43毕业设计说明书格式1.docx

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43毕业设计说明书格式1

基于单片机的无线量角器设计

摘要：

角度测量装置迅速发展，吸引着人们在生活和生产中大量的使用，这些角度测量装置大多数采用单片机作为控制单元，本设计采用单片机89C51为核心，内部还包含了模数转换器，功能强大，设计中主要绘制单片机系统硬件原理图，以及软硬件设计和调试。

关键词：

角度传感器，单片机，液晶显示模块

1．引言

传感器在现代信息技术中有着举足轻重的地位，传感器为系统提供进行处理和决策所必需的原始信息，很大程度上影响和决定着系统的性能，本设计采用以单片机为控制单元，角度传感器的选择目前测量角度的传感器有多种方式，主要有基于加速度的方式、陀螺仪、气泡等方式。

由于角度测量在现场测量，现场作业机器种类很多，往往测量物不是静止的，因此需要满足抗振动，高温。

角度测量输出电压范围能够直接由常用传感器转换。

因此合适的角度传感器是系统设计的关键之一。

角度测量仪利用电压线性变化的方法，采用AT89C51单片机实现角度值数码显示、角度值偏差范围的发光二极管指示功能（有三个指示灯,分别指示:

偏高、偏低、适中）。

不论在操作的复杂程度上还是在测量的精度上,都是传统的眼瞄方法、刻度测量及标识方法无法比拟的ATMEL的AT89C51是一种带4K字节可擦除、可编程只读存储器的低电压、高性能8位CMOS微处理器。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术，与工业标准的MCS--51指令集相兼容，其主要特性是：

具有4K字节可编程闪烁存储器、可1000次循环写/擦；数据保留时间为10年；全静态工作为0—24HZ、三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32个可编程Ｉ/Ｏ线、2个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。

2．总体方案设计

设计要求：

1、设计如下模块电路：

单片机最小系统，传感器测角电路，红外收发电路，显示电路；

2、红外通信方案设计，角度传感器方案设计；

3、编写程序，实现上述功能。

2．1方案一:

基于磁敏角度技术的拉线式位移传感器的功能是将拉线的机械位移换成可以计量、记录或传送的电信号，主要由自动回复弹簧、轮毂、磁铁以及数据处理单元等部分构成，该基于磁敏角度技术的拉线式位移传感器主要由6部分组成，改变传统的拉线式位移传感器接触式、易磨损、高频特性差等缺点，基于磁敏角度技术的拉线式位移传感器以磁场为媒介，将机械位移变化转化为磁场角度变化，一方面解决传统拉线位移传感器的接触方式，另一方面减少了磨损、提高了系统高频特性，从而确保位移检测精度。

数据处理运算器，用于对接收到的磁敏角度信号通过数学模型运算为拉线的位移信号。

通信接口，通过通信接口与应用系统的设备进行通信，接收来自应用系统设备的命令并将采集到的位移信号反馈给应用系统。

从而提高了数据采集精度、稳定性和可靠性，降低了位移传感器的应用门槛。

角度传感器模块

角度传感器模块

采样模块

图1方案一原理框图

2．2方案二：

设计用单片机89C51为核心与液晶显示模块配合使用的角度测量装置测量实时性好，动态显示直观，性能稳定。

液晶显示模块（LCD）由于其功耗低、重量轻、无电磁辐射、寿命长、价格低、功能丰富、接口方便等显著优点，可用于任意字符、数字、图形显示，字符大小、屏幕大小可以根据需要加以选择，清晰度受环境光影响较小，还可根据需要实现动画功能等，被广泛应用于各种仪器仪表、测量显示装置、计算显示终端等。

字符液晶显示模块是专用于显示字母、数字、符号的点阵式液晶显示器。

由字符型LCD、控制驱动电路、阻容元件及结构件等装配而成，其电特性和接口形式统一，显示性能稳定，使用方法简单方便。

图2系统组成原理框图

方案选择：

基于上述论述，选择方案二。

3．分电路设计和方案论证

根据设计要求，本系统主要有控制模块[1]，红外收发模块，液晶显示模块，角度传感器模块，采样模块等几部分构成，为较好的实现各功能模块，分别设计了几种方案进行论证。

3．1单片机控制模块电路设计和论证

3．1．1方案一

此方案采用AT89C52八位单片机实现。

它的内存较小，只有8K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，两个16位的定时/计算器，32个I/O口线，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，无在线下载编程功能，也无在线仿真功能。

只能通过编程器烧写成为.hex为后缀名的文件。

16位单片机，它是16位控制器，具有体积小，驱动能力高，集成度高，结构简单，中断处理能力强等特点。

3．1．2方案二

此方案采用AT89C51八位单片机实现。

它内存较大，有8K的字节Flash闪存储器,比AT89C51要多4K。

它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。

单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。

综上所述与分析，该模块采用方案一，即选用AT89C51方案选择：

两方案相比之下，本设计采用第二种方案，此方案外围电路简单。

单片机控制电路

单片机是控制单元的核心，起着对角度测量的作用。

单片机控制模块使用的是ATMEL公司生产的AT89C51，使用该芯片很容易实现对其他模块的控制。

通过对单片机AT89C51写入程序，可以方便的用软件来控制整个过程。

[2]控制部分如下图所示，下图是其最小系统电路。

主要包括：

时钟电路、电源电路、复位电路。

其中各个部分的功能如下：

1）、时钟电路：

给单片机提供一个外接的12MHz的石英晶振。

2）、电源电路：

给单片机提供5V电源。

3）、复位电路：

在电压达到正常值时给单片机一个复位信号。

图3单片机最小系统

（1）时钟电路

80C51虽然有内部振荡电路,但要形成时钟,必须外部附加电路.80C52单片机的时钟产生方法有两种.内部时钟方式和外部时钟方式.本设计采用内部时钟方式,利用芯片内部的振荡电路,在XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件,内部的振荡电路便产生自激振荡.本设计采用最常用的内部时钟方式,即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路.振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择.电容值无严格要求,但电容取值对振荡频率输出的稳定性,大小,振荡电路起振速度。

图4晶振电路

（2）复位电路

AT89S51的复位是由外部的复位电路来实现的.复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声,在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次,然后才能得到内部复位操作所需要的信号.复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式.最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的.只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位.[3]时钟频率6MHZ时C取22uF,R取1KΩ.除了上电复位外,有时还需要按键手动复位.本设计就是用的按键手动复位.按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种.其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的.按键手动复位电路见图12时钟频率选用6MHZ时,取22uF,RsC取200Ω,RK取1KΩ.

图5复位电路

（3）AT89C51简介

1）.单片机单元单片机选型及程序流程单片机选型及程序流程此部分是整个小车运行的核心部件，起着控制小车所有运行状态的作用。

控制方法有很多，大部分都采用单片机控制。

由于52单片机具有价格低廉是使用简单的特点，这里选择了ATMEL公司的AT89C51作为控制核心部件。

小车进入循迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片机I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号变化，程序就进入判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。

2）功能特性描述AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89C51具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

3）主要性能与MCS-51单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器寿命：

1000次擦写周期全静态操作：

0Hz～33Hz三级加密程序存储器32个可编程I/O口线二个16位定时器/计数器五个中断源可编程数据串行通道低功耗空闲和掉电模式片内振荡器和时钟电路掉电标识符。

89C51P为40脚双列直插封装8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

[6]功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。

主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，40:

电源+5VGND：

接地。

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）管脚说明：

VCC：

供电电压。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的

图689C51引脚图

3．2红外发射电路模块设计和论证

3．2．1方案一

单片机红外遥控发射器主要有单片机、行列式键盘、低功耗空闲方式控制电路、红外管发射电路以及单片机的一些电源、复位、震荡子电路组成。

单片机不工作时一直处于低功耗状态，采用了空闲节电工作方式。

当遥控器的某一按键被按下以后，外部中断1产生中断，唤醒单片机进入工作状态，查询键盘按下的是哪一个按键，当确认按键后，控制软件启动定时器T0、T1，T1作为发射时间控制器，T0作为红外线发射频率控制器，T0定时溢出时中断程序使红外管接口电平反转一次，写入定时器的初值不同，在输出端口就得到不同的发射频率。

T1定时溢出时中断程序关闭关闭T0定时器，停止红外线发射。

其设计原理框图如下。

图7单片机遥控发射器设计原理图

3．2．2方案二

在红外数据发送过成中，它发送信号时的最大平均电流需几十毫安，所需要三极管放大后去驱动红外光发射二极管，软件编程将数据从P2.5口脚将数据输出。

T0定时产生38KHZ载波信号。

红外发射电路

根据红外发射管本身的物理特性，必须要有载波信号与即将发射的信号相“与”，然后将相“与”后的信号送发射管，才能进行红外信号的发射传送，而在频率为38KHz的载波信号下，发射管的性能最好，发射距离最远，所以在硬件设计上，本设计采用38KHz的晶振产生载波信号，与发射信号进行逻辑“与”运算后，通过三极管的功率驱动到红外发光二极管上。

红外发送电路由4001MOS或非门38KHz振荡器，单片机发送控制电路和红外发送管驱动输出电路组成，当单片机P2.5口输出为“0”时，发射管不发光，当单片机P3.4口输出为“1”时，红外发送管发出38KHz调制红外线。

具体的发射波形与电路如下

图8调制过程中的波形

红外线发射器的参数

A．发射范围：

200平方米接收范围：

200平方米

B．工作电压：

28VDC工作电压：

3VDC（1.5V×2AAA）

C．电流消耗量：

800Ma电流消耗量（最大讯号）：

25mA

D．载波频率：

2.8MHz最大功率输出：

6MW

E．总谐波失真：

1.5%讯噪比：

54Db

F．音频响应：

最低50HZ

红外发射电路图如下：

图9红外发射部分

方案选择：

综上所述，采用方案二。

3.3红外接收电路模块设计和论证

3．3．1方案一

LT00380是用于红外遥控接收的小型一体化接收头，集成红外线的接收，放大解调不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑料三极管大小一样，它适合于各种红外遥控和红外线数据传输，中心频率38KHZ。

接收器对外只有三个引脚:

输出，地和电源。

图10红外接收

红外接收电路

红外接收电路专门采用集成电路LT00380[4]，LT00380有三个引脚，一个接电源一个接地，另外一个接信号端，它集光电转换，解调和放大于一体。

当收到38KHz调制红外线时，LT00380输出为“0”，平时输出为“1”。

信号脚接到1和2脚上，当LT00380收到第一个红外脉冲时，触发INT1产生中断，使单片机退出低功耗状态，进入工作状态，同时使记数器0和定时器1开始工作。

图11红外接收电路

红外接收模块的技术参数

1）工作电压:

DC5-20V（可订做范围DC3V-DC24V）

2）静态功耗:

<50微安

3）集电极开路输出:

负载电流<500mA（其它电流值需订做）

4）延时时间:

（可订做零点几秒—几十分钟）

5）封锁时间:

（可订做零点几秒—几十秒）

6）触发方式:

L不可重复触发;H可重复触发

7）感应范围:

<140度;距离5-7米以内（25℃时）

8）尺寸（直径）:

23mm（默认）；另有:

12,7mm;8mm可选

9）工作温度：

-20℃-+70℃

10）外形尺寸:

26*38mm,螺丝孔距32.5mm（注:

可按客户的各种要求生产模块）

11）感光度:

（可按要求订做）

红外接收模块的功能特点

红外线接收模块能独立完成红外信号的检测和解调，包括光电转换器件（PIN光电二极管）和控制电路两部分。

PIN光电二极管将一定频率的脉冲光转换成相应的光电流，后级的控制电路对输入信号进行放大、滤波和解调。

模块的突出优点在于：

1．模块具有较高的灵敏度，抗干扰能力强。

模块不干扰其他系统，同时对周围环境光、电磁干扰、电源电压的干扰等不发生反应。

2．支持脉冲编码（PCM）通过简单的修调，可以很容易满足不同载波频率的需要（30KHz到56KHz）

3．短脉冲编码调制能力和高数据传输速率

4．输出低电平有效，兼容TTL和CMOS

5．解调后的输出信号可直接由微控制器进行译码，支持现有的所有主要编码形式。

3．3．2方案二

单片机红外遥控接收器主要有单片机、红外遥控接收电路、状态指示电路、控制电路以及单片机的一些外围电路组成。

利用单片机中的T0作为红外脉冲计数器，T1作为计数时间控制器。

当电路中红外接收管接收到第一个红外脉冲时，外部中断1被触发，启动计数器T0和定时器T1。

定时溢出，中断程序关闭计数器T0，读入计数值并进行判断，确定操作对象（遥控按键）对其进行反转操作，控制电路对所控制的负载进行开或关。

还可对接收电路实行上锁功能，对控制电路上锁后，遥控器不能对控制电路实施遥控功能。

其设计原理方框图如下:

图12红外接收遥控电路原理框图

方案选择：

通过比较我采用方案一，采用LT00280为红外接收。

3.4角度传感器设计与论证

3.4.1方案一

旋转角度传感器是基于可调电位计工作原理所设计的角度传感器[7]。

它是采用高性能集成磁敏感元件，利用磁信号感应非接触的特点，配合微处理器（micro-computer）进行智能化信号处理制成新一代360°全量程以及可编程选定测量区间角度传感器。

它具有分辨率高、温度稳定性好等突出优点，并且性价比优异。

角度传感器

旋转角度传感器包括：

可变电容器，其包括可移动电极和固定电极，该可移动电极安装并固定于要被检测旋转角度的物体上，该固定电极平行于该可移动电极设置，以及C-V转换电路，用于将该可变电容器的电极之间的静电电容转换为电压信号，其中该固定电极与该被测物体的旋转无关地固定，该可移动电极随着该被测物体的旋转而旋转，该C-V转换电路将随着该可移动电极的旋转角度而变化的电极之间的静电电容转换成为电压信号，并且输出该电压信号作为表示该被测物体的旋转角度的检测信号。

旋转角度传感器的特征

1.满刻度时精度误差±0.25%。

2.可以测出拧紧件的旋转角度，也可以测出连接功率和分离扭力

3.输出角度：

2通道，360脉冲每转。

4.具有双向性。

5.适用于大部分电动工具和旋转的测量场合。

6.“ARC”技术，可以快速自动识别所连接的扭力仪主机

旋转角度传感器的用途

1.机器动物

2.汽车开关

3.电动机驱动件

4.无线电控制设备

5.汽车音响（导航系统，转换器）

图13角度传感器

3.4.2方案二

采用电位器式角度传感器。

电位器式角度传感器是一种将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化的传感器。

它结构简单、尺寸小、并容易实现任意函数重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定，但其要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。

方案选择：

通过比较选择方案一，采用旋转角度传感器性价比高，测量精确。

3.5采样电路模块设计与论证

3.5.1方案一

设计使用8位A/D转换器ADC0809，ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近，寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连[8]，也可单独工作，输入输出与TTL兼容使用更加方便。

内部结构图如下：

图14ADC0809的内部逻辑结构图

采样模块ADC0809的逻辑结构

ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。

它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成（下图）。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

图15ADC0809内部结构

AD0809的工作原理

IN0－IN7：

8条模拟量输入通道

ADC0809对输入模拟量要求：

信号单极性,电压范围是0－5V,若信号太小,必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样保持电路。

地址输入和控制线：

4条ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当ALE线为高电平时,地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存,经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。

A,B和C为地址输入线用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。

通道选择表如下表所示。

CBA选择的通道。

数字量输出及控制线：

11条ST为转换启动信号。

当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。

EOC为转换结束信号。

当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。

OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。

D7－D0为数字量输出线。

CLK为时钟输入信号线。

因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。

图16ADC0809连接图

3.5.2方案二

AD574A是美国AD公司的产品，是目前国际市场上较先进的、价格低廉、应用较广的混合集成12位逐次逼近式ADC芯片。

它分6个等级，即AD574AJ、AK、AL、AS、AT、AU，前三种使用温度范围为0～+70℃，后三种为-55～+125℃。

AD574A的内部结构与外部引脚如图7所示。

从图可见，它由两片大规模集成电路混合而成：

一片为以D/A转换器AD565和10V基准源为主的模拟片，一片为集成了逐次逼近寄存器SAR和转换控制电路、时钟电路、三态输出缓冲器电路和高分辨率比较器的数字片，其中12位三态输出缓冲器分成独立的A、B、C三段，每段4位，目的是便于与各种字长微处理器的数据总线直接相连。

方案选择：

选择方案二更加合理。

3.6显示电路设计与论证

3．6．1方案一

采用4位段数码管，将单片机得到的数据通过数码管显示出来。

该方案简单易行，但所需的元件较多，且不容易进行操作，可读性差，一旦设定后，很难再加入其他的功能，显示格式受限制且耗电量大，不宜用电池给系统供电。

图17位段数码管显示

3．6．2方案二

采用液晶显示器件，液晶显示平稳、省电、美观，更容易实现题目要求，对后续的功能兼容性高，只需将软件作修改即可，可操作性强，也易于读数系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息[8]。

与传统的LED数码管显示器件相比，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器件了。

LCD1602可以显示2行×16个字符，具有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、E三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光设置。

LCD1602模块接口引脚功能[9]

字符型液晶显示模块LCD1602共有16个引脚

第1引脚：

VSS接地

第2引脚：

VDD接+5V电源

第3引脚：

VO为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10KΩ的电位器调整对比度

第4引脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器

第5引脚：

R/W为读/写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW

同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当R为低电平