【正文】 2021 屆測控技術與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 40 。趙凱老師對我嚴格要求，悉心指導，是我的理論水平和科研實踐能力有了很大的提高。 參考文獻 [1] 尚成文 ,王德山 . 傾角傳感器在就車式制動盤車床上的應用 , 機械工程師 , 2021 年第 1 期 2021 年 11 月 . [2] 高國偉 . 傾角傳感器 , 傳感器系列講座 Senor Information Network。 本設計應該還有很多的不足之處，希望老師給予指正修改。硬件方面，在電路設計過程中怎么樣才能最好最優(yōu)的去處理系統(tǒng)帶來的誤差和噪聲方面，誤差方面包括線性誤差和非線性誤差，以及對這兩種誤差的處理怎么改進，更需要深層的研究。 在作此課題期間，感覺體統(tǒng)的難點 在于其整個理論知識背景繁多，經(jīng)驗性和實踐性都要求很強。設計中的器件選型過程中，在保證達到相關參數(shù) 要求時，要盡量選擇使用廣泛的、供貨方便的型號，也有利于減少系統(tǒng)的設計成本。在設計原理圖時，要詳細了解主芯片的工作性能和引腳連接，要在設計中盡量減少不必要的失誤和誤差。最后就系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集中的誤差分析做了部分介紹， 同時還參與了電路板的焊 接制作和數(shù)據(jù)采集的過程。重點介紹了各個模塊的 功能和設計方法， 包括傾角信號采集、信號處理、模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換、信號類型轉(zhuǎn)換等幾個過程。 根據(jù)老師的要求 完成了 LCF100 高精度傾角傳感器的電路芯片選擇 ，為搭建系統(tǒng)的硬件平臺做了準備。 總結 微電子技術、計算機技術和通信技術的飛速發(fā)展使傳感器傾角采集儀器更新速度越來越快，但是由于各方面的限制，對于傾角的測量精度還不是很高。但用實驗板演示不會出現(xiàn)閃爍混亂的現(xiàn)象。在此過程中，由于是使用仿真軟件進行系統(tǒng)模擬，其閃爍時的延時時間不好確定，所以，在調(diào)試過程中，數(shù)碼管閃爍不是很明顯 。當設置完成后，按“停止”按鍵，數(shù)碼管停止閃爍，秒開始閃爍。當發(fā)現(xiàn)時間或日期有誤時，可以通過按鍵“時鐘設置鍵”來 設置時間、日期。此外，剩下的六種不常用的服務用語都用一個按鍵控制，每按一次，數(shù)碼管顯示累加一次，從四到九。然后配合起步 /到站鍵找到正確的站次。若所報的站次是相反行程的站次，則可以按上 /下行按鍵進行正反程切換，此按鍵操作后，第一組 數(shù)碼管將顯示 01，即從第一站開始報站。第一組數(shù)碼管：用來顯示站次，若按下起步 /到站按鍵，則第一組數(shù)碼管的顯示從 1 開始累加一直到 21，而且公交車報站時包括進站和出站兩部分內(nèi)容，需要報兩次，但站次只有一個，所以，此按鍵按兩下數(shù)碼管累加一次。用作顯示站次的數(shù)碼管（第一組）、服務語的數(shù)碼管（第二組）均顯示初始狀態(tài) 0，而時鐘顯示部分（第三組）則顯示 DS1302 提供的時間信息，而且2021 屆測控技術與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 36 秒在按正常時間閃爍。 系統(tǒng)總體演示 Proteus 仿真調(diào)試 本畢業(yè)設計在完成硬件和軟件的設計后，首先對系統(tǒng)的功能進行了Proteus 仿真調(diào)試。 在完成硬件電路制作、軟硬件調(diào)試和系統(tǒng)性能總體優(yōu)化設計的過程中做了一些仿真實驗和實物實驗，并取得了顯著的效果，主要表 現(xiàn)報站器站次和服務語的顯示設計，系統(tǒng)功能的整體優(yōu)化設計，對時鐘的軟件與硬件顯示設計等方面。期間，依次完成了硬件電路設計、軟件設計 ，仿真調(diào)試 。所有數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換完畢后 ES 置 1 開啟串口中斷結束信號轉(zhuǎn)換。傾角信號轉(zhuǎn)換顯示完畢后便得到了 LCF100 高精度傾角傳感器測得的儀器傾角信號 。之后關閉串口中斷，令 串口中斷源置為標志 TI為 1，串行口發(fā)送 /接受數(shù)據(jù)后自動置位并請求中斷。 date=date1 *256+date2； Vol=*（其中 Vol為轉(zhuǎn)換后的 422 總線信號， date1 是 AD7701 發(fā)送的第一個字數(shù)據(jù)， date2是 AD7701 發(fā)送的第二個字數(shù)據(jù)）。發(fā)送完 ES 為 1開啟串口中斷。首先，通過給T3CON 賦初值 0X8 T3FD 賦初值 0X00 設置單片機接受 AD7701 數(shù)據(jù)波特率為 6400， ES為 0關 閉串行口中斷， 當 AD7701 的 DRDY 為 1 時 表示 A/D 未 準備好發(fā)送數(shù)據(jù)，并通知單片機； CS 為 0 AD7701 不發(fā)送數(shù)據(jù)，只有當串行口中斷 置位標志 RI不為 0且片選段 CS為 上升沿 時 AD7701才發(fā)送一個數(shù)據(jù)并請求中斷，這樣第一個字數(shù)據(jù) 通過緩存寄存器 SBUF 發(fā)送成功 。只要硬件和軟件設計得當，理論上 A/D 轉(zhuǎn)換完全能夠達到精度要求，但實際情況比它略小。 系統(tǒng)初始化流程圖 設內(nèi)核頻率 允 許 422總線接受發(fā)送 串口方式 1 裝初值 開總中斷 開串口中斷 開始 結束 2021 屆測控技術與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 31 AD7701A/D 轉(zhuǎn)換 程序設計 在用到 A/D 轉(zhuǎn)換結果時要注意 ADUC845 單片機的 A/D 原始轉(zhuǎn)換結果，由于精 度干擾的原因，有時候會達不到 16位的精度要求，為了使系統(tǒng)得到高精度數(shù)據(jù)，不但在硬件上需要采取措施提高精度， 如對用電電源穩(wěn)壓、對信號進行濾波、采取高精度、高穩(wěn)定性的穩(wěn)定性的基準源。 設置一個無字符型整數(shù) OXFF，當輸入 0XFF 時開始進行傾角數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換，傾角信號經(jīng) AD7701 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后， MAX491開始把傾角信號轉(zhuǎn)換為 422 總線信號，最后將無字符整型數(shù)置 0 結束數(shù)轉(zhuǎn)2021 屆測控技術與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 29 換。 根據(jù)單片機、 AD7701 和 MAX491 的引腳功能進行程序設計， 盡量發(fā)揮 各自 其資源優(yōu)勢，使系統(tǒng)達到最優(yōu)化。這樣能使設計思路清晰、移植性強，在調(diào)試軟件時容易發(fā)現(xiàn)和改正錯誤，降低了軟件調(diào)試的難度。 軟件設計的 總體思路及框架 程序的設計直接決定了系統(tǒng)的工作性能的優(yōu)劣，好的程序能夠充分發(fā)揮硬件的性能。一般來說， C 語言的代碼效率不如匯編語言代碼，但是匯編語言比較復雜，一般不同公司的芯片語言代碼不同，匯編語言語言開發(fā)產(chǎn)品周期長，可讀性和可移植性都差。 軟件設計原則和編程方法 再設計系統(tǒng)軟件時，應充分保證該系統(tǒng)具有可靠、功能完整和可充性好的特點。各個元器件在實驗板上的具體位置參見附錄。此外，應盡量將連接線布置整齊，若系統(tǒng)功能出現(xiàn)錯誤，容易查找并進行修正。 AD7701 布置 在電路板左上角。在實驗焊接過程中，要注意實驗板已連通的地方，防止短路。 該 傳感器電路 設計的功能調(diào)試對 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 、 數(shù)據(jù)傳輸調(diào)試 。 實驗板設計 通過前期的一系列工作，硬件電路原理圖的設計已經(jīng)完成，并對其進行了詳細的描述。該電源得給 電路中 所有的模塊供電，各芯片所需驅(qū)動電壓為 5V， 本設計采用的是２８Ｖ的電壓源通過ＷＲＡ２４０５ＣＫＳ－１Ｗ模塊得到了５Ｖ的電壓源，能滿足各個芯片的需求。另外在接地端口還用到了 10uF 的電容 C1 C1 C16使電壓電路比較穩(wěn)定，提高精度。 2021 屆測控技術與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 25 系統(tǒng)供電電源電路設計 系統(tǒng)供電電源用到了 DC28v 的交流電源，對于本次電源設計電路主要是兩部分 LCF100高精度傾角傳感器電路電源設計和電路各個芯片的 電源電路設計。Ａ 同相 接收器輸入 和 Ｂ 反相接收器輸入 分別接 422BUS 的1 端口， A 與 B 間接了一個 R5 電阻其阻抗等于傳輸電纜的阻抗特性，實現(xiàn)了遠距離傳輸。 GND 接地。如果 RE 是低電平驅(qū)動輸出啟動， 即使他們是高阻抗， 他們的部分線路驅(qū)動的功能也能啟動。當 RE 是低電平時Ro 能夠正常工作，當 RE 是高電平時 RO 進入高阻態(tài)。 MAX491 參數(shù)如下表所示： 2021 屆測控技術與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 24 MAX491 的 RO 接收器輸出腳接單片機的 串行輸入， IfAB200mV RO 將被置高電平，如果 AB200mA， RO 將被置低電平。有電壓源提供給 MAX491 5V的電壓。 在本設計中選擇了 MAX491 進行信號轉(zhuǎn)換。在矩距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在 300 米以下不需終接電阻。一般 100 米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為 1Mbps。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在 100Kbps 速率以下，才可能達到最大傳輸距離。 RS422 四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數(shù)據(jù)方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（ XON/XOFF 握手 ）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）實現(xiàn)。 數(shù)字電源電路 模擬電源電路 允許訪問電外程序電路 信號傳輸單元電路設計 2021 屆測控技術與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 23 單片機發(fā)出的是 TTL 信號不利于遠距離傳輸，也不能被大多數(shù)的顯示設備接收，因此，需要將 TTL 信號轉(zhuǎn)換成 422 總線信號。本次設計將 PSEN 接 P1 且并上一個 1K 的電阻 。 復位電路原理圖 晶振電路原理圖 2021 屆測控技術與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 22 其他外設電路設計 ADUC845 芯片的 48 腳 、 34 腳、 20 腳接數(shù)字電壓源， 5 腳接模擬電壓源，在管腳 4 管腳 3 管腳 管腳 5 處給電壓源接口處并上一個 電容 用作去耦 。與 32MHZ晶振匹配的典型電容值為30pF。本次設計為了單片機工作周期容易計算，采用 32MHZ的晶振。 2021 屆測控技術與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 21 并行擴展接口設計 如圖所示單片機的并行擴展口 ALE 接 12 位并行計數(shù)器 CD4040 的 Q8腳，當單片機給 ALE 低電平時， ALE 輸出 8 位地址總線鎖存控制信號，提供給 CD4040 六分之一的分頻信號，經(jīng) CD4040 再次分頻 256 得到了分頻 脈沖 來控制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換芯片 AD7701， AD7701 根據(jù)控制信號的內(nèi)容來實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換并傳送給單片機，實現(xiàn)了循 環(huán)控制。為了使每次都能使系統(tǒng)可靠復位，本設計采用了具有上電復位和手動復位的電路，由電容串聯(lián)電阻并在電容上并接復位按鍵 構成，用來完成復位功能，當系統(tǒng)上電或復位鍵按下后， RST 引腳均會出現(xiàn)高電平，高電平持續(xù)時間由電路的 RC 值決定。 復位電路設計 復位的作用是使系統(tǒng)在硬件或軟件故障時恢復初始狀態(tài)。 ADUC 單片機 只需一根 RS232 串口通信線，就能夠進行在系統(tǒng)調(diào)試、下載程序（固化），特別適合開發(fā)新產(chǎn)品、在現(xiàn)場升級和修改， 無需專門的電平轉(zhuǎn)換電路，單片機串行數(shù)據(jù)接口 RXD、 TXD 直接和 AD7701 和 MAX 公司生產(chǎn)的電平轉(zhuǎn)換電路相連。 串行通信接口電路設計 EIARS232 標準是由美國電子工業(yè)協(xié)會 (EIA)制定的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標準。 [馬瑞 10] 本次 高精度傳感器 LCF100的電路 設計其技術指標主要是 數(shù)據(jù)采集的高精度 硬件電路設計 、 信號傳輸控制的 硬件電路設計 和 實物調(diào)試。 MSP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。 主要性能參數(shù) [14]： 4KB 可編程 Flash 內(nèi)存（可擦寫 1000 次） 三級程序內(nèi)存保密 靜態(tài)工作頻率 : 0Hz24MHz 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM 2 個 16 位定時 /計數(shù)器 一個串行通訊口 6 個中斷源 2021 屆測控技術與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 20 32 條 I/O 引線 一個片內(nèi)時鐘振蕩器 此外，美國 TI 公司產(chǎn)品 MSP430 系列單片機也是個不錯的選擇。 AT89C51 單片機 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，其管腳圖如圖 7 所示。 （ 3）豐富的串口和其他外設，即同時具有 UART、 SPI、 I2C 串口。 （ 2） 只需一根 RS232 串口通信線，就能夠進行在系統(tǒng)調(diào)試、下載程序（固化），特別適合開發(fā)新產(chǎn)品、在現(xiàn)場升級和修改，也特別方便單片機的學習。 4KB 片內(nèi)閃速 /電擦除數(shù)據(jù)存儲器（可擦寫 10 萬次） 64k 字節(jié)片內(nèi)閃速 [12]。 圖 13 、 ADuC845 芯片 由于 ADuC845 芯片功能較多，以備在設計過程中功能的擴展等需要，ADI公司出品的最新型 ADuC845 系列單片 機具有高達 24位分辨率的高精度 ADC、 12 位 DAC 和獨一無二的在電路可調(diào)試、可下載的特點，特別適合于各種測控系統(tǒng)和儀器儀表中使用。 ADuC845 芯片 簡單 介紹如下 ： 2021 屆測控技術與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 18 美國模擬器件公司 (ADI)發(fā)布 的 一款 MicroConverter 數(shù)據(jù) 采 集 與 處 理 系 統(tǒng) 芯 片(SoC)ADuC845，其管腳圖如圖 6 所示。報站器系統(tǒng)硬件部分的總體設計首先應選擇好性價比高的 CPU芯片，然后在其基礎上擴展，選擇其他的元器件，設計出與其相配套的電路部分，經(jīng)調(diào)試后組成硬件系統(tǒng)。 SCLK 串行時鐘輸入 /輸出端口接 CD4040 的 Q8 引腳，AD