摘要：基于單片機(jī)MSP430F149與紅外模塊設(shè)計(jì)了產(chǎn)品數(shù)量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)。主要對(duì)系統(tǒng)的硬件以及軟件的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。利用單片機(jī)的低功耗以及紅外模塊單線接口方式，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的低功耗，其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；紅外發(fā)射模塊；紅外接收模塊

0．引言

在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，需要對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以衡量整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方式主要是在生產(chǎn)后期由人工進(jìn)行生產(chǎn)記錄，這樣不僅浪費(fèi)大量的人力物力，還存在時(shí)間的滯后性。另外，在一些自動(dòng)化程度較高的工業(yè)現(xiàn)場，以人工方式直接去統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品數(shù)量也不現(xiàn)實(shí)。本文提出了一種基于單片機(jī)技術(shù)、紅外技術(shù)于一體的產(chǎn)品數(shù)量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)量的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)；該系統(tǒng)可以與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，以便數(shù)據(jù)報(bào)表的生成與打印。系統(tǒng)具有抗干擾性強(qiáng)、統(tǒng)計(jì)精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1．系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以高性能、低功耗單片機(jī)MSP430F149為核心控制器，集成紅外發(fā)射模塊、紅外接收模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、RS232接口以及電源模塊。單片機(jī)負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)的處理與記錄，將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并且還可以通過RS232接口將記錄的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)；紅外發(fā)射、接收模塊主要是檢測通過產(chǎn)品線的產(chǎn)品數(shù)量，并且通知單片機(jī)進(jìn)行數(shù)量記錄；電源模塊采用LM2574降壓型DC-DC電源變換器，為整個(gè)系統(tǒng)提供工作所需要的能源。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

Fig.1Theblockdiagramofthesystem

2．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)以MSP430F149為核心控制器[1]，P1口的（P1.0）輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)模塊；P1口的（P1.1）外接紅外接收模塊的信號(hào)輸出引腳；通用串口UATR0（P3.4、P3.5）外接RS232與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；P3.6、P3.7模擬串行通信接口與存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；LM2574為系統(tǒng)提供3.3V的工作電壓。系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。

圖2系統(tǒng)硬件電路圖

Fig.2Thehardwarecircuitofsystem

2.1MSP430F149單片機(jī)

MCU采用德州儀器（TI）的MSP430F149單片機(jī)[1]，此單片機(jī)是一種超低功耗微控器，采用16位的體系結(jié)構(gòu)，16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了最大化的代碼效率。包括2個(gè)內(nèi)置16位的定時(shí)器、一個(gè)快速12位A/D轉(zhuǎn)換器，二個(gè)通用串行同步異步通訊接口和48個(gè)I/O端口。

下面列出它的一些主要特性：低電源電壓輸入范圍：DC1.8~3.6V；超低功耗：2.5uA@4kHz,2.2V；具有5種節(jié)電模式；喚醒時(shí)間小于6us；12位200Ksps的A/D轉(zhuǎn)換器，自帶采樣保持；一路串行通訊接口可用于異步通信模式或者同步通信模式；6個(gè)8位并行端口；片內(nèi)包含60KBFLASHROM和2KRAM；2個(gè)通用的16位定時(shí)器，并具有片內(nèi)溫度傳感器。

單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制器，負(fù)責(zé)產(chǎn)品數(shù)量的統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)、紅外模塊的控制以及與上位機(jī)通訊等。

2.2紅外發(fā)射模塊

采用紅外線發(fā)射二極管LF5038作為發(fā)射模塊的紅外線信號(hào)發(fā)射器件,其電氣參數(shù)如下：峰值波長為940nm；正向工作電壓VF為1.2V；正向驅(qū)動(dòng)電流IF最大值100mA；一般來說，IF越大，紅外線發(fā)射距離越遠(yuǎn)[2]。

由于紅外接收模塊可以接收的載波頻率為38kHz，所以紅外發(fā)射模塊需要以38kHz的載波發(fā)射信號(hào)。單片機(jī)MSP430F149內(nèi)部包含PWM輸出控制，很容易實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)的設(shè)置。單片機(jī)管腳的輸出驅(qū)動(dòng)能力有限，為提高發(fā)射模塊的發(fā)射距離，采用外接三極管驅(qū)動(dòng)電路以提高發(fā)射模塊的正向電流IF，來提高發(fā)射模塊的發(fā)射距離。紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路如圖3a。

2.3紅外接收模塊

紅外接收模塊采用LF0038F，其性能參數(shù)為：可接收的載波頻率典型值是38kHz；當(dāng)紅外發(fā)射模塊的正向電流為300mA時(shí)，LF0038F接收的最小距離為15m；接收角度的典型值為±45º[3]。

紅外接收模塊對(duì)供電電源的要求比較嚴(yán)格，為防止誤輸出信號(hào)的發(fā)生，對(duì)其輸入電源進(jìn)行多級(jí)抗干擾以及濾波處理，紅外接收模塊電路圖如圖3b。

圖3紅外發(fā)射接收模塊原理圖

Fig.3Infraredtransmitandreceivemoduleprinciplediagram

單片機(jī)PWM輸出驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射模塊向外發(fā)射38kHz的脈沖信號(hào)，當(dāng)LF0038F接收不到有效信號(hào)時(shí)OUT端輸出高電平信號(hào)，LF0038F接收到有效信號(hào)時(shí)OUT端輸出低電平信號(hào)，期間由高電平到低電平會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿信號(hào)。LF0038F輸出信號(hào)的波形如圖4。

圖4信號(hào)波形圖

Fig.4Signalwaveformfigure

2.3電源模塊

系統(tǒng)采用LM2574高性能電壓變換器提供工作電壓。LM2574技術(shù)參數(shù)如下：具有寬電壓輸入范圍（DC7V-DC40V）；該芯片可以輸出固定電壓或者可調(diào)電壓；最大輸出電流0.5A；外圍電路簡單，只需外接4個(gè)電子元器件；內(nèi)置固定頻率（52KHz）振蕩器；轉(zhuǎn)換效率高；具有過熱及過負(fù)載保護(hù)功能。

3．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為方便系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，主要有主程序、PWM信號(hào)產(chǎn)生程序、產(chǎn)品數(shù)量統(tǒng)計(jì)程序、數(shù)據(jù)傳輸程序等組成。

3.1主程序功能

主程序負(fù)責(zé)初始化、開中斷、指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入各種相應(yīng)的工作狀態(tài)，主程序流程圖見圖5a。

圖5程序流程圖

Fig.5ProgramFlowDiagram

3.2產(chǎn)品數(shù)量統(tǒng)計(jì)程序

系統(tǒng)初始化完成后，程序便開啟PWM輸出，驅(qū)動(dòng)紅外模塊發(fā)射頻率為38kHz的脈沖信號(hào)。系統(tǒng)用反射式監(jiān)測方式監(jiān)測產(chǎn)品的通過，在無產(chǎn)品通過生產(chǎn)線時(shí)，LF0038F接收不到紅外脈沖信號(hào)OUT端輸出高電平信號(hào)；當(dāng)有產(chǎn)品通過生產(chǎn)線時(shí)，紅外模塊發(fā)射的脈沖信號(hào)被通過的產(chǎn)品遮擋反射回來，接收模塊接收到脈沖信號(hào)，LF0038F輸出信號(hào)由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑陆笛赜|發(fā)單片機(jī)中斷，程序進(jìn)入產(chǎn)品通過檢測判斷，單片機(jī)通過程序處理后確認(rèn)有產(chǎn)品通過時(shí)，系統(tǒng)便進(jìn)行產(chǎn)品通過記錄。產(chǎn)品通過后單片機(jī)會(huì)將該次的產(chǎn)品數(shù)量變化及時(shí)通知上位機(jī)進(jìn)行更改產(chǎn)品數(shù)量。產(chǎn)品數(shù)量統(tǒng)計(jì)程序見圖5b。

3.3系統(tǒng)與上位機(jī)通訊程序

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行正常通信，需要對(duì)計(jì)數(shù)系統(tǒng)向上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行格式定義。計(jì)數(shù)系統(tǒng)向上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容包括：信息代碼（1個(gè)字節(jié)）、信息數(shù)據(jù)（根據(jù)數(shù)據(jù)的不同字節(jié)數(shù)不同）、校驗(yàn)和（1字節(jié)，此值為各字節(jié)進(jìn)行異或）以及信息結(jié)束標(biāo)志（1字節(jié)）。數(shù)據(jù)信息格式如表1所示。

表1數(shù)據(jù)信息格式

Tab.1Thedatainformationformat

當(dāng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的產(chǎn)品數(shù)量變更時(shí)會(huì)及時(shí)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)格式如表2所示。信息代碼“1”代表計(jì)數(shù)系統(tǒng)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)命令，字節(jié)數(shù)為1；數(shù)據(jù)信息范圍為：00~65536，字節(jié)數(shù)為2，表示產(chǎn)品數(shù)量；校驗(yàn)和為各字節(jié)值進(jìn)行異或，字節(jié)數(shù)為1；結(jié)束標(biāo)志位“#”，字節(jié)數(shù)為1。向上位機(jī)發(fā)送程序流程圖見5c。

表2系統(tǒng)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信息格式

Tab.2Thedataformatsendtouppermachinefromsystem

4．結(jié)論

紅外技術(shù)是一門新興而且發(fā)展迅速的學(xué)科，各種紅外器件應(yīng)運(yùn)而生，品種繁多，其應(yīng)用涉及到民用、軍用各個(gè)行業(yè)。系統(tǒng)硬件以及軟件均采用模塊化設(shè)計(jì)，易于升級(jí)與維護(hù)。經(jīng)過在線實(shí)際運(yùn)行，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為自動(dòng)化生產(chǎn)線的產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)提供了新式的設(shè)備。避免了以往人工統(tǒng)計(jì)的缺點(diǎn)，該系統(tǒng)具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。