基于單片機的角度測量?jì)x的設計

角度測量?jì)x是某控制系統中瞄準裝置的關(guān)鍵部件。在以往的控制系統中，多數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(lái)一系列問(wèn)題，如操作人員的經(jīng)驗、瞄準裝置轉盤(pán)的空回都可能會(huì )嚴重會(huì )影響瞄準目標的精確程度，從而嚴重影響控制系統的精度。為了提高控制系統的瞄準精度，在控制系統的瞄準裝置中增加了角度測量?jì)x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的控制精確度。

　　角度測量?jì)x利用光電編碼器讀取角度值，采用AT89S51 單片機實(shí)現角度值數碼顯示、角度值偏差范圍的發(fā)光二極管指示功能（有三個(gè)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，都是傳統的眼瞄方法、刻度測量及標識方法無(wú)法比擬的。

　　作為某控制系統的瞄準裝置的重要技術(shù)改進(jìn)，此儀器的應用大大提高了控制系統瞄準的精度，增加瞄準偏差范圍的可讀性，淘汰了傳統的用刻度測量和標識角度的方法，使該控制系統的整體性能得到了顯著(zhù)提高。此外，該角度測量?jì)x只要稍作改動(dòng)即可廣泛用于其它工業(yè)控制系統中。

　　1 硬件基本原理

　　首先，角度測量?jì)x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(diǎn)亮相應的發(fā)光二極管指示燈。此外，角度測量?jì)x還可以通過(guò)控制面板上的開(kāi)關(guān)控制實(shí)現瞄準鏡照明和低溫環(huán)境下瞄準鏡自動(dòng)除霜功能。單片機的主要功能是實(shí)現角度值數碼管顯示、角度值范圍的發(fā)光二極管指示。該系統的難點(diǎn)在于確保角度值轉換成密位值的轉換精度和系統在非常溫環(huán)境下的工作可靠性。

　　硬件分為以下幾個(gè)模塊：控制面板、單片機、光電編碼器、電源、數碼顯示器、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。

圖1 電路模塊圖

　　1. 1 單片機的選用

　　首先，根據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（數據總線(xiàn)寬度是15 位） 讀取角度值后，將該角度值與系統預設的角度值比較，判斷瞄準的角度值范圍，點(diǎn)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(dòng)器MAX7219,顯示在L ED 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(gè)8 位并行I/ O 端口（其中光電編碼器占用2 個(gè)端口，其它占用1 個(gè)端口） ,才能有效工作。眾所周知，產(chǎn)品的品質(zhì)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(hù)外作業(yè)，工作環(huán)境比較惡劣，故單片機的品質(zhì)的等級也是需要考慮的一個(gè)重要因素。

　　目前，MCS - 51 系列單片機技術(shù)成熟，開(kāi)發(fā)所用的教材和技術(shù)資料多，開(kāi)發(fā)工具齊全，市場(chǎng)上產(chǎn)品種類(lèi)豐富、性?xún)r(jià)比較高、購買(mǎi)容易，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué)（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(guò)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FLASH 存貯器支持在系統編程（ ISP） 1000 次擦寫(xiě)周期，128 字節片內RAM ,工作電壓4. 0 V 到5. 5 V ,全靜態(tài)時(shí)鐘0 Hz 到33 MHz ,三級程序加密，4 個(gè)8 位的可編程I/ O 端口，2/ 3 個(gè)16 位定時(shí)/ 計數器，6/ 8 個(gè)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，雙數據指針，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(dòng)生產(chǎn)過(guò)程、航空、運輸、汽車(chē)、家電等領(lǐng)域都有著(zhù)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(dòng)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 監控電路來(lái)增加單片機的穩定性和抗干擾能力。硬件監控電路有以下功能：（1） 上電復位：保障系統加電時(shí)能正確地啟動(dòng)。（2） 掉電復位：當電源失效或電壓降到某一電壓值以下時(shí)，產(chǎn)生復位信號對系統進(jìn)行復位。（3）看門(mén)狗定時(shí)器：當處理器遇干擾，程序運行混亂產(chǎn)生死鎖時(shí)，對系統復位。此處采用MAXIM公司的軍用級芯片MAX813LMJA.

　　顯示驅動(dòng)電路： 為了節省單片機I/ O 口資源，降低單片機的計算量，選用串行L ED 顯示驅動(dòng)器MAX7219. 它能控制8 位共陰級L ED 數碼管，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(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

　　單片機及主要外圍電路的原理如圖2 所示。

圖2 電路原理圖