传感器实验平台研究与设计--毕业论文.doc

学号 xx毕业论文题目：传感器实验平台研究与设计作者： xx 作者： 院别：机械工程学院 专业：机械电子工程指导教师： xx 职称： 完成时间： 摘 要 为了更好的方便学生对单片机和传感器的学习，通过对单片机与传感器的有力结合，设计出一款基于单片机控制的传感器实验平台。在传感器实验平台的设计和制作中实现了机械传动与电子控制相结合。该系统主要分为机械传动模块、电源模块、单片机最小系统模块、超声波模块、光电门模块、数码管显示模块、液晶显示模块等，通过对单片机编程控制各个模块来实现该传感器实验平台进行超声波测距、光电门测位、电机测速等。关键词：直流减速电机；单片机；超声波传感器；光电传感器； AbstractIn order to better facilitate students to learn on MCU and sensor through a powerful combination of single-chip microcomputer and sensors, designed a sensor based on single-chip microcomputer experiment platform. In the design and manufacture of sensor experimental platform to achieve a combined mechanical and electronic control. This system consists of mechanical modules, power modules, SCM system, photoelectric, ultrasonic module the module door modules, digital display module, LCD module, controlled by single-chip computer program modules to achieve this ultrasonic distance measurement, optical sensor experimental platform location, motor speed, and so on.Key words: Dc gear motor;Single chip microcomputer;Ultrasonic sensor;Photoelectric sensor; I目 录摘 要IAbstractII1引 言12方案的提出与确定22.1方案的提出与比较22.2方案的确定23系统总体设计方案33.1系统功能分析33.2系统总体设计框图34硬件电路设计54.1单片机最小系统设计54.2光电门模块64.3电源模块电路设计74.4超声波测距模块84.5数码管显示模块94.6液晶显示模块104.7机械传动模块125软件设计135.1超声波测距液晶屏显示135.2小车位置测量155.3小车速度测量176测试结果及说明186.1超声波测距结果186.2光电门测量小车位置结果196.3小车速度测量结果207总结21参考文献22致谢23附录24湖南理工学院毕业（论文）1引 言当今社会发展步入信息高速化，自动化控制系统已经在各行各业中得到广泛的应用，而传感器在信息传递中扮演着尤为重要的角色，它具有着感知、检测和获取信息的主要功能。由于传感器变得日趋重要，世界各国都在大力发展传感器技术，因此传感器已经被运用在了各行各业中，其中包括尖端的军事领域，医疗仪器以及工业自动化，乃至家用电器等，同时传感器自身也发展得更加智能、微型、多功能化，采集信息也更加精确。国外传感器产品品种繁多，规格齐全，集成化与模块化结构性能强，产品内在与外观质量并重。不论外形结构类型千变万化，产品品质、产业化规模技术水平始终较高，市场配套与服务能力较强，不断把新技术运用和市场竞争推向新的高度，使同类产品不仅具有在灵敏度、精度、稳定性和可靠性等指标上的竞争，在新材料应用、生产制造工艺与产业化技术水平上，也同样形成了明显的竞争优势。国内企业在传感器生产上过于分散，产业集中度不高，生产工艺装备相对落后，缺乏新技术运用创新的基础和动力，均以仿造及二次开发为主，特别在敏感元件核心技术及生产工艺方面与国外差距较大，导致产业化水平不能适应市场快速变化和急剧增长的需求，国际竞争力不强，制约和影响了我国传感行业的正常发展。故此对于传感器的学习平台，国内厂家也只是生搬硬套的将多种不同传感器集齐在一起，没能对其进行一个系统性的整合，使得学生学习起来比较吃力。作为现今社会的电子相关专业的大学生，对传感器的学习必不可少。以往的传感器实验平台虽然安置的传感器种类丰富，但是却缺乏一个动态与系统的实验方式，只是单一的采用静态的实验方式，使得同学们在学习时感觉比较枯燥，降低了学习的效果。除此以外，大多数的传感器实验平台没有与传感器在当今社会的应用结合起来，导致同学们即使在做过传感器实验后也仍不了解传感器的实际应用。本设计针对我校目前传感器与单片机课程实验教学侧重于实验验证及联系实际应用方面的实验内容较少的现状,研制出的基于单片机控制的传感器实验平台，该平台上的不同传感器对传动机构的运动进行不同的感应，例如速度，位置，位移等，形成一个系统化的感应操作。而且该平台能够给学生预留一定的设计步骤,引导学生能够积极探索,提高其创新能力。2方案的提出与确定2.1方案的提出与比较 方案一：基于PLC技术的控制系统设计PLC拥有对于开关量的逻辑控制、模拟量的控制、运动的控制、过程的控制等各种控制功能。并且PLC不需要大量的活动元件和连线电子元件，有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不容易发生操作的错误。因此系统的开发周期短，现场调试简单。但PLC的体系结构是封闭的，不同PLC厂家生产的产品硬件体系互不兼容，编程语言和指令系统也各不相同，当选择了一种PLC产品后，则必须选择与其产品相应的控制规程，并且学习特定的编程语言，且成本高较高。方案二：基于嵌入式系统的传感器实验平台设计采用基于ARM芯片内核的嵌入式处理器，它有更好的控制接口，系统功耗低、可靠性高、功能强大、实时性强、支持多任务，且占用空间小、效率高。但其系统资源有限，软件对硬件的依赖性高，软件的移植性差，对操作系统的可靠性和开发人员的专业性要求较高。方案三：基于单片机控制的传感器实验平台设计采用AT89C52单片机控制，系统结构简单、使用方便、运算功能强、编程灵活；而且单片机的功耗低、体积小、经济成本低廉、技术成熟；单片机被广泛用于各种仪器仪表当中，通过连接外部不同的传感器，可实现如压力、硬度、长度、距离、角度、厚度、高度、速度、流量、温度、湿度、功率等物理量的测量。使用单片机控制可以使产品变得更加微型化、智能化。2.2方案的确定方案一中PLC成本较高，方案二中嵌入式系统对操作系统的可靠性和开发人员的专业性要求较高，而方案三中单片机技术成熟、系统简单、成本低，在编程和电路的实现上比较容易，且与我们所学的课程联系紧密。综合三个方案的以上特点，我们最终选择了基于单片机控制的传感器实验平台作为我们的设计方案。3系统总体设计方案3.1系统功能分析传感器实验平台主要由机械传动模块、电源模块、单片机最小系统模块、超声波模块、光电门模块、数码管显示模块、液晶显示模块所组成。传感器实验平台可实现的功能：1. 通过电机脉冲测出小车当前速度；2. 通过多组光电门测出小车的位置； 3. 通过超声波模块测出小车的距离。 此外该平台给学习者预留一定的设计步骤和添加功能的空间,能够引导学生积极探索,进一步增加和完善功能，提高其创新能力。3.2系统总体设计框图光电门模块光电门模块光电门模块光电门模块单片机最小系统光电门模块信号处理电源模块超声波模块信号处理数码管显示模块机械传动模块液晶显示模块模块图3-2系统主要模块框图光电门模块：该模块由二十个光电门组成，能够测出39个不同的位置。当光电门被小车挡住时输出低电平0，没被挡住时输出高电平1。将光电门输出电平情况按并行方式输送给74LS165移位寄存器，然后由74LS165芯片转为串行输入方式传输给单片机。通过对单片机编写程序读出小车当前位置并在LED数码管上显示。电源模块：由变压器将外接的220V-320交流电压降为12V和5V交流电压，然后将降压后的交流电压通过整流桥转为直流电压，再将直流电压分别通过由7805芯片和7812芯片设计的电路，把电压转换为稳定的5V和12V。超声波模块：采用HC-SR04超声波测距模块对小车距离进行测量，该超声波模块能够实现 2cm-400cm的距离感测功能，而且其测量距离精度可以达到 3mm；该超声波模块包括超声波发射器、超声波接收器和控制电路。其基本工作原理是采用I/O口TRIG 触发进行测距，单片机给出最少10us 的高电平信号；模块接收到信号后自动发送8 个40khz 的方波，然后自动检测是否有信号返回；如果该模块检测有信号返回，即通过I/O口ECHO 输出一个高电平给单片机，因此高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。数码管显示模块：由两块74HC573锁存芯片分别控制4位数码管的位选和段选，单片机的一组I/O口分别连接两个锁存器74HC573，分别通过P2.6和P2.5控制锁存器的锁存允许信号，一个锁存器用于输出段码，另一个锁存器用于输出位码。机械传动模块：电源开关控制电机转动，可以调节电机转速、正反转，电机通过履带的传递来带动小车在预定的轨道上运动。液晶显示模块：采用HS12864-15系列液晶作为液晶显示模块，HS12864-15系列中文图形液晶模块的特性主要由其控制器ST7920决定。ST7920同时作为控制器和驱动器，它可提供33路COM输出和64路SEG输出。在驱动器ST7921的配合下，最多可以驱动25632 点阵液晶。4硬件电路设计4.1单片机最小系统设计单片机最小系统就是使单片机能够运行的必要条件，由电源电路、时钟电路、复位电路及扩展部分等组成。外部稳压电源为单片机提供5V工作电压，晶振为单片机的正常工作提供11.0592MHZ的稳定时钟信号，复位电路在单片机开始工作时都需要复位，使CPU和系统各部分处于确定的开始状态。工作电路如下：图4-1单片机最小系统4.2光电门模块该光电门模块是用来测试小车所在位置的装置，其由二十个光电门组成，由外围电源给光电门提供5V电压，当光电门被小车挡住时输出低电平0，没被挡住时输出高电平1。设计小车可以挡住一个光电门或者两个光电门，所以电平输出情况就存在39种，将光电门输出电平情况按并行方式输送给3块74LS165移位寄存器，然后由74LS165芯片转为串行输入方式传输给单片机，这样可以极大地节省I/O口的使用空间。通过对单片机编写程序读出电平输入情况来测出小车当前位置。74L165是并行输入，串行输出移位寄存器。单片机内部的串行口在方式0工作状态下,使用移位寄存器芯片可以扩展一个或多个8位并行I/O口。其引脚如图所示：图4-2-1 74LS165引脚图其中A,B,C,D,E,F,G,H 为并行输入端。QH串行输出端。CLOCK：时钟输入端。CLOCKINHIBIT：时钟禁止端。当时钟禁止端CLK2为低电平时，允许时钟输入。SHIFT/LOAD：移位与置位控制端。SER：扩展多个74LS165的首尾连接端。电路应用：TXD（P3.1）作为移位脉冲输出端与74LS165的移位脉冲输入端CLOCK相连；RXD（P3.0）作为串行输入端与74LS165的串行输出端QH相连；P3.2用来控制74165的移位与置入。工作电路图如下：图4-2-2光电门模块电路4.3电源模块电路设计直流稳压电源是将交流电转变为稳定的、符合输出功率要求的直流电设备。通常由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。外部供电为220V-320V、50HZ的交流电压，要想转化成低压直流输出，首先必须使用变压器将外部220V电压降为所需要的交流电。然后将该降压的交流电，通过整流设计的整流桥转换成单向直流电，但是该直流电脉动大。然后将脉动大的直流电压通过滤波电路转变成平滑、脉动小的直流电。通过滤波电路后的直流电，再将其通过稳压电路，便能得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载。传感器平台需要5V和12V两种电压，5V电压提供给单片机、各个芯片、数码管、液晶、光电传感器等，12V电压提供给直流变速电机。电路原理图如下： 图4-3电源模块电路4.4超声波测距模块采用HC-SR04超声波测距模块对小车距离进行测量，该超声波模块能够实现 2cm-400cm的距离检测功能，而且其测量距离精度可以达到3mm；该超声波模块包括超声波发射器、超声波接收器和控制电路。其基本工作原理是采用I/O口TRIG触发进行测距，单片机给出最少10us的高电平信号；模块接收到信号后自行发送8个40khz 的方波，然后自动检测是否有信号返回；如果该模块检测有信号返回，即通过I/O口ECHO输出一个高电平给单片机，因此高电平所持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，然后通过公式计算出实际距离。1.模块工作参数：工作电流、电压、频率分别为15MA、5V、40kHz，其最大射程为4m，最短射程为2cm，测量角度应小于15度，需要输入的触发信号为10us的TTL脉冲信号，而其输出的回响信号为TTL电平信号。2.超声波时序图：图4-4超声波时序以上时序图表明只需要通过单片机给该模块提供一个10us以上的脉冲信号来触发此模块，当该模块接收到触发信号后内部将自动发射出8个周期为40KHZ的电平，并自动检测是否接收到回波信号，如果模块一旦检测到有回波信号则立即输出回响信号给单片机内部。而回响信号的脉冲宽度与所需要测试的距离成正比，因此由发射电平信号到收到回响信号的时间间隔来计算出距离。距离计算公式：us/58=厘米或高电平时间x声速（340M/S）/2；测量周期应该为60ms以上，以防止发射信号对回响信号产生的影响，导致测量精度降低。4.5数码管显示模块采用两块74HC573锁存芯片分别控制4位共阴数码管的位选和段选，单片机的一组I/O口分别连接两个锁存器74HC573，分别通过两个I/O口控制锁存器的锁存允许信号，一个锁存器用于输出段码，另一个锁存器用于输出位码。电路原理图如下：图4-5位数码管显示电路4.6液晶显示模块该系统采用HS12864-15系列液晶作为液晶显示模块，HS12864-15系列液晶自带文字库，可以显示四行八列文字和符号，还可以自行编码显示图片。传感器实验平台设计液晶显示，可以使平台测试出的各项数据更加清晰明了的显示出来。产品硬件特性：提供8位、4位并行接口和串行接口选择,并行接口适配M6800时序,自动启动复位功能,内部自建振荡源。产品软件特性：显示文字、符号与图形功能，屏幕清除功能，光标复位功能，屏幕显示开/关功能，光标的显示与隐藏功能，字体显示闪烁功能，光标移位功能，显示移位功能，垂直画面旋转功能，反白显示功能，休眠模式。液晶模块接口说明见下表：表1名称型态电平功能描述并口串口VCCI-电源输入端GNDI-接地端V0I-调节对比度端VoutI-液晶驱动电压输出端PSBIH/L并/串口选择端：H为并口; L为串口RSTIH/L液晶复位信号端，低电平有效RSIH/L寄存器选择端： H为数据; L为指令片选端，L有效R/WIH/L读/写选择端： H为读; L为写串行数据线端EIH/L使能端 H为开启信号接收串行时钟输入端DB0-DB3I/OH/L数据总线低四位口空接DB4-DB7I/OH/L数据总线高四位口空接LEDAI-背光正极LEDKI-背光负极液晶并行输入方式具体电路连接图如下：图4-6 12864液晶显示电路图4.7机械传动模块按下电机电源开关启动电机转动，并且在控制面板上设置有可以调节电机转速和电机正反转的开关按钮，电机通过履带的传递来带动小车在预定的轨道上运动，这样便可以调节小车速度和位置，从而更多样化的对小车各项数据进行测量。在轨道的两端各自设置有行程开关，当小车到达端点处时碰撞到行程开关小车停止运动。传动模块选用的是直流减速电机，带编码器测速码盘，当电机每转一圈时输出334个脉冲，输出的为矩形波，可直接接单片机I/O口。电机工作电压为6-24V,额定电压为12V。电机接线方法：左边的两根黄线是电机引线，绿色和白色线是两组脉冲输出线，用一根线就能测量转速，双脉冲可以判断旋转方向，红色的线接3V至5V电源给测速芯片供电，黑色线接地。因此通过计数电机脉冲次数来测量电机转速从而计算出小车速度。5软件设计5.1超声波测距液晶屏显示采用I/O口TRIG 触发测距，通过单片机给TRIG发送最少10us 的高电平信呈，然后模块自动发送8 个40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；如果有信号返回，ECHO 输出一个高电平给单片机，然后单片机开启定时器，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式：US/58=厘米或距离=高电平时间*声速（340M/S）/2，将计算的数据显示在12864液晶屏上。程序流程图如下：开始定时器初始化启动定时器发射超声波是否有回波？停止发射停止计时读取时间计算距离N调用显示子程序显示小车位移返回Y图5-1-1超声波测距液晶显示流程图开始液晶初始化起始行设置起始列设置写入起始地址写指令结束写数据数据是否写完？YN图5-1-2液晶显示子程序流程图5.2小车位置测量将二十个光电门接通5V电源，当光电门被小车挡住时输出低电平0，没被挡住时输出高电平1。光电门输出电平情况按并行方式输送给74LS165移位寄存器，然后由74LS165芯片转为串行输入方式0传输给单片机，然后判断输入的电平值来检测出小车的位置。程序流程图如下：开始设置串口方式0开启接收数据保存字符串字符串是否接收完毕？NY字符串是否对应小车位置数值调用显示子程序Y显示小车位置序图5-2-1小车位置测量程序流程图开始打开位选端输入位选信号关闭位选端打开段选端关闭段选端输入段选信号延时5ms图5-2-2数码管显示子程序流程图5.3小车速度测量通过测量减速电机的转速来算出小车速度，电机每转一圈输出334个脉冲，采用定时器T0的工作模式1定时1S钟，在开启计时器的同时开始计数器T1工作模式1计数。从而测出1S钟之内电机输出多个脉冲，然后利用公式：（脉冲数/334）x齿轮周长，算出小车速度。开始定时器T0初始化计数器T1初始化开启定时器和计数器开中断允许读出数值计算速度关闭计数中断是否到来？N调用显示子程序显示数值返回Y图5-3小车速度测量程序流程图6测试结果及说明6.1超声波测距结果 对超声波测距结果与直尺测量结果进行比较，比较结果如下表：表2序号超声波(cm)直尺(cm)13.78528.7510314.0715421.2220525.6425629.3130735.5335840.1340图6-1超声波测距实物图6.2光电门测量小车位置结果图6-2小车位置测量实物图6.3小车速度测量结果图6-3小车速度测量实物图7总结毕业的时间一天一天的临近，毕业设计也接近了尾声。在经过一个多月不断的努力下我的毕业设计终于完成了。通过此次毕业设计，使我对单片机和传感器方面的知识有了更深的理解，而且学会了许多以前不知道的知识。我不仅把知识融会贯通，而且丰富了思维，同时在查找相关资料过程中也学到了许多新的专业知识，增长了见识，开拓了视野，提高了创新能力，使自己在专业知识和动手能力方面都得到了大大的提升。在完成这次毕业设计的过程中，有苦恼，有困惑，有迷茫，但更多的还是欢喜，特别是当顺利完成的那一刻，内心的激动难以言表。每当我完成一个模块，解决一个难题的时候，我都会感到很高兴，同时也给我继续设计下去增添了信心。经过我坚持不懈的努力，认真的面对遇到的每一个问题，然后一步步想办法解决，最终毕业设计实物和论文完成，并且对实物的每个功能都调试成功。毕业设计是我在大学生涯里的最后一次作业，它既是对所学专业知识的总结和综合应用，又为今后走向工作岗位实际操作造就了一个好开端；它还能够培养和提高我们独立分析和解决问题的能力，为以后我们走出校园面向社会打下坚实的基础。也让我明白了知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事