基于单片机技术的机械设备计时器的研制

1计时器组成及工作原理
　　(1)硬件组成及计时原理
　　计时智能控制系统采用硬件触发加软件检测、控制的方法，利用机械设备运转时产生的振动信号，通过微处理器来判断是否有代表设备运行的信号出现，控制计时并进行简单运算，触发计时器进入工作状态，再由CPU读取开机时间参数，并存储；振动信号消失后，计时触发信号消失，计时器停止工作，并将当前工作时间和累计工作时间分别存储。通过通讯口进行简单查询或与计算机连接读取数据并进行分析，得到机械设备工作的有关数据。硬件原理图如图1所示。  

　　计时器核心采用性价比高、体积小、支持低功耗模式的87C51芯片作为微处理器，该芯片集成了2个定时／计时器、2个外中断源、串行I／O口、并行I／O口；具有算术运算、逻辑运算、控制转移等功能，并可对其编程实现多种功能。工业芯片使用范围为-40～70℃，性能可靠稳定。为增加计时精度，增加1片频率为32768Hz的手表晶振；数据存储选用E²PROM芯片，用耗能低且可靠性高的4位点阵液晶显示屏显示数据。

　　(2)软件系统构成及功能
　　软件系统按模块化进行设计，主要由主程序模块、信号检测程序模块、中断程序模块、通讯程序模块和数据分析程序模块等组成。主程序模块进行定时、串口和中断系统初始化，并循环检测是否有机械设备运行触发信号。应用程序采用中断方式调用。主程序模块流程图如图2所示，检测程序流程如图3所示。

2技术实现方案
　　(1)计时控制技术
　　机械设备运转时产生振动的振幅约为80～100μm，频率约为5～100Hz。根据需要，采用由硬件触发加软件检测、控制的方法，由振动传感器和单片机的有机合作作为计时器的智能控制核心，以τ电路为主的数字电路完成软硬件的结合。原理图如图4所示。

?

　　振动传感器感应的振动信号转化为电信号后，经放大、整形处理，产生周期性二值数字信号及运动瞬间的触发信号，信号经τ电路处理为反映机械实际振动状态的二值电平信号送入微处理器，由软件识别机械设备的动、静态，决定整个系统工作与休眠。

　　工作时，软件以一定的时间间隔检测外部动态电平，由瞬态信号了解机械设备的工作起始，记录其启动时刻，并进行工作计时和累加，微处理器通过硬件检测提供的信息，准确地把握外部设备的工作状态。当外部工作设备处于静止状态时，微处理器指挥系统同步进入静止状态，并将工作时间累加，等待再次触发。

　　(2)电源管理技术
　　为消除人为因素的影响，计时器使用过程中不使用任何外部电源供电、补充充电和更换电池；保证计时器内部电源长时间连续可靠工作。为此，除计时器本身采用低功耗模式设计、硬件选用CMOS元件外，还采用特殊的电源管理技术，供电电路设计如图5。

?

　　整体分区供电：智能控制电路、主机和显示器一个电源，时钟芯片一个电源，正常安装使用前二者相对独立。根据计时器在机械设备上的工作特点，理论上对计时器的供电可视为脉冲放电，因此，前者作为主电源，选用容量大、放电特性好的1号锂电池(输出电压：3V；容量：16500mAh)；时钟芯片采用钮扣电池，维持时钟同步。

　　分时供电：计时器未启用时，开关断开，仅由钮扣电池以微小的电流维持时钟芯片与当前时钟同步，需要安装使用时，通过不可重复动作开关1，使锂电池转入正常供电，此时，锂电池和钮扣电池并联，整个计时器进入待机状态。

　　(3)安全技术
　　在计时器外观、安装等方面采用了特殊的设计方案：采用集成度高、体积小的元件，以利于封装；除通讯口外计时器采用全封闭设计。外壳采用注塑壳体，底盖通过螺钉与主体连接，底面作为安装面与设备密封安装后，除能进行计时阅读和数据查询外，不能进行任何操作。如需要，可将通讯口密封，与机械设备一起置于野外、水下、井下等。

3计时数据管理
　　(1)数据查询
　　数据查询是计时器功能的扩展，通过数据查询器可查询计时器内部储存数据，包括设备每次开机时刻、每次工作时间、累计工作时间，并能对当前数据进行检索，获取设备使用的详细情况。

　　(2)数据分析
　　数据分析通过软件来完成，利用微机读取计时器有关数据，结合维修、保养、能耗等数据，设计程序，找出它们之间的关系，指导生产和管理。?

4结论
　　机械设备计时器的基本功能是真实、客观地记录设备的工作时间。它采用了成熟的微电子和振动传感技术，先进的软、硬件结合的监测、控制技术，合理的电源管理技术。既能完成计时的需要，又能对数据实施有效的管理，实现对数据的二次利用。

参考文献

［1］何立民.单片机应用系统设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1994.
［2］黄石红.低频信号处理在振动测试工程中的研究及应用［D］.南京：东南大学，1995.