【《数显卡尺的硬件和软件设计案例》4700字】

PAGEPAGE11PAGEPAGE10数显卡尺的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u22718数显卡尺的硬件和软件设计案例 172851硬件设计 1147521.1硬件设计整体框图 18611.2单片机的选型 2296591.2.1STC89C52RC芯片性能介绍 2258361.2.2功能模块引脚说明 318011.2.3串口工作方式选择 3189281.2.4复位电路 4107361.2.5时钟电路 5252171.3传感器的选型 5304751.4显示模块的选型 7263451.5本章小结 857092软件设计 9135272.1软件设计思想 956442.2程序流程图 9130882.3本章小结 101硬件设计1.1硬件设计整体框图根据总体设计方案，对硬件整体框图进行设计。在设计方案中需要用到位移测量传感器，并通过传送电路将数据处理好发给单片机，还需要一个可以显示数据的显示屏。所以设计以STC89C52

RC单片机作为数显游标卡尺的控制器，利用TM003A桂林天目公司生产的容栅位移传感器对位移数据采集，通过容栅传感器的数据发射端口将采集到的数据送给单片机。采用一个0.96寸四针IIC的oled显示屏完成数据的显示，可以将容栅传感器自带的清零端设计成清零键，对数据进行清零处理，也可以利用程序设计，用复位按钮对数据清零。数显游标卡尺设计的硬件框图如图1.1所示：图1.1数显游标卡尺设计的硬件框图1.2单片机的选型1.2.1STC89C52RC芯片性能介绍数显游标卡尺设计的控制器为STC89C52RC单片机，以下是这款型号单片机的特点和选择它的原因。这款单片机是由宏晶科技有限公司（STC）生产的，是一种高性能、低功耗的芯片，它的程序兼容很多类型的单片机，可以在5V的电压下正常工作。这种单片机由于采用了较成熟的技术，所以它的制造成本非常低，在网上购买也相当便宜，而且它与我们常见的单片机完全兼容。宏晶的52单片机使用了性能较强内核，又在原基础上进行了很多升级，所以它的功能比传统的51单片机多。宏晶的这款单片机具有以下功能：中央处理器为8位；用户ROM和RAM分别为8K和512字节；一个用于通信的全双工串行口；五个中断源等。在满足设计目标的前提下选用这款单片机相对其它单片机而言，性价比最高。该产品的实物图和引脚图分别如图1.2和1.3所示：图1.2STC89C52单片机的实物图图1.3STC89C52单片机引脚图1.2.2功能模块引脚说明在数显游标卡尺的设计中，由于显示模块是一个4个接口IIC的oled屏，除了电源端和接地端口外，oled的数据引脚SDA和时钟引脚SCL分别接STC89C52单片机的P1.3和P1.4端口，来驱动oled显示模块显示容栅位移传感器采集到的数据。整个设计中一共利用到了单片机的7个引脚，除了电源和接地引脚外，剩余的其它引脚的连接情况作如下说明：由于传感器发送的数据是以一个字节的形式发送给单片机，所以单片机的RXD/P1.0(接收数据)端口用于连接容栅位移传感器的TXD(发送数据)端口，用于接收容栅位移传感器集成电路发送的数据。和第一点类似，单片机的TXD/P1.1(发送数据)引脚连接容栅传感器的RXD(接收数据)引脚。一个引脚用于数据的发送，另一个引脚用于数据的接收，从而可以实现单片机与容栅位移传感器的信号传输。容栅位移传感器一共有5个引脚，电源引脚接5V电压，最后一个清零引脚C接T0/P1.4引脚，实现清零功能。1.2.3串口工作方式选择TM003A容栅位移传感器的通讯协议如下：TM003A集成电路数据传输的波特率为9600bps；该传感器传输数据的格式为：十个字节的ASCII码，第一个字节为符号位，中间八个字节为数据，第十个字节为回车符。例如：显示数据：41.21TM003A集成电路发送字符串：+00041.21；显示数据：-52.41TM003A集成电路发送字符串：-00052.41。数据传输：以每秒8组数据自动发送。在SCON串行口控制寄存器中，SM0和SM1的取值为0或1，通过这两个取值的搭配对工作方式进行选择，因此一共有方式0、方式1、方式2和方式3，4种工作方式，由容栅位移传感器的通讯协议可得，其中方式1为10位的异步串口通信方式，格式为1个起始位、8个数据位（D0~D7）和一个停止位。所以串行口工作方式选用方式1，其工作方式选择如表1.1所示：表1.1选择表工作方式SM0SM1功能说明串口设置0008位同步移位寄存器方式10110位UART0X5021011位UART31111位UART串口工作方式1的逻辑结构示意图如图1.4所示：图1.4串口工作方式1的逻辑结构示意图1.2.4复位电路在本课题数显游标卡尺设计中，复位电路的复位方式可以用上电复位和外部按键复位。单片机复位电路的功能相当于手机重启功能，当电路发生突发状况时，可以按下复位按钮，使单片机的内部程序重新运行。所以在本设计中，按下S1按键后，软件程序将重新运行，通过程序设计使初始数据为零，所以复位按钮的另一个功能可以作为清零按钮，使显示模块显示的读数为零，方便设计测量。复位电路图如图1.5所示：图1.5复位电路图1.2.5时钟电路晶振可以给单片机提供时钟信号，它是时钟电路的部件中最不可或缺的一个部件。由于TM003A集成电路的数据传输波特率为9600pbs，通过计算其对于的晶振频率为11.0592MHz，为了可以准确接收到容栅传感器的数据，单片机选用晶振的晶振频率和TM003A集成电路的晶振频率一样，如果晶振频率不一样，单片机可能接收不到数据，所以本设计使用11.0592MHz的晶振频率。时钟电路的电路图如图1.6所示：图1.6时钟电路图1.3传感器的选型1.容栅位移传感器的工作原理容栅位移传感器也叫做电容式位移传感器[20]，它的工作原理是通过改变面积使电容大小发生变化来实现对位移的测量。容栅位移传感器将物理位移变化转变成电信号，然后将获得到的电信号在整合电路中进行数据处理。容栅位移传感器主要由定尺和动尺这两部分组成，定尺和动尺实际上是一个固定的电极和可动的电极。采用技术将定尺和动尺的相对面上分别印制一系列互相绝缘、等间隔的金属栅状极片形成电极[21]。容栅传感器的内部结构相当于由一排平行的电容器并联连接而成[22]，其电容称为容栅，电容的平行板间填充有电介质，将定尺和动尺相对移动来改变电容值。容栅传感器动栅尺和定栅尺的结构示意图如下图1.7所示：如图1.7容栅传感器动尺和定尺的结构示意图图中，上部分为动尺，下部为定尺。由图可见，动尺上有一个长条形的公共接收电级R和多个发射极E，发射极在动尺上等长等宽平行排列在一起，每个发射极间相互绝缘，且发射极和发射极、发射极和接接收级间存在有电场，其中接地的是屏蔽电极S。在定尺上，反射电极片M和动尺上的发射极一样，也是等长等宽平行排列在一起，且反射电极片之间也是相互绝缘的。所以容栅传感器的测量方式是一种非接触式的直线位移测量。容栅传感器测量范围很大，是一种可以大距离测量的电容式位移传感器[23]。和光栅传感器相比，容栅传感器不仅功耗小和体积小，而且制造成本低，同时容栅传感器也具有精度和分辨率高、组成简单、测量范围大、测量的速度快和适用在工业现场等优点。TMOO3A容栅位移传感器的介绍本设计中采用的TM003A容栅位移传感器来实现对位移数据采集，TM003A是一款小尺寸的容栅位移传感器，模块卡尺带输出芯片，由桂林天目有限公司生产，这款传感器专注于位移的测量，可接单片机、PLC和电脑等设备，是一款性能强大的位移传感器。TMOO3A容栅位移传感器的实物图如图1.8所示：图1.8TMOO3A容栅位移传感器的实物图之所以选择这款位移传感器，是因为它具有尺寸小、量程大、分辨率高、抗干扰能力强、性能稳定、功耗低和转换率快等很多优秀的特点。其中它的尺寸大小为：长30mm（位移方向），宽20mm，PCB板连同元器件的厚度不大于2.5mm。TMOO3A容栅位移传感器在行业中有四大领先行业优势：第一，它对电路的设计优化好，有很强的感应信号性能；第二，可以带数据输出，在采集到位移数据后，可以将采集到的自动数据处理好并输出给控制器；第三，同行业的其他容栅位移传感器相比，它的尺寸非常小，可以大大的节省设计空间；第四，低功耗。它的供电电源为5V/20mA,很合适用单片机作为控制器。TM003A容栅位移传感器的电路焊接的元器件排布工整、焊点饱满，扎实牢固、无虚焊和，使得这款传感器抗腐蚀氧化能力强，外观美观。最主要的是它的测量范围非常大、精度高，测量范围999.99mm，分辨率0.01mm，精度0.02mm，所以这个传感器完全可以用于数显游标卡尺的设计，其引脚情况如表1.2所示：表1.2TM003A功能引脚功能引脚电源+5V数据发送TX数据接收RX外部清零C地线GND读取TM003A容栅传感器数据的步骤TM003A采用串口数据传输的方式与单片机相连。TM003A的数据在TX引脚发送，当连接电源后，传感器就会发送数据，数据以每秒八组数据自动发送，其数据格式为十个字节的ASCII码，第一个字节为符号位，中间八个字节为数据位，第十个字节为回车符。单片机是以每次一个字节的方式不停的接收数据，如果单片机没有接收到传感器的数据，那么oled显示模块就显示不出数据。单片机和容栅位移传感器具体的硬件接线图如图1.9所示：图1.9单片机和传感器的硬件接线图传感器的清零方式：方式一：指令清零。本设计通过程序实现指令的清零，按下电源键或复位键开始运行程序，使传感器接收到大写字符C实现数据清零。方式二：硬件清零。容栅位移传感器C引脚接单片机IO引脚，需要数据清零时，将C引脚接地便可以实现数据清零。若不需要硬件清零，可不接传感器的C引脚。1.4显示模块的选型数显游标卡尺设计的显示模块选择一个0.96寸oled显示屏，它是一个4针IIC接口的小尺寸多功能显示屏，分辨率为128×64。之所以选择一个0.96寸oled显示屏，而不选择更便宜1602液晶显示屏，是因为这款显示模块比我们常接触的1602液晶屏有更多的优点，比如：oled显示屏的体积小，可以节省设计的空间、引脚接口少、显示的功耗小、显示清晰度高和显示稳定。1602液晶屏的功耗相比oled显示屏大很多，1602不仅显示不清楚，而且有时候显示不稳定。oled显示屏最突出的一个的一个特点是，它比1602尺寸小和更轻薄，方便设计安装。这款oled显示屏不仅可以显示传感器采集到的数字，还何以显示汉字，更适合小系统的设计。oled的实物图如图1.10所示：图1.10oled实物图其中：VCC引脚接+3～+5.5V电源；GND引脚接地；SDA为数据管脚；SCL为时钟引脚。1.5本章小结本章节介绍了系统的硬件设计和硬件选型。主要介绍了各个模块的工作原理、特点以及说明了各个引脚说明的作用。

2软件设计2.1软件设计思想软件是整个设计的灵魂，为了更好的完成软件设计，首先要理解和构思该设计的整体思路，弄清楚软件设计的逻辑关系。我的软件设计思想是，根据自己对各个硬件模块的理解，先对每个模块进行软件设计，将可能遇到的问题分模块一一解决，先设计好每个模块，让每个模块可以单独运行后，想办法将各个模块的软件设计合并起来，组成一个总的软件设计。这样做的好处就是可以清楚的将软件设计的整体思路给体现出来，可以减少程序设计过程中可能遇到的逻辑问题，避免一些不必要的麻烦。本软件设计主要包括显示模块和传感器模块。软件设计框图如图2.1所示：图2.1软件设计框图主程序主要实现对每个子程序的调用，传感器数据接收子程序主要是获取传感器采集到的位移数据，oled显示子程序将采集到的位移数据显示出来。清零子程序实现清零功能。2.2程序流程图本设计分为数据接收、显示和清零这几个功能，将各个功能模块整合到一起后，就形成了一个完整的数显游标卡尺的软件设计。上电之后，程序就会开始运行，在完成初始化和oled显示屏清屏之后，传感器和显示屏就会开始工作，传感器采集到数据的数据通过串口开始发送给单片机，如果串口中断标志RI不等于1则返回上一步操作，如果串口中断标志RI等于1，则令中断标志RI=0，开始接收数据。如果接收到的数据不是回车符‘\r’，则返回上一步操作。如果接收到的数据是回车符，则将接收到的下一个字节送给数组RecBuf[R]。将接收到的第一个字节的对应字符显示到oled显示屏的最左边，将接收到的下一个字符显示到上一个字符的右边，以此类推直到显示完一组数据。