多功能位移测量实验装置的设计毕业论文

编号： 毕业设计说明书题 目： 多功能位移测量实验装置的设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械电子工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 题目类型： 理论研究 实验研究 R工程设计 工程技术研究 软件开发2013年6月2日桂林电子科技大学毕业设计报告用纸摘 要在控制领域中，经常需要进行各种位移量的测量，在实际的工业位置控制领域中，提高控制精度，准确地对控制对象进行检测是十分重要。多功能位移测量实验装置的设计，采用单片机AT89C52作为控制与时序转换核心器件，并配合设计基本的模拟电路，实现多精度的位移测量，输出信号经过TLC549进行模数转换后，并送入单片机进行处理，最后可以在LCD1604上实时显示测量位移，并通过串口将测量数据发送到电脑。本设计要求装置的测量量程在2mm-200cm之间，采用电感式，红外类，超声波类三类传感器作为测量器件。此次设计电感类传感器选用实验室的冉普电子有限公司RP6611系列,测量的量程为2mm-6mm,精度最高达0.1um;红外传感器选用Sharp的GP2D120，探测范围是4-30cm；超声波选用HR-SR04，它的盲区只有2cm，精度达到0.3cm,最大的测量距离300cm;工作时按照按键切换传感器类型进行使用，它们共同实现多功能位移测量。整个系统结构合理，设计简洁，性能稳定，有较强的抗干扰能力。关键词：位移测量；传感器；单片机；串口 AbstractIn the control field, it is often necessary for a variety of displacement of the measurement, the actual position of the control field of industry, to improve the control precision, accurate detection of the control object is very important. Multifunction displacement measuring device design experiments, using AT89C52 microcontroller as the core device control and timing conversion, and with the basic design of analog circuits, multi-precision displacement measurement, TLC549 output signal after analog to digital conversion, and into the microcontroller processing, and finally in the LCD1604 display real-time measurement of displacement and the measured data through the serial port is sent to the computer. The design requirements for the device in the measurement range between 2mm-200cm, using inductive, infrared class, class three ultrasonic sensors as the measuring device. The design inductive type sensors used laboratory Ran Pu Electronic Co. RP6611 Series sensors, the measurement range is 2mm-6mm, precision up to 0.1um; infrared sensors use Sharps GP2D120, detection range is 4-30cm; ultrasonic choose HR -SR04, it is blind only 2cm, the maximum measuring distance 300mm; work in accordance with the test button to switch sensor types, which together achieve multi-displacement measurement. The entire system is reasonable, simple design, stable performance, strong anti-jamming capability.Keywords: displacement measurement; sensor; Single Chip Microcomputer; cluster目 录1 引言11.1 课题背景及意义11.2 电感测距技术21.3 红外测距技术21.4 超声波测距技术21.5 国内外传感器测位移现状31.6 本文主要研究内容42 多功能位移测量装置的方案设计52.1 课题设计要求52.2 系统方案选择52.2.1系统整体结构52.2.2系统控制芯片选择62.2.3电感类传感器选择62.2.4 红外测距传感器选择92.2.5超声波测距传感器选择113 系统硬件电路设计和原理.143.1 单片机最小系统143.1.1AT89C52单片机简介143.1.2单片机引脚功能153.1.3时钟电路173.1.4复位电路173.2 LCD1602液晶显示模块183.2.1LCD1602基本参数及引脚功能193.2.2 LCD1602接口电路203.3 串口转换电路213.4 传感器接口电路213.4.1电感测距接口电路223.4.2红外测距接口电路233.4.3超声波测距接口电路233.5 状态指示电路243.6 按键控制电路253.7 电源滤波电路254 系统软件设计264.3 LCD1602软件设计294.3.1 LCD1602基本指令及时序294.3.2 LCD1602液晶字符的显示314.4 TLC549软件设计324.5 红外计算软件设计334.5.1 Excel曲线拟合334.6 电涡流传感器的标定355 PCB板的制作365.1 原理图、PCB的绘制365.2 电路板的印制和焊接366 装置调试与性能分析376.1 装置的调试386.1.1主要仪器设备386.1.2硬软件调试386.2 装置的性能387 结论40谢 辞41参考文献42附录I 系统整体电路图43附录II 系统PCB图44附录III 元件清单45附录IV 程序源代码46桂林电子科技大学毕业设计报告用纸 第 67 页 共 65 页1 引言1.1 课题背景及意义位移测量是线位移与角位移的总称，它表示物体上某一点在两个不同瞬间的位置变化。在工程的实验中常要求精确地测量零部件的位移、位置和尺寸，以得到准确的定量结果；而且在实际的测量中许多机械量的测量往往可以先通过适当转换变成位移的测量，然后再转换成相应的被测量，例如在对力、扭矩、速度、加速度、温度、流量等参数的测量中，常常采用的就是这种方法。因此位移测量是基础，且具有重要的意义。位移测量时应当根据不同的测量对象，选择适当的测量点、测量方向和测量系统。位移测量系统由位移传感器、相应的测量放大电路和转换及显示装置组成。位移传感器直接作用于被测量，它的选择正确与否，对测量的精度影响很大。常用的位移测量传感器有很多种，根据实际的测量环境和精度要求进行选择。位移测量按位移值的大小来分，一般分为大位移和微小位移的测量。常用位移传感器及其性能如表1-1。表1-1 常用位移传感器及其性能类型测量范围准确度直线性特点电阻式1-300mm0.1%0.1%分辨率较好，但机械结构不牢固应变式0.15%-0.3%应变0.1%-3%1%使用方便，需要温度补偿电感式0.2mm-300mm0.5%-3%0.05%-3%分辨率好，受被测物体表面材料、形状、加工质量影响电容式0.001-100mm0.005%-1%1%分辨率很好，但测量范围很小，只能在校范围内近似保持线性。此外，常用的位移传感器还有霍尔元件和感应同步器等位移测量器件。根据实际测量需求选择适宜的传感器。位移传感器可分为模拟式与数字式，其中模拟式的有电位器式，电阻应变式，电容式，差动变压器式，涡流式，光电式，超声波式和霍尔器件式；数字式的有光栅式和感应同步器式，磁栅式。1.2 电感测距技术电感式传感器是把被测量转换成电感量变化的一种装置，其变换是基于电磁感应的原理。按照变换的方式不同可分为自感型（包括可变电阻式与涡流式）与互感式（差动变压式）。由法拉第电磁感应定律可知，产生感应电流的情形有5类：变化的电流 ，变化的磁场，运动的恒定电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体。进而，法拉第发现，在相同条件下不同金属导体回路中产生的感应电流与导体的导电能力成正比，他由此认识到，感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路没有感应电流，感应电动势依然存在。根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。1.3 红外测距技术近二十年来，红外辐射技术已成为一门迅速发展的新兴技术科学，它已广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域。红外辐射俗称红外线，又称红外光，指太阳光中波长比红光长的那部分不可见光。任何物体，当其温度高于绝对零度时，都会向外辐射电磁波。物体的温度越高，辐射的能量越多。它的波长介于可见光和微波之间，波长范围大致在0.75M-1000M的范围之内，红外线与可见光、紫外线、x射线、y射线和微波、无线电波一起构成了整个无线连续的电磁波谱。在红外技术中，一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区。红外线和所有电磁波一样，具有反射，折射，干涉，吸收等性质。红外辐射在介质中会产生衰减，主要是由于介质的吸收和散射作用。红外传感器的测距基本原理为红外发射电路的红外发光管发出红外光，经障碍物反射后，由红外接收电路的光敏接收管接收前方物体反射光，据此判断前方是否有障碍物。根据发射光的强弱可以判断物体的距离，由于接收管接收的光强是随反射物体的距离变化而变化的，因而，距离近则反射光强，距离远则反射光弱。1.4 超声波测距技术通常把频率范围在20-20000Hz之间能引起人类听觉的声音称为音频声。频率高于20KHz的声称为超声；低于20Hz的振动称为次声。超声波的研究历史可以追溯到上个世纪。1883年，Galton首先发现了超声波的存在，他当时的研究目的主要是探索人类所能感知的声谱范围。在Galton之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西，由于当时电子技术发展缓慢，对超声波的研究造成了一定程度的影响。超声波传感器在工作的时候就是电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片。通过计算传播时间便可以计算出距离，超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传播等优点，而且超声波传感器的能量消耗缓慢有利于测距。1.5 国内外传感器测位移现状位移测量是线位移和角位移测量的统称，测量应根据具体的测量对象，选择或设计测量系统。现代科学技术的发展进入了许多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距、电感测距及红外线测距。常用的位移传感器主要由滑线电阻式位移传感器，应变片式位移传感器，差动变压器式位移传感器，光电脉冲式位移传感器。其中激光测距是靠激光束照射在物体上反射回来的激光束探测物体的距离。但是受恶劣的天气、污染等因素影响，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少一半左右，损失很大，影响探测的精确度；微波雷达测距技术为军事和某些工业开发采用的装备和振荡器等电路部分价格昂贵，现在几乎还没有开拓民用市场；超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用；红外线作为一种特殊的光波，具有光波的基本物理传输特性反射、折射、散射等，且由于其技术难度相对不太大，构成的测距系统成本低廉，性能优良，便于民用推广。红外线测距传感器有它的几个特点，远距离测量，在无反光板和反射率低的情况下能测量较远的距离；有同步输入端，可多个传感器同步测量； 测量范围广，响应时间短； 外形设计紧凑，易于安装，便于操作；所以它的应用价值比较高。电感式位移传感器是把被测移量转换为线圈的自感或互感的变化，从而实现位移的测量的一类传感器。它具有灵敏度高、分辨力大，能测出0.1um甚至更小的线性位移变化和0.1度的角位移,输出信号比较大,电压灵敏度一般每毫米可达几百毫伏,因此有利于信号的传输.测量范围为25um-50mm,测量精度与电容式位移传感器差不多,但是它的频率响应较低,不宜于高频动态测量。现在的新型传感器不断出现，使得测试技术得到很大的发展，出现了智能测试仪器，它的工作过程是：传感器拾取被测参量的信号并转换成电信号，经过滤波去除干扰后送入多路模拟开关；由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器，放大后的信号经A/D转换器转换成相应的脉冲信号送到单片机，单片机对设定的初值进行相应的数据运算与处理，运算结果被转换成相应的数据进行显示。1.6 本文主要研究内容本文主要研究基于电感、红外、超声波三类传感器的位移测量实验装置，实现三类传感器的位移测量，并给出可演示的测距实验装置实物。论文中主要介绍了单片机外围电路的设计，传感器的工作原理和使用方式，元器件的选取等。并通过实际测试对多功能位移测量实验装置的性能进行了测试和分析。本文组织结构如下：(1) 第 1 章 引言。论述了本课题的背景和意义；介绍了电感测距技术、红外测距技术及超声波测距技术；国内外传感器测位移的现状。(2) 第2 章 多功能位移测量实验装置的方案设计。设计了整体结构框图，各器件的选择。(3) 第3章 系统硬件电路设计和原理。详细介绍了单片机的硬件资源及外围电路的设计，各传感器接口，液晶显示接口以及串口转换接口的设计。(4) 第4章 系统软件设计。介绍了测距装置的软件算法实现，绘制了相应的程序流程图。(5) 第5章 PCB板制作。介绍制作PCB板的过程。(6) 装置调试与性能分析。简要介绍了装置的整体性能以及存在的误差及改进方法。(7) 总结。对设计的装置进行全面的设计总结。2 多功能位移测量装置的方案设计传感器是获取被测量信息的元件，其质量和性能的好坏直接影响到测量结果的可靠性和准确度，衡量其质量的特性有许多，主要包括静态和动态两个方面。当被测量不随时间不变化或变化很慢时，可以认为输入量和输出量都和时间无关。表示它们之间关系的是一个不含时间变量的代数方程，在这种关系的基础上确定的性能参数为静态特性；当被测量随时间变化很快时，就必须考虑输人量和输出量之间的动态关系。这时，表示它们之间关系的是一个含有时间变量的微分方程，与被测量相对应的输出响应特性称为动态特性。本次设计中不考虑被测量随时间的变化，因此主要研究传感器的静态特性及其应用。本章介绍了三类传感器的工作原理，并详细论述了各传感器的使用特性，给出了装置的总体设计方案并进行可行性论证。2.1 课题设计要求多功能位移测量实验装置的设计首先需要设计基本模拟电路，采用单片机作为控制与时序转换器件，设计完成的实验装置能够进行多种距离和精度位移测量。在设计实验装置时完成相应的器件选型和可行性论证。最后，完成设计相应的硬件结构设计和软件代码编制，调试无误，同时装制出实际可用的实验装置。该设计需要满足以下要求：1.主机显示器件：LCD；2.功能：电感类、超声波类和红外传感器的位移测试验证；3.指标：位移测量范围2mm200mm；4.位移测量结果可通过串口按照一定的时序发送到电脑进行处理。2.2 系统方案选择2.2.1系统整体结构该测量装置的主要功能是由数据采集、数据分析和数据显示三大部分组成。数据采集使用的是三类传感器进行位移的测量，由单片机负责数据分析与装置的控制，最后测量的结果由LCD显示，通过串口发送到电脑进行处理。装置由单片机控制单元、液晶显示单元、串口转换单元、电感测距单元、红外测距单元、超声波测距单元、状态显示单元、按键控制单元等组成。在设计中电感类传感器选用电涡流传感器，工作的电压是+24V,其他两类传感器和装置的工作电压均为5V，由于电压相差较大，所以使用开关电源直接分别给它们供电以确保供电稳定、方便。选用开关电源（AC/DC）给装置供电，相关参数为INPUT AC 110/22015%，OUTPUT +5V 2.2A;+24V 1A。主机显示器件采用LCD1602，显示目前的测量类别及测量位移值，完全满足显示要求；模式设置采用按键切换测量模式。总体方案设计框图如图2-1所示。2-1 系统框图2.2.2系统控制芯片选择 在一个控制系统的设计中，能否完成设计任务最重要的就在于系统的核心器件是否选择合适，而单片机更是系统控制的核心，所以对单片机的选择异常重要。如果选择了一个合适的单片机不仅可以最大程度地简化系统的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比较高，对整个系统来说更方便。结合本设计的要求，可以知道此设计单片机信号线取电只能提供毫安级的电流，设计的装置是实验装置，不是户外的产品，并且考虑到价格与其性能及功耗，抗干扰能力等，最终选择由ATMEL公司生产的高性能、低功耗的CMOS 8位单片机AT89C52作为本设计的单片机使用，此单片机在此前的课程设计也学习和使用过，在设计中更利于操作。串口通讯采用常用的MAX232进行电平转换；A/D转换采用TI公司的TLC549进行。2.2.3电感类传感器选择电感式传感器是把被测量，如力、位移等，转换为电感量变化的一种装置。其变化是基于电磁感应原理。按照变换方式的不同，可分为自感型（可变磁阻式与电涡流式）与互感型（差动变压器式）。实现电感测量位移可以选用差动变压器式位移传感器，这种传感器利用电磁感应中的互感现象。它将被测位移量转换成线圈互感的变化，实际上是一个变压器，其一次侧线圈介入稳定交流电源，二次侧线圈感应产生-输出电压。差动变压器式电感传感器具有精度高、线性范围大、稳定性好和使用方便的特点，被广泛用于直线位移测定。综合本设计的精度要求以及实现的简易方便性选用上海冉普电子科技有限公司的RP6611系列电涡流传感器进行微小直线位移的测量。电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具，具有长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率、磁导率、尺寸因子、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(, , , D, I, )函数来表示。通常我们能做到控制, , , I, 这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。传感器结构组成图如图2-1所示。图2-3传感器结构组成其工作过程是：当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。被测面直径应大于探头头部直径的1.5倍以上。否则传感器的灵敏度会下降，被测表面越小，灵敏度下降越多。此外被测体的厚度也会影响测量的结果。电涡流传感器的输出特性可用位移-电压曲线表示，如图2-4所示。图示的横坐标表示位移的变化，纵坐标代表前置器输出电压的变化。理想位移-电压曲线是斜率恒定直线，直线的a-c 段为线性区，即有效测量段。b 点为传感器线性中点。图2-5为直径为11mm的探头输出特性曲线。图2-4输出特性曲线图2-511mm探头输出特性曲线其所测量得到的值是模拟量，经过AD转换后转换为数字量输出。其工作原理如图所示。图2-4电涡流传感器位移测量2.2.4 红外测距传感器选择红外传感器包括红外发射器件和红外接收器件。自然界的所有物体只要温度高于绝对零度都会辐射红外线，因而，红外传感器须具有更强的发射和接收能力。Sharp有很多种红外距离传感器。这些传感器不但体积小，功耗也很低。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，利用的红外测距传感器LDM301发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后利用CCD图像处理接收发射与接收的时间差的数据。经信号处理器处理后计算出物体的距离。这不仅可以使用于自然表面，也可用于加反射板。测量距离远，很高的频率响应。 Sharp的红外传感器都是基于一个原理：三角测量原理。红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来，如图2-6所示。反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L，利用三角关系，在知道了发射角度a，偏移距L，中心矩X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。图2-6三角测量原理可以看到，当D的距离足够近的时候，L值会相当大，超过CCD的探测范围，这时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到了。当物体距离D很大时，L值就会很小。这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值成为关键，也就是说CCD的分辨率决定能不能获得足够精确的L值。要检测越是远的物体，CCD的分辨率要求就越高。Sharp GP2XX系列的传感器的输出是非线性的。每个型号的输出曲线都不同。所以，在实际使用前，最好能对所使用的传感器进行一下校正。对每个型号的传感器创建一张曲线图，以便在实际使用中获得真实有效的测量数据。下图是典型的Sharp GP2D12的输出曲线图2-7所示。图2-7 Sharp GP2D12输出曲线图从上图中，可以看到，当被探测物体的距离小于4cm左右的时候，输出电压急剧下降，也就是说从电压读数来看，物体的距离应该是越来越远了。但是实际上并不是这样的，想象一下，被测物本来正在慢慢的靠近障碍物，突然发现障碍物消失了，这是不可能的。解决这个的方法需要改变一下传感器的安装位置，使它到被测物的外围的距离大于最小探测距离就可以了，如图2-8所示，具体的解决方法是采用电涡流传感器来弥补红外传感器的盲区，这一点从后面的实物图可以很清晰的看到。图2-8可以避免探测误差的安装图示目前Sharp的红外线传感器有如下几种类型：（1）GP2D02 （串口输出）探测范围 10cm-80cm；（2）GP2D05 （数字输出）探测范围 固定的24cm；（3）GP2D12 （模拟输出）探测范围 10cm-80cm；（4）GP2D15 （数字输出）探测范围 24cm；（5）GP2D120 （模拟输出）探测范围 4cm-30cm；（6）GP2YOAO2YK （模拟输出）探测范围 20cm-150cm；（7）GP2Y0D02YK （数字输出）探测范围 80cm。所有的模拟输出，其输出电压和距离成反比，数字输出只能检测在范围内物体是存在还是不存在，而不能提供距离的检测。本设计根据装置测量范围要求和成本考虑，选择的红外传感器为GP2D120，探测范围是4-30cm，满足设计的要求。2.2.5超声波测距传感器选择超声波是一种振动频率超过20 kHz的机械波，它可以沿直线方向传播，而且传播的方向性好，传播的距离也较远，在介质中传播时遇到障碍物在入射到它的反射面上就会产生反射波。由于超声波的以上几个特点，所以超声波被广泛地应用于物体距离的测量、厚度等方面。而且，超声波的测量是一种比较理想的的非接触式的测距方法。超声波传感器由以下部分构成：图2-9工作原理框图图2-9中，单片机为核心控制部分，根据设定的工作方式，产生40kHz方波，经过驱动电路驱动超声波发生器发出一簇信号，单片机此时开始计时。接收回路为谐振回路，将收到的微弱回波信号检出，送信号放大电路放大，收到产生脉冲。输出送单片机中断端，单片机收到中断信号后停止计时，计算出距离值，保存等待读出或直接经UART送出。接收过程中，单片机定时控制放大电路的增益，逐渐提高，以适应距离越远越弱的回波信号。当进行距离的测量时，由安装在同一水平线上的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收，并且同时启动定时器进行计数。首先由超声波发射探头发射超声波并同时启动定时器计时，超声波在空气中传播的途中一旦遇到障碍物后就会被反射回来，当接收探头收到反射波后就会给负脉冲到单片机使其立刻停止计时。这样，定时器就能够准确的记录下了超声波发射点至障碍物之间往返传播所用的时间t（s）。由于在常温下超声波在空气中的传播速度大约为340 m/s，所以障碍物到发射探头之间的距离为：S=340t/2=170t （2-1）因为单片机内部定时器的计时实际上就是对机器周期T的计数，而本设计中时钟频率fosc取12 MHz，设计数值N，则： T12/fosc=1s （2-2）t=NTN0.000001（s） （2-3）S170NT170N/1000000（m） （2-4）在程序中按式（2-4）计算距离。 设计选用HR-SR04型超声波集成模块。它是将单片机控制电路，超声波发射电路，超声波接收电路集成到一起的一个超声波集成模块。HR-SR04超声波集成模块正面外观如图2-10所示，HR-SR04超声波集成模块的背面外观如图2-11所示。图2-10 HR-SR04超声波集成模块正面外观图图2-11 HR-SR04超声波集成模块背面外观图HR-SR04型超声波集成模块的工作电压为5V，而且此模块的静态工作电流小于2 mA，工作时候可以比较稳定。而且，它的感应的角度不大于15，可以减少了很大部分可能存在的角度干扰问题。此模块的测距范围为2cm5m，能满足此设计测距要求，而且其精度可以达到0.3cm，盲区仅仅为2cm，而且测距也比较稳定。HR-SR04超声波集成模块采用的是I/O触发测距，给至少10 us的高电平信号。另外，此模块可以自动发送8个40 kHz的方波脉冲，并能够自动检测是否有信号返回，如果检测到有信号返回则通过I/O口输出高电平，高电平的持续时间就是超声波从发射到返回所用的时间，则所测量的距离=（高电平时间声速）/2。一个控制口发出一个10 us以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出，一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，就能够算出距离。这样不断的循环周期测，就可以在不停地移动过程中测量距离值了。但是，为防止发射信号对回收信号的影响，本超声波集成模块的测量周期最好定在60 ms以上，所以本设计将测量周期定在80 ms。其工作的原理图如图。图2-12 超声波传感器位移测量3 系统硬件电路设计和原理3.1 单片机最小系统单片机最小系统指一个真正可用的单片机最小配置系统，即单片机能工作的系统，包括单片机、复位电路、晶振电路，是其他拓展系统最基本的基础，对于STC89C52单片机，由于片内已经自带有程序存储器，所以只要单片机外接时钟电路和复位电路就可以组成单片机的最小系统。单片机最小系统如图3-1所示。图3-1 单片机最小系统原理图3.1.1 AT89C52单片机简介AT89C52单片机执行速率快(最高时钟频率为90MHz)，功耗低，在系统、在应用可编程,不占用用户的资源。具有以下几个性能特点：4 k字节的闪存片内程序存储器，128字节的数据存储器，32个外部输入和输出口，2个全双工串行通信口，看门狗电路，5个中断源，2个16位可编程定时计数器，片内震荡和时钟电路，且全静态工作并有低功耗的闲置和掉电模式，它的引脚功能图如图3-2所示。在绘制电路图时，VCC,GND电源已经由系统默认给连接好了，所以这两个引脚隐藏了。引脚只是换了下位置而已，这样排列是为了更方便画图，接线。不影响使用，如图3-3所示。 图3-2（a）单片机的引脚功能图;(b)电路图中的AT89C523.1.2单片机引脚功能（1）电源引脚，Vcc（40脚）：正电源的引脚，工作电压是5 V。GND（20脚）：接地端；（2）时钟电路，引脚XTAL1和XTAL2；（3）复位RST（9脚）；（4）输入输出口（I/O口）引脚。P0口是一个三态的双向口，可以作为数据和地址的分时复用口，又可以作为通用输入输出口。P0口在有外部扩展存储器时将会被作为地址/数据总线口，此时P0口就是一个真正的双向口；而在没有外部扩展存储器时，P0口也可以作为通用的I/O接口使用，但此时只是一个准双向口；另外，P0口的输出级具有驱动8个LSTTL负载的能力即输出电流不小于800 uA。P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，而P1口只有通用I/O接口一种功能，而且P1口能驱动4个LSTTL负载；在使用时通常不需要外接上拉电阻就能够直接驱动发光二极管；在端口置1时，其内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入端口用。对于输出功能，在单片机工作的时候，可以通过用程序指令控制单片机引脚输出高电平或低电平。例如： 指令CLR是清零的意思，CLR P1.0的意思就是让单片机的P1.0端口输出低电平；而指令SETB是置1的意思，SETB P1.0的意思就是让单片机P1.0端口输出高电平。P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，而且P2口具有驱动4个LSTTL负载的能力。P2端口置1时，内部上拉电阻将端口的电位拉到高电平，作为输入口使用；在对内部的Flash程序存储器编程时，P2口接收高8位地址和控制信息，而在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口就送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2引脚上的内容在此期间不会改变。P3口也是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口能驱动4个LSTTL负载，这8个引脚还用于专门的第二功能。P3口作为通用I/O口接口时，第二功能输出线为高电平。P3口置1时，内部上拉电阻将端口电位拉到高电平，作输入口使用；在对内部Flash程序存储器编程时，此端接控制信息。P3口的第二功能，如表3-1所示。表3-1 P3口第二功能表P3引脚兼用功能P3.0串行通讯输入口（RXD）P3.1串行通讯输出口（TXD）P3.2外部中断0请求输入端（ INT0）P3.3外部中断1请求输入端（INT1）P3.4定时器0输入端(T0)P3.5定时器1输入端(T1)P3.6外部数据存储器写选通信号输出端（/WR）P3.7外部数据存储器写选通信号输出端（/RD）（5）其它控制或复用引脚ALE/PROG（30脚）：地址锁存有效信号输出端。在访问片外存储器时，ALE（地址锁存允许）以每机器周期两次进行信号输出，其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址；在不访问片外存储器的时候，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号(此频率是振荡器频率的1/6),而在访问片外数据存储器时，ALE脉冲会跳空一个,此时是不可以做为时钟输出。对片内含有EPROM的机型在编程时，这个引脚用于输入编程脉冲/PROG的输入端。/PSEN（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平时有效。当AT89C52从外部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期内输出2个脉冲即两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。但在访问片外数据存储器时，/PSEN将不会有脉冲输出。/EA/Vpp（31脚）：/EA为片外程序存储器访选用端。当该引脚访问片外程序存储器时，应该输入的是低电平，要使AT89C52只访问片外程序存储器,这时该引脚必须保持低电平；而在对Flash存储器编程时，用于施加Vpp编程电压。3.1.3时钟电路为了产生时钟信号，AT89C52单片机的芯片内部已经设置了一个反相放大器，其中XTAL1端口就是片内反相放大器的输入端，XTAL2端则是片内振荡器反相放大器的输出端。单片机采用自激振荡的工作方式，XTAL1和XTAL2外接的12 MHz的石英晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率进行振荡，从而就可以产生时钟信号。电路图中电容C0、C1的作用是稳固振荡频率、快速起振。常设计其电容值为5-30PF,在此设计中选用的电容值为22PF。时钟信号电路如图 3-4所示。图3-4 时钟信号电路3.1.4复位电路单片机在开机时，为了使得其他功能部件处于一个确定的初始状态，并从初始地址执行，让复位信号由RST引脚输入，当振荡器运行时，只要有两个机器周期即24个振荡周期以上的高电平在这个引脚出现时，那么就将会使单片机复位，如果将这个引脚保持高电平，那么单片机芯片就会循环不断地进行复位，复位后的P0口至P3口均置于高电平，这时程序计数器和特殊功能寄存器将全部清零。本设计的单片机复位电路如图3-4所示。图3-5 单片机复位电路图此复位电路是自动上电复位电路。其中电容C2设置为10UF,当单片机上电时，它两端的电势差就不会突变，让RST得到+5V的高电平电压，此高电平持续的时间超过24个时钟周期，使得单片机完成复位操作。电阻R2为1K,它的作用是使得RST输入为低电平时为0V,是一个下拉电阻。此外，单片机的复位电路还有人工按钮复位，自动上电复位与人工按钮复位相结合的复位方法。3.2 LCD1602液晶显示模块液晶显示已被广泛使用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域，这是因为液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）和主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。本设计需要用LCD来显示测量的位移值，从成本和实用角度此设计选用LCD1602就完全满足要求。LCD1602是专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，由若干个5*7或者5*11等点阵字符位组成，每个点阵字符位可以显示一个字符可以显示两行，每行16个字符，分别显示测量的类别和多次测量位移的平均值。LCD1602字符型液晶显示器实物如图3-6所示。图3-6 LCD1602实物图3.2.1LCD1602基本参数及引脚功能（1）LCD1602基本参数：使用此LCD，它显示的字符尺寸为2.954.35(WH)mm；需给其提供的工作电压为4.55.5V，此装置的工作电压为5V，刚好与其最佳工作电压相等；工作时的电流为2.0mA。（2）引脚功能说明字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)。各引脚功能如表3-2所示。.表3-2 引脚接口说明表引脚号引脚名作用引脚号引脚名作用1VSS电源地9D2数据总线line22VDD电源正极（+5V）10D3数据总线line33Vee对比调整电压11D4数据总线line44RS数据/命令选择12D5数据总线line55R/W读/写选择13D6数据总线line66E使能信号14D7数据总线line77D0数据总线line015BLA背光源正极8D1数据总线line116BLK背光源负极第1脚：VSS为电源地。第2脚：VDD接+5V正电源。第3脚：VL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，为了避免对比度过高，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4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脚：R/W为读写信号线，电平为1即高电平时从LCD读取信息，电平为0时即低电平时写入指令或数据到LCD。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，为1时读取信息，当10（下降沿）时执行指令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。3.2.2 LCD1602接口电路LCD1602接口电路如图3-8所示，数据口与单片机P0口连接，RS、WR、EN分别连到单片机I/O口，V0连接一个2K的电阻到地用于设置液晶的对比度，避免对比度过高而产生“鬼影”现象。图3-8 LCD1602液晶接口电路3.3 串口转换电路串口转换电路由MAX232实现，MAX232是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口RS232 电平是-10v-+10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0-+5v,MAX232就是用来进行电平转换的,该器件包含2个驱动器、2个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-VTTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。串口转换电路如图3-9所示。图3-9串口转换电路在MAX232的串口转换电路中，一共接了五个电容，选用的是电容值为0.1uf的瓷片电容，这些电容都是无极性的。其中上面的四个电容是起到振荡升压的作用，下面的一个是作为电源退偶用。3.4 传感器接口电路传感器接口电路主要由TLC549串行ADC和传感器组成。它是8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17s， TLC549的转换效率为40 000次/S。总失调误差最大为0.5LSB，典型功耗值为6MW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，REF-接地，VREF+VREF-1V，可用于较小信号的采样,对装置传感器的模拟信号转换满足设计要求。TLC549引脚如图3-10所示。图3-10 TLC549管脚名称TLC549的极限参数如下。（1）电源电压：6.5V（2）输入电压范围：0.3VVCC0.3V（3）输出电压范围：0.3VVCC0.3V（4）峰值输入电流(任一输入端)：10mA （5）总峰值输入电流(所有输入端)：30mA（6）工作温度： TLC549C：070;TLC549I：4085; TLC54