大学生电子设计竞赛设计报告运动木棒长度计量装置

1、摘 要：本计量装置是以stc系列单片机89c52单片机为控制核心，加以脉冲调制的反射式红外发射-接收器，wtw-16p语音模块，12864液晶显示屏以及其他电路构成，通过让木棒竖直或水平滑过滑槽，采用脉冲调制的反射式红外发射-接收器检测木棒滑过信号，通过存储计算，计算出木棒长度，累计木棒长度和木棒个数，并具有木棒反方向运动计量功能，实现相应长度、个数扣除，将采集的数据用12864液晶显示器显示出来，并通过wtw-16p语音播报，用ds1302进行数据存储，并具有掉电保护功能，还可以将采集的数据用微型打印机打印出来。本设计采用较低的硬件投入达到对木棒长度较为精确的检测，是一种智能运动棒体非接触式

2、长度检测系统。关键词：单片机 12864液晶显示 wtw-16p语音模块 ds1302第一章:题目内容和要求一题目：运动木棒长度计量装置二要求：1基本要求（1）具有运动木棒单个长度、个数、累计长度的显示功能；（2）具有运动木棒单个长度、个数、累计长度的语音播报；（3）长度测量误差1cm。2发挥部分（1）具有存储数据自动回放功能；（2）长度测量误差0.5cm；（3）具有木棒反方向运动计量功能，实现相应长度、个数扣除；（4）创新性。3说明（1）棒体采用直径约3厘米的拖布杆制成，长度520cm。（2）滑槽采用表面明光滑的板材制作，长度约为50cm。（3）单根木棒通过滑槽的时间小于3秒钟。（4）长度计

3、量不容许使用光栅尺。第二章：方案比较与论证一传感器的选择方案一：不调制的反射式红外发射-接收器。直接用直流电压对管子进行供电，限于管子的平均功率要求，工作电流只能在10ma左右，容易受到干扰。方案二：脉冲调制的反射式红外发射-接收器。红外发射管的最大工作电流取决于平均电流，如果使用占空比较小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流可以很大（50-100ma），这样也大大提高了信噪比。基于上述考虑，本装置采用方案二。二控制器的选择方案一：采用stc89c52单片机，内部资源比较少，程序下载需要编程器，硬件搭建比较复杂，软件实现比较麻烦，另外需要仿真器来实现软硬件调试。方案二：采用atmega

4、16单片机，此单片机具有一整套的编程与系统开发工具，支持片内编程与调试，该单片机为单调指令，执行速度快，而且i/o口驱动能力强，应用灵活，价格低廉。由于本次设计应用资源少，89c52基本可完成设计需要，所以采用方案一。三播放器的选择方案一：采用wtw-16p语音模块。此模块支持外挂最大1g容量的sd卡，支持微处理器和按键控制，支持播放wav格式文件，可以调用任意段落的语音进行播放，加载语音需要软件辅助。方案二：采用单片机控制扬声器，作为语音模块，此方法需要事先在单片机内存入大量代码，而且操作很困难，软件实现叫麻烦。基于上述考虑及题目要求，故选择方案一。四显示模块的选择方案一：采用12864液晶

5、来充当显示模块，该液晶显示器以其微功耗，显示内容丰富，体积小，超轻薄等诸多优点在电子设计中被广泛应用。方案二：采用八段数码管。虽然数码管的价格较液晶显示器低廉，但其耗电量大，显示不美观，而且动态显示易乱码。基于上述考虑，故选择方案一。五测量装置模型的选择方案一：采用电机传送带使木棒在传送带上匀速运动测木棒长度。缺点：不同长度木棒质量不同传送带载重不同达不到同一传送速度，并且硬件成本提高。在算法上采用查询加定时器溢出中断的方法，当木棒通过时用查询法启动定时器。缺点：由于木棒通过检测点较快，因而实践验证查询不到，不予采用。方案二：采用滑槽竖直放置或水平放置，木棒以变速运动通过检测点。在算法上采用外

6、部中断加定时器溢出中断的方法，当木棒通过检测点一时进入外部中断0，开启定时器。通过检测点二时进入外部中断1取此时的时间t1，当木棒完全通过检测点一时关定时器，用查询的方法取此时时间t2，运用智能算法算出木棒长度。 综上所述，根据制作成本和算法的优点，本设计采用方案二。六实施方案根据分析，采用如下方案：在硬件上滑槽竖直放置或水平放置，木棒以加速运动通过检测点。在算法上采用外部中断加定时器溢出中断的方法，当木棒通过检测点一时进入外部中断0，开启定时器。通过检测点二时进入外部中断1取此时的时间t1，当木棒完全通过检测点一时关定时器，用查询的方法取此时时间t2，由于两个检测点距离s1很小，用微分的思想

7、，认为木棒通过两个检测点时的速度相同为v0，则v0=s1/t1,木棒长度s2=v0*t2+0.5*9.8*t2*t2，即为所求，此方案硬件投入小，且经实践验证检测精度较高且智能性较高，予以采用。第三章：整体系统与理论分析一整体设计框图1本题目是设计制作一个运动木棒长度计量装置。实现单个木棒长度、累计长度和木棒个数的计量、显示和语音播报，同时还具有打印功能，而且要求长度测量误差在1cm以内。2计量装置的整体设计框图，如图所示。 stc89c52 单片机 红外传感器打印机显示模块语音播报键盘存储模块通过自行编制的控制程序将红外传感器采集到的信号通过计算得到的木棒长度、累计长度和木棒个数等信息处理，

8、采用12864显示模块显示信息，通过wtw-16p语音模块播报信息，并通过打印机讲所得信息打印出来。二系统流程图开始释放木棒使其通过检测点1启动定时器木棒通过检测点2取其时间为t1木棒完全通过检测点2时取其时间t2带入公式算出木棒的长度并记录木棒的个数把所得的数据送到液晶屏以毫米为单位显示是否有按钮按下累计木棒长度和个数切换功能等 待结束第四章系统硬件设计电路一最小系统二检测电路1.lm393功能介绍：lm393 为双电压比较器，lm393 系列由两个偏移电压指标低达 2.0 的独立精密电压比较器构成。该产品采用单电源操作设计，且适用电压范围广。该产品也可采用分离式电源，低电耗不受电源电压值影

9、响。本品还有一个特点是，即使是在单电源操作时，其输入共模电压范围也包括接地。lm393 系列可直接与 ttl 及 cmos 逻辑电路接口。无论时正电源还是负电源操作，当低电耗比标准比较器的优势明显时，lm393 系列便与 mos 逻辑电路直接接口。lm393主要参数特点:工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：236v，双电源:118v；消耗电流小，icc=0.8ma；输入失调电压小，vio=2mv；共模输入电压范围宽，vic=0vcc-1.5v；输出与ttl，dtl，mos，cmos 等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门；2.lm393内部结构图：3.lm393引脚功能排列表

10、：引出端序号功能符号引出端序号功能符号1输出端1out15正向输入端21n+(2)2反向输入端11n-(1)6反向输入端21n-(2)3正向输入端11n+(1)7输出端2out24地gnd8电源vcc三wtw-16p 三线串口pwm 输出语音电路1.wt588d语音芯片功能介绍wt588d诧音芯片是一款功能强大的可重复擦除烧写的诧音单片机芯片。wt588d让诧音芯片丌再为控制方式而寻找合适的外围单片机电路，高度集成的单片机技术足亍取代复杂的外围控制电路。配套wt588d voicechip上位机操作软件可随意更换wt588d诧音单片机芯片的仸何一种控制模式，把信息下载到spi-flash上即可

11、。软件操作方式简洁易懂，撮合了诧音组合技术，大大减少了诧音编辑的时间。完全支持在线下载，即便是wt588d通电的情冴下，一样可以通过下载器给关联的spi-flash下载信息，给wt588d诧音芯片电路复位一下，就能更新到刚下载迚来的控制模式。语音模块电路图说明：1）软件设置：三线串口控制模式。2）i/o 口定义：p01 为data，p02 为cs，p03 为clk。由mcu 发送信息对wt588d 进行控制。3）busy 输出：p17 为busy 忙信号输出端，可从上位机软件端设置为播放状态输出为高电平或低电平。高电平时电压接近vdd供电电压。用于接发光二极管做放音状态指示或忙信号判断。4）供

12、电电压：vdd=dc2.85.5v，vcc=dc2.73.5v。采用dc3.3v 供电时，可以直接短接vdd 跟vcc，采用dc5v 供电时，vdd 端接5v，vcc 端需要从vdd 端串接两个二极管以提供工作电压。vdd1 为mcu 工作电压。如果vdd1 跟vdd 存在压差，需要在mcu 跟wtw-16p 的通信线data、cs、clk 上串接电阻。5）音频输出：pwm 输出方式，直接接扬声器。此种输出方式下，pwm+、pwm-均不能短接到地或者接电阻电容到地。2.wt588d 语音芯片应用方框图busy输出wt588d语音芯片、模块音频输出usb下载spi-flash控制端 3.wtw-

13、16p（16脚模块）封装引脚对应表封装引脚引脚标号简述功能描述1/reset/reset复位脚，低电平保持5ms有效2pwm+/dacpwm+/dacpwm+/dac音频输出脚，视功能设置而定3pwm+/dacpwm+/dacpwm+/dac音频输出脚，视功能设置而定4pwm-pwm-pwm-音频输出脚5p14dispi-flash数据输入脚6p13dospi-flash数据输出脚7p16clkspi-flash时钟脚8gndgnd地线脚9p15csspi-flash片选脚10p03k4/clk/data挄键/三线时钟/一线数据输入脚11p02k3/cs挄键/三线片选输入脚12p01k2/da

14、ta挄键/三线数据输入脚13p00k1挄键输入脚14vccvcc存储器电源输入脚15busybusy诧音播放忙信号输出脚16vddvdd数字电源输入脚四微型打印机1.微型打印机工作原理流程如下：(1)首先确定busy信号是否为高电平，若是，则等待，说明打印机忙；(2)若busy信号为低电平，则发送一个字节的数据到打印机；(3)在发送数据稳定后，发出strobe负脉冲选通信号；(4)打印机在收到选通信号后，立即读取数据，并将busy置为高电平；(5)一旦cpu收到高电平的busy信号，就使strobe恢复为高电平；(6)打印机收到ack信号后，就准备下一字节数据，检测并等待busy，打印机当数据

15、缓冲器为空时，就将busy置为低电平，转到1，进入下一次打印过程；状态信号：(1)busy：打印机将数据读入，同时使busy线为高，通知主机停止送数；(2)ack：处理完毕后使ack有效，宽度约为0.5us, 同时使busy失效，通知主机可以发下一个数据；(3)pe：缺纸提示，为高电平时，表示打印纸用完；(4)slct:选择信号，该信号为高电平时，表示打印机处于联机选中状态；(5)error:表示打印机故障：低电平时表示缺纸，死机或其他错误状态之一；控制信号：(1)slctin:打印机选中信号，当该信号为低电平时，表示选中打印机，此时才能将数据送到数据线上；(2)init：初始化信号，该信号为

16、低电平时，打印机复位成初始状态，打印机数据缓冲区清空；(3)autolf:自动走纸信号，为低电平时，打印机自动走纸一行；(4)strobe:选通信号，该信号为地电平时，打印机开始接收数据，负脉冲的宽度在接收端大于0.5us,数据才能可靠的存入打印机的数据缓冲区；2.单片机与微型打印机的接口类型：接口类型指的是单片机与微型打印机之间采用的接口类型，通过这项指标也可以间接反映出打印机输出的快慢，目前市场上打印机产品的主要接口类型包括常见的并行接口和usb接口。本次电子大赛采用的是“并行”接口类型。 “并行”接口是一种增强了的双向并行传输接口，优点是不需在pc中用其他的卡，无限制连接数目（只要你有足

17、够的端口），设备的安装及使用容易，最高传输速度为1.5mbps。目前，计算机中的并行接口主要作为打印机端口，接口使用的不再是36针接头而是25针d型接头。所谓并行，是指8位数据同时通过并行线进行传送，这样数据传送速度大大提高，但并行传送的线路长度收到限制，因为长度增加，干扰就会增加，容易出错。五液晶显示电路1.液晶显示模块概述ym12864r 汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192 个中文汉字（16x16 点阵）、128个字符（8x16 点阵）及64x256 点阵显示ram（gdram）。主要技术参数和显示特性:电源：vdd +5.0v ；显示内容：128 列 64 行显示颜

18、色：蓝底白字或黄绿底蓝黑字显示角度：6：00 钟直视lcd 类型：stn 蓝白模式或黄绿模式与mcu 接口：8 位或4 位并行/3 位串行配置 led 背光多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。2.模块引脚说明引脚号引脚名称方向功能说明引脚号1vss-模块的电源地2vdd-模块的电源正端3v0-lcd4rs(cs)h/l并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5r/w(sid)h/l并行的读写选择信号；串行的数据口6e(clk)h/l并行的使能信号；串行的同步时钟7db0h/l数据08db1h/l数据19db2h/l数据210db3h/l数据311db4h/l数据412db

19、5h/l数据513db6h/l数据614db7h/l数据715psbh/l并/串行接口选择：h-并行；l-串行16nc空脚17/reth/l复位低电平有效18vout悬空不接19led_a-背光源极（led+5.0v）20led_k-背光源负极（led3.12864与单片机80c51的一种接口如图所示4.接口时序1）mpu 写资料到模块2）mpu 从模块读出资料3）串行连接时序图串行数据传送共分三个字节完成：第一字节：串口控制格式 11111abca 为数据传送方向控制：h 表示数据从lcd 到mcu，l 表示数据从mcu 到lcdb 为数据类型选择：h 表示数据是显示数据，l 表示数据是控制

20、指令c 固定为0第二字节：(并行)8 位数据的高4 位格式 dddd0000第三字节：(并行)8 位数据的低4 位格式 0000dddd六存储模块本设计采用ds1302存储数据，ds1302附加31字节静态ram，采用spi三线接口与cpu进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的ram数据。ds1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。引脚功能及结构图1示出ds1302的引脚排列,其中vcc1为后备电源，vcc2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。ds1302由vcc1或vcc2两

21、者中的较大者供电。当vcc2大于vcc10.2v时，vcc2给ds1302供电。当vcc2小于vcc1时，ds1302由vcc1供电。x1和x2是振荡源，外接32.768khz晶振。rst是复位/片选线，通过把rst输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。rst输入有两种功能：首先，rst接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，rst提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当rst为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对ds1302进行操作。如果在传送过程中rst置为低电平，则会终止此次数据传送，i/o引脚变为高阻态。上电运行时，在vcc2.5v之前，rst必须保持低电平。只有在s

22、clk为低电平时，才能将rst置为高电平。i/o为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。sclk始终是输入端。第五章：系统调试 本设计在调试过程中主要存在的问题有方案的实际可行性问题和运用较为智能的方法提高精度的问题。我们首先采用了原理较为简单且理论上可行的方案,但在实际调试过程中发现由于木棒通过较快因而无法及时的查询出检测点的电平变化达到控制的目的，因而改用外部中断的方法精确的把握检测点的电平变化达到了控制的目的。在提高精度上我们采用了较为智能的微分思想，认为木棒通过两个检测点速度相同因而求出假使的初速度v0，达到攻破难点，较小的硬件投入达到检测木棒在变速运动情况下对木棒长度进行较为精

23、确测量的目的，调试过程中，由于实际两检测点的速度不是一致的，因此通过调整误差系数达到校正误差，最终将精确度提高，。滑槽竖直或水平放置，木棒以变速运动通过检测点，在方案上采用外部中断加定时器溢出中断的方法，当木棒通过检测点一时进入外部中断0，开启定时器。通过检测点二时进入外部中断1取此时的时间t1，当木棒完全通过检测点一时关定时器，用查询的方法取此时时间t2，由于两个检测点距离s1很小，用微分的思想，认为木棒通过两个检测点时的速度相同为v0，则v0=s1/t1,木棒长度s2=v0*t2+0.5*9.8*t2*t2，即为所求。误差分析与调试：50.0mm100.0mm150.0mm200.0mm第

24、一次测量47.4mm97.6mm147.7mm197.8mm第二次测量48.1mm98.3mm148.2mm198.3mm第三次测量49.5mm99.6mm149.5mm199.6mm通过对软件（附录）的编程与调试，可以减少测量的误差。调试过程中，由于实际两检测点的速度不是一致的，因此通过调整误差系数达到校正误差，最终将精确度提高，达到了设计要求中的精度1cm以内，经多次的测试发现此方案下的系统性能稳定且精度较高，在硬件投入较低的情况下，运用先进的思想和智能的算法达到精确检测和稳定的性能是本设计的亮点。第六章：设计总结在指导老师的帮助和指导下，加上自己大学三年中掌握的专业知识和动手能力，认真严

25、肃地完成了运动棒体非接触式长度检测系统的设计和制作。从得到论文题目到查找资料，从对题目的研究设定到pcb电路板的制作，从电路板的调试到失败后再一次全部重新开始在这一个充满挑战伴随挫折，充满热情伴随打击的过程中，我们感触颇深。它已不仅是一个对我们三年学习知识情况和我们的应用动手能力的检验，而且还是对我们钻研精神，面对困难的心态，做事的毅力和耐心的考验。我们在这个过程中深刻地感受到了做电子设计大赛的意义所在。通过运动棒体非接触式长度检测系统的设计、制作、调试，使我们在这方面的综合素质有了很大提高，对电子系统的设计的流程有了很好地了解。让我们在今后的工作中能够继续发扬这种精神，不怕困难勇往直前，严格

26、走流程，细心谨慎，沉着冷静，直至完成任务。参考文献1 电子报合订本.（上）.（下）. 四川：四川科学技术出版社，20032 翁瑞琪.英汉电子技术词典.北京：中国电力出版社,2001 3 家庭电子合订本. 北京：家庭电子杂志社,20054 电子技术原理与应用.第三版. 北京：清华大学出版社，20015 无线电合订本.（上）.（下）.北京：人民邮电出版社，20066 实用电子技术. 上海：化学工业出版社,20037 毕业设计指导及案例剖析应用电子技术方向.北京：清华大学出版社8 电子及通信专业设计宝典.西安：西安电子科技出版社，19999 经典智能电路300例.北京：机械工业出版社,200310

27、电子学从电路分析到器件应用.北京：科学出版社,199911 电机控制专用集成电路.北京：机械工业出版社,200112 单片机原理及应用系统设计.广西：电子工业出版社，200313 单片机应用技术选编.北京：北京航空航天大学,200114 phillip e. allen, douglas r. holberg, cmos analog circuit design, second edition, beijing: publishing house of electronics industry,200215 add s. sedra, kenneth c. smith, microelect

28、ronic circuits, fourth edition, beijing: publishing house of electronics industry, 2003附表1：dxp原理图附表2： 程序清单#include #include #include math.h #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit e_clk =p14;sbit rw_sid=p13;sbit rs=p12;sbit busy = p21; /打印机 busy sbit stb = p20; /打印机 stb sbit dsqt =

29、p26;sbit dsqtk = p27;sbit button=p30;sbit hui=p31;uchar hh,yy,uu,ii,kk,paa,pbb,paa1, pbb1,s,s1,g,g1,f,f1,m,m1,geshu,p3,d3,e3,h3,qq1,qq2,qq3,qq4,qq5,qq6,icount,at,bt,i,count;uint p2,d2,x,x1,t,t1,j,j1,z,z1;unsigned long pa,pb,pa1,pb1,aa,bb;float k1,n1,n2,leijia ; uchar code table=0x30,0x31,0x32,0x33,0

30、x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39; uchar code tt=0xc0,0xe5,0xc3,0xd7,0xd3,0xa2,0xb4,0xe7,0xba,0xc1; float hu32;void delay(unsigned int n) unsigned int i; for(i=0; i0;i-); for(hh=6553; hh0; hh-); for(hh=4400; hh0; hh-); void sendbyte(unsigned char dat) unsigned char i; for(i=0;i8;i+) e_clk=0; if(dat&0x80)

31、rw_sid=1;else rw_sid=0; e_clk=1; dat=dat1; unsigned char receievebyte(void) unsigned char i,d1,d2; for(i=0;i8;i+) e_clk=0;delay(100); e_clk=1; if(rw_sid)d1+; d1=d11; for(i=0;i8;i+) e_clk=0;delay(100); e_clk=1; if(rw_sid)d2+; d2=d21; return (d1&0xf0+d2&0x0f); void sendcmd(unsigned char dat) sendbyte(

32、0xf8); sendbyte(dat&0xf0); sendbyte(dat&0x0f)4); void senddat(unsigned char dat) sendbyte(0xfa); sendbyte(dat&0xf0); sendbyte(dat&0x0f)4); void print(uchar j) uchar i; while(busy); data_8=j; stb=0; i+; i-; stb=1; busy=1; void display(unsigned char x_add,unsigned char dat1,unsigned char dat2) sendcmd

33、(x_add); senddat(dat1); senddat(dat2); void initlcm(void) delay(100); sendcmd(0x30); sendcmd(0x0c); sendcmd(0x01); sendcmd(0x02); sendcmd(0x80); void set_wenzi(void) sendcmd(0x80); aa=n2*1000000; bb=leijia*1000000; paa=aa/1000000; pa=aa%1000000; pbb=pa/100000; pb=pa%100000; gg s=pb/10000; t=pb%10000

34、; g=t/1000; x=t%1000; m=x/100; z=x%100; f=z/10; j=z%10; senddat(tablepaa); senddat(tablepbb); senddat(tables); if(kk=0) senddat(0x2e); senddat(tableg); else if(kk=1) senddat(tableg); senddat(0x2e); senddat(tablem); senddat(tablef); senddat(tablej); display(0x85,ttp3,ttd3); display(0x86,tte3,tth3 );

35、sendcmd(0x90); paa1=bb/1000000; pa1=bb%1000000; pbb1=pa1/100000; pb1=pa1%100000; s1=pb1/10000; t1=pb1%10000; g1=t1/1000; x1=t1%1000; m1=x1/100; z1=x1%100; f1=z1/10; j1=z1%10; senddat(tablepaa1); senddat(tablepbb1); senddat(tables1); if(kk=0) senddat(0x2e); senddat(tableg1); else if(kk=1) senddat(tab

36、leg1); senddat(0x2e); senddat(tablem1); senddat(tablef1); senddat(tablej1); display(0x95,ttp3,ttd3); display(0x96,tte3,tth3 ); sendcmd(0x88); p2=geshu/10; d2=geshu%10; senddat(tablep2); senddat(tabled2); display(0x8d,0xb8,0xf6); sendcmd(0x98); display(0x98,0xb6,0xa8); display(0x99,0xca,0xb1); display(0x9a,0xc6,0xf4);