全国大学生电子设计竞赛.docx
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全国大学生电子设计竞赛
2017年全国大学生电子设计竞赛
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2017年全国大学生电子设计竞赛
管道内钢珠运动测量装置（M题）
【高职高专】
摘要：
系统以STC15W4K61S4单片机为主控器，设计一款管道内钢珠运动测量装置。
该装置可以获取管道内钢珠滚动的方向，以及倒入管道内钢珠的个数和管道的倾斜角度。
并通过LCD12864液晶显示屏实时显示钢珠滚动方向、个数以及管道的倾斜角度。
系统包括单片机主控模块、角度信号采集模块、磁力传感器模块、显示模块、电源模块、采用稳压输出电源为系统提供工作电源。
系统制作成本较低、工作性能稳定，能很好达到设计要求。
关键词:
角度传感器、磁性接近开关、LCD12864
1设计任务与要求
1.1设计任务
设计并制作一个管道内钢珠运动测量装置，钢珠运动部分的结构如图1.1所示。
图1.2：
管道摆动方式
图1.1：
管道内钢珠运动测量装置的结构图
1.2技术指标
1．基本要求
规定传感器宽度w≤20mm，传感器1和2之间的距离l任意选择。
（1）按照图1.1所示放置管道，由A端放入2～10粒钢珠，每粒钢珠放入的时间间隔≤2s，要求装置能够显示放入钢珠的个数。
（2）分别将管道放置为A端高于B端或B端高于A端，从高端放入1粒钢
珠，要求能够显示钢珠的运动方向。
（3）按照图1.1所示放置管道，倾斜角ɑ为10º～80º之间的某一角度，由A端放入1粒钢珠，要求装置能够显示倾斜角ɑ的角度值，测量误差的绝对≤3º。
2．发挥部分
设定传感器1和2之间的距离l为20mm，传感器1和2在管道外表面上安放的位置不限。
（1）将1粒钢珠放入管道内，堵住两端的管口，摆动管道，摆动周期≤1s，摆动方式如图1.2所示，要求能够显示管道摆动的周期个数。
（2）按照图1.1所示放置管道，由A端一次连续倒入2～10粒钢珠，要求装置能够显示倒入钢珠的个数。
（4）其他。
3.设计报告。
1.3题目评析
根据设计要求，对题目评析如下：
本题的重点：
1传感器灵敏度的选择。
2用于钢珠运动检测的传感器选择
本题的难点：
1编写合适的算法减小角度误差等。
2钢珠个数的捕捉。
2方案比较与选择
2.1单片机选择
方案一：
采用STC公司生产的IAP15W4K61S4单片机，特点是程序储存器空间大，支持在线仿真。
且内部自带10位的AD转换功能。
方案二：
采用STC公司生产的STC89C252RC芯片，特点是指令代码完全兼容传统8051且使用广泛，价格便宜。
对比两个方案，综合考虑系统需要，方案一能满足系统控制要求。
2.2角度测量选择
方案一：
角度测量采用专用角度传感器芯片MPU6050，它输出角速度，加速度，由单片机进行角度计算。
方案二：
角度测量采用旋转电位器，通过转动的阻值变化读取电位器的电阻值，送往AD进行数据运算，得到相应的角度，有较大的误差。
对于以上两种方案，分析系统要求以及精准性，确定选取了方案一。
2.3钢珠运动检测选择
方案一：
钢珠运动检测采用红外传感器，利用物体的反射性质，检测是否有钢珠通过。
优点是体积小、功耗低。
缺点是环境的影响大，测量误差大。
方案二：
钢珠运动检测采用磁性接近开关TL-Q5MC1-Z传感器感，特点是拥有大的检测范围和较高的开关频率，而且结构简单，但驱动电压为12V。
对于以上两种方案，方案二能够较好的满足系统要求，故确定了方案二。
2.4显示选择
方案一：
采用OLED显示屏，特点是制造工艺简单，成本低；发光效率更高，能耗比LCD要低，但是使用寿命比LCD短，尺寸小。
方案二：
采用LCD12864显示屏，特点是显示范围大能显示8*4个汉字且使用寿命长
综合考虑，确定选择了方案二，它显示范围大并且使用寿命长。
2.5电源选择
根据设计要求以及我们对前面各种模块的选择，我们确定了整个系统需要5V和12V（用于磁性接近开关）供电。
方案一：
采用LM7805和LM7812线性电源来实现固定5V和12V输出其优点是线性电源工作稳定，输出纹波小。
但是也存在着效率低，产热多的缺点。
方案二：
采用开关电源LM2596，以及一个LM7805芯片来实现固定12V和5V，这样就提高了电源的工作效率但是也增加了电路的难度
对比两个方案综合考虑后，确定选择了方案二既能满足系统要求又提高了效率。
3电路系统与程序结构设计
3.1系统硬件总体设计
选择IAP15W4K61S4作为主控MCU，并通过角度传感器和磁性接近开关与LCD12864液晶进行实时显示数据。
系统硬件总体框图如3.1所示：
图3.1：
电路总体设计框图
3.2单片机最小系统模块设计
此次设计我们采用IAP15W4K61S4单片机，它支持在线仿真，有10位精度的模数转换器，且外围电路简单，此单片机的最小系统电路图如图3.2所示。
图3.2：
单片机最小系统原理图
3.3角度传感器模块设计
MPU-6050可准确追踪快速与慢速动作，可精准的捕捉角度，其电路链接如图3.3.
图3.3：
MPU-6050原理图
3.4磁性传感器模块设计
磁性接近开关能以细小的开关体积达到最大的检测距离。
它能检测磁性物体然后产生触发开关信号输出到单片机，与单片机的链接方式如图3.4
3.5显示模块设计
LCD12864显示块是一款硬件电路结构或显示程序都比较简洁，的图形液晶模块。
其外围电路与单片机连接方式如图3.5所示。
图3.5：
LCD12864原理图
3.6电源模块设计
电源部分采用变压器、开关电源LM2596，以及一个LM7805芯片等将220V的交流电降压固定的12V（用于磁性接近开关）和5V直流电电压输出。
其电路设计部分如图3.6.
3.7程序结构与设计
图3.7：
程序流程图
4系统测试
情况一：
固定管道的倾斜角度使A端高于B端即实际方向显示应“01”，改变投入钢球的数量，初始数量为2个每次增加2个钢球，时间间隔≤2s。
钢球个数
2
4
6
8
10
测试方向
测试个数
表4.1：
测试方向与测试个数值
表4.2：
测试方向与测试个数值
情况二：
固定管道的倾斜角度使A端高于B端即实际方向显示应“01”，连续投入钢球，初始数量为2个每次增加2个钢球。
钢球个数
2
4
6
8
10
测试方向
测试个数
表4.3：
测试管道摆动周期值
情况三：
在管道内放入一个钢球，然后摆动管道，摆动方式如图1.2所示测试摆动周期，初始摆动周期为1每次增加2个周期。
实际摆动周期
1
3
5
7
9
测试摆动周期
情况四：
在管道内放入一个钢球，然后倾斜管道角度，倾斜角度在10º～80º之间，测试装置显示角度，设定初始倾斜角度为10º每次增加20º。
实际角度
10º
30º
50º
70º
检测角度
表4.4：
测试管道倾斜角度值
5总结
本设计以IAP15W4K61S4单片机为主控部件，采用角度传感器对管道倾斜角度进行测量，编写软件控制算法对系统进行优化，分模块实现赛题要求。
在系统设计过程中，充分利用IAP15W4K61S4单片机的优势功能，力求以方便灵活的软件编程简化复杂的硬件电路，满足系统设计要求。
最终完成了竞赛的设计要求。
参赛期间队员团结合作，分工明确，充分发挥了团队合作力量，使竞赛圆满完成。
参考文献及附录
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