矿浆输送管道位移检测系统论文

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毕业论文

矿浆输送管道位移检测系统设计——

硬件部分

学 校： 昆明理工大学 学 院： 应用技术学院 专 业： 电子信息工程 级 别： 学 号： 学 生 姓 名： 指导教师单位： 应用技术学院 指导教师姓名： 指导教师职称：

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Slurry pipeline displacement detection

system design

----- Part of hardware

School: Kunming University of science and technology Faculty: Faculty of Applied Technology Speciality: Electronic and Information Engineering Grade: Student ID: Author:

Organization of directing teacher: Faculty of Applied Technology Director: MaXingXiang Professional title of director: Lecture

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目录

摘要 ........................................................................................................................................................... 1 Abstract ...................................................................................................................................................... 2 前 言 ....................................................................................................................................................... 3 第一章 绪论 ............................................................................................................................................. 4

1.1 位移测量及其传感器简介 ........................................................................................................ 4 1.2 课题分析 ................................................................................................................................... 4 1.3方案的提出 ................................................................................................................................ 5

1.4.1单片机的选择 ................................................................................................................. 6 1.4.2加速度传感器的选择 ..................................................................................................... 6

第二章 传感器模块 ............................................................................................................................... 6

2.1 MEMS传感器概述 .................................................................................................................. 6

2.1.1 MEMS传感器的类型和基本电路原理 .......................................................................... 6 2.12MEMS传感器的工作原理分析 ........................................................................................ 7 2.13MEMS传感器的前景 ........................................................................................................ 7 2.13常用位移传感器一览表 .................................................................................................... 8 测量时工作速度可达12m/min ......................................................................................................... 9 2.2 ADXL345三轴加速度传感器 ............................................................................................... 10

2.2.1 ADLX345概述 ........................................................................................................... 10 2.22ADXL345特性 ................................................................................................................ 10 2.23ADXL345引脚图及引脚功能描述 ................................................................................. 12 2.3ADXL345工作原理及电源时序 ............................................................................................... 13

2.31工作原理.......................................................................................................................... 13 2.32电源时序.......................................................................................................................... 13 2.4ADXL345通信模式 .................................................................................................................. 14

2.41ADXL345通信——SPI ................................................................................................... 14 2.42ADXL345通信——I2C ................................................................................................... 15 2.5ADXL345内部结构电路连接方式 ........................................................................................... 16 第三章 单片机模块 ............................................................................................................................... 17

3.1.2 AT89C51介绍 ............................................................................................................. 18 3.2单片机最小系统........................................................................................................................ 23 第四章 显示模块 ................................................................................................................................... 24

4.1 LED显示器 ............................................................................................................................... 24 4.2 LCD显示器 .............................................................................................................................. 25

4.2.1 LCD的分类及特点 ........................................................................................................ 25 4.2.1笔段式LCD液晶显示器的驱动 ................................................................................... 25 4.2.2 LCD显示模块LCDM（Liquid Crystal Display Module） ......................................... 26 4.23 LCD工作原理 ................................................................................................................. 27 4.3 LCD显示器的驱动接口 ........................................................................................................... 28

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结 论 ..................................................................................................................................................... 31 心得体会 ................................................................................................................................................. 32 谢辞 ......................................................................................................................................................... 33 参 考 文 献 ........................................................................................................................................... 34 附 录 ..................................................................................................................................................... 36

附录2 源程序 ................................................................................................................................ 37 附录3 电路图及运行图 ................................................................................................................. 53 附录4 英文翻译........................................................................................................................... 54

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摘要

为了解决复杂地形下的矿浆输送管道线小位移引起的安全问题，提出了一种基于MEMS加速度计和单片机、无线通信结合的管道小位移检测系统。该系统主要包括太阳能供电模块、位移数据采集模块、无线数据收发模块、数据存储和显示模块，并通过串口将位移数据送Pc显示，供管道运行中控室作为判断运行安全与否的依据。实验表明：当管道位移达到阈值时，可以有效报警。系统结构简单，工作稳定，可以有效预测管道位移。

在控制领域中,经常需要进行各种位移量的测量。在实际的工业位置控制领域中，为了提高控制精度，准确地对控制对象进行检测是十分重要的。本文从位移测量原理入手，详细阐述了位移测量系统的工作过程，以及硬件电路的设计、显示效果。本文吸收了硬件软件化的思想，实现了题目要求的功能。

关键词：位移检测；单片机；MEMS加速度计；无线模块

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}

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

/************************************** 延时5毫秒(STC90C52RC@12M) 不同的工作环境,需要调整此函数 当改用1T的MCU时,请调整此延时函数 **************************************/ void Delay5ms() {

WORD n = 560;

while (n--); }

/************************************** 起始信号

**************************************/ void ADXL345_Start() {

SDA = 1; //拉高数据线 SCL = 1; //拉高时钟线 Delay5us(); //延时 SDA = 0; //产生下降沿 Delay5us(); //延时 SCL = 0; //拉低时钟线

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}

/************************************** 停止信号

**************************************/ void ADXL345_Stop() {

SDA = 0; //拉低数据线 SCL = 1; //拉高时钟线 Delay5us(); //延时 SDA = 1; //产生上升沿 Delay5us(); //延时 }

/************************************** 发送应答信号

入口参数:ack (0:ACK 1:NAK)

**************************************/ void ADXL345_SendACK(bit ack) {

SDA = ack; //写应答信号 SCL = 1; //拉高时钟线 Delay5us(); //延时 SCL = 0; //拉低时钟线 Delay5us(); //延时 }

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/************************************** 接收应答信号

**************************************/ bit ADXL345_RecvACK() {

SCL = 1; //拉高时钟线 Delay5us(); //延时 CY = SDA; //读应答信号 SCL = 0; //拉低时钟线 Delay5us(); //延时

return CY; }

/************************************** 向IIC总线发送一个字节数据

**************************************/ void ADXL345_SendByte(BYTE dat) {

BYTE i;

for (i=0; i<8; i++) //8位计数器 {

dat <<= 1; //移出数据的最高位 SDA = CY; //送数据口

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SCL = 1; //拉高时钟线 Delay5us(); //延时 SCL = 0; //拉低时钟线 Delay5us(); //延时 }

ADXL345_RecvACK(); }

/************************************** 从IIC总线接收一个字节数据

**************************************/ BYTE ADXL345_RecvByte() {

BYTE i; BYTE dat = 0;

SDA = 1; //使能内部上拉,准备读取数据, for (i=0; i<8; i++) //8位计数器 {

dat <<= 1;

SCL = 1; //拉高时钟线 Delay5us(); //延时

dat |= SDA; //读数据 SCL = 0; //拉低时钟线 Delay5us(); //延时 }

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return dat; }

//******单字节写入*******************************************

void Single_Write_ADXL345(uchar REG_Address,uchar REG_data) {

ADXL345_Start(); //起始信号

ADXL345_SendByte(SlaveAddress); //发送设备地址+写信号

ADXL345_SendByte(REG_Address); //内部寄存器地址，请参考中文pdf22页 ADXL345_SendByte(REG_data); //内部寄存器数据，请参考中文pdf22页 ADXL345_Stop(); //发送停止信号 }

//********单字节读取***************************************** uchar Single_Read_ADXL345(uchar REG_Address) { uchar REG_data;

ADXL345_Start(); //起始信号

ADXL345_SendByte(SlaveAddress); //发送设备地址+写信号

ADXL345_SendByte(REG_Address); //发送存储单元地址，从0开始 ADXL345_Start(); //起始信号

ADXL345_SendByte(SlaveAddress+1); //发送设备地址+读信号 REG_data=ADXL345_RecvByte(); //读出寄存器数据

ADXL345_SendACK(1);

ADXL345_Stop(); //停止信号

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return REG_data;

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结构消失，其旋光作用也随之消失，偏振光便可以直接通过。当去掉电场后液晶分子又恢复其扭曲结构。把这样的液晶放在两个偏振之间，改变偏振片的相对位置就可得到黑底白字或白底黑字的显示形式。LCD的响应时间为毫秒级，域值电压为3～20V，功耗为5～100mW/cm2.

LCD常采用交流驱动，通常采用异或门把显示控制信号和显示频率信号合并为交变的驱动信号。当显示控制电极山上波形与公共电极上的方波相位相反时，则为显示状态。显示控制信号由C端输入，高电平为显示状态。显示频率信号是一个方波。当异或门的C端为低电平时，输出端B的电位与A端相反，LCD两端呈现交替变化的电压，LCD显示。常用的扭曲-向列型LCD，其驱动电压范围是3～6V。由于LCD是容性负载，工作频率越高消耗的功率越大。而且显示频率升高，对比度会变差，当频率升高到临界高频以上时，LCD就不能显示了，所以LCD宜采用低频工作。

LCD的驱动方式分为静态和时分割驱动两种。不同的LCD显示器要采用不同的驱动方式。静态驱动方式的LCD每个显示器的每个字段都要引出电极，所有显示器的公共电极连在一起后引出。显然显示位数越多，引出线也越多，相应的驱动电路也越多，故适用于显示位数较少的场合。时分割驱动方式实际上是用矩阵驱动法来驱动字符显示。字段引线相当于行引线，公共电极相当于列引线，字符的每一个字段相当于矩阵的一个点。

分时驱动是常用的时分割驱动方法。分时驱动常采用偏压法。

4.23 LCD工作原理

我们很早就知道物质有固态、液态、气态三种型态。液体分子质心的排列虽然不具有任何规律性，但是如果这些分子是长形的(或扁形的)，它们的分子指向就可能有规律性。于是我们就可将液态又细分为许多型态。分子方向没有规律性的液体我们直接称为液体，而分子具有方向性的液体则称之为“液态晶体”，又简称“液晶”。液晶产品其实对我们来说并不陌生，我们常见到的手机、计算器都是属于液晶产品。液晶是在1888年，由奥地利植物学家Reinitzer发现的，是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。一般最常用的液晶型态为向列型液晶，分子形状为细长棒形，长宽约1nm～10nm，在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转

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90度排列，产生透光度的差别，如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。

4.3 LCD显示器的驱动接口

驱动接口分为静态驱动和时分割驱动两种接口形式。

静态LCD驱动接口的功能是将要显示的数据通过译码器译为显示码，再变为低频的交变信号，送到LCD显示器。译码方式有硬件译码和软件译码两种，硬件译码采用译码器，软件译码由单片机查表的方法完成。

LCD的时分割驱动接口通常采用专门的集成电路芯片来实现。MC145000和MC145001是较为常用的一种LCD专用驱动芯片。MC145000是主驱动器，MC145001是从驱动器。主、从驱动器都采用串行数据输入，一片主驱动器可带多片从驱动器。主驱动器可以驱动48个显示字段或点阵，每增加一片从驱动器可以增加驱动44个显示字段或点阵。驱动方式采用1/4占空系数的1/3偏压法。

MC145000的B1～B4端是LCD背电极驱动端，接LCD的背电极，即公共电极COM1～COM4。MC145000的F1～F12和MC145001的F1～F11端是正面电极驱动器，接LCD的字段控制端。对于7段字符LCD，B1接a和f字段的背电极，B2接b和g的背电极，B3接e和c的背电极，B4接d和Dp的背电极。F1接d、e、c、f和g的正面电极，F2接a、b、c和DP的正面电极。DIN端是串行数据输入端。DCLK是移位时钟输入端。在DIN端数据有效期间，DCLK端的一个负跳变，可以把数据移入移位寄存器的最高序号位，即MC145000的第48位或MC145001的第44位，并且使移位寄存器原来的数据向低序号移动一位。MC145000的最低位移入MC145001的最高位。串行数据由单片机80C31的P3.0端送出。首先送出MC145001的第一位数据，最后送出MC145000的第48位数据。数据“1”使对应的字段显示，“0”为不显示。MC145000内部显示寄存器各位与显示矩阵的对应关系如表4-10所示。MC145001与MC145000的区别只是少了F12端对应的一列，其它对应关系都一样。

MC145000带有系统时钟电路，在OSC IN和OSC OUT之间接一个电阻即可产生LCD显示所需要的时钟信号。这个时钟信号由OSC OUT端输出，接到个片MC145001的OSC IN端。

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时钟频率由谐振电路的电阻大小决定，电阻越大频率越低。使用470KΩ的电阻时，时钟频率为50Hz。时钟信号经256分频后用作显示时钟，其作用与静态时的方波信号一样，用于控制驱动器输出电平的等级和极性。另外这个时钟还是动态扫描的定时信号每一周期扫描4个背电极中的一个。由于背电极的驱动信号只在主驱动器MC145000发生，所以主从驱动器必须同步工作。同步信号由主驱动器的贞同步输出端FS OUT 输出，接到所有从驱动器的贞同步输入端FS IN。每扫描完一个周期，主驱动器即发一次帧同步信号，并且在这时更新显示寄存器的内容。

基于LCD显示块低功耗、短响应时间以及适应低频工作的特点，设计者选用LCD显示器完成显示部分的功能,并且使用静态驱动。所选的LCD型号为1602。 LCD 1602液晶显示器

1602是一款最常用也是最便宜的液晶显示屏。1602的意思是每行显示16个字符，一共可以显示两行。1602可显示内部字符（包括ASCII字符，如数字、大小写字母、各种符号、日文假名等），也可以显示自定义字符（单或多个字符组成的简单字符，汉字，图案等，最多可定义8个字符）。

1602液晶的引脚图如图4.3-1所示。

图4.3-1 1602液晶引脚图

接口说明如下：

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①液晶1，2端为电源；15、16为背光电源；为防止直接加5V电压烧坏背光灯，在15脚串接一个10欧姆电阻用于限流。

②液晶3端为液晶对比度调节端，通过一个10K欧姆电位器接地来调节液晶显示对比度。首次使用时，在液晶上电状态下，调节至液晶上面一行显示出黑色小格为止。

③液晶4端为向液晶控制器写数据/写命令选择端，接单片机的P3.0口。

④液晶5端为读/写选择端，因为我们不从液晶读取任何数据，只向其写入命令和显示数据，因此此端始终选择写状态，我们直接将它接地。

① 液晶6端为使能信号，是操作时必需的信号，接单片机的P3.1口 ② 液晶7－14端为八位数据口，接单片机的P2口。

在本课题的设计中，会使用PROTEUS仿真，其中利用单片机AT89C52控制液晶显示器实时显示的原理图如图4.3-2所示。

图4.3-2 1602液晶原理图

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结 论

本文对单片机用于位移测量的理论、原理进行了系统的分析、比较，并对每种测量方法定性、定量的予以阐述，设计了显示接口电路和应用程序。以下从四个方面进行总结:

硬件电路

单片机用于位移测量种类较多，方法各有不同，在硬件设计上根据使用场合、功能和要求，采用的电路也有差异，单片机有用89C51系列的89C51、89C52等，并对其进行扩展。本系统采用89C51单片机，充分利用单片机内部自带的16位定时计数器进行设计，较完全的开发了单片机自身的功能，接口利用了89C51的P2口具有较大的电流驱动能力的特点，未扩展驱动芯片，直接由单片机驱动，简化了硬件电路。有一定的实用价值和较高的性价比，可用于工业控制中的转速检测、民用电器及其他应用。

测量方法

在测量原理上采用了利用单片机内部计数器实现可逆计数的测量方法，保证了在位移测量中获得较高的精度。应用范围广泛，可通过扩展进行二次开发。

程序调试

本系统进行了全面的程序设计，显示程序、中断服务程序和初始化程序，并对这些程序在Keil U3软件上进行编译和调试，并且与Proteus进行了联机仿真，取得了较好的仿真效果。Keil的编译HEX文件还可通过编程器写入芯片中。这次的设计基本达到了设计的要求.

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心得体会

在这次毕设设计中，遇到了好多细节问题。在设计的过程中因为对单片机AT89S52不够熟悉，对于如何实现模拟信号转换为数字信号感到困惑，后来查阅了相关资料和请教老师才理解并找到了相关解决方法。后来我发现自己在系统设计方面很欠缺，根本不会把所学的零碎知识串接起来，使得自己长时间没有拿出一个总的系统设计方案，通过和老师的交流才使得我对本次设计有了一个清晰的认识。还有在设计的时候我发现，交流真的能够带来收益，在同老师的交流中，我发现老师清晰的系统思路和广阔的知识面对于我们都很有帮助。由于自己是学信息方向的，对电子电路方面的知识很欠缺，对电路的操作中遇到很多问题，但是这些小问题都可以查阅相关资料解决。

在软件的设计中，我发现软件真的很强大，在单片机中仅仅以两句语言就可以使得电机转动，这个让我有更大的好奇心来研究。这个设计让我有了能够综合运用所学知识的机会；让我的动手能力以及逻辑思维能力得到了相应的锻炼，也让我对所学知识有了一个更高层次的理解。更为重要的是，我对学习有个认识，我以前都是死读书那种，根本不会把所学知识运用，现在发现了，一个人理论知识再好，如果不去实践，那所学的知识也只是纸上谈兵，没有理论的指导就不会有实践的成功，而没有时间，理论就等于白学，理论和实践和不可分割的。

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谢辞

三个月的设计，在黄老师的悉心指导和同学们的热情帮助下完成了，在这里，我要特别感谢我的毕业设计指导老师即黄老师的耐心指导与帮助，这次的毕业设计不仅让我运用了大学四年所学到的知识，同时我还学到了许多新知识。总之，这次的毕业设计让我受益匪浅！

在临近毕业之际，我还要借此机会向在这四年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们四年来的辛勤栽培。不积跬步无以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关作者表示谢意。我还有感谢各位同学，在毕业设计的这段时间里，正是有了黄老师和同学们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向本系的各位老师和领导表示由衷的谢意, 感谢他们四年来的辛勤栽培，也感谢各位同学在学习上的帮助!再次我表示深深地感谢！

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参 考 文 献

【1】胡健主编. 《单片机原理及接口技术》 机械工业出版社，2004.6 【2】张青主编. 《工程软件开发技术》 国防工业出版社，2006.12 【3】钱雪忠主编 《新编visual basic程序设计实用教程》 机械工业出版社，2004. 【4】李雁翎主编 《visual basic程序设计》 清华大学出版社，2004. 【5】丁向荣主编 《单片机应用系统及接口技术》 电子工业出版社，2008 【6】朱 刚主编 《蓝牙技术原理与协议》 北京交通大学出版社2002 【7】祝常红主编 《数据采集与处理技术》 电子工业出版社，2008 【8】王华忠主编 《监控与数据采集（SCADA）系统及其应用》 电子工业出版社，2008 【9】李江全主编 《计算机典型测控与串口通信开发软件应用》 人民邮电出版社，2008 【10】李长林主编 《Visual Basic 串口通信技术与典型实例》 清华大学出版社，

2006年

【11】胡永生主编 《单片机应用系统设计与实现》 福建科技出版社，

2005年

【12】（美）谢（Tse,D），（美）维斯瓦纳斯（Viswanath,P）著 《wireless communication》

2009年

【13】Albert S. Huang, Larry Rudolph 著 《Bluetooth Essentials for Programmers》

2007年

【14】（美）Theodore S. Rappaport 著 《无线通信原理与应用（第二版）（中文版）》

2006年

【15】李萍主编 《AT89S51:单片机原理、开发与应用实例》 中国电力出版社

2008年

【16】（日）坂本正文主编 王自强译 《步进电机应用技术》 科学出版社出版 2010 【17】李鹏主编 《控制电机及应用》 中国电力出版社 2002年 【18】谢世杰主编 《数字PID算法在无刷直流电机控制器中的应[J]》 万方数据库 2004年

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【19】李华主编 《MCS-51单片机实用接口技术[M]》 航空航天大学出版社

2002年

【20】姚军光主编 《基于VB的电机驱动监控系统设计[J]》 青岛科技大学学报 2004年

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附 录

附录1电子元器件及所用相关软件

元器件：

单片机 1片(AT89S51) ADXL345加速度传感器1个 电阻 14个 三极管 4个(9012) LCD1602一个

瓷片电容 2个（30PF） 电解电容 1个 晶振 1个 （12MHz） 电源插口 1个 相关软件：

Keil uVision2 A51编程器

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ksz2.html