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管道内钢珠运动测量装置（m题）
高职高专】摘要：
系统以stc15w4k61s4单片机为主控器，设计一款管道内钢珠运动测量装置。该装置可以获取管道内钢珠滚动的方向，以及倒入管道内钢珠的个数和管道的倾斜角度。并通过lcd12864液晶显示屏实时显示钢珠滚动方向、个数以及管道的倾斜角度。
系统包括单片机主控模块、角度信号采集模块、磁力传感器模块、显示模块、电源模块、采用稳压输出电源为系统提供工作电源。系统制作成本较低、工作性能稳定，能很好达到设计要求。
关键词：角度传感器、磁性接近开关、lcd12864
1设计任务与要求。
1.1设计任务
设计并制作一个管道内钢珠运动测量装置，钢珠运动部分的结构如图1.1所示。
1.2技术指标。
1．基本要求
规定传感器宽度 w≤20mm，传感器1和2之间的距离l任意选择。
1）按照图1.1所示放置管道，由a端放入2～10粒钢珠，每粒钢珠放入的时间间隔≤2s，要求装置能够显示放入钢珠的个数。
2）分别将管道放置为a端高于b端或b端高于a端，从高端放入1粒钢。
珠，要求能够显示钢珠的运动方向。
3）按照图1.1所示放置管道，倾斜角ɑ为10～80之间的某一角度，由a端放入1粒钢珠，要求装置能够显示倾斜角ɑ的角度值，测量误差的绝对≤3。
2．发挥部分
设定传感器1和2之间的距离l为20mm，传感器1和2在管道外表面上安放的位置不限。
1）将1粒钢珠放入管道内，堵住两端的管口，摆动管道，摆动周期≤1s， 摆动方式如图1.2所示，要求能够显示管道摆动的周期个数。
2）按照图1.1所示放置管道，由a端一次连续倒入2～10粒钢珠，要求装置能够显示倒入钢珠的个数。
4）其他。
3. 设计报告。
1.3题目评析。
根据设计要求，对题目评析如下：
本题的重点：
1 传感器灵敏度的选择。
2 用于钢珠运动检测的传感器选择。
本题的难点：
1 编写合适的算法减小角度误差等。
2 钢珠个数的捕捉。
2方案比较与选择。
2.1单片机选择。
方案一：采用stc公司生产的iap15w4k61s4单片机，特点是程序储存器空间大，支持****。且内部自带10位的ad转换功能。
方案二：采用stc公司生产的stc89c252rc芯片，特点是指令**完全兼容传统8051且使用广泛，**便宜。
对比两个方案，综合考虑系统需要，方案一能满足系统控制要求。
2.2角度测量选择。
方案一：角度测量采用专用角度传感器芯片mpu6050，它输出角速度，加速度，由单片机进行角度计算。
方案二：角度测量采用旋转电位器，通过转动的阻值变化读取电位器的电阻值，送往ad进行数据运算，得到相应的角度，有较大的误差。
对于以上两种方案，分析系统要求以及精准性，确定选取了方案一。
2.3 钢珠运动检测选择。
方案一：钢珠运动检测采用红外传感器，利用物体的反射性质，检测是否有钢珠通过。优点是体积小、功耗低。缺点是环境的影响大，测量误差大。
方案二：钢珠运动检测采用磁性接近开关tl-q5mc1-z传感器感，特点是拥有大的检测范围和较高的开关频率，而且结构简单，但驱动电压为12v。
对于以上两种方案，方案二能够较好的满足系统要求，故确定了方案二。
2.4显示选择。
方案一：采用oled显示屏，特点是制造工艺简单，成本低；发光效率更高，能耗比lcd要低，但是使用寿命比lcd短，尺寸小。
方案二：采用lcd12864显示屏，特点是显示范围大能显示8*4个汉字且使用寿命长。
综合考虑，确定选择了方案二，它显示范围大并且使用寿命长。
2.5电源选择。
根据设计要求以及我们对前面各种模块的选择，我们确定了整个系统需要5v和12v（用于磁性接近开关）供电。
方案一：采用lm7805和lm7812线性电源来实现固定5v和12v输出其优点是线性电源工作稳定，输出纹波小。但是也存在着效率低，产热多的缺点。
方案二：采用开关电源lm2596，以及一个lm7805芯片来实现固定12v和5v，这样就提高了电源的工作效率但是也增加了电路的难度。
对比两个方案综合考虑后，确定选择了方案二既能满足系统要求又提高了效率。
3电路系统与程序结构设计。
3.1系统硬件总体设计。
选择iap15w4k61s4作为主控mcu ，并通过角度传感器和磁性接近开关与lcd12864液晶进行实时显示数据。系统硬件总体框图如3.1所示：
3.2单片机最小系统模块设计。
此次设计我们采用iap15w4k61s4单片机，它支持****，有10位精度的模数转换器，且外围电路简单，此单片机的最小系统电路图如图3.2所示。
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