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摘 要
本次設(shè)計(jì)內(nèi)容為制作一個管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動測量裝置，采用STM32F103Z作為主控芯片，裝置使用2個非接觸式傳感器檢測鋼珠運(yùn)動。配合信號處理和顯示電路獲得鋼珠的運(yùn)動參數(shù)。本裝置可以實(shí)現(xiàn)兩傳感器處于任意間距時，傾斜放置管道，由高端放入2~10粒鋼珠，可顯示放入鋼珠個數(shù)。左右兩端分別置于高端，放入鋼珠可顯示其運(yùn)動方向。并能測出管道的傾斜角a的角度值（傾斜角度ａ為10°到80°之間的某一角度，測量誤差的絕對值≤3°）。
Abstract
The content of the design is to make a measuring device forsteel ball movement in a pipe, using STM32F103Z as the main control chip, andthe device uses 2 non - contact sensors to detect the movement of steel ball.With the signal processing and display circuit, the motion parameters of thesteel ball are obtained. The device can realize two sensors at any distance,tilt the pipeline, and put the 2~10 steel ball into the high end. It candisplay the number of steel balls. The left and right ends are placed at thetop end and placed into the steel ball to show the direction of movement. Itcan also measure the angle of a of the inclination angle of the pipeline (theangle of inclination A is from 10 to 80 degrees, and the absolute value of themeasurement error is less than 3 degrees).
目錄 一、系統(tǒng)方案... 1
1、非接觸式傳感器的論證與選擇... 1
2、顯示模塊的論證與選擇... 1
3、控制系統(tǒng)的論證與選擇... 2
二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算... 2
1、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)... 2
2、角度值的計(jì)算... 3
3、檢測電路原理分析計(jì)算... 3
4、顯示電路的原理及分析... 4
三、電路與程序設(shè)計(jì)... 5
1、電路的設(shè)計(jì)... 5
（1）STM32F103Z電路原理圖... 5
（2）LCD12864電路原理圖... 5
（3）降壓穩(wěn)壓模塊電路原理圖5
（4）復(fù)位按鍵電路原理圖6
（5）電源... 6
2、程序的設(shè)計(jì)... 6
（1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路... 6
（2）程序流程圖... 7
四、測試方案與測試結(jié)果... 9
1、測試方案... 9
2、測試條件與儀器... 10
3、測試結(jié)果及分析... 10
（1）測試結(jié)果(數(shù)據(jù)) 10
（2）測試分析與結(jié)論... 10
五、結(jié)論與心得... 11
六、參考文獻(xiàn)... 11
附錄1：電路原理圖... 12
附錄2：源程序... 13
管道內(nèi)鋼珠運(yùn)動測量裝置（M題） 【專科組】 一、系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由主控芯片、傳感器模塊、顯示模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。
1、非接觸式傳感器的論證與選擇方案一：紅外光電傳感器
紅外光電傳感器模塊具有一對紅外線發(fā)射與接受管，發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物時，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，信號輸出接口輸出數(shù)字信號，可調(diào)節(jié)檢測距離，有效檢測距離2~30cm。
方案二：LJ18A3—8Z/BX接近開關(guān)
接近開關(guān)又稱無觸點(diǎn)開關(guān)，是理想的電子開關(guān)量傳感器。當(dāng)金屬檢測體接近開關(guān)的感應(yīng)區(qū)域 ，開關(guān)就能無接觸，無壓力、無火花、迅速發(fā)出電氣指令，準(zhǔn)確反應(yīng)出運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位置和行程，其既有行程開關(guān)、微動開關(guān)的特性，同時具有傳感性能，且動作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應(yīng)快，應(yīng)用壽命長，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
由于本設(shè)計(jì)被測鋼珠要通過不透明的硬塑料管材，且沒有加工痕跡，紅外對管對環(huán)境光線要求比較高，管材無法實(shí)現(xiàn)，所以紅外光電傳感器不適合本次設(shè)計(jì)。被測鋼珠為金屬材質(zhì)，接近開關(guān)為無觸點(diǎn)式開關(guān)，無需破壞管材，為本次實(shí)驗(yàn)合適的模塊。
綜合以上兩種方案，選擇方案二。
2、顯示模塊的論證與選擇方案一：LCD1602顯示模塊
LCD1602是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。LCD1602液晶顯示原理 LCD1602液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。
優(yōu)點(diǎn)：是字符型液晶，顯示字母和數(shù)字比較方便、控制簡單、成本較低
缺點(diǎn)：顯示的字體有大小限制、不能顯示圖形和漢字、不能顯示曲線
方案二：LCD12864顯示模塊
LCD12864是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及128&TImes;64 全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示8&TImes;4個（16&TImes;16 點(diǎn)陣）漢字或者顯示16&TImes;4個（8×16 點(diǎn)陣）ASCII碼。
優(yōu)點(diǎn)：功耗低、背光強(qiáng)、顯示內(nèi)容多
缺點(diǎn)：程序比較復(fù)雜
因LCD1602不能顯示漢字和圖形，顯示字符較少，本次設(shè)計(jì)選擇顯示信息量大的LCD12864顯示模塊
綜合以上兩種方案，選擇方案二。
3、控制系統(tǒng)的論證與選擇方案一：AT89S52單片機(jī)
采用AT89S52單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的控制，算術(shù)功能強(qiáng)，軟件編程靈活，自由度大，功耗小，體積小。最熟悉，可查閱的資料最多，但片內(nèi)接口少，處理速度慢，不便于實(shí)時調(diào)控。
方案二：STM32F103Z
采用以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103z控制芯片，其內(nèi)部時鐘頻率為72MHz，支持CAN總線傳輸，可以實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的傳輸和處理，且有豐富的庫函數(shù)可供調(diào)用，簡化了程序設(shè)計(jì)的過程。片內(nèi)資源多，速度高，浮點(diǎn)運(yùn)算快，但一般價(jià)格較高。
通過比較，我們選擇方案二，采用STM32F103Z作為主控制芯片，控制數(shù)據(jù)的接收，處理與發(fā)送。
綜合考慮采用方案二
二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算1、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體框圖如圖1.1所示，系統(tǒng)工作過程為：當(dāng)開關(guān)按鍵按下之后，各個部分同時工作，顯示模塊顯示鋼珠個數(shù)及運(yùn)動方向，并顯示傾斜角的角度值。
圖1.1 系統(tǒng)總體框圖 2、角度值的計(jì)算鋼珠以零速度進(jìn)入管道，兩個電感式接近開關(guān)傳感器分別檢測鋼珠運(yùn)動通過開關(guān)所需時間并送到單片機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算出兩點(diǎn)的不同速度，進(jìn)而計(jì)算出加速度，最終計(jì)算出管道放置的角度
圖1.7主程序流程圖 2、計(jì)算角度值子程序流程圖
圖1.8 計(jì)算角度子程序圖 3、判斷方向子程序流程圖
圖1.9 判斷方向流程圖
4、計(jì)數(shù)流程圖
圖2.0 計(jì)數(shù)程序流程圖
5、顯示電路程序流程圖
圖2.1 顯示電路程序流程圖
四、測試方案與測試結(jié)果1、測試方案（1）硬件測試
1）繪制各個電路，焊接完畢后，測試系統(tǒng)各個功能模塊的電源值，得到電源模塊達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
2）測試接近傳感器能否正常工作。
3）測量各模塊供電電壓是否達(dá)到要求。
4）測試顯示角度值與對照角度值的誤差
4）再次檢查電路是否有虛焊、漏焊和走線問題。
（2）硬件軟件聯(lián)調(diào)
通過編寫簡單的角度測量程序，對比測量角度值與對照角度刻度是否一致，軟件都調(diào)試無誤后，進(jìn)入系統(tǒng)最后的軟件編寫調(diào)試。
2、測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。
測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，數(shù)字萬用表，高精度量角器。
3、測試結(jié)果及分析（1）測試結(jié)果(數(shù)據(jù)) 角度的誤差測量
| 對照角度值 | 10 | 27 | 35 | 43 | 52 | 68 | 74 | 80 | | 顯示角度值 | 11 | 26 | 35 | 46 | 53 | 69 | 75 | 79 |
放入鋼珠的個數(shù)、方向與顯示值的對照 | 放入鋼珠個數(shù) | 2 | 4 | 6 | 7 | 8 | | 顯示鋼珠個數(shù) | 2 | 4 | 6 | 7 | 8 | | 實(shí)際方向 | 01 | 10 | 10 | 01 | 10 | | 顯示方向 | 01 | 10 | 10 | 01 | 10 | | 實(shí)際周期 | 2 | 5 | 6 | 8 | 9 | | 顯示周期 | 2 | 5 | 6 | 8 | 9 |
（2）測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：
1、放入鋼珠的個數(shù)顯示正確。
2、鋼珠的運(yùn)動方向顯示正確。
3、管道的傾斜角測量角度值與對照角度值誤差file:///C:/Users/IDEAPA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image049.png。
綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
五、結(jié)論與心得經(jīng)過幾天時間的不懈努力，本次實(shí)驗(yàn)終于達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)測量鋼珠的個數(shù)，運(yùn)動方向，管道傾斜角的角度值及擺動周期的顯示。剛開始在編寫程序過程中，鋼珠計(jì)數(shù)及運(yùn)動方向問題很容易解決，在角度值的計(jì)算方面出現(xiàn)了困難，隊(duì)員之間意見存在分歧，經(jīng)過嚴(yán)密的分析以及查閱大量資料后，最終消除了分歧，統(tǒng)一了意見，制定出一套較為完美的方案。經(jīng)過這次實(shí)驗(yàn)，我們不僅掌握了STM32開發(fā)板的應(yīng)用和LCD12864的顯示。更重要的是培養(yǎng)了我們自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力，更讓我們懂得：灑下努力的汗水，你就會收獲成功的喜悅。
六、參考文獻(xiàn)[1] 譚浩強(qiáng).C語言程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012
[1] 譚浩強(qiáng).C語言程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012
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