基于AT89S51單片機的角度測量儀的設計

　　本文分析了基于AT89S51 單片機的角度測量的硬件組成、電路設計原理。給出了主函數(shù)的工作流程和源代碼。設計樣機已通過多種環(huán)境實驗的測試。

　　角度測量儀是某控制系統(tǒng)中瞄準裝置的關鍵部件。在以往的控制系統(tǒng)中，多數(shù)都是僅憑設備操作人員眼睛瞄準指定目標，然后作出相應的控制，這樣就帶來一系列問題，如操作人員的經(jīng)驗、瞄準裝置轉盤的空回都可能會嚴重會影響瞄準目標的精確程度，從而嚴重影響控制系統(tǒng)的精度。為了提高控制系統(tǒng)的瞄準精度，在控制系統(tǒng)的瞄準裝置中增加了角度測量儀部件，操作人員瞄準目標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確地瞄準目標，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 單片機實現(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(有三個指示燈，分別指示：偏高、偏低、適中)。不論在操作的復雜程度上還是在測量的精度上，都是傳統(tǒng)的眼瞄方法、刻度測量及標識方法無法比擬的。

　　作為某控制系統(tǒng)的瞄準裝置的重要技術改進，此儀器的應用大大提高了控制系統(tǒng)瞄準的精度，增加瞄準偏差范圍的可讀性，淘汰了傳統(tǒng)的用刻度測量和標識角度的方法，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讀取光電編碼器測出的角度值，再將角度值轉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°)。單片機判斷當前角度值的偏差范圍，給出控制信號點亮相應的發(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控制實現(xiàn)瞄準鏡照明和低溫環(huán)境下瞄準鏡自動除霜功能。單片機的主要功能是實現(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)的難點在于確保角度值轉換成密位值的轉換精度和系統(tǒng)在非常溫環(huán)境下的工作可靠性。

　　硬件分為以下幾個模塊：控制面板、單片機、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 單片機的選用

　　首先，根據(jù)項目的需求分析可以得知單片機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)預設的角度值比較，判斷瞄準的角度值范圍，點亮相應的指示燈。然后將從光電編碼器讀得的角度值轉換成密位值，發(fā)送給串行L ED 顯示驅動器MAX7219 ,顯示在LED 顯示器上。

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

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

　　經(jīng)過綜合考慮，單片機采用ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89S51 芯片(MCS - 51 系列單片機的工業(yè)級產(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RAM ,工作電壓4. 0 V 到5. 5 V ,全靜態(tài)時鐘0 Hz 到33 MHz ,三級程序加密，4 個8 位的可編程I/ O 端口，2/ 3 個16 位定時/ 計數(shù)器，6/ 8 個中斷源，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，上電復位標志。ATMEL 公司生產(chǎn)的89 系列單片機在工業(yè)、交通、儀器儀表、自動生產(chǎn)過程、航空、運輸、汽車、家電等領域都有著極及其廣泛的應用。所選型號為ATMEL 公司的AT89S51 - 24PI ,工業(yè)級。能適應- 45 ℃~ + 80 ℃環(huán)境工作。

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

　　1. 2 單片機主要外圍電路的設計

　　監(jiān)控電路：為了提高單片機在惡劣環(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) 上電復位：保障系統(tǒng)加電時能正確地啟動。(2) 掉電復位：當電源失效或電壓降到某一電壓值以下時，產(chǎn)生復位信號對系統(tǒng)進行復位。(3)看門狗定時器：當處理器遇干擾，程序運行混亂產(chǎn)生"死鎖"時，對系統(tǒng)復位。此處采用MAXIM公司的軍用級芯片MAX813LMJA.

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

　　單片機及主要外圍電路的原理如圖2 所示。

　　1. 3 單片機與外圍器件的數(shù)據(jù)通信

　　單片機與光電編碼器：因為光電編碼器獲得角度值的速度遠大于單片機的工作速度，所以，單片機可以認為光電編碼器上的數(shù)據(jù)總是處于"準備好"狀態(tài)，單片機隨時可以讀取有效數(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。

　　單片機與MAX7219 :從單片機和MAX7219的工作速度來看，CPU 兩次發(fā)送數(shù)據(jù)給MAX7219 的時間間隔，足以保證單片機訪問MAX7219 時，MAX7219 總是處于"準備好"狀態(tài)。而MAX7219 又是串行L ED 顯示驅動器，因此，單片機與MAX7219 的數(shù)據(jù)傳送是串行無條件傳送。

　　單片機與MAX813 :因為單片機向MAX813發(fā)送數(shù)據(jù)時，MAX813 只等待接收單片機的初始化數(shù)據(jù)而并無其它的工作其工作速度足夠快，可以認為MAX813 總是處于"準備好"狀態(tài)。因此，單片機與MAX813 的數(shù)據(jù)傳送也是串行無條件傳送。

　　2 軟件設計原理

　　角度測量儀啟動工作后，單片機的工作過程是：系統(tǒng)啟動后，初始化外部看門狗，初始化顯示驅動芯片MAX7219 ,給看門狗計數(shù)器賦初值，讀取光電編碼器獲取的角度值，當角度偏差值處在某一特定范圍時，單片機發(fā)出控制信號點亮與該范圍相對應的指示燈，將當前的角度值轉換成密位值顯示在數(shù)碼屏，又重新給看門狗計數(shù)器賦初值，進入下一個工作循環(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)。在本課題的軟件設計中，采用了C51 編程語言，因為用C51 編程不僅效率高，而且可讀性很強。

　　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 () ; / / 計算密位值的函數(shù)

　　DisplayMil () ; / / 顯示密位的函數(shù)

　　}

　　}

　　在主函數(shù)調用的幾個函數(shù)中，InitMax7219() 的功能是初始化L ED 顯示驅動器MAX7219 ,單片機向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)預設的角度值比較，判斷瞄準的角度值是偏高、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，計算密位值的函數(shù)GetMil() 的代碼編寫，要考慮角度的轉換精度，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算，保證轉換精度。

　　DisplayMil( )的功能是驅動MAX7219 顯示密位。首先顯示密位，判斷此角度是否進入預設區(qū)，如果是，熄滅符號燈，各位顯示"0";如果沒有，判斷角度值是否為負，如果是，顯示負號，如果是正，不顯示負號，然后將角度值顯示在L ED顯示屏上。

　　3 結束語

　　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、振動等環(huán)境) 正常工作，在整個設計過程中，要著重考慮的問題是硬件的可靠性和軟件的可靠性。設計時的注意事項如下： (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)級或軍用級產(chǎn)品。(3) 采用硬件看門狗方案，防止單片機程序鎖死。本課題設計的樣機已處于測試階段，目前已通過了常溫和多種環(huán)境試驗的測試。