基于AT89S51 单片机的角度检测装置设计

薛飞，季勇，严少奇，吉品恩

（西安应用光学研究所，陕西西安，710065）

0 引言

在炮长镜批量生产和用户售后维修中所使用的检测工装需要220V 交流市电供电，该检测工装体积大、占用空间、笨重，难携带，炮长镜整机上电后不能实时显示负载电路的电压和电流，无法监测炮长镜整机的工作状态。在对用户的售后维修中，用户大多在野外使用，无法提供稳定市电给检测工装供电，导致炮长镜售后维修困难。为解决上述技术问题，设计了一种炮长镜角度检测装置，分别对炮长镜功能、工作状态、方位角度和俯仰角度检测。

本装置体积小、重量轻、易携带好操作，电压电流监测模块可以实时监测负载电路的工作状态；主电路中串接了保险，当负载电路中有大电流或者短路，保险丝熔断，能有效保护其他模块；采用28V 锂电池模块给检测装置和炮长镜主机供电，彻底解决了外场售后维修无法供220V 交流市电的困难。

1 系统组成及工作原理

炮长镜检测装置包括装置壳体、充电口、锂电池模块、保险管座、电源开关、电压电流监测模块、电压转换模块、MCU 模块、角度显示模块、按键模块、功能显示模块和检测电缆。本装置提供的炮长镜角度检测装置通过串口通信和炮长镜进行数据交换，将炮长镜方位角度和俯仰角度信息显示在检测装置角度显示模块上。装置的电压电流监测模块可以实时显示负载电路的电压和电流，监测负载电路的工作状态。电源电路中设置了保险，避免短路烧坏电源，使用28V 锂电池模块为检测装置和炮长镜供电，系统原理图如图1 所示。

图1 系统原理图

2 硬件电路设计

2.1 电源电路

采用29.4V 适配器给锂电池充电，锂电池模块由7 颗容量3600mA/h 的18650 锂电池串联而成，锂电池电源范围（25.9～29.4V），锂电池输出电路中串联了3A 保险，防止后级电路短路损坏锂电池，经过开关后分两路。一路28V 给炮长镜控制板供电，另一路28 经过LM2596，将28V 转换成5V 为检测装置各工作单元供电。LM2596 是降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器，具有很好的线性和负载调节特性。单列5 脚封装，最高输入电压为40V，输出电压在1.2～37V。开关电源有固定电压输出和可调输出两种封装形式，输出电流最大3A，工作频率高达150kHz。①脚是直流电压输入端，其最高值可达40V，最低值为4.5V；②脚是直流电压输出端，最高输出为37V，最低值为1.2V；③脚（GND）是输入输出公共端，④脚是稳压取样电压输入端，一般与输出电压相连，从而使输出电压稳定在额定值上；⑤脚是使能控制端，当电压高于1.23V 时，内部开关管被关断，输出电压为OV，当低于1.23V 时，输出为额定电压，在实际使用中接地。电源电路原理图如图2 所示。

图2 电源电路原理图

2.2 串口通信电路

检测装置与炮长镜的串口通信，分别由与单片机连接的串口芯片MAX490 完成。MAX490 是用于RS-422 异步串口通信的低功耗收发器，工作在5V 单电源下，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器，可以实现最高2.5Mbps 的传输速率，在驱动器禁用的空载或满载状态下，吸取的电源电流在120μA～500μA 之间，串口芯片的R 和T 分别与单片机的T 和R 连接。两个串口芯片的接收和发送相互对应，即监测装置的T+与炮长镜控制板的R+相连接，监测装置的T-与炮长镜控制板的R-相连接，串口通信的电路原理如图3 所示。

图3 串口通信原理图

2.3 LED 显示电路和功能按键电路

LED 显示电路有8 个LED，分别对应方位、俯仰、度、密位、整机、获取、旋测和变速。通过面板上的按钮开关可以选择检测仪的功能，对应功能的LED 发光作为显示。在28V 输入端串接了电压电流监测表模块，电压电流检测模块的型号为0.28 寸四位双显示直流电压电流表 0-33.33V/0-3.0000A 数显表头。在检测炮长镜功能的同时，也可以检测炮长镜和检测装置的工作电流。功能选择按键由5 个按钮开关组成，按动相应开关可以选择相对应的功能。实物如图4 所示。

图4 炮长镜检测装置实物图

2.4 角度显示模块

角度显示模块分别由度/密位，分和秒组成，度/密位显示电路由0.56 寸四位共阴极数码管，分位显示电路和秒位电路的型号为0.56 寸两位共阳极数码管组成。用来显示炮长镜转过的角度，其中密位显示是角度的另外一种表达方式。为了方便处理和精确显示，通常0-6000 的密位值代替0-360°，也就是说1 度等于16.67 密位（6000/360）。通过面板的按键可以选择度或者密位显示方式。

四位共阳极数码管，两个74H373 分别控制位选和段选，8×5k 排阻一端接5V，另一端接在位选端口构成上拉电阻，在位选空位时提供高电平，电路原理图如图5 所示。

图5 炮长镜检测装置电路原理图

3 软件设计

3.1 软件控制及流程图

炮长镜检测装置检测电缆连接至炮长镜，打开电源开关，炮长镜开始自检，炮长镜自检正常，所述检测装置的功能显示模块整机LED 灯常亮；炮长镜方位机构和俯仰机构分别转动至机械零位，按动炮长镜控制盒归零开关，使炮长镜方位机构和俯仰机构角度置零；炮长镜方位机构转动任意角度，按动炮长镜发送开关，将炮长镜方位角度信息发送给炮长镜角度检测装置；炮长镜俯仰机构转动任意角度，按动炮长镜发送开关，将炮长镜俯仰角度信息发送给炮长镜角度检测装置。检测装置默认显示炮长镜方位机构的角度值，通过按键开关选择俯仰机构的显示角度。通过按动密位按键选择显示密位形式显示或者角度形式显示，如果是密位显示，只用数码管前四位显示。

图6 软件流程图

3.2 软件代码实现

采用C 语言程序实现串口数据通信和数码管显示控制，采用了U2-1（74H373）作为位选控制，U2-2 作为段选控制。具体代码如下所示。

4 结束语

检测装置的单片机通过串口芯片与炮长镜通信，接收炮长镜的角度信息，通过数码管将炮长镜的角度信息显示在检测装置上。通过功能按键选择需要的功能。装置体积小、重量轻、易携带好操作，电压电流监测模块可以实时监测负载电路的工作状态；主电路中串接了保险，当负载电路中有大电流或者短路，保险丝熔断，能有效保护其他模块；采用28V 锂电池模块给检测装置和炮长镜主机供电，彻底解决了外场售后维修无法供220V 交流市电的困难。