在线监测系统的研究设计毕业论文.doc

在线监测系统的研究设计毕业论文1 前言11.1设计背景11.2国内外研究现状11.3设计主要内容22系统方案的总体设计22.1激光三角法分析22.2检测原理32.3 系统方案设计82.4 传感器测量误差源分析及处理方式82.4.1 温度因素92.4.3 被测物体表面粗超度和光泽因素113 测量系统机械结构的总体设计114 系统硬件电路的设计134.1总体设计134.2传感器选取分析144.3 电压转换电路设计144.3.1 交流220V转24V直流电路设计144.3.2 直流24V转5V电路设计144.4 单片机的选择154.4.1 STC12C5A60S2单片机简介164.4.2 STC12C5A60S2特点164.4.3 引脚特性174.5 晶振及复位电路设计184.6 液晶数字显示器LCD选择194.6.1 引脚分析194.6.2 LCD接口电路设计204.7 存储器选择设计214.8 按键设计214.8.1 按键电路设计214.8.2 电路分析224.9 电机驱动芯片选择设计224.10 MAX232芯片与RS232串口处理电路设计234.10.1 MAX232244.10.2 RS232244.10.3 MAX232和RS232连接通信电路设计244.11 CH340G芯片简介254.11.1 CH340G芯片引脚定义254.11.2 USB串口电路设计265系统程序设计265.1编程界面建立275.2 单片机程序设计285.2.1 主程序设计285.2.2 信号采集子程序模块设计295.2.3 采集芯片和主控芯片之间串口通信流程图295.2.4 多次采集处理流程图305.2.5 主控芯片处理按键设置及LCD1602显示模块设计315.2.5 主控芯片与PC机串口通信325.2.6 电机运转子程序模块设计335.3 虚拟串口345.4 PC机设计355.4.1 PC机界面设计355.4.2 PC机程序设计376系统仿真与调试406.1 单片机仿真与调试406.2 PC机仿真与调试46结论49总结与体会50致谢51参考文献52附录1单片机程序54附录2 PC机程序54附录2机械结构图54附录3电气原理图54III1 前言1.1设计背景 随着现代化高新科学技术水平的迅猛发展，对于位移的检测在日常生产、生活中的重要性日益显现，在土木工程的建设、机械器件的加工、精密仪器的制造、地质的勘探、食品的生产、国防军事等各个领域对测量设备的精确度、测量速度、集成度、智能化的需求越来越高。根据传统式的检测方法主要是接触式的测量，即量具或者量仪的感应部件必须要和被测物体直接相接触，从而获取需要的测量信息的测量方式。同时，传统的检测方式始于接触式测量，这种检测的方法特点是检测效率比较低，劳动的强度很大，而且还会使得测量仪的检测头容易发生磨损损坏，故而影响仪器的测量精确度，使其产生下降。毋庸置疑，当代科技的发展与社会的进步还是未能达到一定的高度。因此，在当代生产工业中，不论是在生产的过程中还是在产品的调整中，为了最终获得较高的产品命中几率与最佳的加工效果，产品尺寸的测量系统已成为了生产线上不可或缺的设备之一。接触式的测量要求必须与被测物体之间相互接触才能获取测量的信息，对于一些精密的敏感性器件或者比较容易造成损坏的设备，当其存在于有毒、高温等某一些比较特殊的场合使用也会受到一定的限制，同时，接触式测量对测量设备其本身的也有损耗。故此，接触式的测量已经再无法满足现代工业生产的需求。随着现代科技的发展和生产力的需求改变，非接触式的测量方式出现了。自此，非接触式测量的方法开始了迅速的发展，其强大的应用功能与优点使传统的接触式测量的方法难以望其项背，同时，也为社会的发展，工业的文明进步做出了巨大的贡献。而激光测厚的仪器作为近年来开发出来的新的实用性的设备，它不但从一定程度上改善了工作的环境，而且还具备测量准确、精度高、实用性好、安全可靠，无辐射等其他的测量方式无法比拟的优点，并且为需求物体厚度的控制系统提供了非常准确的信息， 故而提高了生产的效率与产品的质量, 降低了社会的劳动强度。自从激光测厚仪的使用以来,广泛地受到了人们的赞赏与肯定。所以我们完全有理由相信，在社会未来的经济发展的过程中，激光测厚仪被作为非接触测量领域的一个非常重要的分支将会更能够发挥其作用。1.2国内外研究现状随着现代社会生产力和加工技术的迅猛发展，对于检测工厂加工零件的速度与加工的精度有了更加高的需求，逐渐地向着高速度、高精度、非接触与在线检测的方向快速地发展。利用非接触式测量技术对加工产品表面的质量进行实时测量和动态检测，其具有结构简单、精度高、非接触、性能稳定可靠、测量速度快等优点。 自从非接触式测量传感器的诞生以来，利用它研究出来的生产设计的光电距离检测的设备越来越多，而且越来越多的企业生产与其相关的产品。随着采用激光测距的设备性能的不断改良，在各种非接触式测量方式的应用中，把激光三角测量法当作基本原理的测量距离的设备发展最为迅速，因而应用CCD的激光三角测距设备在测距设备的市场中所占据的比重也在不断地增高。而德国、美国等其他欧美的国家和日本制造的激光位移传感器测距的相关产品一直处于世界的领先水平。1.3设计主要内容 激光三角测量法进行高速精确测量的激光位移装置的设计是当代激光测距领域的一个重要研究课题，本文选取了这个课题，并且借助了单片机的强大数字信号处理计算的能力，来完成一种关于传感器高速激光位移测厚系统的设计方案，本文主要分以下几个部分进行论述。(1)详细的介绍激光三角法测量的原理，给出了系统总体设计的框架并分析其可能存在的误差源及其解决方法。 （2）主要设计测量系统机械外观总体结构。 （3）选取传感器，介绍分析系统硬件的设计，主要包括电压转换电路和信号的处理电路设计，详细地分析了系统的各个子模块的功能以及实现构成。 （4）介绍分析系统软件的设计，主要包含了系统的软件开发平台的搭建和各个软件的模块子程序设计与软件的功能实现等。 （5）设计PC机的运行界面和程序，并分析仿真结果。 （5）主要分析系统在仿真实验环境下的测试过程，对测试的结果从系统的软硬件设计进行各方面的仔细分析，并且认真思考可能存在的不足和设计中需要改进的地方。 （7）分析设计过程中存在的问题、总结经验。2系统方案的总体设计 随着社会的进步，工业生产的发展，工业生产线上测量运用越来越广泛，与此同时传感器的产生提高了经济效应，减少了人力劳动，带动了产品质量的提高，给社会带来了很大的好处。从此以后人们深入研究设计更加高速、高效的传感器，其中激光三角传感器深受人们喜爱，下面介绍激光三角测厚原理。2.1激光三角法分析激光三角测量法属于光电检测技术中的一种，此方法具有测量对象广、分辨率高、结构简单、体积小、测量准确度高、工作距离大、受环境电磁场影响小并且可以实时在线检测等优点，因此,工业中测量距离、长度和三维形貌等时该方法有着广泛的作用。激光三角测量方法可以根据激光入射光入射时的方式可具体分成斜射式激光三角法与直射式激光三角法两种。利用这两种方法都能够精确、快速地对被测物体的表面进行测量，但斜射式激光三角法与直射式激光三角法用于测量不同条件下的物体时，可能因为被测物表面性质、测量方式、环境条件等因素而造成测量的结果有差异。 1）共同点：直射式测量和斜射式测量同属于非接触式测量，故此它们对于被测物的材料没有特别要求，不但可以是金属材料，也可以是非金属材料，同时还可以是易污染、有毒、容易磨损等其他不能用接触式测量的材料。2) 不同点： （1）斜射式测量法比较适合于表面较光滑的物体，因为它比较容易接收到正反射光线，而直射式测量法比较适合于表面粗超的物体，因为表面粗超时，其散射性能比较好，直射式接收散射光线，当被测物表面比较光滑时，可能由于散射光线太弱，直射式不能检测到散射光，故可能存在测量盲区，不能达到测量的目的。 （2）在需要测量物体水平表面一点的情况时，当物体垂直上下移动，斜射式测量法入射光点照射在物体表面不同位置，故不能确定这一点的位移情况，但直射式测量法能够确定。 （3）直射式测量具有入射光斑较小、光强比较集中、光斑不会因为被测物表面不垂直而扩大、仪器体积较小等优点；斜射式测量虽然系统分辨率较直射式测量高，但其测量范围较直射式小得多，而且测量仪器体积较大。综上所述，斜射式测量和直射式测量都不受材质的限制，在这方面具有强大的优势，但由于在实际测量中直射式测量较斜射式测量更易用、便捷，故本设计中采用直射式测量原理。2.2检测原理直射式激光三角测量法早期应用时技术不熟练，采用氦、氖激光器作为激光源，不但体积很大，使用时极不方便，而且适应环境的能力非常差，在恶劣的环境中使用会产生极大误差，导致测量不准确。近年来，随着科学技术的不断发展，光电子技术、半导体技术、计算机技术越来越纯熟，激光三角测量技术也得到了广泛的应用。主要原因是激光三角测厚法较其它测量方法相比，其不但具有设计简单的优点，而且测量速度快、测量信号实时转换能力强、操作灵活方便。根据该方法设计的传感器主要应用于机械制造、航天航空、地质勘探等方面。 下图是直射式激光三角测量法的结构原理图，经过激光器发射出激光束，发射出的激光束通过会聚透镜聚焦之后再垂直入射到被测物体的表面，当物体在垂直水平面上位移，或物体厚度发生变化时，激光束在物体表面的入射点会发生变化，在入射点激光会发生散射，散射光经过接收透镜聚光后，照射到感光面上，设被测物所在面、接受透镜面与感光面相交于一条直线，这时可以根据两个不同被测物表面发生的散射光线相交的特点推导出测量原理如下图。 图2-1 直射式激光三角测量法结构原理图在图2-1中，当被测物体沿着激光束上、下发生位移时，激光所照射在被测物表面的照射光斑也会随着激光光束所在的方向运动，为了让激光光斑始终在感光面上成像清晰，使测量结果更可能精确，必须使激光光斑移动的轨迹与感光面所在平面成共轭面，这样使得感光平面与激光散射光线之间成角，激光束与照射在感光面上的散射光线成角。同时，当被测物在激光束照射方向发生位移时，随着被测物表面照射光斑的上下移动，散射光束与开始时的散射光线相较于一点，交点为O点。如图2-1中，在被测物自M点移动到N点时，同时M点在感光面上所成的想也从M点移动直N点。设被测物体在激光方向所移动的距离MN为x，感光面上成像移动的距离MN为x，我们为了测领被测物移动的距离，构造相似三角形，过N点做OM的垂线ND，过N点做OM延长线的垂线ND，那么三角形ODN和三角形ODN为相似三角形。根据图2-1可知: DN = NM (2-1) DN=NM （2-2） 根据 三角形ODN和三角形ODN是相似三角形可得: DN = OD (2-3) DN OD 又： OD = OM - NM （2-4） OD = OM-NM （2-5）将式子（2-1）、（2-2）、和（2-4）、（2-5）分别带入式子（2-3）中可以得到下式： NM = OM - NM （2-6） NM OM- NM经过计算得: NM = NMOM （2-7） OM + NM即：可求得测量值X； x = xOM （2-8） OM + x在上式（2-8）中，OM为测量系统的物距，OM为测量系统的像距，X为被测物体移动的位移, X为激光散射像斑在感光面上移动的距离，通过家名册感光面两端的电流信号大小就可以求得像斑在感光上的像移X，最终就可以利用其求出待测物移动的位移X（式中OM、参数是侧头本身的，是已知的）。 传感器测量时，传感器测得的的值并不是X，而是传感器所能测得的最远距离与测得的位移计算出来得到的差值。针对每个测头所能测得的最远距离在设计传感头时就已经确定的，我们设最远点为M点，在传感器固定不动的情况下，传感器测量时是把被测物表面N点的反射光线与当测量最远点M点时的散射光线利用原理对比计算出X，从而得到传感器测得的的距离，即被测物体与传感头的距离。下图为传感器测量距离分析图。 图2-4 传感器测量分析图 传感器测量中被测物从最远点移动到被测点的位移为x，最远点距离传感头的距离为a,可以得到传感器测得距离L。即： L = a - x （2-9）L是传感器最终测出的值，可以利用L多次测量求的被测物的值,传感器经过两次测量标准物h和被测物x还可以有效减小系统误差。下图为两个传感器分别测量标准物和被测物时的计算分析图。 图2-3 传感器测量计算分析图通过设置并放置标准物h，上下传感器分别测得值为L1、L2,传送给单片机保存在存储器中，L1、L2作为已知参数。当在两个传感器中间放入被测物体时，传感器再次测得值为L1、L2，L1、L2根据被测物体厚度不同而改变，由图2-3经过计算可以求的被测物体的厚度值H。据图2-3可以得出测厚H计算式,即被测物厚度： H = h + L1 + L2 - L1- L2 （2-10）整理式（2-10）得： H = h + （L1-L1）+（L2-L2） （2-11）即H为测量系统最终通过计算测得的被测物厚度。式（2-11）中，h、L1、L2在测量被测物之前通过设置、测量确定，在测量过程中不变，L1、L2通过测量被测物确定，最后在计算得到被此物厚度H。2.3 系统方案设计通过上网和在图书馆查询了很多关于激光位移传感器的研究设计资料后，经过仔细思考，本文提出了一种自己的关于激光位移传感器的设计方案。在这个设计方案中主要包含传感器测量和单片机的数据处理部分，传感器测量部分主要实现利用传感器将光信号转换成电压信号并且利用控制器将电压信号转换成数据信号；数据处理部分主要实现转换数据的处理、显示和输出等功能。本系统的总体设计框图如图2-4所示。 表2-4系统方案设计流程图传感器测厚系统测厚处理方法为:传感器中激光源发出的光照射在被测物体表面，经过被测物反射被光电器件接收，因为光信号与被测物体的厚度变化之间存在确定的数学关系，可以通过传感器内部光电器件将光信号的变化转化成电压信号，传送给激光位移控制器，经一系列的处理电路后，由单片机对信号进行运算处理，并存储、显示厚度值等。设计中，传感器和控制器完成测量并采集信号。激光位移控制器内部置有放大、滤波、数字转换等电路，主要完成信号放大、信号滤波和数字转换等，其内部自带存储器，存放传感器内置参数、被测物位移等。单片机系统具有处理、运算、存储等功能，利用按钮设置参数控制单片机处理过程，并通过串口发送到到液晶显示器和PC机上显示，便于观察。本文主要选取传感器、设计外部按钮控制单片机处理电路、液晶显示电路、PC机和系统总体结构。2.4 传感器测量误差源分析及处理方式在使用测量系统测量的过程中，可能由于系统自身因数和环境因数带来误差。我们在设计过程中，需要考虑这些因数对测量结果可能带来的误差原因，并提出解决方法来减小或消除误差，从而达到提高系统稳定性、测量的精确度的目的。2.4.1 温度因素 利用测量系统测量时，环境温度并不能一直保持不变。由于温度变化对传感器内部的处理电路板存在一定的影响，当温度发生变化时，各原件原先存在的暗电流大小会发生变化，会随着温度升高而增大，随着温度降低而减小，给系统带来测量误差。与此同时，随着温度的变化，会改变被测物体周围空气的均匀分布，从而使空气产生密度梯度，激光光线在不均匀的空气中传播会发生弯曲，使得在感光面上所成的像斑位置发生改变，给测量结果带来误差。通过人们研究实验表明通常环境温度在230C左右时，工作为最佳性能状态。故可以在230C恒温为的环境下测量，将传感器及两个传感器之间的温度保持在230C。2.4.2 物面倾斜因素系统测量物体时，物体可能会有一定跳动，跳动过程不一定是完全平行跳动的，跳动时肯定会有倾斜跳动，即激光入射方向与物体表面法线所成的夹角会发生一定变化，另一方面，测量仪器在长期使用过程中由于一些原因也会使得物体表面倾斜的情况发生。针对单个长安起侧头，物面倾斜会使感光面CCD输出相对于倾斜之前输出发生较大偏移,但本设计采用的是完全对称的两个传感器对物体进行厚度进行测量，从理论上讲，计算厚度时，两个传感器输出发生的偏移会相互抵消，但实际中不会完全抵消,下面对其进行分析。 图2-5 物面倾斜对系统测量精度的影响示意图图2-5中，被测物体发生倾斜后，两表面的倾斜转轴与激光入射点之间的距离D1、D2大小不同，从而致使S1、S2的不同，使得传感器测厚系统最终测量的厚度值d与真实厚度值d不相同。设物面倾斜的角度为r，则根据图2-5可得d与d之间的差值为： d = d - d = S1 - S2 （2-12）又因为S1 = D1tan r；S2 = D2tan r；代入（2-12）得： d = D1 - D2 = （D1-D2) (2-13) 图2-6 物面倾斜示意图把图2-5中倾斜部分放大如下图2-6，设图中OA、OC都分别是垂直于物体两表面的线段，因为是同一物体发生倾斜，所以有： OA = OC （2-14） OAB = OCB = 900 （2-15）所以，三角形OAB和三角形OCB是相似三角形，图中可以看出AOC = r角，所以可以得到： BOC = BOA = （2-16） 所以： D1 - D2 = BC = OC= d (2-17)将式(2-17)代入(2-13)中得: d = d (2-18) 由式（2-18）可知物体表面倾斜所产生的误差与倾斜角度成正比。由于r一般很小,所以d远小于d,故测量时抖动产生的误差忽略不计。2.4.3 被测物体表面粗超度和光泽因素物体的表面光泽、粗超度对传感器是决定传感器测量精度的重要因素。不同的物体表面光泽和粗超度，会直接干扰激光散射光场的分布，从而会影响传感器中成像物镜的接收光功率，感光面上所成的像斑光强同样也会发生变化，进而会严重影响测量精度。在一般情况下，当照射在物体表面的光线过强，表面光泽过亮，物体表面会发生较强的镜面反射，而漫反射就相对过小，从而进入镜头的漫反射光强较小而镜面反射较大，就会使测量产生较大的误差。测量时，被测物体表面过于粗超，会使得照明光点出现局部丢失现象，这样原光点就不再均匀，使得传感器输出不再稳定。实验表明被测物体表面粗超时，光泽黯淡。所以，我们可以根据物体表面粗超度改变激光器功率来增加光强和在激光与物体之间添加偏振片减小光强，从而减小误差。3 测量系统机械结构的总体设计在测量系统中，需要电机带动滚珠丝杆转动，滚珠丝杆上固定有滚珠螺母，滚珠螺母带动固定支架在丝杆上运动，支架上再连接传感器U型架，从而达到测量的目的。 图3-1系统结构示意图需要注意的是被测物体在水平方向前后运动，而传感器就在水平方向左右运动，只有这样才能达到传感器能够测得物体水平面上所有的点。U型支架上U型槽上、下分别固定有两个传感器，用于测量槽间的被测物，其侧面设有设置按钮、正反转按钮，用于方便控制，并固定有LED显示器，便于观察测量结果。下面图3-2是其结构图。 图3-2 U型槽结构图4 系统硬件电路的设计 4.1总体设计 本系统硬件设计总体分为两部分：一是使用电压的电路模块设计，二是使用STC12C5A60S2核心处理芯片对数字信号进行分析计算处理并进行控制显示的电路模块设计，硬件设计流程如图4-1所示。 图4-1 硬件设计流程图 本系统硬件设计任务主要有：1、系统工作时，使用的电压是220V交流电压，限位开关需要提供24V稳定直流电压，使用电压首先要转换到24V。2、MAX232、CH340G作为电平信号转化芯片，在信号传输过程中转化电平形式，达到需要的信号，需要+5V的稳定电压。同时，主控芯片STC12C5A60S2在控制处理的过程中，需要持续提供5.5V至3.3V的直流电压，故需要将电压转换到5V。 3、主控芯片上需要连接复位电路和晶振电路。 4、在串口通信处，串口两边所需信号电平不同，故在串口一段需要连接转换芯片MAX232和CH340G来转换电平。 5、测量过程中，需要设置参数，并控制液晶显示器显示和电机运转，需要设置终端处理器件，即利用按钮来控制。6、为了方便观察调试测量过程，需要显示出来易于观察，利用串口通信来传送数据，并设计PC机来显示。4.2传感器选取分析因为被测物是不确定的，监测对象可以是多层的物体，也可以是单层的物体，结构可以是金属板的，也可以是非金属的，本设计本身对被测物的测量材质没有要求，被测物的材质与传感器无关，所以可以选取激光传感器。板材在测量时可能存在一定的变形，存在温度等外部条件对被测物性质有一定影响，故测量时会有一定误差，本设计要求监测精度达到 +0.005mm, 板材的厚度测量范围 0至8mm ，故可以选用激光位移传感器LK-G80，其测量范围0至80mm，精度达到3um（其所用的组合控制器型号为LK-G3001,作用是将传感器测得的厚度经过放大，A/D转换等处理）4.3 电压转换电路设计4.3.1 交流220V转24V直流电路设计交流电经电源变压器T1隔离降压再经桥式整流滤波后,加到78M24 输入端1 脚，输出端3脚直接作为输出,设计电路电路中所用的元件及其参数大小如图4-2所示。 图4-2 220V转24V电路电路中,C1作为78M24芯片的输入电容,防止瞬态电压过大,C2是输出电容,储能,补偿输出电压保证输出恒定。对于78M24芯片，VIN也是待转换的直流电压输入口，GND接地，VOUT输出24V电压；输入电压范围为27V-38V，输出电压24V。4.3.2 直流24V转5V电路设计 由LM2576构成的基本稳压电路仅需四个基本外围器件输入电容C11和C9、续流二极管D1、D2、储能电感L2和输出端电容C13，它们的作用主要分别是防止在输入端出现大的瞬态电压、防止方向电流、储能和用来输出滤波以及提高环路的稳定性，下图4-4是其电路转换图。 图4-4 LM2576构成的电压转换电路 电路中， 最大输出电流为3A， 最高输入电压为40V， 输出电压可以根据设计电路中电容、电感参数不同有3.3V、5V、12V、15V和ADJ(可调)等可选。 LM2576芯片工作温度范围为-400C +1250C，工作模式控制为TTL电平兼容。输出端电容C11，若电容值太大,反而会在某些情况（负载开路、输入端断开）对器件造成损害。电感L1的选择要根据LM2576的输出电压、最大输入电压、最大负载电流等参数选择，首先，依据如下公式计算出电压： ET=（Vin-Vout）Vout/Vin1000/f (4-1) 上式中，Vin是LM2576的最大输入电压、Vout是LM2576的输出电压，f是LM2576的工作振荡频率值（52kHz）输入电容C2一般应大于或等于100F。而输出电容C1的值应依据下式进行计算（单位F）： C13300Vin/VoutL (4-2) 上式中，Vin是LM2576的最大输入电压、Vout是LM2576的输出电压、L是经计算并查表选出的电感L1的值，其单位是H。4.4 单片机的选择单片机是数据处理分析并控制外部器件的核心元件，它可以对传感器送来的数据进行分析、处理，然后传送给显示器显示出来。还可通过按键对传感器进行设定和对电机进行控制，并且考虑到需要两个TXD、RXD引脚连接串口，可选择STC12C5A60S2单片机。4.4.1 STC12C5A60S2单片机简介 STC12C5A60S2是STC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，针对电机控制，强干扰场合。 图4-5 STC12C5A60S2单片机STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。4.4.2 STC12C5A60S2特点 表4-1 STC12C5A60S2的特点 增强型8051CPU 1280字节RAM 39个双向I/O口 有EEPROM功能 4个16位定时器，两个与传统8051兼容定时器/计数器 时钟频率1117MHz/812MHz 内部集成MAX810专用复位电路 外部掉电检测电路 3个时钟输出口 工作电压 5.5-3.5V 外部中断I/O口7路 PWM2路 通用全双工异步串行口 双串口 工作范围：-4085 兼容TTL和CMOS逻辑电平 看门狗 LQFP-48、LQFP-44、PDIP-40和PLCC四种封装形式4.4.3 引脚特性 VCC：供电电压。 GND：接地。P0口：P0口是一个漏极开路型准双向I/O口，既可以作为输入/输出口，也可以作为地址/数据复用总线使用。当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线A0A7，数据线D0D7。在访问外部存储器时，它是分时多路转换的地址(低8位)和数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在EPROM编程时，它接收指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1口：P1.0/ADC0/CLKOUT2:标准IO口、ADC输入通道0、独立波特率发生器的时钟输出 ；P1.1/ADC1; P1.2/ADC2/ECI/RxD2:标准IO口、ADC输入通道2、PCA计数器的外部脉冲输入脚，第二串口数据接收端； P1.3/ADC3/CCP0/TxD2:外部信号捕获，高速脉冲输出及脉宽调制输出、第二串口数据发送端；P1.4/ADC4/CCP1/SS非SPI:同步串行接口的从机选择信号；P1.5/ADC5/MOSI:SPI同步串行接口的主出从入(主器件的输入和从器件的输出)；P1.7/ADC7/SCLK:SPI同步串行接口的主入从出。P2口:P2口内部有上拉电阻，既可作为输入输出口（8位准双向口），也可作为高8位地址总线使用。P3口：P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3.0/RxD; 标准IO口、串口1数据接收端； P3.1/INT0非:外部中断0，下降沿中断或低电平中断；P3.3/INT1; P3.4/T0/INT非/CLKOUT0:定时器计数器0外部输入、定时器0下降沿中断、定时计数器0的时钟输出。 4.5 晶振及复位电路设计 单片机系统的复位方式有手动按钮复位和上电复位两种，单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。晶振是时钟电路中最重要的部件，它的主要作用是向显卡、网卡、主板等配件的各部分提供基准频率，它就像个标尺，工作频率不稳定会造成相关设备工作频率不稳定，自然容易出现问题。晶振还有个作用是在电路产生震荡电流,发出时钟信号。下图为晶振电路和抚慰电路设计图。 图4-6 单片机晶振电路和复位电路图在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。4.6 液晶数字显示器LCD选择从显示器角度来讲，可以有LED和LCD两种，但比起LED显示来说，液晶显示器LCD是一种功耗极低的显示器。LCD是一种平板薄膜显示器件，除了功耗低以外，他还具有美观、显示工作电压低、抗干扰能力强、与CMOS电路电性能匹配好等优点。因此他的应用非常广泛，从电子表到计算器、从袖珍式仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都用到了LCD。目前，LCD有段式和点阵式2种，在只涉及数据显示及简单字母提示时，智能仪器通常采用段式LCD。由于本次设计是较小厚度数值的显示，属智能仪器显示，则只需选择四位的LCD显示器即可。本设计选择长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器。4.6.1 引脚分析1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表4.1所示: 表4-2 LCD1602引脚定义 编号 符号 引脚说明 编号 符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD 电源正极10D3数据3VL 液晶显示偏压11D4数据4RS 数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极4.6.2 LCD接口电路设计1602液晶显示模块可以和单片机STC12C5A60S2直接接口连接，电路如图4-7所示。 图4-7 LCD与单片机连接接口电路LCD引脚接口电路分析说明：第1脚：VSS为地电源；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，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个电位器W1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，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。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，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令；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。4.7 存储器选择设计我们设计时需要一种可重写的存储器芯片，并且其内容在掉电的时候也不会丢失；换句话说，它是非易失性的。可以选择24C02，它是可读可擦写存储器。 本文设计电路如图4-8。 图4-8 存储器接口电路连接图 引脚接口介绍：A0，A1，A2地址输入引脚，走位硬件寻址的依据，同种芯片可同时连接8片（23）；Vcc，Gnd电源，接地引脚，1.8-5.5v；Wp写保护，当Wp接地时，允许对器件的正常读写操作；当Wp接高电平时，写保护，只能进行读操作；SDA串行地址/数据输入/输出端口，双向传输，漏极开路，需外接上拉电阻到Vcc（典型阻值为10k）；SCL串行时钟输入，高低电平不同状态与SDA配合，执行不同的命令。4.8 按键设计4.8.1 按键电路设计本文采用六个按键并列排序，扫描是依次顺序扫描，这种扫描方式叫列扫描法又又名逐列扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法。其按键设置如下图4-9。 图4-9 按键设置4.8.2 电路分析判断是否有按键按下方法：(1)判断键盘中有无键按下 将全部行线KY1-KY6置高电平，然后检测行线的状态。只要有一行的电平为低，则表示键盘中有键被按下，并且可以判断出那一个按键按下。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。 (2)判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为高电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各行线的电平状态。若某行为低，则该行线的按键就是闭合的按键。如果设计为按键未按下时的IO输入为高电平，按键按下后的输入为低电平，那么需要上拉电阻，确保按键未按下时保持输入高电平。上拉电阻是为了给IO口保持一个高电位。防止干扰的时候电平发生变化，会误判。 正常的电路都是上拉一个电阻，开关对地连接，当IO口读到电平为高的时候，此时按键没有按下，当读取到电平为低的时候，此时可以判断为按键被按下。设计电路图如图4-9.4.9 电机驱动芯片选择设计 在系统测量过程中，电机提供动力通过一个机械机构带动传感器运动，由于带动结构具有一定重量，驱动芯片需要提供稍微大的电压给电机电机，本文中选择的步进电机，所以可以选择驱动芯片2M2260。2M2260细分型两相混合式步进电机驱动器，采用单相交流80220V供电，适合驱动电压80V220V，电流小于5.6A外径86130毫米的两相混合式步进电机（本设计使用电机型号86BYGH75,额定功率200（W),额定电压220（V),额定电流2（A),额定转速3000RPM（rpm),额定转矩2.3（NM）)。此驱动器采用交流伺服驱动器的电流环进行细分控制，电机的转矩波动很小，低速运行很平稳，几乎没有振动和噪音，定位精度高。广泛适用于雕刻机、数控机床、包装机械等设备上。在用户期望低振动、小噪声、高精度、高速度的设备中效果极佳。本文设计电路如图4-10： 图4-10 电机驱动芯片电路 控制器的控制信号可以高电平有效，也可以低电平有效。当高有效时，把所有控制信号的负端连在一起作为信号地，低有效时，把所有控制信号的正端连在一起作为信号公共端，本设计中采用低电平有效。 PLS/CW+、DIR/CCW+、ENA+引脚直接连接+5V电压，PLS/CW-、DIR/CCW-、ENA-分别接单片机I/O口P2.5、P2.6、P2.7，表示脉冲信号、方向信号和使能信号。通过定时器每次产生的脉冲加到ENA-上控制驱动芯片使电机运转一个角度，步进方向信号输入DIR/CCW-控制步进电机运行方向,加在ENA-的脱机使能信号有效时复位驱动器故障，禁止任何有效的脉冲，驱动器的输出功率元件被关闭，电机无保持扭矩，这样可以达到控制电机的目的。V-作为接地接口直接接地,V+外连开关按钮,可以控制电机通断电，B+、B-、A+、A-接步进电机。4.10 MAX232芯片与RS232串口处理电路设计4.10.1 MAX232MAXIM公司的MAX232接收/发送器是MAXIM公司特别为满足EIA/TEA2232的标准而设计的，他们具有功耗低、工作电源为单电源、外接电容仅为0.1uF或1uF的电容，其价格低，可在一般需要串行通信的系统中使用，MAX232引脚C1+与C1-、C2+与C2-、V+与VCC、V-与GND之间的4个0.1uF的电容不可缺少，一般选用陶瓷介质的电容。MAX232的作用是一种把电脑的串行口rs232信号电平（-10，+10v）转换为单片机所用到的TTL信号点平（0，+5）的芯片。4.10.2 RS232RS-232接口又称之为RS-232口、串口、异步口或一个COM（通信）口。RS-232是其最明确的名称。 在计算机世界中，大量的接口是串口或异步口，但并不一定符合RS-232标准，但我们也通常认为它是RS-232口。 严格讲RS232接口是DTE（数据终端设备）和DCE（数据通信设备）之间的一个接口，DTE包括计算机、终端、串口打印机等设备。 RS232引脚分析 : 1载波检测DCD ；2接收数据 RXD ；3引脚发送数据TXD ； 4 数据终端准备好 DTR ； 5 信号地 SG； 6 数据准备好 DSR ； 7 请求发送 RTS ；8 清除发送 CTS ；9 振铃提示 RI。4.10.3 MAX232和RS232连接通信电路设计下图4-11为MAX232和RS232连接通信电路。 图4-11 通信连接图为了实现传感器与单片机之间的串行通信，我们必须要先清楚了解整个系统所采用的原理图。原理图贯穿于整个系统设计，通过此图我们就能很清楚的看到系统所涉及的内容，然后根据内容，我们在后面设计中依次对所牵涉的内容作详细的论述。串口通信原理图需要注意的是：从MAX232芯片中的两路发送接收中任选一路作为接口，要注意其发送与接收引脚对应，否则可能对器件或计算机串口造成永久性损坏。如选用T1IN接单片机的发送端TXD，则器件的RS232的接收端RD一定要对应接T1OUT引脚。同时，R1OUT接单片机的接受端RXD引脚，则PC机的RS232的发送端TD一定要对应接R1IN引脚。4.11 CH340G芯片简介USB转串口主要是利用芯片CH340G来完成，本设计主要设计CH340G芯片电路。CH340是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。在USB转串口方式下，CH340作为中间电平信号转换芯片可实现USB接口的通信连接，实现USB转串口通讯。4.11.1 CH340G芯片引脚定义引脚功能说明： 表4.3 CH340G引脚定义引脚号引脚名称 类型 引脚说明 1 GND 电源 公共接地端，直接连到USB总线的地线 2 TXD 输出 串行数据输出(CH340R型号为反相输出) 3 RXD 输入 串行数据输入，内置可控的上拉和下拉电阻 4 V3 电源在3.3V电源电压时连接VCC输入外部电源，在5V电源电压时外接容量为0.01uF退耦电容 5 UD+USB信号 直接连到USB总线的D+数据线 6 UD-USB信号 直接连到USB总线的D-数据线 7 XI 输入晶体振荡的输入端，需要外接晶体及振荡电容 8 XO 输出晶体振荡的反相输出端，需要外接晶体及振荡电容 9 CTS# 输入输入MODEM联络输入信号，清