垂直度测量仪自动检定系统设计—数据处理资料.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流垂直度测量仪自动检定系统设计数据处理资料.精品文档. 本 科 毕 业 论 文垂直度测量仪自动检定系统设计数据处理Verticality Measuring Instrument Automatic Test System DesignData Handing学院名称: 电子信息与电气工程学院 专业班级: 学生姓名: 学 号: 指导教师姓名: 指导教师职称: 2014年5月毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和
2、致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期:
3、 目 录摘要IAbstractII引 言1第一章 绪论21.1设计背景21.2 倾斜角测量方法31.3 设计内容3第二章 方案设计与论证42.1 系统组成42.2 微控制器模块方案比较42.3 电源转换模块方案比较52.4 电机驱动模块方案比较62.5 倾角测量方案比较72.6 液晶显示模块方案比较7第三章 硬件设计83.1 STC12C5A60S2单片机介绍83.2 单片机最小系统电路93.3 驱动电路103.4 电源转换电路113.6 角度测量电路143.7 RS232总线接口电路设计153.8 按键电路15第四章 软件设计174.1 C语言介绍174.2 液晶显示模块程序设计174.3
4、外部中断程序设计184.4 电机驱动模块程序设计19第五章 系统仿真215.1 Proteus的介绍215.2 LCD显示电路的仿真215.3 小车驱动的仿真22第六章 系统调试246.1 硬件调试246.2 软件调试24结 论25致 谢26参考文献27附 录28附录A28附录B30垂直度测量仪自动检定系统设计数据处理摘要:本系统是以STC12C5A60S2单片机为主控制器,用于测量垂直角度的数字角度测试仪。系统由主控制器模块、电源及稳压模块、小车电机驱动模块、倾角测量模块、数据通信模块以及液晶显示模块等组成,用C语言编写了相关程序,利用Proteus软件进行仿真调试。系统可通过小车移动来测量
5、物体相对于水平面的倾斜角度。关键词:STC12C5A60S2单片机;移动小车;角度测量Verticality 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
6、controller module, power supply and voltage regulator 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 meas
7、ure the object relative to the horizontal plane Angle.Key words: STC12C5A60S2 microcontroller ;Move the car;The Angle measurement引 言随着电子技术的发展,程控技术和计算机技术也运用到实际的工作中。在过去相当长时期内,人工一直是物体角度的唯一的测量方法,其效率低、还不准,对平时的测量造成了很大的影响,随着现在世界测量精度的日趋提高,这种传统的手段已难以达到对物体角度测量的目的。角度测量被广泛应用于工程机械、道路桥梁检测、山体滑坡检测、汽车电子、水平测量、电力监控、建筑
8、、钻探机械等多个行业,应用的广泛更要求了倾角测量有较高的精度及更强的抗冲击力。本系统就是从电子应用的角度出发,希望借助于将电子测量的技术,将该技术应用到工程实际测量的过程中,提供一种低成本、效率高、精度高的物体角度的测量仪器。第一章 绪论1.1设计背景 角度是用以量度角的单位,符号为。一周角分为360等份,每份定义为1度。采用360这数字,因为它容易被整除。360除了1和自己,还有22个真因数,包括了7以外从2到10的数字,所以很多特殊的角的角度都是整数。数学上是用弧度而非角度,因为360的容易整除对数学不重要,而数学使用弧度更方便。 角度的测量方法有很多,基本的有量角器测量,现在更精密操作更
9、容易的测角方法有光学测角、齿轮式测角、微电子测角等。 倾角传感器测量仪器测量物体与水平面的倾角。作为传统方法的替代品,应用在道路工程、机械测量、建筑工程、工业平台、石油勘测、军工、船舶,以及其他需要重力参考系下的倾角或者水平的情况。 国际在该方面大量成批生产和使用,我国也进入大步伐前进阶段,但和国际水平还有一定的差距。 人们现在经常提到的数字化测量仪器所包括的范围十分广泛,一般是指智能化测量仪器,即不仅仅是数字化的输出或显示,还包括数字信号和数字化电路等方面。随着现代测量技术的迅速发展,无论是单台测量仪器还是整个测试系统都朝着数字化、智能化、多功能、小型化、模块化、标准化和开放型方向发展。倾角
10、仪是一种用来测量倾斜度的测量仪器,它作为一种重要的通用工具,广泛应用在桥梁架设、铁路铺设、土木工程、地质勘探、石油钻井、航空航海、工业自动化、机械加工、精密制造、教学研究、国防军事等各个领域和行业中。角度测量是几何量计量技术的重要组成部分,广泛应用于工业、军事、航空、航海以及通讯等各种领域。在经济建设、国防建设和科学技术各部门都离不开角度测量问题,诸如切削刀具的测量、零件有关角度的测量、仪器或机床导轨的检验和装调,以及天文研究、大地测量、水利、交通建设、导弹和卫星的发射等。 随着工业体系的发展,对角度测量技术的要求也越来越高,从开始的离线、抽检测量到现在的在线连续测量;从人工测量到目前的自动或
11、半自动测量;从指针式按钮式的机械仪表到后来的数字式仪表;从纯粹的硬件电路测量系统到虚拟系统。 角度是一个重要的几何量计量参数,角度测量是测量技术的重要组成部分,随着现代测量仪器的发展尤其是集成电路技术的不断发展。1.2 倾斜角测量方法 常见倾斜角测量的原理如图1.1所示。图1.1 倾斜角测量原理在地球上任何位置的物体都受到重力的作用(F=mg),即任意的质量块会受到一个重力加速度的作用,采用加速度传感器即可测出这个重力加速度。把加速度传感器固定在物体的水平面上,则加速度传感器感受到的加速度g;当物体姿态改变时,加速度传感器的敏感轴随之转动角度,则传感器受到的加速度改变,因此可以通过测量加速度的
12、变化来反映物体姿态的变化。1.3 设计内容本系统是以STC12C5A60S2单片机为主控制器,用于测量垂直角度的数字角度测试仪。实现SCA100T传感器采集垂直角度数据,单片机进行数据处理,测得的数据通过RS232总线传输到PC机。系统实现的功能:(1) 小车可自行移动,电机的速度匀速控制,将匀速控制到0.01转/min;(2)数据能自动采集,并正确的进行传输;(3)测量角度的范围为030;(4)角度传感器的测量角度误差控制到0.1度。第二章 方案设计与论证2.1 系统组成 系统组成如图2.1所示。干电池供电电源转换模块直流电机STC12C5A60S2单片机倾角测量传感器 5V 9V电机驱动模
13、块RS232总线数据传输液晶显示模块PC机晶振复位图2.1 系统组成本系统是主要包括以下几个模块组成: (1)微控制器模块,完成数据的采集和处理,以及数据的传输; (2)电机驱动模块,完成智能小车电机的驱动功能,实现小车能够前后移动; (3)电源转换模块,完成从干电池供电转换到系统工作所需电压; (4)液晶显示模块,完成智能小车的实际转动速度的显示; (5)倾角传感器采集模块,完成对倾斜角度的数据采集功能; (6)RS232总线接口模块,采用RS232总线协议通信,完成单片机与PC机的数据传输功能,实现单片机采集的实时倾角数据与PC机通信。2.2 微控制器模块方案比较方案一:采用凌阳16位SP
14、CE061A单片机作为控制核心,体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、结构简单、中断处理能力强,内嵌32k字闪存FLASH,处理速度较高,突出特点是具有很强的语音功能。但是该单片机处于待机状态下耗电约为2uA,功耗相对较高,本系统中不予采用。方案二:采用宏基公司的性价比高的STC12C5A60S2单片机可以省掉复位电路、外部数据存储器(如24Cxx系列芯片),某些场合还可以省掉晶振,电路简单、价格低廉。兼容C51指令,另外安全性能好,目前很难破译STC12C5A60S2单片机加密程序,加之用户数据可以保存到单片机内部,解密者很难通过用户数据分析单片机的运行状况。而且本系统的倾角传感器需要进行模数
15、转换,此单片机正好自带A/D转换模块。综合比较,本系统采用方案二。2.3 电源转换模块方案比较方案一:采用干电池组进行供电。电源模块设计示意图如图2.2所示。 9V直流电源 直流电机供电控制系统供电图2.2 电源模块设计图 采用四节干电池降压至5V后给单片机及其他逻辑单元供电,另取六节干电池为电机及光电开关供电。这样电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作。干电池用电池盒封装,体积和重量较小,同时小车底座可以安装四节干电池,正好可为单片机及其他逻辑单元供电。在稳压方面,起始时考虑使用7805芯片对6V的电池电压进行降压稳压。但考虑到这样使得7805芯片消耗大量能量,降低电
16、池寿命;同时,由于STC12C5A60S2、小车电机对于供电电压要求并不苛刻,故将6V电池电压稳压成5V直接给单片机及其他逻辑单元供电。而电机的电源不做稳压处理。这样只需在小车上加两个调速按钮,根据电池电量选择合适功率即可。方案二:采用交流电经直流稳压处理后供电。采用交流电提供直流稳压电源,电流驱动能力及电压稳定性最好,且负载对电源影响也最小。由于需要电线对小车供电,极大影响了小车行动的灵活性及地形的适应能力。故放弃了这一方案。 方案三:采用蓄电池供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力和较好的电压稳定性能,且成本低廉。可采用蓄电池经7812芯片稳压后给电机供电,再经过降压接7805芯片给单片机及其
17、他逻辑单元供电。但蓄电池体积相对庞大,且重量过大,造成电机负载过大,不适合此处采用的小车。故放弃了这一方案。综合考虑,采用方案一。2.4 电机驱动模块方案比较 方案一:使用分立原件搭建电机驱动电路。使用分立原件搭建电机驱动电路造价低廉,在大规模生产中使用广泛。但分立原件H桥电路工作性能不够稳定,较易出现硬件上的故障,故我们放弃了这一方案。方案二:使用L298N芯片驱动电机。电机驱动框图如图2.3所示。保护电路L298驱动芯片+9V直流供电电源电机+5V直流供电电源电机单片机指令总线保护电路图2.3 电机驱动图L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片,它相应频率高,一片L298N可以分别控
18、制两个直流电机,而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动,操作方便,稳定性好,性能优良。输出电压最高可达50V,可以直接通过电源来调节输出电压;可以直接用单片机的IO口提供信号,而且带有使能端,方便PWM调速,电路简单,性能稳定,用比较方便。L298N芯片可以驱动两个二相电机,也可以驱动一个四相电机,正好符合小车一个电机的驱动要求。 综合考虑,采用方案二L298N芯片驱动小车电机。2.5 倾角测量方案比较方案一:采用美国模拟器件公司的三轴数字倾斜角度模块ADXL345,具有小巧轻薄、可变量程等优点。ADXL345数字式三轴加速度传感器,该传感同样可以检测三个轴向的加速度,并且自身含信号的调理
19、与AD转化,还可以设定零点漂移值,与单片机的串行接口可以只使用2条IO,使得主控机的负荷大大降低,传感器可以工作在超低功耗模式,其最大13位的全分辨率足以满足题目中对1度测量分辨的要求。但是其编程比较复杂,采集速度慢,价格比较贵,本系统设计中不予采用。方案二:SCA100T传感器是芬兰VTI公司2005年最新推出的利用MEMS技术开发生产的高精度静态加速度双轴倾角传感器其体积小重轻仅1.2克。MEMS(micro electro mechanical system)是二十一世纪的前沿技术,采用MEMS技术可以在硅芯片加工出完整的微型电子机械系统,包含了微型传感器、微型机械结构、以及信号处理和控
20、制电路、通讯接口等于一体的微型器件,把信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到新的高度。该器件内部包含了一个硅敏感微电容传感器和一个ASI专用集成电路,ASIC电路集成EEPROM存储器、信号放大器、A/D转换器、温度传感器和SPI串行通信接口组成了一个完整的数字化传感器,有30和90两种量程。综合比较,采用方案二。2.6 液晶显示模块方案比较方案一:采用LED显示模块。LED数码管显示速度较快,亮度较高,显示清晰,价格便宜编程控制也较为简单。但是一般的LED工作电流都在毫安级,无法实现低功耗。方案二:采用4位半段码式LCD显示模块。它拥有较低的功耗,约为170A,且能够清晰的显示
21、各种数字。同时,还可以根据需要,将不必要的显示段接到公共端,实现显示段的控制,这样也有助于我们进一步降低功耗。综合比较,采用方案二。第三章 硬件设计3.1 STC12C5A60S2单片机介绍STC12C5A60S2单片机如图3.1所示。图3.1 STC12C5A60S2单片机STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制,强干扰场合。它具有以下特性:STC12
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