强度不通的磁场时，以差分形式输出一个差分电压，该电压由MA4184仪表放大器将差分信号(V2、V1 )放大至所需要的标准，放大后的电压经VOUT送入A/D转换。差分信号的值与输出电压值之间的关系如下(内置放大电阻为25k ):系统共用了4个线性霍尔传感器，因此系统也有4个仪表放大电路，其输出网络标号分别是VOUT、VOUT1、VOUT2、VOUT3。这些输出端分别连接到A/D的各个输入通道。图 3 仪表放大电路1.3 A/D转换工作原理系统A/D转换器选用TLC1543。该器件是10位逐次逼近模数转换器。它有3个输入端和1个3态输出端，片选（CS）、输入/输出时钟（I/O CLOCK）、地址输入（ADDRESS） 和数据输出（DATA OUT），将这3个端口和单片机的I/0口相连接。器件端口可以和主机高速传输数据。器件还有一个片内的14通道多路选择器，可以选择11个输入中的任何一个通道进行转换。器件的采样、保持是自动的。在转换结束时，转换结束EOC端口变高，以指示转换完成。器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗基准电压，对输入通道电压采样，具有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。开关电容的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误差。基准电图4 A/D转换电路压的正端REF+（本设计接Vcc）被加到内部正基准端。负基准电压端REF-（本设计接地）被加到内部基准副端。测试电压范围取决于加在REF+端与加在REF-端的电压差 2。测量端口的电压经A/D转换后送入单片机进行处理，如图4所示为TLC1543外围硬件配置。1.4 显示器电路设计如图5，显示器采用动态扫描的方式进行显示，即循环点亮每一个数码管，这样虽然在任何时刻都只有一位数码管被点亮，但由于人眼存在视觉残留效应，只要每位数码管间隔时间足够短，就可以给人以同时显示的感觉，动态显示能够节省大量的IO端口，而且功耗更低。并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流3。图 5 显示电路如图5，74LS573是一款电流驱动芯片，由于单片机的的驱动能力有限，故此需要加一级驱动。1.5 输出驱动大多数面板安装的继电器由微处理器或其他敏感的电子设备驱动。一个良好的线圈驱动电路要求在继电器和微处理嚣电路之间进行隔离，有效的驱动电路必须考虑到驱动电流和驱动电压的要求有效的抑制线圈的瞬态过程，否则该瞬态会损坏微处理器4。如图6，由于单片机上电复位的时候，单片机所有I/0口均输出高电平，同时这个高电平是不允许设备工作的，因为这段时间不受处理器控制，因此驱动必须设计成低电平有效，例如单片机将信号1送到P3.0，U5光电耦合器内部的发光二极管不亮，U5内部的光电三级管集电极出现高电平，Q5栅极为高电平的时候截断漏极到源极的电流，继电器线圈K内部不存在电流，继电器断开。如单片机P3.0端口输出0，U5光电耦合器内部的发光二极管点亮，U5内部的光电三级管集电极出现底电平，Q5栅极为低电平，漏极和源极导通，在继电器线圈K内部产生电流，继电器吸合。继电器在断开的瞬间会出现一个反电动势，电压很高，容易损坏开关管，故与其并联一个续流二极管，吸收反电动势，保证开关管不被损坏4。图 6 输出驱动电路1.6 单片机最小系统硬件设计系统单片机选用ATMEL公司的AT89C52单片机，该芯片具有低功耗、高性能的特点，是采用CMOS工艺的8位单片机。如图7所示，C9、C10和石英晶体振荡器组成时钟电路。单片机U6的P0口配置了4.7K的上拉排阻作LED显示器的段码输出端，P2.0和P2.1为LED显示器的位选端；P1.0至P1.3端口是A/D转换器的控制线；P1.4、P1.5为按键输入端，该按键用于用户设置安全距离；P2.3连接报警器，当系统所测距离小于安全距离时报警。图 7 单片机最小系统电路2. 软件设计系统程序流程图如图8，系统上电后开始执行初始化，初始化完成后判断用户设置值“M”是否等于0如果是0则说明用户没有设置安全距离，系统一直等待用户设置，同时显示器显示00，反之则执行下一步，单片机按照A/D转换器的时序操作开 始初始化求传感器平均值XXMM0等待设置启动刹车结 束图 8 系统程序框图A/D芯片对应的I/O口使其分别将通道“0、1、2、3”的数值进行模数转换并存储，当所有通道数据转换完成后，单片机计算出磁体到“0”点的距离“X”，并将“X”更新到LED显示器上，同时将“X”与用户设置的值“M”进行比较，如果测试距离“X”小于或等于用户设置值“M”，系统则立即报警，同时发出信号，使继电器动作。反之则进入下一次距离计算。3. 安装与调试利用电路板绘图工具Altium Designer 6.9将PCB制作好并刻板后即可焊接。设计没有其他繁杂的调试只需正确书写代码下载到单片机中即可，系统电路比较简单，将电路制作好后封装在塑料盒子内部，然后将盒子安装在设备任意位置即可2。如图9，将传感器安装在被测空间的四个面上，需要注意的是传感器在安装空间上必须对齐，否则将给测量数据带来偏差。继电器用于控制机械刹车电源，机械刹车在本文未曾提及，读者可参考类似含有刹车系统的设备，如汽车、自行车等。系统虽然可以准确的测量距离但是并不能检测到人体，笔者将电子手表内部的电路取出，然后将磁体安装在手表壳内部，然后将手表佩戴在手腕上，并利用按键设置安全距离，当系统测量的距离小于用户设置的距离，继电器便立即动作，如此时继电器正连接在刹车系统的电源，那么随着机械刹车的动作。动力设备便立即停止，以达到保护人体的目的。图 9 传感器安装图制作完成后笔者对测量精度作了验证。如图9，以“0”点为起点，用钢尺测量磁体距离，然后观察数码管显示距离，进行验证，验证数据见表2。表2 作品参数验证X1 X2 Y1 Y2 显示距离 钢尺测量距离 19 21 22 18 20 cm 19.7cm 14 16 17 13 15 cm 15.3cm 9 11 8 12 10 cm 9.8 cm 6 4 6 4 05 cm 5 cm 0 0 0 0 00cm 0 cm4. 结语笔者出身于农村家庭，身边出现很多农民工被切草机（又称猪草机）所伤，甚至切掉手指。带着沉痛的阴影，设计出了一款“基于三维磁场的机械伤残控制系统”，系统不仅适应用于“农用切草机”的安全控制。还可以应用于工业领域，很多设备的安全控制。系统采用了三维测试技术，用单片机计算出4个传感器的平均值，无论被测物是否在4个传感器的中间点，系统都可以准确的测量出磁体与 “0” 点的距离。将装有磁体的手表佩戴在手腕上，系统通过检测磁体距离，间接的检测了“人手”的位置。以达到保护人体的目的。 参考文献1 雷原,石小晶,崔艳丽.智能三维磁场强度测量仪的设计J.研究与设计:电子测量技术,2012,(35)2:18.2 胡代洲,廖长荣.新型交直流电流表J.重庆文理学院学报:自然科学版,2012,(31)5:77.3 年庆娟,鄂德海.基于单片机的LED动态显示设计与仿真J.青海师范大学学报:自然科学版,2011(4):84.4 张友德,赵志英.单片微型机原理应