垂直度測量儀自動檢定系統(tǒng)設(shè)計—數(shù)據(jù)處理

1、 本 科 畢 業(yè) 論 文 垂直度測量儀自動檢定系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)處理Verticality Measuring Instrument Automatic Test System DesignData Handing學(xué)院名稱： 電子信息與電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師姓名： 指導(dǎo)教師職稱： 2014年5月畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得安陽工學(xué)院及其它教育機構(gòu)的

2、學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解安陽工學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 目 錄摘要IAbstractII引 言1第一章 緒論21.1設(shè)計背景21.2 傾斜角測量方法31.3

3、 設(shè)計內(nèi)容3第二章 方案設(shè)計與論證42.1 系統(tǒng)組成42.2 微控制器模塊方案比較42.3 電源轉(zhuǎn)換模塊方案比較52.4 電機驅(qū)動模塊方案比較62.5 傾角測量方案比較72.6 液晶顯示模塊方案比較7第三章 硬件設(shè)計83.1 STC12C5A60S2單片機介紹83.2 單片機最小系統(tǒng)電路93.3 驅(qū)動電路103.4 電源轉(zhuǎn)換電路113.6 角度測量電路143.7 RS232總線接口電路設(shè)計153.8 按鍵電路15第四章 軟件設(shè)計174.1 C語言介紹174.2 液晶顯示模塊程序設(shè)計174.3 外部中斷程序設(shè)計184.4 電機驅(qū)動模塊程序設(shè)計19第五章 系統(tǒng)仿真215.1 Proteus的介紹2

4、15.2 LCD顯示電路的仿真215.3 小車驅(qū)動的仿真22第六章 系統(tǒng)調(diào)試246.1 硬件調(diào)試246.2 軟件調(diào)試24結(jié) 論25致 謝26參考文獻(xiàn)27附 錄28附錄A28附錄B30垂直度測量儀自動檢定系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)處理摘要：本系統(tǒng)是以STC12C5A60S2單片機為主控制器，用于測量垂直角度的數(shù)字角度測試儀。系統(tǒng)由主控制器模塊、電源及穩(wěn)壓模塊、小車電機驅(qū)動模塊、傾角測量模塊、數(shù)據(jù)通信模塊以及液晶顯示模塊等組成，用C語言編寫了相關(guān)程序，利用Proteus軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。系統(tǒng)可通過小車移動來測量物體相對于水平面的傾斜角度。關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2單片機；移動小車；角度測量Vertical

5、ity Measuring Instrument Automatic Test System Design Data HandingAbstract:This system predominantly STC12C5A60S2 single-chip microcomputer controller, digital Angle measuring instrument used for measuring the vertical Angle.System consists of main controller module, power supply and voltage regulat

6、or module, the car motor driver module, dip Angle measuring module, data communication module and LCD module, etc, using C language to write the related procedures, use of Proteus simulation software debugging.System can move through the car to measure the object relative to the horizontal plane Ang

7、le.Key words: STC12C5A60S2 microcontroller ;Move the car;The Angle measurementI引 言隨著電子技術(shù)的發(fā)展，程控技術(shù)和計算機技術(shù)也運用到實際的工作中。在過去相當(dāng)長時期內(nèi)，人工一直是物體角度的唯一的測量方法，其效率低、還不準(zhǔn)，對平時的測量造成了很大的影響，隨著現(xiàn)在世界測量精度的日趨提高，這種傳統(tǒng)的手段已難以達(dá)到對物體角度測量的目的。角度測量被廣泛應(yīng)用于工程機械、道路橋梁檢測、山體滑坡檢測、汽車電子、水平測量、電力監(jiān)控、建筑、鉆探機械等多個行業(yè)，應(yīng)用的廣泛更要求了傾角測量有較高的精度及更強的抗沖擊力。本系統(tǒng)就是從電子應(yīng)用的

8、角度出發(fā)，希望借助于將電子測量的技術(shù)，將該技術(shù)應(yīng)用到工程實際測量的過程中，提供一種低成本、效率高、精度高的物體角度的測量儀器。第一章 緒論1.1設(shè)計背景 角度是用以量度角的單位，符號為°。一周角分為360等份，每份定義為1度。采用360這數(shù)字，因為它容易被整除。360除了1和自己，還有22個真因數(shù)，包括了7以外從2到10的數(shù)字，所以很多特殊的角的角度都是整數(shù)。數(shù)學(xué)上是用弧度而非角度，因為360的容易整除對數(shù)學(xué)不重要，而數(shù)學(xué)使用弧度更方便。 角度的測量方法有很多，基本的有量角器測量，現(xiàn)在更精密操作更容易的測角方法有光學(xué)測角、齒輪式測角、微電子測角等。 傾角傳感器測量儀器測量物體與水平面

9、的傾角。作為傳統(tǒng)方法的替代品，應(yīng)用在道路工程、機械測量、建筑工程、工業(yè)平臺、石油勘測、軍工、船舶，以及其他需要重力參考系下的傾角或者水平的情況。 國際在該方面大量成批生產(chǎn)和使用，我國也進(jìn)入大步伐前進(jìn)階段，但和國際水平還有一定的差距。 人們現(xiàn)在經(jīng)常提到的數(shù)字化測量儀器所包括的范圍十分廣泛，一般是指智能化測量儀器，即不僅僅是數(shù)字化的輸出或顯示，還包括數(shù)字信號和數(shù)字化電路等方面。隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的迅速發(fā)展，無論是單臺測量儀器還是整個測試系統(tǒng)都朝著數(shù)字化、智能化、多功能、小型化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和開放型方向發(fā)展。傾角儀是一種用來測量傾斜度的測量儀器，它作為一種重要的通用工具，廣泛應(yīng)用在橋梁架設(shè)、鐵路鋪設(shè)

10、、土木工程、地質(zhì)勘探、石油鉆井、航空航海、工業(yè)自動化、機械加工、精密制造、教學(xué)研究、國防軍事等各個領(lǐng)域和行業(yè)中。角度測量是幾何量計量技術(shù)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、航空、航海以及通訊等各種領(lǐng)域。在經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)和科學(xué)技術(shù)各部門都離不開角度測量問題，諸如切削刀具的測量、零件有關(guān)角度的測量、儀器或機床導(dǎo)軌的檢驗和裝調(diào)，以及天文研究、大地測量、水利、交通建設(shè)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星的發(fā)射等。 隨著工業(yè)體系的發(fā)展，對角度測量技術(shù)的要求也越來越高，從開始的離線、抽檢測量到現(xiàn)在的在線連續(xù)測量；從人工測量到目前的自動或半自動測量；從指針式按鈕式的機械儀表到后來的數(shù)字式儀表；從純粹的硬件電路測量系統(tǒng)到虛擬系

11、統(tǒng)。 角度是一個重要的幾何量計量參數(shù)，角度測量是測量技術(shù)的重要組成部分，隨著現(xiàn)代測量儀器的發(fā)展尤其是集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展。1.2 傾斜角測量方法 常見傾斜角測量的原理如圖1.1所示。圖1.1 傾斜角測量原理在地球上任何位置的物體都受到重力的作用(F=mg)，即任意的質(zhì)量塊會受到一個重力加速度的作用，采用加速度傳感器即可測出這個重力加速度。把加速度傳感器固定在物體的水平面上，則加速度傳感器感受到的加速度g；當(dāng)物體姿態(tài)改變時，加速度傳感器的敏感軸隨之轉(zhuǎn)動角度，則傳感器受到的加速度改變，因此可以通過測量加速度的變化來反映物體姿態(tài)的變化。1.3 設(shè)計內(nèi)容本系統(tǒng)是以STC12C5A60S2單片機為主控

12、制器，用于測量垂直角度的數(shù)字角度測試儀。實現(xiàn)SCA100T傳感器采集垂直角度數(shù)據(jù)，單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，測得的數(shù)據(jù)通過RS232總線傳輸?shù)絇C機。系統(tǒng)實現(xiàn)的功能：(1) 小車可自行移動，電機的速度勻速控制，將勻速控制到0.01轉(zhuǎn)/min；（2）數(shù)據(jù)能自動采集，并正確的進(jìn)行傳輸；（3）測量角度的范圍為030°；（4）角度傳感器的測量角度誤差控制到0.1度。第二章 方案設(shè)計與論證2.1 系統(tǒng)組成 系統(tǒng)組成如圖2.1所示。干電池供電電源轉(zhuǎn)換模塊直流電機STC12C5A60S2單片機傾角測量傳感器 5V 9V電機驅(qū)動模塊RS232總線數(shù)據(jù)傳輸液晶顯示模塊PC機晶振復(fù)位圖2.1 系統(tǒng)組成本系統(tǒng)是

13、主要包括以下幾個模塊組成： （1）微控制器模塊，完成數(shù)據(jù)的采集和處理，以及數(shù)據(jù)的傳輸； （2）電機驅(qū)動模塊，完成智能小車電機的驅(qū)動功能，實現(xiàn)小車能夠前后移動； （3）電源轉(zhuǎn)換模塊，完成從干電池供電轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)工作所需電壓； （4）液晶顯示模塊，完成智能小車的實際轉(zhuǎn)動速度的顯示； （5）傾角傳感器采集模塊，完成對傾斜角度的數(shù)據(jù)采集功能； （6）RS232總線接口模塊，采用RS232總線協(xié)議通信，完成單片機與PC機的數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)單片機采集的實時傾角數(shù)據(jù)與PC機通信。2.2 微控制器模塊方案比較方案一：采用凌陽16位SPCE061A單片機作為控制核心，體積小、集成度高、易擴展、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單

14、、中斷處理能力強，內(nèi)嵌32k字閃存FLASH，處理速度較高，突出特點是具有很強的語音功能。但是該單片機處于待機狀態(tài)下耗電約為2uA，功耗相對較高，本系統(tǒng)中不予采用。方案二：采用宏基公司的性價比高的STC12C5A60S2單片機可以省掉復(fù)位電路、外部數(shù)據(jù)存儲器(如24Cxx系列芯片)，某些場合還可以省掉晶振，電路簡單、價格低廉。兼容C51指令，另外安全性能好，目前很難破譯STC12C5A60S2單片機加密程序，加之用戶數(shù)據(jù)可以保存到單片機內(nèi)部，解密者很難通過用戶數(shù)據(jù)分析單片機的運行狀況。而且本系統(tǒng)的傾角傳感器需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，此單片機正好自帶A/D轉(zhuǎn)換模塊。綜合比較，本系統(tǒng)采用方案二。2.3 電

15、源轉(zhuǎn)換模塊方案比較方案一：采用干電池組進(jìn)行供電。電源模塊設(shè)計示意圖如圖2.2所示。 9V直流電源 直流電機供電控制系統(tǒng)供電圖2.2 電源模塊設(shè)計圖 采用四節(jié)干電池降壓至5V后給單片機及其他邏輯單元供電，另取六節(jié)干電池為電機及光電開關(guān)供電。這樣電機啟動及制動時的短暫電壓干擾不會影響到邏輯單元和單片機的工作。干電池用電池盒封裝，體積和重量較小，同時小車底座可以安裝四節(jié)干電池，正好可為單片機及其他邏輯單元供電。在穩(wěn)壓方面，起始時考慮使用7805芯片對6V的電池電壓進(jìn)行降壓穩(wěn)壓。但考慮到這樣使得7805芯片消耗大量能量，降低電池壽命；同時，由于STC12C5A60S2、小車電機對于供電電壓要求并不苛刻

16、，故將6V電池電壓穩(wěn)壓成5V直接給單片機及其他邏輯單元供電。而電機的電源不做穩(wěn)壓處理。這樣只需在小車上加兩個調(diào)速按鈕，根據(jù)電池電量選擇合適功率即可。方案二：采用交流電經(jīng)直流穩(wěn)壓處理后供電。采用交流電提供直流穩(wěn)壓電源，電流驅(qū)動能力及電壓穩(wěn)定性最好，且負(fù)載對電源影響也最小。由于需要電線對小車供電，極大影響了小車行動的靈活性及地形的適應(yīng)能力。故放棄了這一方案。 方案三：采用蓄電池供電。蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力和較好的電壓穩(wěn)定性能，且成本低廉。可采用蓄電池經(jīng)7812芯片穩(wěn)壓后給電機供電，再經(jīng)過降壓接7805芯片給單片機及其他邏輯單元供電。但蓄電池體積相對龐大，且重量過大，造成電機負(fù)載過大，不適合此

17、處采用的小車。故放棄了這一方案。綜合考慮，采用方案一。2.4 電機驅(qū)動模塊方案比較 方案一：使用分立原件搭建電機驅(qū)動電路。使用分立原件搭建電機驅(qū)動電路造價低廉，在大規(guī)模生產(chǎn)中使用廣泛。但分立原件H橋電路工作性能不夠穩(wěn)定，較易出現(xiàn)硬件上的故障，故我們放棄了這一方案。方案二：使用L298N芯片驅(qū)動電機。電機驅(qū)動框圖如圖2.3所示。保護電路L298驅(qū)動芯片+9V直流供電電源電機+5V直流供電電源電機單片機指令總線保護電路圖2.3 電機驅(qū)動圖L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性

18、好，性能優(yōu)良。輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的IO口提供信號，而且?guī)в惺鼓芏耍奖鉖WM調(diào)速，電路簡單，性能穩(wěn)定，用比較方便。L298N芯片可以驅(qū)動兩個二相電機，也可以驅(qū)動一個四相電機，正好符合小車一個電機的驅(qū)動要求。 綜合考慮，采用方案二L298N芯片驅(qū)動小車電機。2.5 傾角測量方案比較方案一：采用美國模擬器件公司的三軸數(shù)字傾斜角度模塊ADXL345，具有小巧輕薄、可變量程等優(yōu)點。ADXL345數(shù)字式三軸加速度傳感器，該傳感同樣可以檢測三個軸向的加速度，并且自身含信號的調(diào)理與AD轉(zhuǎn)化，還可以設(shè)定零點漂移值，與單片機的串行接口可以只使用2條IO，使得

19、主控機的負(fù)荷大大降低，傳感器可以工作在超低功耗模式，其最大13位的全分辨率足以滿足題目中對±1度測量分辨的要求。但是其編程比較復(fù)雜，采集速度慢，價格比較貴，本系統(tǒng)設(shè)計中不予采用。方案二：SCA100T傳感器是芬蘭VTI公司2005年最新推出的利用MEMS技術(shù)開發(fā)生產(chǎn)的高精度靜態(tài)加速度雙軸傾角傳感器其體積小重輕僅1.2克。MEMS(micro electro mechanical system)是二十一世紀(jì)的前沿技術(shù)，采用MEMS技術(shù)可以在硅芯片加工出完整的微型電子機械系統(tǒng)，包含了微型傳感器、微型機械結(jié)構(gòu)、以及信號處理和控制電路、通訊接口等于一體的微型器件，把信息系統(tǒng)的微型化、多功能化

20、、智能化和可靠性水平提高到新的高度。該器件內(nèi)部包含了一個硅敏感微電容傳感器和一個ASI專用集成電路，ASIC電路集成EEPROM存儲器、信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器和SPI串行通信接口組成了一個完整的數(shù)字化傳感器，有±30°和±90°兩種量程。綜合比較，采用方案二。2.6 液晶顯示模塊方案比較方案一：采用LED顯示模塊。LED數(shù)碼管顯示速度較快，亮度較高，顯示清晰，價格便宜編程控制也較為簡單。但是一般的LED工作電流都在毫安級，無法實現(xiàn)低功耗。方案二：采用4位半段碼式LCD顯示模塊。它擁有較低的功耗，約為170µA，且能夠清晰的顯示各種

21、數(shù)字。同時，還可以根據(jù)需要，將不必要的顯示段接到公共端，實現(xiàn)顯示段的控制，這樣也有助于我們進(jìn)一步降低功耗。綜合比較，采用方案二。第三章 硬件設(shè)計3.1 STC12C5A60S2單片機介紹STC12C5A60S2單片機如圖3.1所示。圖3.1 STC12C5A60S2單片機STC12C5A60S2系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)，針對電機控制，強干擾場合。它具有以下特性：STC12系列

22、單片機為增強型 8051 芯片，1T，單時鐘/ 機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機；工作頻率范圍：0 - 35 MHz，相當(dāng)于普通8051的 0420MHz.實際工作頻率可達(dá)48MHz；通用I/O 口（27/23/15 個）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/ 弱上拉，推挽/ 強上拉，僅為輸入/ 高阻，開漏每個I/O 口驅(qū)動能力均可達(dá)到20mA，但整個芯片最大不得超過55mA；ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（P3.0/ P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片；片內(nèi)集成EEPROM 功能和看門狗功能；內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位

23、電路（外部晶體20M 以下時，可省外部復(fù)位電路）；時鐘源：外部高精度晶體/ 時鐘，內(nèi)部R/ C 振蕩器，用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部R/ C 振蕩器還是外部晶體/ 時鐘常溫下內(nèi)部R/ C 振蕩器頻率為：5.2 MHz 6.8 MHz，精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，應(yīng)認(rèn)為是4 MHz 8 MHz；共2個16位定時器/ 計數(shù)器；外部中斷2 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，Power Down 模式可由外部中斷喚醒； PWM(4 路)/ PCA（可編程計數(shù)器陣列，4路）；A/D 轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，共8路。STC12C5A60S2 系列有8 位精度；通用全

24、雙工異步串行口（UART)，由于STC12系列是高速的8051，也可再用定時器軟件實現(xiàn)多串口；SPI 同步通信口，主模式/ 從模式。3.2 單片機最小系統(tǒng)電路最小系統(tǒng)電路如圖3.2所示。圖3.2 最小系統(tǒng)電路該系統(tǒng)包含五個電路模塊：時鐘電路模塊、電源電路模塊、輸入/輸出接口電路模塊和復(fù)位電路模塊。其中電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路模塊是保證單片機系統(tǒng)能夠正常工作的最基本的三部分電路模塊，缺一不可。 電源電路：芯片引腳VCC上供電電壓，為直流DC+5V電壓，電壓范圍在45.5V之間，可保證單片機系統(tǒng)能正常工作。為提高電路的抗干擾性能，通常在引角VCC與GND之間接上一個0.1uF陶片電容和一個10

25、uF電解電容。陶片電容為去耦電容，濾波用，電解電容為旁路電容，儲能用，這樣可抑制雜波串?dāng)_，從而有效地確保電路穩(wěn)定性。 時鐘電路：單片機的第18引腳和第19引腳外接晶振，單片機工作頻率取決于晶振Y1的頻率。這里選用12M晶振。兩個小電容通常取值20pF，以保證振蕩器電路的穩(wěn)定性及快速性。復(fù)位電路：如果引腳RST上保持超過連續(xù)地24個工作主頻周期的高電平。單片機就可以復(fù)位。但保證系統(tǒng)有可靠的復(fù)位，復(fù)位電路一般使引腳RST保持10ms以上的高電平。當(dāng)電路上電時，由于C15電容兩端電壓值不能突變，電源+5V會通過電容向RST提供充電電流，因此在RST引腳上產(chǎn)生一高電平，使單片機進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。隨著電容C

26、15的充電，它兩端電壓上升使得RST的電位下降，最終使單片機退出復(fù)位狀態(tài)。正常運行時，可按復(fù)位按鈕對單片機復(fù)位。3.3 驅(qū)動電路L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進(jìn)電動機、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；并且可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。

27、使用L298N驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動兩個二相電機，也可以驅(qū)動一個四相電機，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，也可以直接用單片機的I/O口提供信號，而且電路簡單，使用比較方便。L298N的主要引腳功能如下：+5V：芯片電壓5V；VCC：電機電壓，最大可接50V；GND：共地接法；A-D-：輸出端，接電機；AD+ ：為步進(jìn)電機公共端，模塊上接了VCC；EN1、EN2：高電平有效，EN1、EN2分別為 IN1和IN2、IN3和IN4的使能端；IN1IN4：輸入端，輸入端電平和輸出端電平是對應(yīng)的；驅(qū)動電路如圖3.3所示圖3.3 L298N驅(qū)動電路單片機的I/O端口分別與L298N的IN1，IN2，IN

28、3，IN4相連，發(fā)送PWM脈沖調(diào)制信號，PWM即脈寬調(diào)劑，信號的寬度來決定電機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)寬度增高時，電機速度增大，當(dāng)脈寬降低時，速度降低。 L298N的1腳和15腳發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機的一相。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。ENA，ENB控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)中，只驅(qū)動一個電機，因此將L298N的兩相驅(qū)動連接到電機的正負(fù)端，可以增強驅(qū)動能力。3.4 電源轉(zhuǎn)換電路電源模塊如圖3.4所示。圖3.4 電源電路 本系統(tǒng)采用+9V的電池供電，但是單片機系統(tǒng)和傳感器是采用+5V電

29、壓，因此需要將+9V轉(zhuǎn)換為+5V電壓，這里采用7805芯片，其驅(qū)動電流最高可達(dá)500mA，足夠滿足本系統(tǒng)應(yīng)用。3.5 液晶顯示電路LCD1602液晶顯示屏如圖3.5所示。圖3.5 LCD1602 LCD1602為液晶顯示器，是一種專門用來顯示數(shù)字、字母、符號等的點陣型液晶模塊。在它的內(nèi)部有一個控制器，可以執(zhí)行專屬的指令。它每行可以顯示16個字符，LCD1602液晶顯示器一共可以顯示兩行。這些顯示模式可以通過控制器的專用指令進(jìn)行設(shè)置。這類液晶通常是字符型液晶就是只能顯示ASCII碼字符，而其它的字符是不可以實現(xiàn)的。LCD1602液晶顯示器的主要技術(shù)參數(shù)如下所示：顯示內(nèi)容：16×2個字符

30、；芯片工作電壓：4.5-5.5V；工作電流：2.0mA；模塊最佳工作電壓：5.0V；字符尺寸：2.95*4.35mm。單片機與LCD1602的管腳接線如表3.1所示。表3.1 管腳接線表STC12C5A60S2LCD1602VCCVCCGNDGND P0.0DB0P0.1DB1P0.2DB2P0.3DB3P0.4DB4P0.5DB5P0.6DB6P0.7DB7P2.0RSP2.2ENP2.2R/W通常情況下，LCD1602液晶顯示器都是采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳或16腳標(biāo)準(zhǔn)接口（本系統(tǒng)中，采用的是16標(biāo)準(zhǔn)引腳），每一引腳都有其獨特的意義，其引腳功能如下所示：第1腳：VSS為電源地，接電源負(fù)極； 第2腳：

31、VDD電壓正極，接5V電源正極；第3腳：為液晶顯示器的顯示對比度調(diào)整端，可以通過調(diào)節(jié)電位器的電阻值來調(diào)整液晶顯示器的屏幕亮度對比度；第4腳：是指令和數(shù)據(jù)片選端，電壓為高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、電壓為低電平時選擇指令寄存器；第5腳：RW端為讀寫信號線，當(dāng)置高電平時進(jìn)行讀操作，置低電平時進(jìn)行寫操作；在本系統(tǒng)里，只用到了寫操作，可以直接接地，硬件電路設(shè)置為寫操作；第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端，只有其電壓為高電平是才允許操作；第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端，作用是用來輸入輸出數(shù)據(jù)；第1516腳：空腳和背光電源。其中15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。顯示電路如圖3.6所示。圖3.6

32、顯示電路在硬件系統(tǒng)的設(shè)計中，根據(jù)液晶顯示器的引腳功能進(jìn)行電路連接，同時，因本系統(tǒng)只需要用到LCD1602液晶顯示器的寫操作功能，而不需要讀操作的功能，所以可以直接通過硬件給第5腳輸入低電平，也就是在電路中直接接地，這樣液晶顯示器就只實現(xiàn)寫操作功能；LCD1602液晶顯示器的8位數(shù)據(jù)端接到單片機的P0口，用于數(shù)據(jù)的寫入。3.6 角度測量電路角度測量接口電路如圖3.7所示。圖3.7 角度測量接口電路采用來SCA100T測量加速度，然后通過一定轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成角度。SCA100T其內(nèi)部包含硅電容感應(yīng)元件，EEPROM存儲器，信號調(diào)理電路等，該傳感器具有X、Y兩個通道，分別用來測量傾斜和俯仰的加速度，每個

33、通道具有自測系統(tǒng)，可內(nèi)部產(chǎn)生一個靜電力來校驗全部的信號通道。它是一種加速度傳感器,里面的硅電容感應(yīng)元件有三層硅片構(gòu)成，形成立體的結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生傾斜時，中間的質(zhì)量片會傾向某一側(cè)，從而使兩側(cè)的電容放生變化，通過電壓值可反映出相應(yīng)的加速度值，進(jìn)而計算出角度值。其角度的計算方程如下：=sin-1(Ax/g) （2-1）=sin-1(Ay/g) （2-2）3.7 RS232總線接口電路設(shè)計STC12C5A60S2單片機與PC機串行通信電路如圖3.8所示。圖3.8 RS232總線接口電路由芯片MAX232實現(xiàn)STC12C5A60S2單片機與PC機的串行通信。圖3.8中外接電解電容C5，C6，C7，C8用于電

34、源電壓變換，提高抗干擾能力，它們可以取相同數(shù)值電容1.0uF/16V，其值一般為0.1UF。3.8 鍵盤電路鍵盤電路如圖3.9所示。圖3.9 按鍵電路按鍵一端接單片機通過上拉電阻接至+5V電壓，另一端接地，當(dāng)貼片按鍵按下時，單片機即可檢測到低電平電壓。功能按鍵一共有4個，分別完成的功能是電機開始、加速、減速、電機停止。C18C21為去耦電容，主要作用是消除按鍵在按下瞬間產(chǎn)生的抖動干擾。第四章 軟件設(shè)計 本系統(tǒng)用C語言編寫相關(guān)程序。4.1 C語言介紹C語言是一種計算機程序設(shè)計語言，它既具有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它由美國貝爾實驗室于1972年推出，1978年后，C語言已先后被移植到

35、大、中、小及微型機上，它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計語言，編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計語言，編寫不依賴計算機硬件的應(yīng)用程序。它的應(yīng)用范圍廣泛，具備很強的數(shù)據(jù)處理能力，不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且各類科研都需要用到C語言，適于編寫系統(tǒng)軟件、三維、二維圖形和動畫，具體應(yīng)用比如單片機以及嵌入式開發(fā)。4.2 液晶顯示模塊程序設(shè)計 液晶顯示模塊的流程如圖4.1所示。開始寫顯示數(shù)據(jù)到 LCD寫指令數(shù)據(jù)到 LCD檢測忙狀態(tài)？ Y N 初始化LCD顯示字符圖4.1 LCD1602顯示流程圖該部分的編寫主要采用C語言，讓其實現(xiàn)功能。在這模塊中，首先往LCD里面寫入顯示數(shù)據(jù)，然后再往里面寫入指令，進(jìn)去循環(huán)檢測是

36、否為忙，若為空閑了，就初始化LCD，并顯示字符。程序代碼詳見附錄B。4.3 外部中斷程序設(shè)計 外部中斷的流程如圖4.2所示。外部中斷 X0=0？ Y 正轉(zhuǎn)操作，RETI N 反轉(zhuǎn)操作，RETIX1=0？ Y N X2=0？減速操作，RETI YX3=0？ N 加速操作，RETI Y X4=0？ N Y 停止操作，RETI 圖4.2 中斷服務(wù)流程圖當(dāng)有外部中斷響應(yīng)時，立刻進(jìn)入中斷函數(shù)，然后依次去檢測X0X4的電平，判斷，如果某個電平為低，然后延時10mS，再判斷是否依然為低，通過延時去抖動可以增強單片機的判斷正確率，當(dāng)判斷成功后，改變相應(yīng)的變量值去實現(xiàn)相應(yīng)的功能。4.4 電機驅(qū)動模塊程序設(shè)計 電

37、機驅(qū)動模塊的流程如圖4.3所示。開始初始化設(shè)計刷新液晶屏幕循環(huán)查詢按鍵 N中斷喚醒?/停止按鍵=0？ Y開始按鍵=0？減速按鍵=0？加速按鍵=0？ N N N Y Y Y Y停止電機減速加速啟動電機停止顯示顯示速度顯示速度顯示速度圖5.3 驅(qū)動模塊流程圖 程序運行后，首先對各個模塊進(jìn)行初始化，然后循環(huán)檢測是否有按鍵按下，當(dāng)有外部按鍵按下時，就會進(jìn)入外部中斷函數(shù)，并對相應(yīng)按鍵變量賦值，同時增大或減少PWM的脈寬，從而實現(xiàn)電機的加減速控制。程序代碼詳見附錄B。第五章 系統(tǒng)仿真本系統(tǒng)主要利用Proteus軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。5.1 Proteus的介紹仿真的概念非常的廣泛，其實最終的解釋就是用可控的手

38、段模擬真實的情況，本文設(shè)計仿真組要用的仿真軟件是Proteus。Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。它具有完善的電路仿真功能，超過27000個仿真器件，可以通過內(nèi)部原型或使用廠家的SPICE文件自行設(shè)計仿真器件，Labcenter也在不斷地發(fā)布新的仿真器件，還可導(dǎo)入第三方發(fā)布的仿真器件；豐富的虛擬儀器，13種虛擬儀器，面板操作逼真，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、直流電壓/電流表、交流電壓/電流表、數(shù)字圖案發(fā)生器、頻率計/計數(shù)器

39、、邏輯探頭、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器等；生動的仿真顯示，用色點顯示引腳的數(shù)字電平，導(dǎo)線以不同顏色表示其對地電壓大小，結(jié)合動態(tài)器件（如電機、顯示器件、按鈕）的使用可以使仿真更加直觀、生動。5.2 LCD顯示電路的仿真LCD顯示電路仿真如圖5.1所示。圖5.1 LCD顯示電路的仿真在Proteus軟件運行環(huán)境中首先檢驗LCD顯示電路，添加程序，運行LCD液晶顯示電路，如圖5.1所示，系統(tǒng)運行成功。帶中斷的LCD顯示電路仿真如圖5.2所示。圖5.2 帶中斷的LCD電路仿真在LCD顯示電路的基礎(chǔ)之上再拓展帶中斷的獨立式鍵盤，就得到了帶中斷的LCD顯示電路仿真。5.3 小車驅(qū)動的仿真 電機正

40、轉(zhuǎn)情況下的仿真結(jié)果如圖5.3所示。圖5.3 電機正轉(zhuǎn)仿真用帶中斷的鍵盤來控制直流電機驅(qū)動模塊的部分電路，啟動目標(biāo)系統(tǒng)，按正轉(zhuǎn)，然后接加速開關(guān)，我們觀察到電機開始運轉(zhuǎn)，每按一次加速，電機的轉(zhuǎn)速都要增加，此時如果按減速，則電機的轉(zhuǎn)速慢慢地減小。電機反轉(zhuǎn)情況下的仿真結(jié)果如圖5.4所示。圖5.4 電機反轉(zhuǎn)狀態(tài)仿真同樣按反轉(zhuǎn)按鍵也看到同樣的結(jié)果，當(dāng)按停止鍵時，電機慢慢停下來。第六章 系統(tǒng)調(diào)試6.1 硬件調(diào)試這部分的主要任務(wù)是在系統(tǒng)整體設(shè)計好，連接合適后，調(diào)試各個組件能否正常的工作，能否達(dá)到設(shè)計預(yù)期的效果。調(diào)試主要包括電機驅(qū)動模塊的調(diào)試，LCD1602液晶顯示模塊的調(diào)試等，以及上述電路的聯(lián)合調(diào)試的過程。在

41、這里，要特別主意電機驅(qū)動模塊調(diào)試，如果電路錯誤，會使驅(qū)動能力不足，或者不能驅(qū)動，造成小車無法移動，這樣整個系統(tǒng)就不能正常工作。6.2 軟件調(diào)試軟件的設(shè)計是設(shè)計的重要組成部分，本系統(tǒng)使用C語言編寫相關(guān)程序。程序調(diào)試時，可單步執(zhí)行或連續(xù)執(zhí)行。連續(xù)執(zhí)行時，程序執(zhí)行速度很快，可以看到程序執(zhí)行的總體效果，但如果程序出錯，就難以確認(rèn)出錯的具體地方。單步執(zhí)行則可以每條指令的執(zhí)行結(jié)果，找出程序錯誤所在，但耗時長。因此，用戶可以先采用連續(xù)執(zhí)行，對懷疑或容易出錯的地方執(zhí)行單步調(diào)試。某一些程序只有在特定條件下才會被執(zhí)行，此時可采用斷點設(shè)置，可在某一程序行設(shè)置斷點，設(shè)置好斷點后連續(xù)運行程序，一但執(zhí)行該程序立即停止，這

42、樣就可以觀察有關(guān)的變量值，以確定問題所在。整個系統(tǒng)的軟件部分是模塊化的設(shè)計，主要有控制程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、顯示程序等組成，將各個功能模塊編寫成單獨的源文件，進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試成功后。將各源程序段連接起來，進(jìn)行綜合調(diào)試，綜合調(diào)試時，需要我們非常有耐心，主意細(xì)節(jié)，這樣才能減少很多不必要的錯誤。結(jié) 論本系統(tǒng)無論是穩(wěn)定性還是在計量的精度上都滿足本次設(shè)計的需求。系統(tǒng)可通過小車移動來測量物體相對于水平面的傾斜角度。系統(tǒng)是采用STC12C5A60S2單片機作為主控制器，控制各個部分進(jìn)行工作，驅(qū)動部分工作正常，小車能正常移動，小車上電機的速度勻速控制，將勻速控制到0.01轉(zhuǎn)/min。通過SCA100

43、T傳感器能測量傾斜角，測量角度的范圍為030度，誤差控制到0.1度，并通過RS232總線進(jìn)行傳輸，將數(shù)據(jù)傳到PC機上。該系統(tǒng)具有準(zhǔn)確度高、放映靈敏、顯示直觀、操作簡便的優(yōu)點，它將微計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)字顯示技術(shù)集中于一體。電子技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，給測量系統(tǒng)領(lǐng)域帶來了巨大變化，利用這些技術(shù)可以有效的突破傳統(tǒng)測量技術(shù)在數(shù)據(jù)處理、傳送、顯示、打印、存儲等方面的局限，未來的測量技術(shù)不僅要求儀器能單獨的測量某個量，而且更加希望它們之間能夠相互通信，實現(xiàn)資源共享，從而對被測的各個量進(jìn)行綜合的分析，得到完整準(zhǔn)確的判斷。在整個的設(shè)計過程中，讓我對大學(xué)四年所學(xué)到的知識有個系統(tǒng)的了解和認(rèn)識，豐富了我

44、的經(jīng)驗，提高了我的動手能力，為我以后的工作起到了很大作用和幫助。致 謝在這次的畢業(yè)設(shè)計中，雖然遇到了很多的問題，但最后還是解決了。這里面不僅有自己的努力，也有得到了老師的支持，為我的這次設(shè)計創(chuàng)造了諸多便利的條件，在這里，我要感謝我的指導(dǎo)老師李擁軍老師和段德功老師。設(shè)計過程中，給我講解了很多相關(guān)知識；遇到困難的時候，及時幫助解決問題，并鼓勵我，給我莫大的信心，為我順利完成這個設(shè)計起到了重要的作用，在此給與最真摯的謝意。參考文獻(xiàn)1張洪潤，孫悅，張亞凡單片機原理及應(yīng)用M北京：清華大學(xué)出版社，2008.2王曉明電動機的單片機控制M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.3馬忠梅單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)

45、計M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.4龔運新，羅惠敏，彭建軍單片機接口C語言開發(fā)技術(shù)M北京：清華大學(xué)出版社，2009.5魏海新C語言程序設(shè)計實用教程M北京：機械工業(yè)出版社，2007.6姜治秦單片機技術(shù)實踐M.北京：高等教育出版社，2010.7魏學(xué)業(yè)傳感器與檢測技術(shù)M北京：人民郵電出版社，2012.8郁有文，常健，程繼紅傳感器原理及工程運用M西安：西安電子科技大學(xué)出版，2007.9何宏單片機原理與接口技術(shù)M.北京：國防工業(yè)出版社，2006.10沙占友，孟志永，王彥朋單片機外圍電路設(shè)計M北京：電子工業(yè)出版社，2006.11趙巍，馮娜單片機基礎(chǔ)及運用M北京：清華大學(xué)出版社，2009.12邱

46、關(guān)源電路M.北京：高等教育出版社，2006.13孫肖子模擬電子電路及技術(shù)技術(shù)基礎(chǔ)M西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.14戴佳，戴衛(wèi)恒51單片機C語言應(yīng)用程序設(shè)計實例精講M北京：電子工業(yè)出版社，2006.15周越單片機應(yīng)用技術(shù)M.北京：中國水利水電出版社，2009.16劉傳璽傳感與檢測技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，2011.17李曉峰單片機原理與應(yīng)用M.北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.26附 錄附錄A 總體電路如圖A1所示。圖A1 總體電路圖 6仿真圖如圖A2所示。圖A2 仿真圖附錄B源程序代碼Void main (void) Unsigned int i，j; WDTCTL = WD

47、TPW + WDTHOLD; ADC10CTL1 = INCH_3 + CONSEQ_3; / 最大采樣通道為P12，采用序列/ 多次采樣的模式，INCH_X決定了采樣通道為AXA0； ADC10CTL0 = ADC10SHT_2 + MSC + ADC10ON + ADC10IE; ADC10DTC1 = 0x10; / 一共采樣16次 ADC10AE0 |= 0x07; for (;) ADC10CTL0 &= ENC; while (ADC10CTL1 & BUSY); / 判斷是否有采樣或轉(zhuǎn)換動作 ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC; / 開始采樣 ADC10SA=(unsigned int )a; / 將組數(shù)a的首地址作為采樣的起始/地址，對A3A0依次采樣放入數(shù)組a0a3中 _bis_SR_register(CPUOFF + GIE); / 關(guān)閉CPU，開啟總中斷 for (i=0;i<3;+i) bi =0; for(j=0;j<4; +j) bi+=ai+j*4; bi/=4; / 取4次采樣的平均 #pragma vector=ADC10_VECTOR_interrupt void ADC10_ISR(void) _bic_SR_register_on_exit(CPUOFF); / 退出