本文分析了基于AT89S51 單片機的角度測量的硬件組成、電路設計原理。給出了主函數的工作流程和源代碼。設計樣機已通過多種環境實驗的測試。

　　角度測量儀是某控制系統中瞄準裝置的關鍵部件。在以往的控制系統中，多數都是僅憑設備操作人員眼睛瞄準指定目標，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精確程度，從而嚴重影響控制系統的精度。為了提高控制系統的瞄準精度，在控制系統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精確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的控制精確度。

　　角度測量儀利用光電編碼器讀取角度值，采用AT89S51 單片機實現角度值數碼顯示、角度值偏差范圍的發光二極管指示功能(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，都是傳統的眼瞄方法、刻度測量及標識方法無法比擬的。

　　作為某控制系統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瞄準的精度，增加瞄準偏差范圍的可讀性，淘汰了傳統的用刻度測量和標識角度的方法，使該控制系統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控制系統中。

　　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瞄準鏡照明和低溫環境下瞄準鏡自動除霜功能。單片機的主要功能是實現角度值數碼管顯示、角度值范圍的發光二極管指示。該系統的難點在于確保角度值轉換成密位值的轉換精度和系統在非常溫環境下的工作可靠性。

　　硬件分為以下幾個模塊：控制面板、單片機、光電編碼器、電源、數碼顯示器、發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(數據總線寬度是15 位) 讀取角度值后，將該角度值與系統預設的角度值比較，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，發送給串行L ED 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。眾所周知，產品的品質等級通常分為三級：軍用級、工業級和商用級，其中，軍用級等級最高，商用級等級最低。由于此工業控制設備通常在戶外作業，工作環境比較惡劣，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，開發所用的教材和技術資料多，開發工具齊全，市場上產品種類豐富、性價比較高、購買容易，開發語言簡單易學(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 系列單片機的工業級產品) , 兼容MCS51 微控制器，4 K 字節FLASH 存貯器支持在系統編程( ISP) 1000 次擦寫周期，128 字節片內RAM ,工作電壓4. 0 V 到5. 5 V ,全靜態時鐘0 Hz 到33 MHz ,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/ 計數器，6/ 8 個中斷源，全雙工UART ,低功耗支持Idle 和Power down 模式，Powerdown 模式支持中斷喚醒，雙數據指針，上電復位標志。ATMEL 公司生產的89 系列單片機在工業、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 ,工業級。能適應- 45 ℃~ + 80 ℃環境工作。

　　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光二極管控制以及MAX813.

　　1. 2 單片機主要外圍電路的設計

　　監控電路：為了提高單片機在惡劣環境下的可靠性，必須采用μP 監控電路來增加單片機的穩定性和抗干擾能力。硬件監控電路有以下功能：(1) 上電復位：保障系統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： 為了節省單片機I/ O 口資源，降低單片機的計算量，選用串行L ED 顯示驅動器MAX7219. 它能控制8 位共陰級L ED 數碼管，具有16 級亮度控制、譯碼靈活，上電發光二極管全熄、只占用三根單片機I/ O 口線等優點。

　　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據通信

　　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據總是處于"準備好"狀態，單片機隨時可以讀取有效數據，16 位的角度值分成高8 位和低8 位兩次讀取，它們之間的數據是并行無條件傳送。

　　單片機與MAX7219 :從單片機和MAX7219的工作速度來看，CPU 兩次發送數據給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。而MAX7219 又是串行L ED 顯示驅動器，因此，單片機與MAX7219 的數據傳送是串行無條件傳送。

　　單片機與MAX813 :因為單片機向MAX813發送數據時，MAX813 只等待接收單片機的初始化數據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。因此，單片機與MAX813 的數據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碼屏，又重新給看門狗計數器賦初值，進入下一個工作循環。主函數的工作流程如圖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。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。

　　下面給出主函數的源代碼。

　　void main (void)

　　{

　　WDI = 0 ; / / 初始化看門狗

　　InitMax7219 () ; / / 初始化MAX7219 的函數

　　while (1) {

　　WDI = 1 ; / /"喂狗"

　　WDI = 0 ; / /"喂狗"

　　GetAngle () ; / / 讀角度值的函數

　　MachView() ; / / 指示燈匹配顯示的函數

　　GetMil () ; / / 計算密位值的函數

　　DisplayMil () ; / / 顯示密位的函數

　　}

　　}

　　在主函數調用的幾個函數中，InitMax7219() 的功能是初始化L ED 顯示驅動器MAX7219 ,單片機向MAX7219 發送消影控制、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，最后舍去最低位(光電編碼器的有效數據是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和小數部分，并將角度的小數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，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L ED顯示屏上。

　　3 結束語

　　為了使角度測量儀能在各種可能的惡劣環境下(如高溫、低溫、振動等環境) 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境試驗的測試。