基于AT89S51單片機(jī)的角度測量儀的設(shè)計(jì)

本文分析了基于AT89S51 單片機(jī)的角度測量的硬件組成、電路設(shè)計(jì)原理。給出了主函數(shù)的工作流程和源代碼。設(shè)計(jì)樣機(jī)已通過多種環(huán)境實(shí)驗(yàn)的測試。

角度測量儀是某控制系統(tǒng)中瞄準(zhǔn)裝置的關(guān)鍵部件。在以往的控制系統(tǒng)中，多數(shù)都是僅憑設(shè)備操作人員眼睛瞄準(zhǔn)指定目標(biāo)，然后作出相應(yīng)的控制，這樣就帶來一系列問題，如操作人員的經(jīng)驗(yàn)、瞄準(zhǔn)裝置轉(zhuǎn)盤的空回都可能會(huì)嚴(yán)重會(huì)影響瞄準(zhǔn)目標(biāo)的精確程度，從而嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的精度。為了提高控制系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度，在控制系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)裝置中增加了角度測量儀部件，操作人員瞄準(zhǔn)目標(biāo)后的角度值能夠精確定量地顯示在操作面板上，幫助操作人員更加準(zhǔn)確地瞄準(zhǔn)目標(biāo)，因此，極大地提高了控制系統(tǒng)的控制精確度。

角度測量儀利用光電編碼器讀取角度值，采用AT89S51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)角度值數(shù)碼顯示、角度值偏差范圍的發(fā)光二極管指示功能(有三個(gè)指示燈，分別指示：偏高、偏低、適中)。不論在操作的復(fù)雜程度上還是在測量的精度上，都是傳統(tǒng)的眼瞄方法、刻度測量及標(biāo)識(shí)方法無法比擬的。

作為某控制系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)裝置的重要技術(shù)改進(jìn)，此儀器的應(yīng)用大大提高了控制系統(tǒng)瞄準(zhǔn)的精度，增加瞄準(zhǔn)偏差范圍的可讀性，淘汰了傳統(tǒng)的用刻度測量和標(biāo)識(shí)角度的方法，使該控制系統(tǒng)的整體性能得到了顯著提高。此外，該角度測量儀只要稍作改動(dòng)即可廣泛用于其它工業(yè)控制系統(tǒng)中。

1 硬件基本原理

首先，角度測量儀利用單片機(jī)讀取光電編碼器測出的角度值，再將角度值轉(zhuǎn)換成密位值并顯示在數(shù)碼屏上(注意： 密位(mil) 是一種角度單位，密位100 = 角度6°)。單片機(jī)判斷當(dāng)前角度值的偏差范圍，給出控制信號(hào)點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光二極管指示燈。此外，角度測量儀還可以通過控制面板上的開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)鏡照明和低溫環(huán)境下瞄準(zhǔn)鏡自動(dòng)除霜功能。單片機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)角度值數(shù)碼管顯示、角度值范圍的發(fā)光二極管指示。該系統(tǒng)的難點(diǎn)在于確保角度值轉(zhuǎn)換成密位值的轉(zhuǎn)換精度和系統(tǒng)在非常溫環(huán)境下的工作可靠性。

硬件分為以下幾個(gè)模塊：控制面板、單片機(jī)、光電編碼器、電源、數(shù)碼顯示器、發(fā)光二極管匹配指示裝置、周視鏡與直瞄鏡照明與除霜，如圖1所示。

1. 1 單片機(jī)的選用

首先，根據(jù)項(xiàng)目的需求分析可以得知單片機(jī)要完成的主要功能是：從光電編碼器(數(shù)據(jù)總線寬度是15 位) 讀取角度值后，將該角度值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的角度值比較，判斷瞄準(zhǔn)的角度值范圍，點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈。然后將從光電編碼器讀得的角度值轉(zhuǎn)換成密位值，發(fā)送給串行L ED 顯示驅(qū)動(dòng)器MAX7219 ,顯示在L ED 顯示器上。

從以上分析可以得知，適合此需求的單片機(jī)至少應(yīng)具備3 個(gè)8 位并行I/ O 端口(其中光電編碼器占用2 個(gè)端口，其它占用1 個(gè)端口) ,才能有效工作。眾所周知，產(chǎn)品的品質(zhì)等級(jí)通常分為三級(jí)：軍用級(jí)、工業(yè)級(jí)和商用級(jí)，其中，軍用級(jí)等級(jí)最高，商用級(jí)等級(jí)最低。由于此工業(yè)控制設(shè)備通常在戶外作業(yè)，工作環(huán)境比較惡劣，故單片機(jī)的品質(zhì)的等級(jí)也是需要考慮的一個(gè)重要因素。

目前，MCS - 51 系列單片機(jī)技術(shù)成熟，開發(fā)所用的教材和技術(shù)資料多，開發(fā)工具齊全，市場上產(chǎn)品種類豐富、性價(jià)比較高、購買容易，開發(fā)語言簡單易學(xué)(可以用匯編或C51) ,因此，該系列產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，經(jīng)久不衰。

經(jīng)過綜合考慮，單片機(jī)采用ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89S51 芯片(MCS - 51 系列單片機(jī)的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品) , 兼容MCS51 微控制器，4 K 字節(jié)FLASH 存貯器支持在系統(tǒng)編程( ISP) 1000 次擦寫周期，128 字節(jié)片內(nèi)RAM ,工作電壓4. 0 V 到5. 5 V ,全靜態(tài)時(shí)鐘0 Hz 到33 MHz ,三級(jí)程序加密，4 個(gè)8 位的可編程I/ O 端口，2/ 3 個(gè)16 位定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器，6/ 8 個(gè)中斷源，全雙工UART ,低功耗支持Idle 和Power down 模式，Powerdown 模式支持中斷喚醒，雙數(shù)據(jù)指針，上電復(fù)位標(biāo)志。ATMEL 公司生產(chǎn)的89 系列單片機(jī)在工業(yè)、交通、儀器儀表、自動(dòng)生產(chǎn)過程、航空、運(yùn)輸、汽車、家電等領(lǐng)域都有著極及其廣泛的應(yīng)用。所選型號(hào)為ATMEL 公司的AT89S51 - 24PI ,工業(yè)級(jí)。能適應(yīng)- 45 ℃~ + 80 ℃環(huán)境工作。

單片機(jī)的I/ O 端口資源分配是： P0 和P2口分配給光電編碼器，P1 口分配給顯示驅(qū)動(dòng)和匹配指示發(fā)光二極管控制以及MAX813.

1. 2 單片機(jī)主要外圍電路的設(shè)計(jì)

監(jiān)控電路：為了提高單片機(jī)在惡劣環(huán)境下的可靠性，必須采用μP 監(jiān)控電路來增加單片機(jī)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。硬件監(jiān)控電路有以下功能：(1) 上電復(fù)位：保障系統(tǒng)加電時(shí)能正確地啟動(dòng)。(2) 掉電復(fù)位：當(dāng)電源失效或電壓降到某一電壓值以下時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。(3)看門狗定時(shí)器：當(dāng)處理器遇干擾，程序運(yùn)行混亂產(chǎn)生"死鎖"時(shí)，對(duì)系統(tǒng)復(fù)位。此處采用MAXIM公司的軍用級(jí)芯片MAX813LMJA.

顯示驅(qū)動(dòng)電路： 為了節(jié)省單片機(jī)I/ O 口資源，降低單片機(jī)的計(jì)算量，選用串行L ED 顯示驅(qū)動(dòng)器MAX7219. 它能控制8 位共陰級(jí)L ED 數(shù)碼管，具有16 級(jí)亮度控制、譯碼靈活，上電發(fā)光二極管全熄、只占用三根單片機(jī)I/ O 口線等優(yōu)點(diǎn)。

單片機(jī)及主要外圍電路的原理如圖2 所示。

1. 3 單片機(jī)與外圍器件的數(shù)據(jù)通信

單片機(jī)與光電編碼器：因?yàn)楣怆娋幋a器獲得角度值的速度遠(yuǎn)大于單片機(jī)的工作速度，所以，單片機(jī)可以認(rèn)為光電編碼器上的數(shù)據(jù)總是處于"準(zhǔn)備好"狀態(tài)，單片機(jī)隨時(shí)可以讀取有效數(shù)據(jù)，16 位的角度值分成高8 位和低8 位兩次讀取，它們之間的數(shù)據(jù)是并行無條件傳送。

單片機(jī)與MAX7219 :從單片機(jī)和MAX7219的工作速度來看，CPU 兩次發(fā)送數(shù)據(jù)給MAX7219 的時(shí)間間隔，足以保證單片機(jī)訪問MAX7219 時(shí)，MAX7219 總是處于"準(zhǔn)備好"狀態(tài)。而MAX7219 又是串行L ED 顯示驅(qū)動(dòng)器，因此，單片機(jī)與MAX7219 的數(shù)據(jù)傳送是串行無條件傳送。

單片機(jī)與MAX813 :因?yàn)閱纹瑱C(jī)向MAX813發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MAX813 只等待接收單片機(jī)的初始化數(shù)據(jù)而并無其它的工作其工作速度足夠快，可以認(rèn)為MAX813 總是處于"準(zhǔn)備好"狀態(tài)。因此，單片機(jī)與MAX813 的數(shù)據(jù)傳送也是串行無條件傳送。

2 軟件設(shè)計(jì)原理

角度測量儀啟動(dòng)工作后，單片機(jī)的工作過程是：系統(tǒng)啟動(dòng)后，初始化外部看門狗，初始化顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219 ,給看門狗計(jì)數(shù)器賦初值，讀取光電編碼器獲取的角度值，當(dāng)角度偏差值處在某一特定范圍時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)點(diǎn)亮與該范圍相對(duì)應(yīng)的指示燈，將當(dāng)前的角度值轉(zhuǎn)換成密位值顯示在數(shù)碼屏，又重新給看門狗計(jì)數(shù)器賦初值，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。主函數(shù)的工作流程如圖3 所示。

請注意，流程圖中，帶雙線邊的矩形框表示該部分為函數(shù)。在本課題的軟件設(shè)計(jì)中，采用了C51 編程語言，因?yàn)橛肅51 編程不僅效率高，而且可讀性很強(qiáng)。

下面給出主函數(shù)的源代碼。

void main (void)

{

WDI = 0 ; / / 初始化看門狗

InitMax7219 () ; / / 初始化MAX7219 的函數(shù)

while (1) {

WDI = 1 ; / /"喂狗"

WDI = 0 ; / /"喂狗"

GetAngle () ; / / 讀角度值的函數(shù)

MachView() ; / / 指示燈匹配顯示的函數(shù)

GetMil () ; / / 計(jì)算密位值的函數(shù)

DisplayMil () ; / / 顯示密位的函數(shù)

}

}

在主函數(shù)調(diào)用的幾個(gè)函數(shù)中，InitMax7219() 的功能是初始化L ED 顯示驅(qū)動(dòng)器MAX7219 ,單片機(jī)向MAX7219 發(fā)送消影控制、亮度、掃描范圍、譯碼方式信息。

GetAngle () 的功能是從光電編碼器讀角度值，先讀高8 位，再讀低8 位，然后將高8 位和低8 位合并，最后舍去最低位(光電編碼器的有效數(shù)據(jù)是15 位) .

MachView() 的功能是角度偏差指示燈匹配顯示，將該角度值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的角度值比較，判斷瞄準(zhǔn)的角度值是偏高、偏低還是適中。如果角度值偏高，那么單片機(jī)就發(fā)出控制命令，使偏高指示燈亮，如果偏低，則令偏低指示燈亮，否則令適中指示燈亮。

值得注意的是，計(jì)算密位值的函數(shù)GetMil() 的代碼編寫，要考慮角度的轉(zhuǎn)換精度，在本課題中，采用了C51 中的long 型變量來分別存放密位的整數(shù)和小數(shù)部分，并將角度的小數(shù)部分放大十萬倍后參加運(yùn)算，保證轉(zhuǎn)換精度。

DisplayMil( )的功能是驅(qū)動(dòng)MAX7219 顯示密位。首先顯示密位，判斷此角度是否進(jìn)入預(yù)設(shè)區(qū)，如果是，熄滅符號(hào)燈，各位顯示"0";如果沒有，判斷角度值是否為負(fù)，如果是，顯示負(fù)號(hào)，如果是正，不顯示負(fù)號(hào)，然后將角度值顯示在L ED顯示屏上。

3 結(jié)束語

為了使角度測量儀能在各種可能的惡劣環(huán)境下(如高溫、低溫、振動(dòng)等環(huán)境) 正常工作，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，要著重考慮的問題是硬件的可靠性和軟件的可靠性。設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)如下： (1)電源芯片的額定功率選擇要留有余量。(2) 元器件選擇工業(yè)級(jí)或軍用級(jí)產(chǎn)品。(3) 采用硬件看門狗方案，防止單片機(jī)程序鎖死。本課題設(shè)計(jì)的樣機(jī)已處于測試階段，目前已通過了常溫和多種環(huán)境試驗(yàn)的測試。