传感器与检测技术综合实训报告书.doc

辽东学院课程设计报告书 传感器与检测技术综合课程设计 成绩：课 程 设 计 报 告 书所属课程名称 传感器与检测技术综合课程设计 题 目 电子称硬件电路设计 分 院 机电学院 专 业、班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 2013 年 7月 19日目 录1 课 程 设 计 任 务 书12 总 体 设 计 方 案22.1电子称工作原理22.2基于at89s52的主控电路32.2.1管脚说明32.2.2晶体振荡器特性52.2.3 at89s52的主要性能参数52.2.3单片机硬件接口接口62.3电阻应变式传感器72.4前级放大器部分82.5 a/d 转换器112.5 显示模块112.6 键盘输入113 电 路 的 硬 件 设 计143.1显示模块143.2测量电路143.3数据转换、处理电路163.4键盘及报警模块164 电 路 的 软 件 设 计174.1程序运行框图174.1电子称主程序185 总 结207 参 考 文 献21附录 电路图22传感器与检测技术综合课程设计 辽东学院1 课 程 设 计 任 务 书课程设计题目： 电子称硬件电路设计 课程设计时间：自 2013 年 7 月 15 日起至 2013 年 7 月 19日课程设计要求：1、 根据电路的要求选择电阻应变式传感器2、 可液晶显示所称物体重量、设置商品单价（元/kg）及商品总价输出；3、 电子秤称重范围：09.999；重量误差不大于0.005；4、 性能稳定、计数要精确，具有校准旋钮，简化电子称的校准操作；5、 具有溢出声光报警，提示用户纠正操作功能。学生签名： 2013 年 07 月 19 日课程设计评阅意见项目课程设计态度评价10%出勤情况评价10%任务难度、量评价10%创新性评价10%综合设计能力评价20%报告书写规范评价20%答辩20%成绩综合评定等级评阅教师： 2012年 月 日2 总 体 设 计 方 案本设计为一个数字式电子称控制系统及其硬件电路的设计。本设计选用电阻应变式传感器作为物体重力感知设备，通过模数转换芯片，结合可靠、成熟的单片机数字处理技术，通过高亮度lcd12864显示屏实现物体质量实时显示、商品单价设置及商品总价的分行输出功能，便于使用者操作；同时，外设调零旋钮，易于调零校准，相比于机械称大大节省了校准时间；并且在称量商品的质量及总价超过预设最大值时，电子称会发出声光报警，提示用户错误操作，以免对设备造成更大损害。2.1电子称工作原理本设计电子称由七部分组成：应变式传感器、模拟信号放大模块、模数转换模块、主控制器模块、键盘、显示模块及报警模块。系统工作流程图如下。键盘显示模块主控制器模块电阻应变式传感器运放电路报警电路校准电路系统工作示意图由应变式传感器原理可知其将压力信号转变成微弱的电信号，经运放电路将其放大到信号处理所需压值得电信号，然后经ad转变换器将其转换成数字信号，送经总控制器进行处理；键盘的功能是设定商品单价（元/kg）并送入总控制器，经处理后得出商品总价，经显示模块将商品的质量、单价、总价输出，当商品的总质量超过电子称测量极限或总价超出预设总价上限，报警模块会发出提示音和led闪烁的报警提示,提醒用户操作非法，应及时取消当前操作，以免造成损失。2.2基于at89s52的主控电路采用at89s52单片机作为时钟控制器，at89s52单片机是美国atmel公司生产的低功耗、低电压、高性能8位单片机，片内含8k 字节的可反复擦写的只读程序存储器（eprom）和256 字节的随机存取数据存储器（ram），采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准mcs-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（cpu）和flash存储单元，功能强大、适合于许多较为复杂控制应用场合。2.2.1管脚说明vcc：供电电压。gnd：接地。p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，能驱动8个ttl逻辑门电路。对端口写“1”时，被定义为高阻输入。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在flash编程时，p0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。p1口:p1口是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口,p1口的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(i)。在flash编程和程序校验期间,p1接收低8位地址。部分端口还有第二功能,如表3所示:端口引脚第二功能p1.5mosi(用于isp编程)p1.6miso(用于isp编程)p1.7sck (用于isp编程)表3 p1口部分引脚第二功能p2口:p2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/o口, p2口的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(i)。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行movxdptr指令)时,p2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据寄存器(例如执行movxri指令)时,p2口线上的内容(也即特殊功能寄存器(sfr)区中p2寄存器的内容),在整个访问期间不改变。在flash编程或校验时,p2亦接收高位地址和其它控制信号。p3口: p3口是一个带有内部上拉电阻的双向8位i/o口, p3口的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个ttl逻辑门电路。对p3口写“1”时,它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入口使用时,被外部信号拉低的p3口将用上拉电阻输出电流(i)。p3口除了作为一般的i/o口线外,更重要的用途是它的第二功能,如表4所示:p3口还接收一些用于flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。端口引脚第二功能p3.0rxd (串行输入口)p3.1txd (串行输出口)p3.2 (外中断0)p3.3 (外中断1)p3.4 t0 (定时/计数器0)p3.5 t1 (定时/计数器1)p3.6 (外部数据存储器写选通)p3.7 (外部数据存储器读选通)表4 p3口引脚第二功能rst：复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上的高电平时间将使单片机复位。wdt溢出将使该引脚输出高电平,设置sfr auxr的disrto位(地址8eh)可打开或关闭该功能。 disrto位缺省为reset输出高电平打开状态。 ale/:当访问外部存储器或数据存储器时，ale(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部寄存器,ale仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。值得注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。对flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲()。如有必要,可通过对特殊功能寄存器(sfr)区中的8eh单元的d0位置位,可禁止ale操作。该位置位后,只要一条movx和movc指令才会激活ale。此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ale无效。：程序存储允许()输出是外部程序存储器的读选通信号,当at89s51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次有效,即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器时,没有两次有效的信号。ea/vpp：外部访问允许。欲使cpu仅访问外部程序存储器（地址为0000h-ffffh），ea端必须保持低电平(接地)。需要注意的是:如果加密位lb1被编程,复位时内部会锁存ea端状态。如ea端保持高电平(接vcc端)，cpu则执行内部程序存储器中的指令。flash存储器编程期间，该引脚用于施加+12v编程电压（vpp）。xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入端。xtal2：反向振荡放大器器的输出端。2.2.2晶体振荡器特性 at89s51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1和xtal2分别为该反向放大器的输入端和输出端。这个反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。 外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容c1、c2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容c1、c2虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性。如果使用石英晶体,电容应该使用30pf10pf。 还可以使用外部时钟。这种情况下,外部时钟脉冲接xtal1端,即内部时钟发生器的输入端, xtal2应悬空。 由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的,所以外部时钟信号的占空比没有特殊要求,但最小高电平持续时间和最大低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。2.2.3 at89s52的主要性能参数1、 与mcs-51 单片机产品兼容 2、 8k 字节在系统可编程flash 存储器3、 1000 次擦写周期 4、 全静态操作：0hz33hz 5、 三级加密程序存储器 6、 32 个可编程i/o 口线 7、 三个16 位定时器/计数器 8、 八个中断源 9、 全双工uart 串行通道 10、低功耗空闲和掉电模式 l1、掉电后中断可唤醒 l2、看门狗定时器 13、双数据指针 l4、掉电标识符2.2.3单片机硬件接口接口1、与显示模块接口p0：p0.1-p0.7接显示模块的d0-d7数据/指令输入端，p2.0-p2.4接lcd的控制端，控制显示模块的数据刷新等操作。2、 与ad转换器接口p3.5-p3.7接ad转换器的片选/cs、转换时钟clk、数据输出do端，单片机通过片选和时钟控制转换器的数模转换，经过do获取转换结果。4、 与键盘接口单片机的p1口接行列式键盘，其中p1.0-p1.3作为行扫描接口，p1.4-p1.7作为键盘的列扫描接口。5、 与报警模块接口p3.1作为报警模块的输入连接接口，控制报警器的开关，报警器开时蜂鸣器会发出提示音，led会被点亮。单片机接口图如下：2.3电阻应变式传感器电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为r/r后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的r/r变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。下图为一直流供电的平衡电阻电桥，接直流电源e： 图2.6 传感器结构原理图当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。当忽略电源的内阻时，由分压原理有： = （2.1）当满足条件r1r3=r2r4时，即（2.2）=0，即电桥平衡。式（2.2）称平衡条件。应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。若差动工作，即r1=r-r,r2=r+r,r3=r-r，r4=r+r,按式（2.1），则电桥输出为 (2.3) 应变片式传感器有如下特点：（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。（3）结构轻小，对试件影响小， 对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。 通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。题目要求称重范围09.999kg，重量误差不大于0.005kg，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重9.999kg 。我们选择的是l-psiii型传感器，量程20kg，精度为 0.01%，满量程时误差0.002kg，完全满足本系统的精度要求。2.4前级放大器部分经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行a/d转换。为此，测量电路中常设有模拟放大环节。这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。放大器的输入信号一般是由传感器输出的。传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。因此，一般对放大器有如下一些要求：1、输入阻抗应远大于信号源内阻。否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。2、抗共模电压干扰能力强。3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。4、能附加一些适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。我们考虑了以下几种方案：方案一 利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于a/d转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此种方案不宜采用。方案二 由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如op07)做成一个差动放大器，如下图所示： 图 利用普通运放构成的放大器电阻r1、r2和电容c1、c2、c3、c4用于滤除前级的噪声，c1、c2为普通小电容，可以滤除高频干扰，c3、c4为大的电解电容，主要用于滤除低频噪声。优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器r6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。缺点：此电路要求r3、r4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。实际测量，每一级运放都会引入较大噪声，对精度影响较大。方案三 采用专用仪表放大器，如：ad620，ina126等。此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。 以ad620为例，内部结构如下图所示：图 ad620的内部等效图接口如下图所示：图 ad620的接口图电路的工作原理：a1、a2工作在负反馈状态，其反向输入端的电压与同相输入端的电压相等。即rg两端的电压分别为vin+、vin-。因此 （2.4）设图中电阻r1=r2=r，则a1、a2两输出端的电压差u12为 （2.5）将式（2.6）代入式（2.5）得 放大器的增益av为 （2.6）可见，仅需调整一个电阻rg，就能方便的调整放大器的增益。由于整个电路对称，调整时不会造成共模抑制比的降低。在接口图中，通过改变可变电阻r3的阻值大小来改变放大器的增益，放大器增益计算公式如下： （2.7）ad620 具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。其最大输入偏置电流为20na，这一参数反映了它的高输入阻抗。ad620在外接电阻rg时，可实现11000范围内的任意增益；工作电源范围为2.318v；最大电源电流为1.3ma；最大输入失调电压为125v；频带宽度为120khz（在g=100时）。基于以上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器ad620（仿真中用opamp代替）。2.5 a/d 转换器本设计选用adc0832转换器，adc0832 是美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率、双通道a/d 转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。adc0832 为 8 位分辨率 a/d 转换芯片，其最高分辨可达 256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 05v 之间。芯片转换时间仅为 32s，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过 di 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。2.5 显示模块采用可以设置显示单价，金额，中文等的lcd，它具有低功耗、可视面大、画面友好及抗干扰能力强等功能，其显示技术已得到广泛应用。lcd 显示器的工作原理：液晶显示器的主要材料是液态晶体。它在特定的温度范围内，既具有液体的流动性，又具有晶体的某些光学特性，其透明度和颜色随电场、磁场、光照度等外界条件变化而变化。因此，用液晶做成显示器件，就可以把上诉外界条件的变化反映出来从而形成现实的效果。为了得到良好的显示效果，我们采用可以多行显示的屏幕，由于无需太大屏幕，我们选择了通用型点阵式12864型lcd。2.6 键盘输入键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据单片机应用系统的用途而定。键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时，触点闭合，当键松开时，触点断开。单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。因此，相对于单片机系统来说键盘接口信号是输入信号。 因此，我们选择功能更好的专用键盘，既在各个键印上刷好其功能以方便使用（例如：1、2、3、4及小数点、清除等）。2.7系统电源系统需要多种电源，单片机需要5v电源，a/d转换器需要5v，+1v，传感器需要10v以上的线性电源（不能用开关电源，否则称重数据不稳定）。稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。方案一 采用三端固定稳压芯片7805和7812为系统提供稳定的电源。这个部分由整流电路、滤波电路、稳压电路等组成。如下图：图+5v电源电路图在这里只给出了5v电源电路，+12v电源电路与+5v相似，因此不再画出。78系列是输出电压固定的三端集成稳压器，输出为正电压，输出电流可达1a。方案二 以lm317和lm337型号的芯片为核心来设计电源电路。选用初级220v、次级18v，功率为10w的变压器两只提供交流电源，经过整流稳压滤波后，再分别由lm317和lm337提供系统所需的直流稳压电源。lm317是一种外接很少元件就能工作的三端可调式集成稳压器，它的三个接线端分别称为输入端、输出端和调整端。它的内部电路有比较放大器、偏置电路、恒流源电路和带隙基准电路等，它的公共端改接到输出端，器件本身无接地端。所以消耗的电流都从输出端流出，内部的基准电压（约1.2v）接至比较放大器的同相端和调整端之间。若接上外部的调整电阻r1、r2后，输出电压为 = (2.8)lm317的vref =1.2v, i adj =50a，由于调整端电流i adji1, 故可以忽略，式（2.8）可简化为 （2.9）图 lm317结构图lm337稳压器是与lm317对应的负压三端可调集成稳压器，它的工作原理和电路结构与lm317相似。lm系列的特性有：可调整输出电压低到 1.25v；保证 1.5a 输出电流；典型线性调整率 0.01%；典型负载调整率 0.1%；80db 纹波抑制比；输出短路保护；过流、过热保护；调整管安全工作区保护。系统的传感器部分，传感器电源的设计直接影响系统的稳定性和精确度。实践证明，若桥电源采用一级稳压，稳压器采用78系列，称重误差为10%，屏幕显示的称重数据变化较大，各部分之间协调性较差。若采用二级稳压，稳压器采用78系列，称重误差为3%左右，各部分之间协调性较好。由此可见电桥电压的重要性。经反复试验发现，采用差动式电源可将电源的波动部分中和掉，大大提高电桥输出精度及稳定性。另外，系统要求扩大输出电压的调节范围，故使用它很不方便。 所以，具体设计时考虑到运算放大器的放大能力与工作电压的大小关系，以及电源芯片的自身优势等因素，最终选用了性价比比较高的lm317和lm337来设计电源电路，给系统提供正、负电压，满足系统正常工作电源的要求。3 电 路 的 硬 件 设 计本设计电子称的硬件电路包括传感器检测模块、信号放大模块、数模转换模块、信号处理模块、主控制模块、键盘及报警模块，电路经proteus软件仿真达到接近实际电路的效果，下面是硬件的设计与仿真结果。3.1显示模块显示模块用于显示商品的质量，在设置商品单价的情况下，商品的总价会显示在屏幕的最下方如图所示：3.2测量电路测量电路的组成包括：传感器检测电路、模拟信号放大电路；在仿真环境里l-psiii型传感器的检测原理可用如下电桥电路代替：滑动变阻器的作用是在l-psiii的输出电压范围内模拟其在不同应变下输出的不同电压，将其输出给下一级信号放大电路进行电压放大，放大电路如下图；我们采用opamp的差动式放大器来实现该功能，通过输出端的电压表，我们可以很方便的在仿真环境里，使用校准电阻对输出端进行校准操作。3.3数据转换、处理电路本设计的模数转换有adc0832芯片及其外围电路完成，如下图；控制数据转换、数据处理、商品单价输入及显示以及报警功能是由at89s52来完成，具体电路见附录 电路原理图。3.4键盘及报警模块键盘采用44键盘，可以实现商品单价的输入、基数按结果、清零、重置等功能。如下图：按数字键和小数点键可设置商品单价，按下“=”键显示商品的总价，当按下on/c键时清除所设商品单价及计算结果。当所放商品的质量超过10kg或商品总价超过255元时，报警电路便会发出持续报警声，led灯点亮，直到物品重量或商品总价值低于上限。4 电 路 的 软 件 设 计4.1程序运行框图扫描键盘启动模数转换显示初始化是否上电复位主控制器启动测量质量质量显示单价输入总价显示质量上限 or总价上限上限报警连续测量4.1电子称主程序void main()uchar temp;lcd_init();clear_screen(0);lcd_display_hanzi(1,0,0,0);lcd_display_hanzi(1,0,1,1);lcd_display_shuzi(1,0,4,10);lcd_display_hanzi(1,1,0,2);lcd_display_hanzi(1,1,1,3);lcd_display_shuzi(1,1,4,10); lcd_display_hanzi(1,2,0,3);lcd_display_hanzi(1,2,1,4);lcd_display_shuzi(1,2,4,10); k=0; while(1) ad();/模数转换 changs(); /重量数据处理 display();/重量数据显示 p1=0xf0; /按键判断 temp=p1; temp=temp&0xf0; if(temp!=0xf0) jianpan();/调键盘程序 if(k=1)/判断是数字输入则变数据 dap=0;/显示单价 datainput();/数据处理与显示 if(k=.) lcd_display_shuzi(1,1,4+s,11); dip=1; if(k=)/如果是等号输入则调计算程序 s=0;dap=1;/显示金额，s为第几次按键识别 display2(); /金额处理及显示程序 if(k= )/清屏 n=0;date=0;date1=0;date2=0;dap=0;/数据为0 k=0;speak=1;dip=0;bb=0;s=0;data3=0; str_tme10=0; str_tme11=0; str_tme12=0; str_tme13=0;clear_screen(0);lcd_display_hanzi(1,0,0,0);lcd_display_hanzi(1,0,1,1);lcd_display_shuzi(1,0,4,10);lcd_display_hanzi(1,1,0,2);lcd_display_hanzi(1,1,1,3);lcd_display_shuzi(1,1,4,10); lcd_display_hanzi(1,2,0,3