基于单片机的游标卡尺电路设计

田 野，毛新如

（1.安徽矿业职业技术学院，安徽 淮北 235000；2.安徽淮北煤电技师学院，安徽 淮北 235000）

0 引言

日常生活与工作中，小规模、精度高要求下进行测量，我们一般选择传统的机械游标卡尺。随着工业及国内航天业的发展，对测量的要求越来越高。在工业要求不断实行自动化的前提下，对所使用的测量工具也提出了自动化的要求，甚至在一些特殊场合，还要求我们所使用的测量工具能够实现人机控制，这就对电子从业提供了一个研发方向和新的要求。

1 系统工作原理

整个系统分为七个部分：

（1）位移传感器部分：所谓位移传感器，即通过改变电阻感应当前位移；

（2）模数转换部分：通过A／D574将位移传感器输出的电压转换为数字信号；

（3）键盘部分：由四个按键组成，主要通过软件程序实现数据上移、下移、删除、记录功能；

（4）单片机部分：通过89S52单片机对当前数据采集、处理、连接无线通信模块与液晶显示；

（5）液晶显示部分：通过1602液晶屏，显示当前位移数据值，配合软件程序，显示按键功能；

（6）无线通信模块：此部分由X102完成数据发射与接收功能；

（7）USB转换部分：通过CP2102实现 USB转串口的简便的解决方案，以保证计算机处理器控制的设备内部各部分之间能够实现标准通信。

游标卡尺的工作原理：电源通电后，位移传感器通过移动，在电阻改变的同时获取相对应的位移值，对这个模拟信号经过A／D转换后，输入到单片机。单片机对转换后的信号进行处理，计算出所测的距离，通过1602液晶显示出来。单片机同时对按键进行处理，实现数据上移、下移、删除、记录功能。记录数据的同时，对无线通信模块传输数据，无线通信模块把数据发射出去。无线通信接收模块把接收到的数据传输给USB转换芯片，转换后的数据通过上位机软件显示出来。

2 系统整体硬件设计

2.1 电源电路

电源是应用系统的重要组成部分，与单片机电路相连，电源设计的不可靠将影响到整个系统的稳定。由于本系统单片机所需供电电源为5V直流稳压电源，A／D574采用正、负12V 供电［1］21。本次设计中选用7805、7812和7912三端稳压器。

2.2 位移传感器电路

采用的是KTC拉杆式直线式位移系列传感器，KTC是常用的直线式位移传感器，可控性能好，性能指标优，适合各类型设备的位置检测。KTC拉杆式直线位移传感器实用于电子位移测量系统中。

2.3 1602液晶显示和键盘电路

采用LCD1602液晶显示［2］21。由于LED数码显示器显示方面的局限性，如果显示数据稍多的话，不如液晶显示更易于视觉接受。并且LCD灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，低电压低功耗是其又一显著特点。按要求要显示位移的大小、单位、精确度和误差［3］128。键盘电路主要由四个按键连接单片机完成，对应功能为上移、下移、删除、记录，主要通过软件部分程序来实现。

2.4 无线通信电路与RS232接口

无线通信模块XL02－232AP1的主要技术指标及引脚功能连接示意图［4］29如图1所示。采用CP2102芯片进行USB接口与RS232接口电路的连接［5］68。

2.5 A／D转换电路

图1 XL02－232AP1连接图

AD574是12位逐次比较型A／D数据转换器，共有12根数据线，和单片机连接时，P1与12根数据线的高8位相连，A／D转换器12根数据线中的低4位和P2.0—P2.3直接相接，单片机发送数据使用控制线进行分时选通来控制A／D转换器数据的读取。AD574具有量程输入模式的选择，根据需要选择10V量程，所以AD574转换器的Pin13端口为被测量电压的输入端口，因为只测量一路电压信号所以 CS端直接接地即可［6］66。

3 系统软件设计

3.1 数据采集子程序的设计

系统软件使用高级语言C语言进行程序编写［7］72，数据采集部分的程序包括了A／D初始化的功能，首先要让A／D准备工作，才能将传感器部分采集到的模拟量转化为数字量，送到单片机进行处理，采集到转换完成的数字量。具体程序部分如下：

3.2 硬件电路调试与分析

调试步骤：

（1）电路的焊接从单片机最小系统开始，加上一个发光二极管，给单片机写入程序控制发光二极管亮和灭［8］65。

（2）用可调电源在AD574测量输入端输入可调电压，在1602液晶程序基础上加入AD574控制和数据转换程序，调节可调电源，使得1602液晶上显示AD574的转换数值发生变化，而且变化是递增或递减［9］115。

（3）由于CP2102是QFN形式封装，对焊接技术的要求和焊接工艺的要求都非常高，并且焊接人员要具有很强的耐心。

（4）将CP2102的TTL电平MAX232端的RX和TX使用短路帽进行短接，然后打开串口调试助手工具，按规定设置好端口以及波特率，然后使用串口测试。

3.3 软件程序分析

1.本设计的晶振采用11.0592M，串口的速率为9600，串口控制采用定时器2［10］130。

2.由于传感器存在非线性误差，所以需要软件的校正。程序设计采用分段校正的方法进行校正，经过多次的采样取平均值，平均值乘以此值范围的校正数得出转换后的距离值。

4 结论

首先对整个系统的工作原理和实现方法进行了简单的介绍，给出了系统工作的整体框图。在此基础上，介绍了系统设计用到的各个组成部分的功能特性，并进性了方案比较，选择出了最优越的方案。在理论上对整个系统有一定了解的情况下，进行了系统硬件的电路的设计，充分利用各方面的资料。设计出了以AT89S52单片机为核心的基于单片机的游标卡尺，并实现了系统功能，有效准确的进行位移的测量。

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