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摘 要
本次設計內容為制作一個管道內鋼珠運動測量裝置，采用STM32F103Z作為主控芯片，裝置使用2個非接觸式傳感器檢測鋼珠運動。配合信號處理和顯示電路獲得鋼珠的運動參數。本裝置可以實現兩傳感器處于任意間距時，傾斜放置管道，由高端放入2~10粒鋼珠，可顯示放入鋼珠個數。左右兩端分別置于高端，放入鋼珠可顯示其運動方向。并能測出管道的傾斜角a的角度值（傾斜角度ａ為10°到80°之間的某一角度，測量誤差的絕對值≤3°）。
Abstract
The content of the design is to make a measuring device forsteel ball movement in a pipe, using STM32F103Z as the main control chip, andthe device uses 2 non - contact sensors to detect the movement of steel ball.With the signal processing and display circuit, the motion parameters of thesteel ball are obtained. The device can realize two sensors at any distance,tilt the pipeline, and put the 2~10 steel ball into the high end. It candisplay the number of steel balls. The left and right ends are placed at thetop end and placed into the steel ball to show the direction of movement. Itcan also measure the angle of a of the inclination angle of the pipeline (theangle of inclination A is from 10 to 80 degrees, and the absolute value of themeasurement error is less than 3 degrees).
目錄 一、系統方案... 1
1、非接觸式傳感器的論證與選擇... 1
2、顯示模塊的論證與選擇... 1
3、控制系統的論證與選擇... 2
二、系統理論分析與計算... 2
1、系統總體設計... 2
2、角度值的計算... 3
3、檢測電路原理分析計算... 3
4、顯示電路的原理及分析... 4
三、電路與程序設計... 5
1、電路的設計... 5
（1）STM32F103Z電路原理圖... 5
（2）LCD12864電路原理圖... 5
（3）降壓穩壓模塊電路原理圖5
（4）復位按鍵電路原理圖6
（5）電源... 6
2、程序的設計... 6
（1）程序功能描述與設計思路... 6
（2）程序流程圖... 7
四、測試方案與測試結果... 9
1、測試方案... 9
2、測試條件與儀器... 10
3、測試結果及分析... 10
（1）測試結果(數據) 10
（2）測試分析與結論... 10
五、結論與心得... 11
六、參考文獻... 11
附錄1：電路原理圖... 12
附錄2：源程序... 13
管道內鋼珠運動測量裝置（M題） 【專科組】 一、系統方案本系統主要由主控芯片、傳感器模塊、顯示模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。
1、非接觸式傳感器的論證與選擇方案一：紅外光電傳感器
紅外光電傳感器模塊具有一對紅外線發射與接受管，發射管發射一定頻率的紅外線，當檢測方向遇到障礙物時，紅外線反射回來被接收管接收，經過比較器電路處理之后，信號輸出接口輸出數字信號，可調節檢測距離，有效檢測距離2~30cm。
方案二：LJ18A3—8Z/BX接近開關
接近開關又稱無觸點開關，是理想的電子開關量傳感器。當金屬檢測體接近開關的感應區域 ，開關就能無接觸，無壓力、無火花、迅速發出電氣指令，準確反應出運動機構的位置和行程，其既有行程開關、微動開關的特性，同時具有傳感性能，且動作可靠，性能穩定，頻率響應快，應用壽命長，抗干擾能力強等特點。
由于本設計被測鋼珠要通過不透明的硬塑料管材，且沒有加工痕跡，紅外對管對環境光線要求比較高，管材無法實現，所以紅外光電傳感器不適合本次設計。被測鋼珠為金屬材質，接近開關為無觸點式開關，無需破壞管材，為本次實驗合適的模塊。
綜合以上兩種方案，選擇方案二。
2、顯示模塊的論證與選擇方案一：LCD1602顯示模塊
LCD1602是一種工業字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。LCD1602液晶顯示原理 LCD1602液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。
優點：是字符型液晶，顯示字母和數字比較方便、控制簡單、成本較低
缺點：顯示的字體有大小限制、不能顯示圖形和漢字、不能顯示曲線
方案二：LCD12864顯示模塊
LCD12864是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅動器/列驅動器及128&TImes;64 全點陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示8&TImes;4個（16&TImes;16 點陣）漢字或者顯示16&TImes;4個（8×16 點陣）ASCII碼。
優點：功耗低、背光強、顯示內容多
缺點：程序比較復雜
因LCD1602不能顯示漢字和圖形，顯示字符較少，本次設計選擇顯示信息量大的LCD12864顯示模塊
綜合以上兩種方案，選擇方案二。
3、控制系統的論證與選擇方案一：AT89S52單片機
采用AT89S52單片機進行系統的控制，算術功能強，軟件編程靈活，自由度大，功耗小，體積小。最熟悉，可查閱的資料最多，但片內接口少，處理速度慢，不便于實時調控。
方案二：STM32F103Z
采用以ARM Cortex-M3為內核的STM32F103z控制芯片，其內部時鐘頻率為72MHz，支持CAN總線傳輸，可以實現多路數據的傳輸和處理，且有豐富的庫函數可供調用，簡化了程序設計的過程。片內資源多，速度高，浮點運算快，但一般價格較高。
通過比較，我們選擇方案二，采用STM32F103Z作為主控制芯片，控制數據的接收，處理與發送。
綜合考慮采用方案二
二、系統理論分析與計算1、系統總體設計 系統總體框圖如圖1.1所示，系統工作過程為：當開關按鍵按下之后，各個部分同時工作，顯示模塊顯示鋼珠個數及運動方向，并顯示傾斜角的角度值。
圖1.1 系統總體框圖 2、角度值的計算鋼珠以零速度進入管道，兩個電感式接近開關傳感器分別檢測鋼珠運動通過開關所需時間并送到單片機進行處理，計算出兩點的不同速度，進而計算出加速度，最終計算出管道放置的角度
圖1.7主程序流程圖 2、計算角度值子程序流程圖
圖1.8 計算角度子程序圖 3、判斷方向子程序流程圖
圖1.9 判斷方向流程圖
4、計數流程圖
圖2.0 計數程序流程圖
5、顯示電路程序流程圖
圖2.1 顯示電路程序流程圖
四、測試方案與測試結果1、測試方案（1）硬件測試
1）繪制各個電路，焊接完畢后，測試系統各個功能模塊的電源值，得到電源模塊達到設計要求。
2）測試接近傳感器能否正常工作。
3）測量各模塊供電電壓是否達到要求。
4）測試顯示角度值與對照角度值的誤差
4）再次檢查電路是否有虛焊、漏焊和走線問題。
（2）硬件軟件聯調
通過編寫簡單的角度測量程序，對比測量角度值與對照角度刻度是否一致，軟件都調試無誤后，進入系統最后的軟件編寫調試。
2、測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。
測試儀器：高精度的數字毫伏表，數字萬用表，高精度量角器。
3、測試結果及分析（1）測試結果(數據) 角度的誤差測量
| 對照角度值 | 10 | 27 | 35 | 43 | 52 | 68 | 74 | 80 | | 顯示角度值 | 11 | 26 | 35 | 46 | 53 | 69 | 75 | 79 |
放入鋼珠的個數、方向與顯示值的對照 | 放入鋼珠個數 | 2 | 4 | 6 | 7 | 8 | | 顯示鋼珠個數 | 2 | 4 | 6 | 7 | 8 | | 實際方向 | 01 | 10 | 10 | 01 | 10 | | 顯示方向 | 01 | 10 | 10 | 01 | 10 | | 實際周期 | 2 | 5 | 6 | 8 | 9 | | 顯示周期 | 2 | 5 | 6 | 8 | 9 |
（2）測試分析與結論根據上述測試數據，由此可以得出以下結論：
1、放入鋼珠的個數顯示正確。
2、鋼珠的運動方向顯示正確。
3、管道的傾斜角測量角度值與對照角度值誤差file:///C:/Users/IDEAPA~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image049.png。
綜上所述，本設計達到設計要求。
五、結論與心得經過幾天時間的不懈努力，本次實驗終于達到預期目標，實現了管道內測量鋼珠的個數，運動方向，管道傾斜角的角度值及擺動周期的顯示。剛開始在編寫程序過程中，鋼珠計數及運動方向問題很容易解決，在角度值的計算方面出現了困難，隊員之間意見存在分歧，經過嚴密的分析以及查閱大量資料后，最終消除了分歧，統一了意見，制定出一套較為完美的方案。經過這次實驗，我們不僅掌握了STM32開發板的應用和LCD12864的顯示。更重要的是培養了我們自主學習和團隊協作的能力，更讓我們懂得：灑下努力的汗水，你就會收獲成功的喜悅。
六、參考文獻[1] 譚浩強.C語言程序設計[M].北京:清華大學出版社,2012
[1] 譚浩強.C語言程序設計[M].北京:清華大學出版社,2012
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