基于單片機(jī)的游標(biāo)卡尺電路設(shè)計(jì)

田 野，毛新如

（1.安徽礦業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000；2.安徽淮北煤電技師學(xué)院，安徽 淮北 235000）

0 引言

日常生活與工作中，小規(guī)模、精度高要求下進(jìn)行測(cè)量，我們一般選擇傳統(tǒng)的機(jī)械游標(biāo)卡尺。隨著工業(yè)及國(guó)內(nèi)航天業(yè)的發(fā)展，對(duì)測(cè)量的要求越來(lái)越高。在工業(yè)要求不斷實(shí)行自動(dòng)化的前提下，對(duì)所使用的測(cè)量工具也提出了自動(dòng)化的要求，甚至在一些特殊場(chǎng)合，還要求我們所使用的測(cè)量工具能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)控制，這就對(duì)電子從業(yè)提供了一個(gè)研發(fā)方向和新的要求。

1 系統(tǒng)工作原理

整個(gè)系統(tǒng)分為七個(gè)部分：

（1）位移傳感器部分：所謂位移傳感器，即通過(guò)改變電阻感應(yīng)當(dāng)前位移；

（2）模數(shù)轉(zhuǎn)換部分：通過(guò)A／D574將位移傳感器輸出的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；

（3）鍵盤部分：由四個(gè)按鍵組成，主要通過(guò)軟件程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)上移、下移、刪除、記錄功能；

（4）單片機(jī)部分：通過(guò)89S52單片機(jī)對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)采集、處理、連接無(wú)線通信模塊與液晶顯示；

（5）液晶顯示部分：通過(guò)1602液晶屏，顯示當(dāng)前位移數(shù)據(jù)值，配合軟件程序，顯示按鍵功能；

（6）無(wú)線通信模塊：此部分由X102完成數(shù)據(jù)發(fā)射與接收功能；

（7）USB轉(zhuǎn)換部分：通過(guò)CP2102實(shí)現(xiàn) USB轉(zhuǎn)串口的簡(jiǎn)便的解決方案，以保證計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部各部分之間能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)通信。

游標(biāo)卡尺的工作原理：電源通電后，位移傳感器通過(guò)移動(dòng)，在電阻改變的同時(shí)獲取相對(duì)應(yīng)的位移值，對(duì)這個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換后，輸入到單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出所測(cè)的距離，通過(guò)1602液晶顯示出來(lái)。單片機(jī)同時(shí)對(duì)按鍵進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上移、下移、刪除、記錄功能。記錄數(shù)據(jù)的同時(shí)，對(duì)無(wú)線通信模塊傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)線通信模塊把數(shù)據(jù)發(fā)射出去。無(wú)線通信接收模塊把接收到的數(shù)據(jù)傳輸給USB轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)軟件顯示出來(lái)。

2 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

電源是應(yīng)用系統(tǒng)的重要組成部分，與單片機(jī)電路相連，電源設(shè)計(jì)的不可靠將影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。由于本系統(tǒng)單片機(jī)所需供電電源為5V直流穩(wěn)壓電源，A／D574采用正、負(fù)12V 供電［1］21。本次設(shè)計(jì)中選用7805、7812和7912三端穩(wěn)壓器。

2.2 位移傳感器電路

采用的是KTC拉桿式直線式位移系列傳感器，KTC是常用的直線式位移傳感器，可控性能好，性能指標(biāo)優(yōu)，適合各類型設(shè)備的位置檢測(cè)。KTC拉桿式直線位移傳感器實(shí)用于電子位移測(cè)量系統(tǒng)中。

2.3 1602液晶顯示和鍵盤電路

采用LCD1602液晶顯示［2］21。由于LED數(shù)碼顯示器顯示方面的局限性，如果顯示數(shù)據(jù)稍多的話，不如液晶顯示更易于視覺(jué)接受。并且LCD靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。按要求要顯示位移的大小、單位、精確度和誤差［3］128。鍵盤電路主要由四個(gè)按鍵連接單片機(jī)完成，對(duì)應(yīng)功能為上移、下移、刪除、記錄，主要通過(guò)軟件部分程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.4 無(wú)線通信電路與RS232接口

無(wú)線通信模塊XL02－232AP1的主要技術(shù)指標(biāo)及引腳功能連接示意圖［4］29如圖1所示。采用CP2102芯片進(jìn)行USB接口與RS232接口電路的連接［5］68。

2.5 A／D轉(zhuǎn)換電路

圖1 XL02－232AP1連接圖

AD574是12位逐次比較型A／D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，共有12根數(shù)據(jù)線，和單片機(jī)連接時(shí)，P1與12根數(shù)據(jù)線的高8位相連，A／D轉(zhuǎn)換器12根數(shù)據(jù)線中的低4位和P2.0—P2.3直接相接，單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)使用控制線進(jìn)行分時(shí)選通來(lái)控制A／D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的讀取。AD574具有量程輸入模式的選擇，根據(jù)需要選擇10V量程，所以AD574轉(zhuǎn)換器的Pin13端口為被測(cè)量電壓的輸入端口，因?yàn)橹粶y(cè)量一路電壓信號(hào)所以 CS端直接接地即可［6］66。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集子程序的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使用高級(jí)語(yǔ)言C語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫［7］72，數(shù)據(jù)采集部分的程序包括了A／D初始化的功能，首先要讓A／D準(zhǔn)備工作，才能將傳感器部分采集到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，送到單片機(jī)進(jìn)行處理，采集到轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字量。具體程序部分如下：

3.2 硬件電路調(diào)試與分析

調(diào)試步驟：

（1）電路的焊接從單片機(jī)最小系統(tǒng)開(kāi)始，加上一個(gè)發(fā)光二極管，給單片機(jī)寫入程序控制發(fā)光二極管亮和滅［8］65。

（2）用可調(diào)電源在AD574測(cè)量輸入端輸入可調(diào)電壓，在1602液晶程序基礎(chǔ)上加入AD574控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，調(diào)節(jié)可調(diào)電源，使得1602液晶上顯示AD574的轉(zhuǎn)換數(shù)值發(fā)生變化，而且變化是遞增或遞減［9］115。

（3）由于CP2102是QFN形式封裝，對(duì)焊接技術(shù)的要求和焊接工藝的要求都非常高，并且焊接人員要具有很強(qiáng)的耐心。

（4）將CP2102的TTL電平MAX232端的RX和TX使用短路帽進(jìn)行短接，然后打開(kāi)串口調(diào)試助手工具，按規(guī)定設(shè)置好端口以及波特率，然后使用串口測(cè)試。

3.3 軟件程序分析

1.本設(shè)計(jì)的晶振采用11.0592M，串口的速率為9600，串口控制采用定時(shí)器2［10］130。

2.由于傳感器存在非線性誤差，所以需要軟件的校正。程序設(shè)計(jì)采用分段校正的方法進(jìn)行校正，經(jīng)過(guò)多次的采樣取平均值，平均值乘以此值范圍的校正數(shù)得出轉(zhuǎn)換后的距離值。

4 結(jié)論

首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，給出了系統(tǒng)工作的整體框圖。在此基礎(chǔ)上，介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)用到的各個(gè)組成部分的功能特性，并進(jìn)性了方案比較，選擇出了最優(yōu)越的方案。在理論上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有一定了解的情況下，進(jìn)行了系統(tǒng)硬件的電路的設(shè)計(jì)，充分利用各方面的資料。設(shè)計(jì)出了以AT89S52單片機(jī)為核心的基于單片機(jī)的游標(biāo)卡尺，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能，有效準(zhǔn)確的進(jìn)行位移的測(cè)量。

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