2021年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽

1、 4/42021年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽 2017年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽 管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動測量裝置（M題） 【高職高?！?示模塊、電源模塊、采用穩(wěn)壓輸出電源為系統(tǒng)提供工作電源。系統(tǒng)制作成本較低、工作性能穩(wěn)定，能很好達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞:角度傳感器、磁性接近開關(guān)、LCD12864 目錄 1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 (1) 1.1設(shè)計(jì)任務(wù) (1) 1.2技術(shù)指標(biāo) (1) 1.3題目評析 (1) 2方案比較與選擇 (2) 2.1單片機(jī)選擇 (2) 2.2角度測量選擇 (2) 2.3 鋼珠運(yùn)動檢測選擇 (2) 2.4顯示選擇 (2) 2.5電源選擇 (2) 3電路系統(tǒng)與程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (3) 3.1系統(tǒng)硬件總體

2、設(shè)計(jì) (3) 3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) (3) 3.3角度傳感器模塊設(shè)計(jì) (3) 3.4 磁性傳感器模塊設(shè)計(jì) (4) 3.5顯示模塊設(shè)計(jì) (4) 3.6電源模塊設(shè)計(jì) (4) 3.7程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) (5) 4系統(tǒng)測試 (5) 5總結(jié) (6) 1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 1.1設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作一個管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動測量裝置，鋼珠運(yùn)動部分的結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。 1.2技術(shù)指標(biāo) 1基本要求 規(guī)定傳感器寬度 w20mm，傳感器1和2之間的距離l 任意選擇。 （1）按照圖1.1所示放置管道，由A 端放入210粒鋼珠，每粒鋼珠放入的時 間間隔2s，要求裝置能夠顯示放入鋼珠的個數(shù)。 （2）分別將管道放置為A 端高于

3、B 端或B 端高于A 端，從高端放入1粒鋼 珠，要求能夠顯示鋼珠的運(yùn)動方向。 （3）按照圖1.1所示放置管道，傾斜角為10o80o之間的某一角度，由A 端放入1粒鋼珠，要求裝置能夠顯示傾斜角的角度值，測量誤差的絕對3o。 2發(fā)揮部分 設(shè)定傳感器1和2之間的距離l 為20mm ，傳感器1和2在管道外表面上安放的位置不限。 （1）將1粒鋼珠放入管道內(nèi)，堵住兩端的管口，擺動管道，擺動周期1s ， 擺動方式如圖1.2所示，要求能夠顯示管道擺動的周期個數(shù)。 （2）按照圖1.1所示放置管道，由A 端一次連續(xù)倒入210粒鋼珠，要求裝置 能夠顯示倒入鋼珠的個數(shù)。 （4）其他。 3.設(shè)計(jì)報告。 1.3題目評析

4、根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對題目評析如下： 本題的重點(diǎn)： 傳感器靈敏度的選擇。 用于鋼珠運(yùn)動檢測的傳感器選擇 圖1.1：管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動測量裝置的結(jié)構(gòu)圖 圖1.2：管道擺動方式 本題的難點(diǎn)： 編寫合適的算法減小角度誤差等。 鋼珠個數(shù)的捕捉。 2方案比較與選擇 2.1單片機(jī)選擇 方案一：采用STC公司生產(chǎn)的IAP15W4K61S4單片機(jī)，特點(diǎn)是程序儲存器空間大，支持在線仿真。且內(nèi)部自帶10位的AD轉(zhuǎn)換功能。 方案二：采用STC公司生產(chǎn)的STC89C252RC芯片，特點(diǎn)是指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051且使用廣泛，價格便宜。 對比兩個方案，綜合考慮系統(tǒng)需要，方案一能滿足系統(tǒng)控制要求。 2.2角度測量選擇 方案一：角

5、度測量采用專用角度傳感器芯片MPU6050，它輸出角速度，加速度，由單片機(jī)進(jìn)行角度計(jì)算。 方案二：角度測量采用旋轉(zhuǎn)電位器，通過轉(zhuǎn)動的阻值變化讀取電位器的電阻值，送往AD進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，得到相應(yīng)的角度，有較大的誤差。 對于以上兩種方案，分析系統(tǒng)要求以及精準(zhǔn)性，確定選取了方案一。 2.3 鋼珠運(yùn)動檢測選擇 方案一：鋼珠運(yùn)動檢測采用紅外傳感器，利用物體的反射性質(zhì)，檢測是否有鋼珠通過。優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低。缺點(diǎn)是環(huán)境的影響大，測量誤差大。 方案二：鋼珠運(yùn)動檢測采用磁性接近開關(guān)TL-Q5MC1-Z傳感器感，特點(diǎn)是擁有大的檢測范圍和較高的開關(guān)頻率，而且結(jié)構(gòu)簡單，但驅(qū)動電壓為12V。 對于以上兩種方案，方案二

6、能夠較好的滿足系統(tǒng)要求，故確定了方案二。 2.4顯示選擇 方案一：采用OLED顯示屏，特點(diǎn)是制造工藝簡單，成本低；發(fā)光效率更高，能耗比LCD要低，但是使用壽命比LCD短，尺寸小。 方案二：采用LCD12864顯示屏，特點(diǎn)是顯示范圍大能顯示8*4個漢字且使用壽命長 綜合考慮，確定選擇了方案二，它顯示范圍大并且使用壽命長。 2.5電源選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及我們對前面各種模塊的選擇，我們確定了整個系統(tǒng)需要5V和12V（用于磁性接近開關(guān)）供電。 方案一：采用LM7805和LM7812線性電源來實(shí)現(xiàn)固定5V和12V輸出其優(yōu)點(diǎn)是線性電源工作穩(wěn)定，輸出紋波小。但是也存在著效率低，產(chǎn)熱多的缺點(diǎn)。 方案二：采用

7、開關(guān)電源LM2596，以及一個LM7805芯片來實(shí)現(xiàn)固定12V和5V，這樣就提高了電源的工作效率但是也增加了電路的難度 圖3.2：單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 對比兩個方案綜合考慮后，確定選擇了方案二既能滿足系統(tǒng)要求又提高了效率。 3電路系統(tǒng)與程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì) 選擇IAP15W4K61S4作為主控MCU ，并通過角度傳感器和磁性接近開關(guān)與LCD12864液晶進(jìn)行實(shí)時顯示數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件總體框圖如3.1所示： 3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 此次設(shè)計(jì)我們采用IAP15W4K61S4單片機(jī)，它支持在線仿真，有10位精度的 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，且外圍電路簡單，此單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖如圖3.2所示。

8、 3.3角度傳感器模塊設(shè)計(jì) MPU-6050可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作，可精準(zhǔn)的捕捉角度，其電路鏈接如圖 3.3. 圖3.1：電路總體設(shè)計(jì)框圖 圖3.5：LCD12864原理圖 3.4磁性傳感器模塊設(shè)計(jì) 磁性接近開關(guān)能以細(xì)小的開關(guān)體積達(dá)到最大的檢測距離。它能檢測磁性物體然后產(chǎn)生觸發(fā)開關(guān)信號輸出到單片機(jī)，與單片機(jī)的鏈接方式如圖3.4 3.5顯示模塊設(shè)計(jì) LCD12864顯示塊是一款硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都比較簡潔，的圖形液晶模塊。其外圍電路與單片機(jī)連接方式如圖3.5所示。 3.6電源模塊設(shè)計(jì) 電源部分采用變壓器、開關(guān)電源LM2596，以及一個LM7805芯片等將220V 的交流電降壓固定的12V

9、（用于磁性接近開關(guān)）和5V 直流電電壓輸出。其電路設(shè)計(jì)部分如圖3.6. 3.7程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 圖3.7：程序流程圖 4系統(tǒng)測試 情況一：固定管道的傾斜角度使A端高于B端即實(shí)際方向顯示應(yīng)“01”，改變投入鋼球的數(shù)量，初始數(shù)量為2個每次增加2個鋼球，時間間隔2s。 情況二：固定管道的傾斜角度使A端高于B端即實(shí)際方向顯示應(yīng)“01”，連續(xù)投入鋼球，初始數(shù)量為2個每次增加2個鋼球。 情況三：在管道內(nèi)放入一個鋼球，然后擺動管道，擺動方式如圖1.2所示測試擺動周期，初始擺動周期為1每次增加2個周期。 情況四：在管道內(nèi)放入一個鋼球，然后傾斜管道角度，傾斜角度在10o80o之間，測試裝置顯示角度，設(shè)定初始傾斜角度為10o每次增加20o。 表4.4：測試管道傾斜角度值 5總結(jié) 本設(shè)計(jì)以IAP15W4K61S4單片機(jī)為主控部件，采用角度傳感器對管道傾斜角度