基于單片機(jī)的角度測量儀的設(shè)計(jì)

角度測量儀是某控制系統(tǒng)中瞄準(zhǔn)裝置的關(guān)鍵部件。在以往的控制系統(tǒng)中，多數(shù)都是僅憑設(shè)備操作人員眼睛瞄準(zhǔn)指定目標(biāo)，然后作出相應(yīng)的控制，這樣就帶來一系列問題，如操作人員的經(jīng)驗(yàn)、瞄準(zhǔn)裝置轉(zhuǎn)盤的空回都可能會嚴(yán)重會影響瞄準(zhǔn)目標(biāo)的精確程度，從而嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的精度。為了提高控制系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度，在控制系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)裝置中增加了角度測量儀部件，操作人員瞄準(zhǔn)目標(biāo)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(zhǔn)確地瞄準(zhǔn)目標(biāo)，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(jī)實(shí)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(fù)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(biāo)識方法無法比擬的。

　　作為某控制系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)裝置的重要技術(shù)改進(jìn)，此儀器的應(yīng)用大大提高了控制系統(tǒng)瞄準(zhǔn)的精度，增加瞄準(zhǔn)偏差范圍的可讀性，淘汰了傳統(tǒng)的用刻度測量和標(biāo)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(jī)讀取光電編碼器測出的角度值，再將角度值轉(zhuǎn)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(jī)判斷當(dāng)前角度值的偏差范圍，給出控制信號點(diǎn)亮相應(yīng)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(guān)控制實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)鏡照明和低溫環(huán)境下瞄準(zhǔn)鏡自動除霜功能。單片機(jī)的主要功能是實(shí)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(diǎn)在于確保角度值轉(zhuǎn)換成密位值的轉(zhuǎn)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(jī)、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。

圖1 電路模塊圖

　　1. 1 單片機(jī)的選用

　　首先，根據(jù)項(xiàng)目的需求分析可以得知單片機(jī)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(yù)設(shè)的角度值比較，判斷瞄準(zhǔn)的角度值范圍，點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈。然后將從光電編碼器讀得的角度值轉(zhuǎn)換成密位值，發(fā)送給串行L ED 顯示驅(qū)動器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(jī)至少應(yīng)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(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(shè)備通常在戶外作業(yè)，工作環(huán)境比較惡劣，故單片機(jī)的品質(zhì)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(jī)技術(shù)成熟，開發(fā)所用的教材和技術(shù)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(xué)（可以用匯編或C51） ,因此，該系列產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，經(jīng)久不衰。

　　經(jīng)過綜合考慮，單片機(jī)采用ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89S51 芯片（MCS - 51 系列單片機(jī)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(nèi)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(jì)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(fù)位標(biāo)志。ATMEL 公司生產(chǎn)的89 系列單片機(jī)在工業(yè)、交通、儀器儀表、自動生產(chǎn)過程、航空、運(yùn)輸、汽車、家電等領(lǐng)域都有著極及其廣泛的應(yīng)用。所選型號為ATMEL 公司的AT89S51 - 24PI ,工業(yè)級。能適應(yīng)- 45 ℃~ + 80 ℃環(huán)境工作。

　　單片機(jī)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(qū)動和匹配指示發(fā)光二極管控制以及MAX813.

1. 2 單片機(jī)主要外圍電路的設(shè)計(jì)

　　監(jiān)控電路：為了提高單片機(jī)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(jī)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(fù)位：保障系統(tǒng)加電時能正確地啟動。（2） 掉電復(fù)位：當(dāng)電源失效或電壓降到某一電壓值以下時，產(chǎn)生復(fù)位信號對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。（3）看門狗定時器：當(dāng)處理器遇干擾，程序運(yùn)行混亂產(chǎn)生死鎖時，對系統(tǒng)復(fù)位。此處采用MAXIM公司的軍用級芯片MAX813LMJA.

　　顯示驅(qū)動電路： 為了節(jié)省單片機(jī)I/ O 口資源，降低單片機(jī)的計(jì)算量，選用串行L ED 顯示驅(qū)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(jī)I/ O 口線等優(yōu)點(diǎn)。

　　單片機(jī)及主要外圍電路的原理如圖2 所示。

圖2 電路原理圖