基于單片機的光纖智能位移計

1、分類號：TM93 編號：BY 15 6119 13/14/2 12-1002沈陽化工大學本科畢業(yè)論文 題 目：基于單片機的光纖智能位移計 院 系： 專 業(yè)： 班 級： 學生姓名： 指導教師： 論文提交日期：2014年06月23日 論文答辯日期：2014年06月25日論文獨創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：此處所提交的學位論文是本人在導師指導下，在沈陽化工大學本科畢業(yè)環(huán)節(jié)獨立進行研究工作所取得的成果。據(jù)本人所知，論文中除已注明部分外不包含他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究工作做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式注明。本聲明的法律結果將完全由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日關于學位論

2、文使用授權的說明本論文的研究成果歸沈陽化工大學所有，本論文的研究內容不得以其它單位的名義發(fā)表。本學位論文作者和指導教師完全了解沈陽化工大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權沈陽化工大學可以將論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索、交流，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文和匯編本學位論文。（保密的論文在解密后應遵循此規(guī)定）作者簽名： 導師簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)設計（論文）任務書專業(yè)班學生：畢業(yè)設計（論文）題目： 基于單片機的光纖智能位移計 畢業(yè)設計（論文）內容： 以單片機AT89C52為基

3、礎 ,加以A/D轉換，聲光報警以及按鍵和顯示等外圍器件，設計一款應用于微小距離測量的光纖智能位移計。畢業(yè)設計（論文）專題部分：1、智能位移計的硬件設計2、智能位移計的軟件設計3、應用proteus進行仿真調試 起止時間： 2014 年 3 月- 2014 年 6 月指導教師： 簽字 年 月 日教研主任： 簽字 年 月 日學院院長： 簽字 年 月 日摘要目前有很多位移測量的方法，光纖測位移測量是眾多位移測量方法中發(fā)展較快、應用較多的一種。其中，反射式光纖測位移是發(fā)展較早且技術相對成熟的一種，選用此原理制成的光纖位移傳感器具有抗電磁干擾能力強、靈敏度高、結構簡單、體積小、質量輕、耐腐蝕、防爆等一系

4、列獨特的優(yōu)點1。因此，本設計采用反射式光纖位移傳感器，制成專用于微小距離測量的光纖智能位移計。系統(tǒng)的設計主要分為兩部分，第一部分為硬件電路的器件選取與設計，第二部分為軟件整體設計與具體程序編寫與調試。其中，硬件電路選用了AT89C52單片機作為系統(tǒng)的控制中心，通過數(shù)據(jù)采集電路對位移量進行實時采集、通過MCP3001A/D轉換電路對采集的模擬信號進行轉換，通過LCD1602進行提示信息與數(shù)據(jù)的顯示，通過行列式鍵盤實現(xiàn)人對光纖智能位移計的控制，同時還設計有上下限報警電路和獨立復位按鈕等。軟件設計中，整體采用模塊化設計，主要劃分為按鍵處理模塊、A/D轉換部分、數(shù)據(jù)處理部分、LCD顯示部分等。其中，每

5、種模塊在設計時又均采用子程序調用的方法，從而使得軟件的編程更加高效、精簡。同時采用C語言進行程序編寫，大大增加了程序的可讀性，使得軟件調試變得較為方便。本設計主要采用PROTEUS進行硬件的設計及其仿真，采用Keil進行程序編寫。在設計中，首先進行PROTEUS中的硬件系統(tǒng)搭建，在搭建完成后進行仿真運行，檢查硬件系統(tǒng)搭建是否合理。在硬件搭建合理的前提下，閱讀相關芯片的編程學習資料，并運用C語言在Keil中進行模塊化程序設計。在每部分的軟件編程完成后，都運用PROTEUS與Keil進行聯(lián)合調試，確保其能完成設計所需的功能。為了使調試更加直觀簡便，在調試的過程中，我們按照顯示部分、按鍵部分、A/D

6、轉化部分、數(shù)據(jù)采集的順序進行，后面的部分以前面的部分為基礎。整個設計完成后進行了軟硬件的聯(lián)合調試，最終實現(xiàn)了對位移的實時測量。關鍵詞： 單片機； 光纖位移傳感器； 位移測量； PROTEUSAbstractThere are a lot of displacement measurement method, optical measuring displacement measurement is one of many displacement measurement method development faster, more a kind of application. Among t

7、hem, the reflective fiber optic displacement measurement technology is relatively mature, and the older one, the use of fiber optic displacement sensor made of this principle has a strong anti-electromagnetic interference capability, high sensitivity, simple structure, small size, light weight, corr

8、osion resistance, a series of unique advantages, such as proof. Therefore, the design uses fiber optic displacement sensor dedicated to the small distance measurements made fiber intelligent displacement meter.Design of the system is divided into two parts, the first part of the device to select and

9、 design the hardware circuit, the second part is the overall design and specific software programming and debugging.Among them, the choice of hardware circuit AT89C52 microcontroller as the system control center, data acquisition circuit for displacement of real-time acquisition, through MCP3001A /

10、D converter circuit for converting the analog signal acquisition, through prompt LCD1602 display information and data through determinant keyboard to achieve controlled displacement meter for fiber smart, but also the design of the circuit and a separate upper and lower alarm reset button.Software d

11、esign, the overall modular design, mainly divided into key processing module, A / D conversion section, data processing, LCD display section and so on. Where each module are used in the design time and method of subroutine calls, making programming software more efficient, streamlined. While using t

12、he C programming language, which greatly increases the readability of the program, making the software debugging becomes more convenient.This design uses PROTEUS hardware design and simulation, using Keil for programming. In the design, first PROTEUS hardware system construction, built after the com

13、pletion of the simulation run, check the hardware system set up is reasonable. In the case of hardware to build a reasonable premise, Read chip programming learning materials, and the use of C language program in Keil in modular design. After the completion of each part of software programming, all

14、using PROTEUS with Keil joint commissioning, ensure that it can complete the design of the required functionality. In order to make more intuitive and easy to debug, debugging process, we follow the display section, the key part, A / D conversion section, the order of data acquisition, with the back

15、 part of the front part of the foundation. After the completion of the entire design of the joint commissioning of hardware and software, and ultimately achieve real-time measurement of displacement.   Key words: microcontroller ; fiber optic displacement sensor ; displacement measure

16、ment ; PROTEUS 目錄第一章 緒論11.1單片機的概述11.2 光纖智能位移計的研究意義、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢11.2.1 研究意義11.2.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀21.2.3 發(fā)展趨勢21.3 光纖測位移研究的目的及其可行性31.4 光纖位移計研究的內容3第二章 光纖智能位移計的測量原理52.1 結構原理52.2 光纖位移傳感器原理62.3 設計的工作原理62.4 光纖位移計的工作流程7第三章 光纖智能位移計的硬件設計83.1 器件選取及介紹83.1.1 器件選擇83.1.2 AT89C52介紹83.1.3 LCD1602介紹93.1.4 MCP3001介紹103.2 硬件接線圖103.2

17、.1 AT89C52最小系統(tǒng)103.2.2 LCD1602接口電路113.2.3 MCP3001接口電路113.2.4 鍵盤接口電路123.2.5 報警電路123.2.6 總體硬件電路圖13第四章 光纖智能位移計的軟件設計144.1 主程序設計144.2 LCD1602程序設計144.3 鍵盤處理程序154.3.1 hitkey（）函數(shù)164.3.2 鍵值掃描174.3.3 鍵值跳轉174.4 具體按鍵對應子函數(shù)184.4.1 設定鍵184.4.2 上限鍵、下限鍵194.4.3 增加鍵、減少鍵204.4.4 左移鍵、右移鍵214.4.5 測量（mm）鍵、測量（cm）鍵224.5 MCP3001

18、讀取22第五章 運行結果及分析23第六章 調試過程中所遇問題及其解決306.1 硬件問題及解決306.2 軟件問題及解決306.2.1 按鍵程序306.2.2 LCD顯示程序306.2.3 整體調試30總結31參考文獻32致謝33附錄34沈陽化工大學學士學位論文附錄第一章 緒論1.1單片機的概述21世紀是一個信息化的時代，在信息化的快速發(fā)展中，單片機技術做出了不可磨滅的貢獻。單片機的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了相當漫長的過程，在這漫長的過程中也形成了其獨特的優(yōu)點。目前，市面上的單片機大多具有，硬件體積小、使用可靠性高、功耗低、控制功能強大、價格便宜等優(yōu)點2。憑借其獨特優(yōu)點，單片機的使用范圍正在逐漸擴大，當前

19、在所有工業(yè)領域幾乎都有著單片機的應用，從生產(chǎn)中使用的智能儀表，工業(yè)控制如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機通信系統(tǒng)、分布式控制總線到生活中使用的智能家電、智能辦公設備、以及家用電氣和智能汽車設備等，都可以看到單片機的身影3。而近年來，隨著人們對傳感器智能化需求的不斷提高，將單片機技術應用于傳感器的設計成為近幾年傳感器的重要研究方向。當下，隨著傳感器對半導體硅片材料需求的增加，單片機技術與傳感器的結合已經(jīng)成為一種不可阻擋的趨勢4。1.2 光纖智能位移計的研究意義、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1 研究意義本設計研究的目的在于開發(fā)一種能用于測量微小位移的光纖智能位移計，該位移計可以通過硬件和軟件方法去除各種干擾信號，并

20、且能夠將有效的微弱信號提取出來加以放大，從而使其達到預定精度，經(jīng)過相應的數(shù)據(jù)處理后，顯示出高精度的測量結果。光纖智能位移計作為一種新型傳感器，在許多領域顯示出強大的生命力，它具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、抗電磁干擾、與電隔離安全級別高和適應惡劣環(huán)境能力強等一系列優(yōu)點，正受到工程應用領域越來越多的青睞5，這種通過研究升級，由傳統(tǒng)的位移測量系統(tǒng)改良而成的光纖智能位移測量系統(tǒng)目前具有很廣闊的開發(fā)前景和應用前景。另外，這種光纖智能位移計具有很大的潛在應用環(huán)境，可以廣泛的應用于計算機磁盤驅動，航空，電子汽車工業(yè)等領域6。在復雜運動分析方面，如微機械運動液壓步進電機機械振動脈沖的位移與波形滾動軸承性能的測量；在

21、高頻測量方面，如超聲波裝置部件的振幅測量，聲吶變換器的位移頻率的波形的測量；在非接觸震動分析方面，如磁盤讀寫頭的位置測量等方面都具有廣闊的應用前景7。光纖智能位移計能用在許多傳統(tǒng)位移測量計所不能及的方面，并且具有簡潔的測量方式和較低的成本；與此同時，它還具有良好的人機交互。因此可以斷定，在以后的微小位移測量領域，這種光纖智能位移計將會占有重要一席。1.2.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀雖然早在二十世紀70年代末期就有光線傳感器的報道，但大量研究是在二十世紀80年代末才開始的。20世紀90年代初，由于技術不成熟、可靠性不高等原因，只有少數(shù)光纖傳感器在市場上出現(xiàn)8。另外由于早期的光纖傳感器失效批量生產(chǎn)，性價比

22、也相對較低。在此之后，隨著光纖技術的不斷發(fā)展，光纖傳感器不斷走向商業(yè)化，目前世界上已有許多廠家在生產(chǎn)各類光纖傳感器。作為高技術的重要組成部分，光纖傳感器的發(fā)展水平已經(jīng)成為綜合國力的重要體現(xiàn)9。美國是世界上最早研究光纖位移傳感器的國家，也是發(fā)展水平最高的國家，在軍事和民用領域的應用方面，進展都十分迅速。目前，除美國之外的許多發(fā)達國家在光纖傳感器的應用方面發(fā)展也很迅速，并且許多傳感器早已在軍事和民用上得以成功應用10。在光纖傳感器的研究上，我國的起步時間與國際相差不遠，自20世紀80年代初就開始了11。目前，我國已有上百個單位在這一領域開展工作，取得了一個又一個成果，其中相當數(shù)量的研究成果具有很高

23、的實用價值，有的達到世界先進水平。但比起發(fā)達國家來，我國還有許多不及之處，我國的大多數(shù)產(chǎn)品處在實驗室研制階段，還沒有投入工廠進行批量化生產(chǎn)，也沒能工程化應用12。1.2.3 發(fā)展趨勢由于其獨特優(yōu)勢，光纖傳感器已進入實用化階段，已成為傳感領域的一個新生分支。光纖傳感器不但在新興的高、精、尖領域得到應用，在傳統(tǒng)的工業(yè)領域中其發(fā)展也是異常迅速；其具有強大的生命力，本身產(chǎn)品不斷推陳出新，一定程度上推動了科學技術的發(fā)展13。盡管如此，光纖傳感器仍然不能完全滿足實際需要，還存在著許多有待解決的問題，需要科技人員的不斷努力。如光纖傳感器的輸出信號有時會受到探測器老化和管線傳輸損耗變化的影響，有時會受到組成光

24、纖傳感器的本身性能對測量精度的影響，有時還會受到光源波動的影響等14。在未來，除了認真研究光纖傳感器的各部分元件的性能，改進敏感原件的制作工藝及結構，探索新的敏感機理外；如何充分發(fā)揮微處理技術和計算機軟件功能來改善和補償光纖傳感器的性能，發(fā)展數(shù)字化、集成化、自動化、工程化的新型光纖傳感器，研制出適合于網(wǎng)絡化應用的光纖傳感器陣列及特殊測量要求的新型光纖傳感器是一種不可阻擋的趨勢15。未來光纖傳感器將主要沿著多參量實時化、 陣列化、網(wǎng)絡化、易于構成分布式監(jiān)測系統(tǒng)、高精度實用化、全光纖微型化等方向發(fā)展16。1.3 光纖測位移研究的目的及其可行性作為選擇使用的傳感器，光纖傳感器可與很多種測量技術組合，

25、其潛在意義相當明顯。位移測量在航空航天、軍事器械以及工業(yè)生產(chǎn)過程中起著十分重要的作用，光纖傳感器的誕生會給各種職能儀器的產(chǎn)生和發(fā)展起到推進的作用。本畢業(yè)設計利用單片機的優(yōu)點將傳統(tǒng)的位移測量系統(tǒng)改良成為光纖智能位移測量系統(tǒng)，設計一個能對位移信息進行實時數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)顯示，并可以設定閥值具有報警系統(tǒng)的智能位移計。單片機技術及光纖位移傳感器技術的飛躍化發(fā)展使得研制這樣一款智能化的光纖位移計成為可能。單片機作為一門專業(yè)選修，在大學的學習中已經(jīng)具備了初步的自學和應用能力；除此之外，目前市場上已經(jīng)存在類似的智能位移計，這將能夠為本設計提供一定的思路。介于以上兩點，利用大學最后的幾個月時間來完成這

26、樣一個光纖智能位移計是完全可以實現(xiàn)的。1.4 光纖位移計研究的內容在對光纖位移特性研究的基礎上，本設計中設計了基于單片機的光纖智能位移計的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，并對硬件部分和軟件部分進行了聯(lián)合調試。硬件設計的總體目標是在完成設計目的的同時，追求結構簡單、成本合理，功能完善。在硬件電路的設計中，本畢業(yè)設計采用AT89C52作為系統(tǒng)控制核心，MCP3001作為串行A/D轉換芯片，行列式鍵盤作為人機交互部分，LCD1602作為顯示部分。在軟件設計中，本畢設采用模塊化程序設計思想，將軟件分為主程序模塊、LCD顯示模塊，按鍵處理模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊，每個模塊又由若干小模塊組成。對軟件部分采用這種模塊化處

27、理方式具有多種優(yōu)點，一方面能使軟件的結構清晰，另一方面有利于軟件的調試和修改。除此之外，本論文分析了設計過程中存在的一些現(xiàn)象和問題，并針對此做出了相應的改進。最后，由于能力有限，本論文還列出了設計中未解決的問題。55第二章 光纖智能位移計的測量原理2.1 結構原理反射式光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器。其原理如圖2-1所示：光纖采用型結構，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖16。光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射片，再被反射到接收光纖，最后由光電轉換器接收，轉換器接受到的光源與反射體表面性質、反射體到光纖探頭距離有關17。當反射表面位

28、置確定后，接收到的反射光光強隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當光纖探頭緊貼反射片時，接收器接收到的光強為零18。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強逐漸增加，到達最大值點后又隨兩者的距離增加而減小。圖2-2所示就是反射式光纖位移傳感器的輸出特性曲線，利用這條特性曲線可以通過對光強的檢測得到位移量。圖2-1 反射式位移傳感器原理圖2-2 反射式光纖位移傳感器輸出特性光纖位移傳感器的位移、輸出電壓特性曲線呈如圖2.2所示的拋物線形，由圖可以看出，其輸出曲線有一個前坡和一個后坡。兩個坡的線性都很好，頂部域線性很差，因此可以利用其線性較好的前后坡進行測量，目前國內外所使用的光纖位移

29、傳感器僅僅是利用其線性較好的前坡19。2.2 光纖位移傳感器原理本設計采用的是傳光型光纖，它由兩束光纖混合后，組成Y型光纖，半圓分布即雙D型一束光纖端部與光源相接發(fā)射光束，另一束端部與光電轉換器相接接收光束。兩光束混合后的端部是工作端亦稱探頭，它與被測體相距X，由光源發(fā)出的光纖傳到端部出射后再經(jīng)被測體反射回來，另一束光纖接收光信號由光電轉換器轉換成電量，而光電轉換器轉換的電量大小與間距X有關，因此可用于測量位移20。 光纖位移傳感器結構圖如圖2-3所示，由其結構我們可以看出，由光纖位移傳感器制作的光纖智能位移計比較適宜測量微小距離，其電氣原理圖如圖2-4所示。圖2-3 光纖傳感器安裝示意圖圖2

30、-4 光纖位移傳感器接線圖2.3 設計的工作原理一個設計的開始，首先要進行系統(tǒng)的總體設計，也就是是在了解系統(tǒng)設計的任務要求后對系統(tǒng)做出初步設計。認真分析任務要求，設計系統(tǒng)框圖，并比較選擇合適的光纖傳感器。根據(jù)設計要求，該設計需要將光纖檢測技術與計算機技術相結合，對位移進行自動測量，并能顯示實時數(shù)據(jù)，光纖測位移的工作原理圖如圖2-5所示。圖2-5 工作原理設計主要包括硬件設計和軟件設計兩部分。首先，根據(jù)系統(tǒng)所要完成的功能選擇硬件芯片，繪制硬件電路圖，用PROTEUS軟件繪制電路原理圖和PCB圖；其次，在完成硬件電路圖的基礎上，畫出軟件流程圖；再次，根據(jù)電路原理圖連接實際電路，編寫程序；最后，在檢

31、查確認硬件電路無誤后，分部分對軟件進行調試，部分調試完成后進行整體調試，并在調試結束后進行實時位移測量和數(shù)據(jù)顯示。本設計采用LCD顯示，10個按鍵，主要選用了中央處理器AT89C52 ，LCD1602，MCP3001A/D轉換器等。2.4 光纖位移計的工作流程首先，由光纖位移傳感器接收距離信號，接著將信號轉換為模擬量輸出，并且通過信號轉換電路轉換為串行A/D轉換接口芯片MCP3001可接收的05V電壓信號，并由其轉換為數(shù)字量輸入單片機，通過采樣模塊進行數(shù)據(jù)處理得到位移值，通過LCD1602實時顯示出來。此外本設計有報警功能，將采樣值同預先設定的報警上、下限進行比較，當超出報警范圍時由單片機控制

32、蜂鳴器發(fā)聲，與此同時LCD顯示“out measure！”，方便操作人員對檢測對象的及時的準確的監(jiān)控。第三章 光纖智能位移計的硬件設計3.1 器件選取及介紹3.1.1 器件選擇主要有AT89C52、LCD1602、行列式鍵盤、蜂鳴器、MCP30013.1.2 AT89C52介紹AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電

33、子行業(yè)中有著廣泛的應用21，其引腳如圖3-1所示：圖3-1 PDIP封裝的AT89C52引腳圖單片機總共有40個引腳，根據(jù)功能可以將其分為三部分，分別為：電源與晶振引腳、控制引腳和I/O端口。連接好電源與晶振電路后，單片機可以通過控制引腳和I/O端口讀取需要的信息，輸出需要的控制信號。3.1.3 LCD1602介紹如圖3-2所示，LCD1602總共有16個引腳接口，其詳細介紹如下：第1腳：VSS作為電源地，使用時接地。第2腳：VDD使用時接5V電源正極。第3腳：VEE作為1602的對比度調整端，對比度隨接入電位的變高而降低。此引腳在使用時通常加一個電位器，通過控制電位將對比度控制在合理范圍內，

34、從而避免產(chǎn)生“鬼影”。第4腳：RS用于選擇寄存器。輸入為高電平（1）時選擇數(shù)據(jù)寄存器，輸入為低電平（0）時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。第6腳：E為使能端,高電平（1）時讀取信息，負跳變時執(zhí)行指令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。在仿真中，這兩個引腳不可以使用。圖3-2 LCD1602仿真圖3.1.4 MCP3001介紹IN+:正模擬量輸入。IN-: 負輸入。VREF：基準電壓輸入。CLK：時鐘輸入。DO：數(shù)字量輸出。CS ：片選輸入。數(shù)字量輸出：DO = 102

35、4*VIN/VREF其中，VIN = V（IN+）-V(IN-)其管腳如圖3-3所示：圖3-3 MCP3001仿真管腳圖3.2 硬件接線圖3.2.1 AT89C52最小系統(tǒng)本設計采用手動加上電復位方式進行復位，其中，晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。兩個引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。在片外跨接一晶振和兩個匹配電容C1、C2。就構成一個自激振蕩器。振蕩頻率根據(jù)實際要求的工作速度，從幾百千赫至24MHz可適當選取某一頻率。匹配電容C1、C2要根據(jù)石英晶體振蕩器的要求選取。當晶振頻率為12MHz時，C1、C2一般選30pF

36、左右。最小系統(tǒng)如圖3-4所示：圖3-4 AT89C52最小系統(tǒng)圖3.2.2 LCD1602接口電路如圖3-5所示，LCD1602由P0口驅動，其中RP1為阻排，作為上拉電阻使用。圖3-5 LCD1602與AT89C52連接圖3.2.3 MCP3001接口電路MCP3001基準電壓為4V，端子連接如圖3-6所示：圖3-6 MCP3001接口線路圖3.2.4 鍵盤接口電路鍵盤由行列式按鍵組成，由P2口控制，具體連接圖如圖3-7所示：圖3-7 3x3行列鍵盤連接圖3.2.5 報警電路報警電路硬件連接見圖3-8，使用蜂鳴器進行報警，當采樣值高于預先設定的報警上下限值時，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲，且LCD顯示“

37、out measure！”。圖3-8 報警電路其中，Q1為三極管，主要用來放大控制電流，從而進一步起到放大聲音的效果。3.2.6 總體硬件電路圖系統(tǒng)的總體硬件圖如圖3-9所示，單片機的1、2、3腳分別與MCP3001的6、5、7腳連接，單片機的4、5、6腳分別與LCD1的4、5、6腳連接，從而對采集與顯示進行相應的控制。整個系統(tǒng)中有10個按鍵，其中復位鍵由硬件電路決定，其余9個按鍵的功能通過軟件編程實現(xiàn)。整個硬件系統(tǒng)能夠實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到模數(shù)轉換、數(shù)據(jù)處理到顯示報警的功能。圖3-9 硬件電路總體圖第四章 光纖智能位移計的軟件設計4.1 主程序設計主程序流程如圖4-1所示，main（）函數(shù)運行后，

38、首先對系統(tǒng)使用變量進行初始化，賦予變量初值以便程序能夠正常運行。變量初始化結束后，還要進行LCD初始化，設置LCD工作模式。緊接著對LCD進行操作，使其顯示“measure start？”以實現(xiàn)人機交流，使操作者知道整個系統(tǒng)已經(jīng)準備完畢，等待操作者進行相應操作。 圖4-1 主程序流程 發(fā)出以上提示后，主程序進入鍵盤掃描程序，且循環(huán)進行此程序。因此，只有當按鍵位置發(fā)生變化時，位移計才會根據(jù)鍵值進行相應操作。測量、顯示函數(shù)，均作為子函數(shù)，當有按鍵按下時被調用執(zhí)行。4.2 LCD1602程序設計當系統(tǒng)需要利用1602進行顯示時，其流程如圖4-2所示：首先，調用Busy（）函數(shù)（返回值為1時代表160

39、2為忙碌狀態(tài)，返回值為0時代表1602非忙碌狀態(tài)）， 且當返回值為1時，對Busy（）函數(shù)進行循環(huán)調用，直至返回值為0。當返回值為0后，立即調用清屏函數(shù)對LCD進行清屏，再根據(jù)不同的數(shù)據(jù)處理的情況設置顯示位置，最后，寫入需要現(xiàn)實的數(shù)據(jù)。返回值為0。當返回值為0后，立即調用清屏函數(shù)對LCD進行清屏，再根據(jù)不同的數(shù)據(jù)處理的情況設置顯示位置，最后，寫入需要現(xiàn)實的數(shù)據(jù)。圖4-2 1602程序流程4.3 鍵盤處理程序鍵盤處理程序是軟件設計的重點，在主程序中被循環(huán)調用，同時，其它子程序又都是在鍵盤處理程序中進行調用，因此鍵盤處理程序設計的合理與否顯得尤為重要。其總的程序工作流程如圖4-3所示：圖 4-3

40、鍵盤掃描總程序流程當主程序運行時，循環(huán)調用鍵盤處理函數(shù)，但每次調用后鍵盤處理函數(shù)都執(zhí)行一樣的操作。首先其調用hitkey（）函數(shù)，判斷是否有鍵盤按下，如果返回值為0，則返回主程序繼續(xù)執(zhí)行其它程序，如果返回值為1，此時調用延時函數(shù)延時200ms（利用延時函數(shù)消除干擾信號的影響），如果返回值仍然為1，則調用相應函數(shù)讀取鍵值并進行相應的跳轉。4.3.1 hitkey（）函數(shù)hitkey（）函數(shù)，工作流程如圖4-4所示，其中keycode為讀取的P2口值，當沒有按鍵按下時，其值為0x07。因此，當沒有按鍵按下時(keycode&0x07)= 0x07，此時函數(shù)返回值為0；反之，當有按鍵按下時，

41、函數(shù)返回值為1。圖4-4 hitkey（）函數(shù)程序流程 4.3.2 鍵值掃描鍵值掃描函數(shù)scan_key()流程見圖4-5，主要采用行列掃描法，對9個按鍵進行掃描，得到相應的掃描碼，取反后作為按鍵的鍵值，交由鍵值跳轉程序使用。圖4-5 鍵值掃描函數(shù)scan_key（）程序流程圖4.3.3 鍵值跳轉 鍵值跳轉函數(shù)key_manage()，主要用于接收scan_key()函數(shù)的返回值，并利用switch函數(shù)調用按鍵對應的子函數(shù)其流程如圖4-6所示。圖4-6 鍵值跳轉程序流程圖4.4 具體按鍵對應子函數(shù) 4.4.1 設定鍵設定鍵對應子程序為key1（），其程序流程圖如圖4-7所示，其中H_flg 與

42、L_flg分別為上限設置標志和下限設置標志，均設定為全局變量，上限、下限對應程序key2()、key3()中進行相應的改變。當H_flg=1時能夠只能進行上限值設定，當L_flg=1時能夠且只能進行下限設定，均為0時，不能進行任何操作。 圖4-7 設定鍵對應程序key1()4.4.2 上限鍵、下限鍵如圖4-8、圖4-9所示：上下限函數(shù)主要通過改變上下限標志H_flg和L_flg來確定將要改變的是上線還是下限，通過調用SCANkey()來改變上下限的相應數(shù)值。圖4-8 上限鍵對應子函數(shù)key2()程序流程圖圖4-9 下限鍵對應子函數(shù)key3()程序流程圖4.4.3 增加鍵、減少鍵如圖4-10、圖

43、4-11所示，增減鍵通過左右移標志位來確定要改數(shù)值的高低位，改變數(shù)值后立即顯示改變后的值。圖4-10 增加鍵對應子函數(shù)key4()程序流程圖4-11 減少鍵對應子函數(shù)key5()程序流程4.4.4 左移鍵、右移鍵如圖4-12、圖4-13所示，左右移鍵對應函數(shù)key7()、key8()僅改變左右移標志位數(shù)值，除此之外不進行任何操作。圖4-12 左移對應程序key7()流程圖4-13 右移對應程序key8()流程4.4.5 測量（mm）鍵、測量（cm）鍵如圖4-14所示，測量鍵對應的函數(shù)首先進行距離測量，然后對測量的數(shù)據(jù)進行處理，得到實際要顯示的結果，最后進行顯示；延時20ms后子程序結束，返回主

44、程序繼續(xù)執(zhí)行其它程序，直至按下復位鍵或切斷電源。整個過程實現(xiàn)了對位移的實時測量。圖4-14 測量函數(shù)流程4.5 MCP3001讀取如圖4-15所示，通過Read_MCP函數(shù)控制MCP3001進行數(shù)據(jù)的A/D轉換，由于MCP3001為10為A/D轉換器，所以要屏蔽高六位以獲取有效轉換值，將有效轉換值返回后結束。圖4-15 MCP3001數(shù)據(jù)讀取流程圖第五章 運行結果及分析上電后即如圖5-1所示，顯示“measure start？”，以提醒操作系統(tǒng)進入待機狀態(tài)，操作者可以做適當?shù)臏y量。此時，三極管輸入為低電平，蜂鳴器不響。圖5-1 上電后顯示“measure start?”人機交互按下【報警上限】

45、鍵后，如圖5-2所示，顯示默認報警上限，此時，三極管輸入為低電平，蜂鳴器不響。圖5-2 點擊【報警上限】鍵后，顯示默認上限值點擊【減少】鍵，由于此時沒有點擊【左移】、【右移】鍵，上限值進行自然減少。此時，三極管輸入為低電平，蜂鳴器不響。連續(xù)點擊三次后如圖5-3所示：圖5-3 連續(xù)點擊三次【減少】鍵后顯示點擊【左移】后，再點擊【減少】，此時高位進行循環(huán)減小，此時，三極管輸入為低電平，蜂鳴器不響。顯示結果如圖5-4所示：圖5-4 依次點擊【左移】、【減少】鍵后顯示此時，點擊【設定】后上限設定為26mm。 按下【報警下限】鍵后，如圖5-5所示，顯示默認報警下限，此時，三極管輸入為低電平，蜂鳴器不響。

46、圖5-5 點擊【報警下線】后顯示默認下限點擊【增加】鍵，由于此時沒有點擊【左移】、【右移】鍵，下限值進行自然增加。此時，三極管輸入為低電平，蜂鳴器不響。連續(xù)點擊七次后如圖5-6所示：圖5-6 點擊7次【增加】后顯示此時點擊【設定】后，下限值設定為7mm。至此，上下限設置完成。點擊【測量（mm）】后，顯示如圖5-7所示：圖5-7 點擊【測量（mm）】鍵后顯示由于此時輸入為距離為28mm，所以圖5-7中LCD顯示“out measure!”另外，由上圖管腳電平可以看出，此時蜂鳴器開始報警。調節(jié)測量距離，使之變小后顯示如圖5-8所示：圖5-8 調節(jié)距離小于28mm后顯示不斷調節(jié)被測距離，使之減小，并

47、且逐漸接近下限值，如圖5-9、圖5-10、圖5-11所示：圖5-9 一次改變被測距離圖5-10 二次改變被測距離圖5-11 三次改變被測距離當再次減小時，超出最小限，顯示結果如圖5-12所示：圖5-12 超出下限后由于此時輸入為距離為5mm，所以圖5-12中LCD顯示“out measure!”另外，由上圖管腳電平可以看出，此時蜂鳴器開始報警。同理，進行設定好上下限后，點擊【測量（cm）】后，測量結果如圖5-13、圖5-14所示：圖5-13 一次測量結果圖5-14 二次測量結果第六章 調試過程中所遇問題及其解決6.1 硬件問題及解決初步調試時，復位鍵不能正常工作，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)復位電路電容存在問

48、題，更換電容后，能夠實現(xiàn)正常復位。6.2 軟件問題及解決6.2.1 按鍵程序初步調試時，發(fā)現(xiàn)多數(shù)按鍵能夠正常工作，但是發(fā)現(xiàn)右移鍵按下后五任何反應，后來發(fā)現(xiàn)是switch函數(shù)中地址數(shù)據(jù)不正確所致，經(jīng)過對數(shù)據(jù)取反后，工作正常。再次調試的時候，增加程序在左右移后，不能按照設計功能工作，經(jīng)過仔細檢查程序發(fā)現(xiàn)，是標志位的問題，經(jīng)修改后增加按鍵工作正常。報警上限與報警下限在調試中工作正常，測量（mm）也能正常工作，但是在設定的時候，發(fā)現(xiàn)設定的報警上限和報警下限在測量時沒有作用。調試后發(fā)現(xiàn)，上下限存的是子函數(shù)內有效地變量，改為全局變量后，設定鍵工作正常。6.2.2 LCD顯示程序 初次調試時，能夠正常顯示“

49、measure start？”，但是在調試上下限及設定鍵時發(fā)現(xiàn)，顯示時數(shù)據(jù)依次顯示直到整個顯示屏滿屏，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)缺少LCD清屏函數(shù)。在增加清屏函數(shù)后，再次調試發(fā)現(xiàn)，顯示結果沒有按照自己的意思顯示在第二行中央，而是顯示在右邊，而且顯示殘缺，經(jīng)調試發(fā)現(xiàn)，顯示位設定函數(shù)賦值不正確，更改后顯示正常。6.2.3 整體調試整體調試時能夠采集和顯示，但是顯示的數(shù)據(jù)與真實測量數(shù)據(jù)不相符，初步判斷數(shù)據(jù)處理有誤，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理公式用的不對，經(jīng)過修正后，能夠正常測量顯示，整個系統(tǒng)可以正常工作?？偨Y經(jīng)過近四個月的學習與實踐，畢業(yè)設計即將結束。在老師、學長的指導、同學的幫助以及個人的努力下，基本完成了設計任務。

50、自我設計的光纖智能位移計將光纖位移傳感器提供420mA的輸入信號轉變成 05V的電壓信號，并進一步送入A/D裝換芯片，最后,通過單片機對接收的數(shù)字信號處理且發(fā)送到LCD顯示，達到實時顯示測量距離的目的。另外，通過行列式鍵盤與LCD顯示，實現(xiàn)了人與單片機之間的信息交換，可以根據(jù)測量需要改變相應的上下限數(shù)值。作為人機交互的重點，九個按鍵都能夠正常工作。通過左移、右移、增加、減少、以及上下限按鍵，可以方便的設定上下限數(shù)值；通過測量（mm）和測量（cm）可以自動完成單位的轉換。整個測量過程，操作簡單，實時性好，適合于實際工程中的應用。雖然本次設計基本完成了所要求的任務，但由于本人知識水平有限，設計距完

51、美還有一定差距，軟件的編寫還有待進一步簡化，位移計整體性能也有待進一步加強提高。本次設計完成了理論到實踐的有機結合，使我在對理論知識進一步理解的同時，增強了由理論轉化為實踐的的工程實踐能力，為未來的獨立學習與工作打下一定基礎。此外，本次設計中查閱了大量期刊與專業(yè)書籍，開闊了自我的學術視野，使得我對單片機的理解也更加深入。另外，幾天的編程經(jīng)歷使我懂得，認真的態(tài)度和刻苦的精神才是成功的必需品?？傊膫€月的設計生活帶給我的不僅僅是專業(yè)知識，在獨立完成設計的過程中，真正體會到了否定自我與超越自我的重要性，同時也找到了自己的優(yōu)缺點，使得自己對未來職業(yè)生涯的規(guī)劃也更加明確。參考文獻1 張齊，杜群貴單片機

52、應用系統(tǒng)設計技術基于C語言編程M北京 ：電子工業(yè)出版社，2004: 2762822 張旭單片機在傳感器設計中的應用J機電信息，2011，36：132133.3 程國鋼. 基于8051+Proteus仿真M.北京：電子工業(yè)出版社，2012：170-177.4 鄭峰，王巧芝，李英建，劉瑞國. 51單片機應用系統(tǒng)典型模塊開發(fā)大全M.北京 ：中國鐵道出版社，2011：604608.5 魏立峰，王寶興.單片機原理與應用技術M.北京：北京大學出版社，2006:2-8.6 秦永烈等.位移測量儀表M.北京：機械工業(yè)出版社，1978（1）：105207.7 張春光.微型計算機控制技術M.北京：化學工業(yè)出版社，2

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