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　　角度測量儀是某控制系統(tǒng)中瞄準裝置的關鍵部件。在以往的控制系統(tǒng)中，多數(shù)都是僅憑設備操作人員眼睛瞄準目標，然后作出相應的控制，這樣就帶來一系列問題，如操作人員的經驗、瞄準裝置轉盤的空回都可能會嚴重會影響瞄準目標的程度，從而嚴重影響控制系統(tǒng)的精度。為了提高控制系統(tǒng)的瞄準精度，在控制系統(tǒng)的瞄準裝置中增加了角度測量儀部件，操作人員瞄準目標后的角度值能夠定量地顯示在操作面板上，幫助操作人員更加準確地瞄準目標，因此，極大地提高了控制系統(tǒng)的控制度。
　　
　　角度測量儀利用光電編碼器讀取角度值，采用AT89S51單片機實現(xiàn)角度值數(shù)碼顯示、角度值偏差范圍的發(fā)光二極管指示功能（有三個指示燈，分別指示：偏高、偏低、適中）。不論在操作的復雜程度上還是在測量的精度上，都是傳統(tǒng)的眼瞄方法、刻度測量及標識方法*的。
　　
　　作為某控制系統(tǒng)的瞄準裝置的重要技術改進，此儀器的應用大大提高了控制系統(tǒng)瞄準的精度，增加瞄準偏差范圍的可讀性，淘汰了傳統(tǒng)的用刻度測量和標識角度的方法，使該控制系統(tǒng)的整體性能得到了顯著提高。此外，該角度測量儀只要稍作改動即可廣泛用于其它工業(yè)控制系統(tǒng)中。
　　
　　1、硬件基本原理
　　
　　首先，角度測量儀利用單片機讀取光電編碼器測出的角度值，再將角度值轉換成密位值并顯示在數(shù)碼屏上（注意：密位（mil）是一種角度單位，密位100=角度6°）。單片機判斷當前角度值的偏差范圍，給出控制信號點亮相應的發(fā)光二極管指示燈。此外，角度測量儀還可以通過控制面板上的開關控制實現(xiàn)瞄準鏡照明和低溫環(huán)境下瞄準鏡自動除霜功能。單片機的主要功能是實現(xiàn)角度值數(shù)碼管顯示、角度值范圍的發(fā)光二極管指示。該系統(tǒng)的難點在于確保角度值轉換成密位值的轉換精度和系統(tǒng)在非常溫環(huán)境下的工作可靠性。
　　
　　硬件分為以下幾個模塊：控制面板、單片機、光電編碼器、電源、數(shù)碼顯示器、發(fā)光二極管匹配指示裝置、周視鏡與直瞄鏡照明與除霜，如圖1所示。　　　　
　　1.1單片機的選用
　　
　　首先，根據(jù)項目的需求分析可以得知單片機要完成的主要功能是：從光電編碼器（數(shù)據(jù)總線寬度是15位）讀取角度值后，將該角度值與系統(tǒng)預設的角度值比較，判斷瞄準的角度值范圍，點亮相應的指示燈。然后將從光電編碼器讀得的角度值轉換成密位值，發(fā)送給串行LED顯示驅動器MAX7219,顯示在LED顯示器上。
　　
　　從以上分析可以得知，適合此需求的單片機至少應具備3個8位并行I/O端口（其中光電編碼器占用2個端口，其它占用1個端口）,才能有效工作。*，產品的品質等級通常分為三級：軍用級、工業(yè)級和商用級，其中，軍用級等級zui高，商用級等級zui低。由于此工業(yè)控制設備通常在戶外作業(yè)，工作環(huán)境比較惡劣，故單片機的品質的等級也是需要考慮的一個重要因素。
　　
　　目前，MCS-51系列單片機技術成熟，開發(fā)所用的教材和技術資料多，開發(fā)工具齊全，市場上產品種類豐富、性價比較高、購買容易，開發(fā)語言簡單易學（可以用匯編或C51）,因此，該系列產品應用廣泛，經久不衰。
　　
　　經過綜合考慮，單片機采用ATMEL公司生產的AT89S51芯片（MCS-51系列單片機的工業(yè)級產品）,兼容MCS51微控制器，4K字節(jié)FLASH存貯器支持在系統(tǒng)編程（ISP）1000次擦寫周期，128字節(jié)片內RAM,工作電壓4.0V到5.5V,全靜態(tài)時鐘0Hz到33MHz,三級程序加密，4個8位的可編程I/O端口，2/3個16位定時/計數(shù)器，6/8個中斷源，全雙工UART,低功耗支持Idle和Powerdown模式，Powerdown模式支持中斷喚醒，雙數(shù)據(jù)指針，上電復位標志。ATMEL公司生產的89系列單片機在工業(yè)、交通、儀器儀表、自動生產過程、航空、運輸、汽車、家電等領域都有著極及其廣泛的應用。所選型號為ATMEL公司的AT89S51-24PI,工業(yè)級。能適應-45℃~+80℃環(huán)境工作。
　　
　　單片機的I/O端口資源分配是：P0和P2口分配給光電編碼器，P1口分配給顯示驅動和匹配指示發(fā)光二極管控制以及MAX813.
　　
　　1.2單片機主要外圍電路的設計
　　
　　監(jiān)控電路：為了提高單片機在惡劣環(huán)境下的可靠性，必須采用μP監(jiān)控電路來增加單片機的穩(wěn)定性和抗*力。硬件監(jiān)控電路有以下功能：（1）上電復位：保障系統(tǒng)加電時能正確地啟動。（2）掉電復位：當電源失效或電壓降到某一電壓值以下時，產生復位信號對系統(tǒng)進行復位。（3）看門狗定時器：當處理器遇干擾，程序運行混亂產生"死鎖"時，對系統(tǒng)復位。此處采用MAXIM公司的軍用級芯片MAX813LMJA.
　　
　　顯示驅動電路：為了節(jié)省單片機I/O口資源，降低單片機的計算量，選用串行LED顯示驅動器MAX7219.它能控制8位共陰級LED數(shù)碼管，具有16級亮度控制、譯碼靈活，上電發(fā)光二極管全熄、只占用三根單片機I/O口線等優(yōu)點。
　　
　　單片機及主要外圍電路的原理如圖2所示。　　　　
　　1.3單片機與外圍器件的數(shù)據(jù)通信
　　
　　單片機與光電編碼器：因為光電編碼器獲得角度值的速度遠大于單片機的工作速度，所以，單片機可以認為光電編碼器上的數(shù)據(jù)總是處于"準備好"狀態(tài)，單片機隨時可以讀取有效數(shù)據(jù)，16位的角度值分成高8位和低8位兩次讀取，它們之間的數(shù)據(jù)是并行無條件傳送。
　　
　　單片機與MAX7219:從單片機和MAX7219的工作速度來看，CPU兩次發(fā)送數(shù)據(jù)給MAX7219的時間間隔，足以保證單片機訪問MAX7219時，MAX7219總是處于"準備好"狀態(tài)。而MAX7219又是串行LED顯示驅動器，因此，單片機與MAX7219的數(shù)據(jù)傳送是串行無條件傳送。
　　
　　單片機與MAX813:因為單片機向MAX813發(fā)送數(shù)據(jù)時，MAX813只等待接收單片機的初始化數(shù)據(jù)而并無其它的工作其工作速度足夠快，可以認為MAX813總是處于"準備好"狀態(tài)。因此，單片機與MAX813的數(shù)據(jù)傳送也是串行無條件傳送。
　　
　　2、軟件設計原理
　　
　　角度測量儀啟動工作后，單片機的工作過程是：系統(tǒng)啟動后，初始化外部看門狗，初始化顯示驅動芯片MAX7219,給看門狗計數(shù)器賦初值，讀取光電編碼器獲取的角度值，當角度偏差值處在某一特定范圍時，單片機發(fā)出控制信號點亮與該范圍相對應的指示燈，將當前的角度值轉換成密位值顯示在數(shù)碼屏，又重新給看門狗計數(shù)器賦初值，進入下一個工作循環(huán)。主函數(shù)的工作流程如圖3所示。　　　　
　　請注意，流程圖中，帶雙線邊的矩形框表示該部分為函數(shù)。在本課題的軟件設計中，采用了C51編程語言，因為用C51編程不僅效率高，而且可讀性很強。
　　
　　下面給出主函數(shù)的源代碼。
　　
　　voidmain（void）
　　
　　{
　　
　　WDI=0;//初始化看門狗
　　
　　InitMax7219（）;//初始化MAX7219的函數(shù)
　　
　　while（1）{
　　
　　WDI=1;//"喂狗"
　　
　　WDI=0;//"喂狗"
　　
　　GetAngle（）;//讀角度值的函數(shù)
　　
　　MachView（）;//指示燈匹配顯示的函數(shù)
　　
　　GetMil（）;//計算密位值的函數(shù)
　　
　　DisplayMil（）;//顯示密位的函數(shù)
　　
　　}
　　
　　}
　　
　　在主函數(shù)調用的幾個函數(shù)中，InitMax7219（）的功能是初始化LED顯示驅動器MAX7219,單片機向MAX7219發(fā)送消影控制、亮度、掃描范圍、譯碼方式信息。
　　
　　GetAngle（）的功能是從光電編碼器讀角度值，先讀高8位，再讀低8位，然后將高8位和低8位合并，zui后舍去zui低位（光電編碼器的有效數(shù)據(jù)是15位）.
　　
　　MachView（）的功能是角度偏差指示燈匹配顯示，將該角度值與系統(tǒng)預設的角度值比較，判斷瞄準的角度值是偏高、偏低還是適中。如果角度值偏高，那么單片機就發(fā)出控制命令，使偏高指示燈亮，如果偏低，則令偏低指示燈亮，否則令適中指示燈亮。
　　
　　值得注意的是，計算密位值的函數(shù)GetMil（）的代碼編寫，要考慮角度的轉換精度，在本課題中，采用了C51中的long型變量來分別存放密位的整數(shù)和小數(shù)部分，并將角度的小數(shù)部分放大十萬倍后參加運算，保證轉換精度。
　　
　　DisplayMil（）的功能是驅動MAX7219顯示密位。首先顯示密位，判斷此角度是否進入預設區(qū)，如果是，熄滅符號燈，各位顯示"0";如果沒有，判斷角度值是否為負，如果是，顯示負號，如果是正，不顯示負號，然后將角度值顯示在LED顯示屏上。
　　
　　由于篇幅所限，程序的源代碼沒有給出。
　　
　　3、結束語
　　
　　為了使角度測量儀能在各種可能的惡劣環(huán)境下（如高溫、低溫、振動等環(huán)境）正常工作，在整個設計過程中，要著重考慮的問題是硬件的可靠性和軟件的可靠性。設計時的注意事項如下：（1）電源芯片的額定功率選擇要留有余量。（2）元器件選擇工業(yè)級或軍用級產品。（3）采用硬件看門狗方案，防止單片機程序鎖死。本課題設計的樣機已處于測試階段，目前已通過了常溫和多種環(huán)境試驗的測試。