基于单片机的扭矩测量系统设计(精华).doc

摘摘 要要 扭矩是电机最重要的一个参数之一 要合理地使用电机 必须要准确地对扭矩进 行测量 而且扭矩的测量是机械产品的开发研究 测试分析 质量检验 型式鉴定和 节能 安全或优化控制等工作中必不可少的内容 扭矩测量仪是科研部门和工业生产 过程中必备的测试工具 因而研制出一种数字式 高精度的扭矩测量仪具有非常现实 的意义 以往的扭矩测量中 将电机与传感器和负载直接连接起来 这种方法构成的电机 扭矩测量仪具有结构简单 测量平稳等优点 但是其结构庞大 能耗大 价格昂贵且 测量误差大 如果测量各种大扭矩电机 需要加大负载 将导致测量仪体积和重量增 加 且受旋转轴固有频率的影响 不适于测量高速电机 因此 本次设计以ZJ型传感 器为基础 以单片机为核心设计了一款数字化高精度扭矩测量仪 本次设计的扭矩测量仪可以对各种电机进行测量 扭矩的测量范围预计可达到 0 500 0Nm 而且还可以对扭矩超标进行报警提示 本系统设计的测量仪具有测量范围 广 精度高等特点 而现在的测量仪正在朝着高精度 宽测量范围 小体积 低价格 等方向发展 在这样的情况下 可以说本测量仪在扭矩测量领域里具有很强的实用性 和广阔的发展前景 关键字 关键字 扭矩测量 数字式 单片机控制 Abstract Torque is one of the most important parameters motor one to reasonably use the motor must be accurately measured for the torque And torque measurement is the mechanical product development research testing and analysis quality inspection type identification and energy saving safety or optimization control in the job such as indispensable content Torque measuring instrument is scientific research departments and industrial production process necessary testing tools Thus developed a digital high precision torque meter is very realistic significance Previous torque measurement motor and sensor and load will be connected directly this method constitute motor torque meter measuring has simple structure stable etc But its structure is huge energy consumption is big expensive and measurement error is big if torque motor measuring various need to increase the load will result in measuring instrument bulk and weight increased and the influence of by the axis of the inherent frequency not suitable for measuring high speed motor Therefore this design based on ZJ type sensor based on singlechip design a new digital precision torque measuring instrument The design of torque measurement instrument measured for various motor can be the measuring range torque can be expected to reach 0 500 0 Nm and still can exceed of torque for alarm prompt This system design of measuring instrument has wide measuring range high precision and But now the measuring instrument is going in the high precision wide measuring range small volume low price direction In such situations can say this measurement instrument in the field in torque measurement with strong practicability and broad development prospects Key word torque measurement digital SCM control 目录目录 摘 要 1 ABSTRACT 2 第 1 章 绪 论 3 1 1 课题背景及理论与实际意义 3 1 2 课题的发展状况 3 1 3 本课题的来源及设计要求和主要内容 4 第 2 章 总体方案论证 5 第 3 章 硬件电路设计 6 3 1 硬件电路总体结构及工作原理 6 3 2 ZJ 传感器的结构及工作原理 7 3 3 信号的放大与比较电路设计 8 3 4 主控模块单片机系统的设计 10 3 5 显示模块的设计 15 3 6 AD 转换电路设计 18 第 4 章 软件设计 20 4 1 主程序设计 20 4 2 初始化程序设计 22 4 3 测量子程序设计 23 4 4 串口通信程序设计 25 4 5 看门狗程序设计 26 致 谢 28 参考文献 29 附录一 硬件原理图 30 附录二 主要参考文献及摘要 31 附录三 部分程序清单 33 第第 1 章章 绪绪 论论 1 1 课题背景及理论与实际意义 随着生产和科学技术的迅速发展 测量和试验技术作为涉及多种学科的综合科学 技术 正在形成独立的学科体系 扭矩是工业生产过程中的重要参数 为了保证生产 正常进行 必须对扭矩进行检测和控制 扭矩的测量是各种机械产品的开发研究 测 试分析 质量检验 型式鉴定和节能 安全或优化控制等工作中所必不可少的内容 例如在各种发动机的研制和调试过程中 需要知道发动机的性能是否满足要求以及是 否正常运行 这就需要对扭矩进行测量 其次 在各种电机的运行过程中往往需要设 置一个扭矩的上限值 以确保电机的安全运行 通过对扭矩和的测量 当超过上限值 时发出报警信号 以提醒用户进行相应的操作 测量扭矩的传感器 仪器和装置已成为科研单位 院校 工厂实验室或检验部门 的必备测试工具 也是电子计算机控制的生产或试验系统中提供扭矩信息所必需的组 成部分 在现代化测量仪中 数字显示仪表得到了迅速发展 这种仪表有读数直观 信号 可以原传或遥传 不容易受到干扰 测量准确度高 测量结果便于自动纪录 或输入 到电子计算机中进行数据处理等等优点 数字扭矩测量仪表在现代科学试验工作中的 应用日益广泛 随着数字时代的到来 以单片机为核心的微型测控系统获得了飞速发展 现已应 用于生产生活的各个方面 并且快速取代了传统的同类产品 对于大多数扭矩测量系 统而言 运行稳定可靠 操作灵活简便 节省时间 性能价格比高 扩展兼容性强和 易于维护是基本的要求 然而对于大多数企业用户来说 精度和实时性并不像实验室 要求那么高 中等精度的扭矩测量系统已基本能满足使用上的要求 1 2 课题的发展状况 在人们的日常生产和生活中 扭矩的测量是随处可见的 小到微型轴承 录音机 缝纫机 洗衣机 大到汽车发动机 机床主轴 舰船推进器 飞机发动机等等 都需 要测量扭矩值 随着生产生活要求的提高 传统的低精度测量仪器已不能满足人们的 需要 现在的测量仪正在朝着高精度 宽测量范围 小体积 低价格等方向发展 单 片机的出现使科技发展跃进了一大步 它在家用电器及工业上的用途更为广泛 采用 单片机进行控制 可以使扭矩测量仪的控制更准确 灵活 直观 它使扭矩测量仪电 路设计更为简易 而且实现了非人工调节性能 数字时代的到来更为这些科技产品带 来了更为有效 准确的数字信息 总之 现代的扭矩测量仪是结合了前沿科技于一体 的产物 在现代社会的生产和生活中 对扭矩和测量的精度提出越来越高的要求 传统的测量仪表 由于自身的诸多缺 陷 逐渐被高精度的数字式测量仪所取代 而由单片机系统组成的高精度数字式测量 仪的核心部件之一 传感器又显得特别重要 人们已经相继研制出了多种类型的扭 矩传感器 如 ZJ 型传感器 WS 1 型智能传感器和 CZ 型传感器等 本系统就采用 ZJ 型扭矩传感器 1 3 本课题的来源及设计要求和主要内容 目前市场上的扭矩测量仪器很多 既有传统的机械类产品 也有现代的高精度多 功能产品 后者主要是基于现代单片机系统而设计的 本次设计的扭矩测量仪就是基 于 AT89C52 单片机系统研制而成的 其中涉及了传感器技术 看门狗 X5045 保护电路 AT89C52 单片机应用系统 液晶显示系统 和报警系统 本次设计要求及主要内容有 扭矩的测量范围是 0 500 0Nm 以 ZJ 型传感器为对象 配合信号调理电路的研究与设计 单片机存储和测控电路的设计 看门狗电路的设计 键盘输入和液晶显示电路 485 通讯电路的设计 第第 2 章章 总体方案论证总体方案论证 近年来 随着电子测量技术的迅速发展 信号的相位测量方法也日趋完善 利 用相位测量原理制成的相位扭矩测量仪 也得到了很广泛的应用 本次设计采用的 ZJ 传感器就是采用磁电转换原理制成的 为了把扭矩和信息能够准确地从电机中提取出来 通常是由传感器将被测信息转 换为电信号 并对电信号存储 传输 分析计算 最终显示测量结果 传感器是整个 测量仪器的核心 对传感器的选择必须合理 并保证能够在一定的工作环境下正常地 工作 电机扭矩的测量方法可分为传递法 平衡力法及能量转化法 平衡力法是通过外 加已知的与被测扭矩方向相反的扭矩 当传动轴静止或匀速转动时 外加扭矩与被测 扭矩相等 这种方法简单 但必须通过另外一种方法测量外加的扭矩或力及力臂 这 样会对测量引入一定的累计误差 能量转化法是通过利用能量守恒的原理间接测量扭 矩 不易实现 传递法是将被测扭矩传递到弹性元件上 根据弹性元件物理参数的变 化来测量扭矩的方法 变化的参数可以是变形 应力 或应变等 使用的弹性元件是 扭轴 电机主轴旋转时 将扭矩传递到扭轴上 扭轴上所产生的应变 通过扭矩传 感器的电阻应变片转换成相应的电信号 该信号通过处理后送显示器显示扭矩数值 本次设计采用的ZJ传感器是采用磁电转换原理 将扭矩信号转换为两路有一定相 位差的电信号 系统设计框图如图2 1所示 输入部分由通道1 2及鉴相器构成 通道 1 2分别是由LM258和ADC0832构成的放大转换电路 来自ZJ型传感器的电信号送入 仪器的通道1和通道2 经过放大转换为数字信号 并产生一连串宽度与相位差成正比 的数字量 控制部分的核心是微处理器 信号送入单片机进行处理 在单片机中处理 运算后得到扭矩测量值 送入液晶进行显示 此外在电路中还加入了看门狗保护电路 AT89C52 单片机 驱动 看门狗 X5045 液 晶 按键 扭矩 鉴相 传感 器 信 号 1 传 感器 信 号 2 LM25 8 L M258 AD 转 换 AD 转 换 微处理器 显示 信号 2 通道 2 AD 转 换 信号 1 通道 1 图 2 1 系统设计框图 第第 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 3 1 硬件电路总体结构及工作原理 3 1 1 硬件电路总体结构硬件电路总体结构 本次设计是基于 ZJ 型传感器的扭矩测量仪 主要由输入 控制 显示输出三部 分组成 输入部分是由 LM258 构成的放大电路 ADC0832 构成的模 数转换电路和采 用与门电路的鉴相器三部分组成 另外为了使系统更加稳定加入了简单的 RC 滤波电 路和二极管保护电路 控制部分是以 AT89C52 单片机为核心 外加看门狗 X5045 保护 电路构成 显示输出部分是用液晶 1602 进行显示 电路总体结构框图如图 3 1 所示 图 3 1 硬件电路总体结构图 3 1 2 硬件电路的工作原理硬件电路的工作原理 本次设计的扭矩测量仪是采用相位差原理研制而成 通过 ZJ 传感器将电机的扭矩 机械量转换成两路有一定相位差的电压信号 经过 LM258 放大以后达到易于测量的大 小 将经放大的信号送入由 ADC0832 构成的模 数转换电路 将模拟信号转换成适于单 片机处理的数字量 根据扭矩测量公式 对于扭矩的测量是通过测量两路信号的相位差 按照公式 3 1 计算出扭矩的值 1 2 R5 F T T T 式 3 1 其中 R 为传感器额定扭矩 F 为传感器系数 T1为两信号过零点之间的相位差 测得的各种信号值完成公式的计算 都是在单片机 AT89C52 中通过软件来实现 的 最终将计算出的值送入显示部分 电路中加入的看门狗 X5045 是起保护和复位的 作用 系统电压不稳定时 它会自动的发出复位信号 使整个系统复位 生产中我们 不仅要测量扭矩值 而且要利用这些值对我们的生产过程进行控制 当超过电机能承 受的扭矩时 单片机就控制蜂鸣器进行报警 3 2 ZJ 传感器的结构及工作原理 3 2 1 ZJ 型传感器的结构型传感器的结构 ZJ 型扭矩传感器是根据磁电转换和相位差原理 将扭矩 机械量转换成两路有一 定相位差电压讯号的一种精密仪器 图 3 2 为传感器的结构示意图 它由机座 端盖 扭力轴 内齿轮 外齿轮 磁钢 线圈轴承等组成 内齿轮 磁钢固定在套筒上 线 圈固定在端盖上 外齿轮固定在扭力轴上 图 3 2 ZJ 型传感器的结构示意图 3 2 2 ZJ 型传感器的工作原理型传感器的工作原理 内 外信号齿轮由铁磁材料制成 而磁钢是永久磁体制造的 从永久磁钢经气隙 信号齿轮再到永久磁钢 形成了闭合回路 当内 外齿轮旋转时 磁钢与齿顶 齿谷 间的气隙发生改变 即磁路中的磁阻发生改变 而永磁体的磁动势一定 据磁路的欧 姆定律知线圈中的磁通必然发生变化 据电磁感应定律可知 线圈中也要相应的产生 近似正弦波的感应电动势 e1 e2 两感应电动势的初始相位差 是恒定的 考虑到正 反加载 一般设计在 180 度位置上 当加上扭力时 扭力轴发生扭转变形 外齿轮和 内齿轮间产生相对转角 从而两感应电动势 e1 e2 的相位关系发生了变化 相位差 为 0 相位差的变化量 与相对转角 的关系为 Z Z 为内 外齿 轮的齿数 由于在扭力轴的弹性范围内外加扭矩和机械扭转角成正比 因此 测量出 就等于间接测量出轴上的外加扭矩 这样就实现了将机械量转化成电子量的过程 图 3 3 为信号发生原理及时序波形图 图 3 3 信号发生原理及时序波形图 3 3 信号的放大与比较电路设计 3 3 1 调理电路的设计调理电路的设计 在本次基于 ZJ 型传感器的扭矩测量仪研制的设计中由传感器采集来的扭矩模拟信 号需要经过一系列的处理才能为单片机所用 为此设计了以 LM258 和 AD 为基础的信 号放大和转换电路 将模拟信号转换为可以为单片机运算处理用的数字信号 如图 3 4 所示 由传感器采集来的两路信号比较小 不容易处理 需首先经无源 RC 滤波器处理 后送 LM258 双运算放大器放大 得到方便处理的电压信号 为了防止电压过大 电路 中还加入了二极管保护电路 单片机处理的是数字信号 所以需要将模拟电压信号转 换为单片机可以处理的二级制数值 3 3 2 LM258 简介简介 LM358 系列 包括 LM158 LM258 LM358 LM2904 是由两个独立的高增益 内部频率补偿运算放大器组成 通过特殊设计 它可在宽电压范围的单电源下工作 当然它也能在双电源下工作 低的电源电流与电源数值大小无关 其应用领域包括转 换放大器 直流增益部件和所有常规的运算放大器 这些更易于在单电源系统中实现 图 3 4 信号调理电路图 3 4 主控模块单片机系统的设计 3 4 1 主控芯片主控芯片 AT89C52 在设计中的应用在设计中的应用 1 AT89C52 与外围芯片的连接 根据设计任务书的要求 在基于 ZJ 传感器扭矩测量仪的研制中 主要就是由 ZJ 传感器 放大 转换电路 核心芯片 AT89C52 与看门狗芯片 X5045 构成的主控系统 键盘与显示电路一起来实现一个完整的扭矩测量仪 它能够测量各种电机的扭矩 在具体的设计中 通过 AT89C52 的 P0 口与 1602 相连 这样便构成了 CPU 与液 晶的数据 命令传送 其中 P2 口的 P2 0 P2 1 分别与显示液晶的 RS 和 EN 相连 P1 口的 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 分别与看门狗芯片 X5045 的 SO CS SCK SI 相连构 成看门狗电路用来监控系统防止死机 P2 7 口和报警电路连接 其中 AT89C52 与外围 的器件连接结构图如图 3 5 所示 AT89C52 X5045 液晶显 示 报警 图 3 5 AT89C52 与外围器件的连接结构图 2 AT89C52 在本设计中所用管脚的介绍 主控部分采用的是 ATMEL 公司的 AT89C52 外接 12M 的石英晶振 还有复位 电路 该系列单片机由先进的 CMOS 工艺制造并带有非遗失性 Flash 程序存储器 全 部支持 12 时钟和 6 时钟操作 AT89C52 是一种带 8K 字节闪烁可编程可擦除只读存储 器 FPEROM Flash Programmable And Erasable Read Only Memory 的低电压 高性 能 CMOS 8 位微处理器 俗称单片机 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造 技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C52 是一种高效微控制器 为很多 嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 它包含 256 字节 RAM 32 条 I O 口线 3 个 16 位定时 计数器 6 输入 4 优先级 嵌套中断结构 2 个串行 I O 口以及片内振荡器和时钟电路 此外 由于器件采用了静 态设计 可提供很宽的操作频率范围 可实现两个由软件选择的节电模式 空闲模 式和掉电模式 空闲模式冻结 CPU 但 RAM 定时器 串口和中断系统仍然工作 掉 电模式保存 RAM 的内容 但是冻结振荡器 导致所有其它的片内功能停止工作 由于 设计是静态的 时钟可停止而不会丢失用户数据 运行可从时钟停止处恢复 其中在该设计中所用到的一些 AT89C52 的管脚功能介绍如下 VCC 供电电源 GND 接地 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉 为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在此次设计中 P1 口主要是用 来与看门狗芯片 X5045 一起构成系统保护电路 当扭矩的测量值超过规定上限值时 产生复位信号 从而起到保护作用 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写入 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输入 因 此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时 P2 口输出地址的 高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存储器进行 读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 口电路中接收 AD0832 的 CS DI DO CSCK P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电 流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于 外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C52 的一些特殊功能口 如下所示 表 3 1 P3 口线的特殊功能 口线特殊 功能 信号名称 P3 0RXD串行数据接收 P3 1TXD串行数据发送 P3 2 INT0外部中断 0 申请 P3 3 INT1外部中断 1 申请 P3 4T0定时器 计数器 0 记数输入 P3 5T1定时器 计数器 1 记数输入 P3 6 WR外部 RAM 写选通 P3 7 RD外部 RAM 读选通 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时 间 设计中与 X5045 的复位脚相连 构成 CPU 的复位电路 XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 3 AT89C52 的存储器系统介绍 单片机的存储器由三部分组成 即程序存储器 包括片内程序存储器 大小与芯 片型号有关 片内数据存储器 包括内部 RAM 存储器 00H FFH 共 256 字节 特 殊功能寄存器 外部数据存储器 0000H FFFFH 共 64KB 1 程序存储器 对于带有片内 ROM 的单片机来说 片内程序存储器和外部程序存储器地址空间重 叠 如果 Vpp 引脚为高电平 且程序计数器 PC 小于等于片内 ROM 的地址空间时 EA 将从片内程序存储器去指令 在这种情况下 信号无效 而当 PC 超出片内PSEN ROM 地址空间时 自动到外部程序存储器去指令 即在 P0 口输出低 8 位地址 A0 A7 在 P2 口输出高 8 位地址 A15 A8 当 Vpp 引脚为低电平时 一律EA 从外部程序存储器取指令 2 片内数据存储器 片内数据存储器由内部 RAM 和特殊功能寄存器组成 对于 89C52 芯片来说 内 部 RAM 的容量为 256 字节 00H FFH 1 片内 RAM AT89C52 芯片内部 RAM 容量为 128 字节 根据用途可划分为工作寄存器区 位 寻址区和用户数据存储器区 可作为用户 RAM 和堆栈区 工作寄存器区有 32 个字节组成 从 00H 1FH 的单元 分成四个区 每个区 8 个 字节 分别用 R0 R7 作为这 8 个字节的寄存器名 20H 2FH 单元 共 16 个字节 属于位寻址区 该区域可以按字节读写 也可以 按位读写 30H 单元以后可作为内部用户 RAM 区或堆栈区 对于 AT89C52 来说为 30H 7FH 尚有 80 个字节可作用户内部 RAM 或堆栈区 复位后 堆栈指针 SP 指向 07H 单元 因此 一般需要修改 将 SP 设在 2FH 之 上 3 特殊功能寄存器 由于单片机内集成了一些常用的 I O 端口 串行口 定时器 计数器 中断控制器 等 因此这些 I O 接口单元电路内的寄存器也就位于 CPU 内部 统称为特殊功能寄存 器 SFR 即 Special Function Registers AT89C52CPU 除了给 I O 接口电路寄存器 如定时 计数器控制寄存器 TCON 分 配字节地址外 CPU 内的寄存器也有字节地址 如累加器 Acc 字节为 0E0H 此类单 片机内共有 27 个特殊功能寄存器 其地址分散在 80H FFH 之间 3 4 2 看门狗电路的设计看门狗电路的设计 1 X5045 简介 看门狗 Watchdog 电路是嵌入式系统需要的抗干扰措施之一 工控系统在运行时 通常都会遇到各种各样的现场干扰 抗干扰能力是衡量工控系统性能的一个重要指标 看门狗 Watchdog 电路是自行监测系统运行的重要保证 几乎所有的工控系统都包含看 门狗电路 看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种 软件看门狗不需外接硬 件电路 但系统需要出让一个定时器资源 这在许多系统中很难办到 而且若系统软 件运行不正常 可能导致看门狗系统也瘫痪 硬件看门狗是真正意义上的 程序运行监 视器 所以在该设计中 我将用 X5045 芯片设计一种新的硬件看门狗电路 具有体积 小 占用 I O 口线少和编程方便的特点 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title NumberRevisionSize A3 Date 2 Jun 2007 Sheet of File C Documents and Settings xiaok aik ai 业业 业业业业 业业 业业业业 业业业1 ddbDrawn By CS 1 SO 2 WP 3 VSS 4 VCC 8 RES 7 SCK 6 SI 5 U12 X25045 图 3 6 X5045 引脚图 2 X5045 看门狗电路的设计 X5045 硬件连接图如图 3 7 所示 X5045 芯片内包含有一个看门狗定时器 可通 过软件预置系统的监控时间 在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动 则 X5045 将从 RESET 输出一个高电平信号 使 CPU 复位 图 3 7 电路中 CPU 的复位 信号是 Watchdog 复位 其中 CS SI SO SCK 脚都与 AT89C52 的 P1 口相连 WP 为写保护输入端接高电平 图 3 7 看门狗电路原理图 3 5 显示模块的设计 本系统采用 1602 字符型液晶显示系统的电压电流 电源的功率以及温湿度信号 达到显示蓄电池状态的目的 3 5 1 液晶介绍液晶介绍 1602 是工业字符型液晶 能够同时显示 16x02 即 32 个字符能显示 16 列 2 行字符 1602 字符型液晶通常有 14 条引脚线或 16 条引脚线 具有显示质量高 液晶显示器画 质高且不会闪烁 数字式接口 功耗低等特点 适合显示字母 数字 符号等 表 3 2 为液晶引脚接口 3 5 2 1602 液晶模块内部的控制器的液晶模块内部的控制器的 11 条控制指令条控制指令 如表 3 3 所示 序号 指令 RSR WD7D6D5D4D3D2D1D0 1 清显示 0000000001 2 光标返回 000000001 3 置输入模式 00000001I DS 4 显示开 关控制 000 0 001DCB 5 光标或字符移位 000001S CR L 6 置功能 00001DLNF 7 置字符发生存贮器地址 0001 字符发生存贮器地址 8 置数据存贮器地址 001 显示数据存贮器地址 9 读忙标志或地址 01BF 计数器地址 10 写数到 CGRAM 或 DDRAM 10 要写的数据内容 11 从 CGRAM 或 DDRAM 读数 11 读出的数据内容 表 3 3 控制指令 其中 代表任意电平 1602 液晶模块的读写操作 屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的 说 明 1 为高电平 0 为低电平 指令 1 清显示 指令码 01H 光标复位到地址 00H 位置 指令 2 光标复位 光标返回到地址 00H 指令 3 光标和显示模式设置 I D 光标移动方向 高电平右移 低电平左移 S 屏 幕上所有文字是否左移或者右移 高电平表示有效 低电平则无效 指令 4 显示开关控制 D 控制整体显示的开与关 高电平表示开显示 低 电平表示关显示 C 控制光标的开与关 高电平表示有光标 低电平表示无光标 B 控制光标是否闪烁 高电平闪烁 低电平不闪烁 指令 5 光标或显示移位 S C 高电平时移动显示的文字 低电平时移动光标 指令 6 功能设置命令 DL 高电平时为 4 位总线 低电平时为 8 位总线 N 低电平时为单行显示 高电平时双行显示 F 低电平时显示 5x7 的点阵字符 高电平 时显示 5x10 的点阵字符 指令 7 字符发生器 RAM 地址设置 指令 8 读忙信号和光标地址 BF 为忙标志位 高电平表示忙 此时模块不能 接收命令或者数据 如果为低电平表示不忙 3 5 3 液晶的读写时序 液晶的读写时序 读状态输入RS L R W H E H 输出 D0 D7 状态字 写指令输入RS L R W L D0 D7 指令码 E 高脉冲 输出 读数据输入RS H R W H E H 输出 D0 D7 数据 写数据输入RS H R W L D0 D7 数据 E 高脉冲 输出 表 3 4 液晶的读写时序表 3 5 4 1602 液晶与单片机的接口设计液晶与单片机的接口设计 1602 字符型液晶可以支持 4 位和 8 位并行通信 在这里我采用 8 为并行通信的方 式 液晶 1602 属于慢显示器件 本系统单片机所要处理的程序比较多 如果采用串行 通信 液晶显示可能不流畅 所以液晶与单片机采用并行接口 通过调节滑动变阻器 旋钮来改变 VL 引脚的电压从而调节液晶的对比度 液晶的 RS 端接在了单片机的 P2 7 口 由于本系统只需要向液晶写数据所以 RW 端直接接地 使能端 E 接在了单片机的 P2 6 口 数据端与单片机的 P0 口相连 提供液晶显示的数据 液晶与单片机的接口如 图 3 8 所示 图 3 8 液晶硬件连接图 3 6 AD 转换电路设计 本系统的电压是通过电阻分压后的 0 5v 的电压信号送往 AD 采集后转化成数字量 送往单片机在进行运算还原成与电压信号对应的数字量 然后再液晶上显示 电流采 样类似电压采用 即采样电阻上流过的电流值产生的电压信号来获取与之对应的电流 值 这其中都必须用到 AD 模数转化芯片 本系统采用 ADC0832 作为 AD 采用芯片 3 6 1 常用常用 AD 转换器简介转换器简介 常用 AD 转换器有并行比较型 反馈比较型 和间接 AD 转换器 并行比较型由电压比较器 寄存器和代码转换器三部分组成 其特点是 由于 转换时并行的 其转换时间只受比较器 触发器和编码电路延迟时间限制 因此转换 速度快 随着分辨率的提高元件数目要按几何级数增加 使用这种含有寄存器的并行 AD 转换电路时 可以不用附加积分保持电路 反馈比较型经常常用的是计数型和逐次比较型两种方案 转换电路由比较器 转换器 计数器脉冲源 控制门以及输出寄存器组成 逐次比较型 转换器完 成一次转换所需时间与其位数和时钟脉冲频率有关 位数越少 时钟频率越高 转换 所需时间越短 这种 转换器具有转换速度快 精度高的特点 间接 AD 转换器有电压 时间变换型和电压 频率变换型两类 间接转换型 AD 主要就是将输入的电压信号转换成时间量或者频率量来实现的 目前使用的不多 3 6 2 ADC0832 介绍介绍 ADC0832 是一种 8 位分辨率 双通道 A D 转换芯片 由于它体积小 兼容性 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 输入输出 电平与 TTL CMOS 相兼容 输入电压在 0 5V 之间 且 工作频率可达到 250KHZ 转 换时间仅为 32 S 且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 引脚功能 CS 片选使能 低电平芯片使能 CH0 模拟输入通道 0 或作为 IN 使用 CH1 模拟输入通道 1 或作为 IN 使用 DI 数据信号输入 选择通道控制 DO 数据信号输出 转换数据输出 CLK 芯片时钟输入 Vcc REF 电源输入及参考电压输入 复用 单片机对 ADC0832 的控制原理 电路设计时可以将 DO DI CLK 分别接在单片机的 P3 3 P3 4 P3 5 端 当要 进行 A D 转换时 须先将 CS 使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束 此时芯片开始转换工作 同时由处理器向芯片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲 DI 端 则使用 DI 端输入通道功能选择的数据信号 在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 DI 端必须 是高电平 表示启始信号 在第 2 3 个脉冲下沉之前 DI 端应输入 2 位数据用于选择 通道功能 当此 2 位数据为 1 0 时 只对 CH0 进行单通道转换 当 2 位数据 为 1 1 时 只对 CH1 进行单通道转换 当 2 位数据为 0 0 时 将 CH0 作为正输入端 IN CH1 作为负输入端 IN 进行输入 当 2 位数据为 0 1 时 将 CH0 作为负输入端 IN CH1 作为正输入端 IN 进行 本次才用通道 0 和通道 1 进 行 AD 转换 ADC0832 与单片机的接口电路如图 3 9 所示 图 3 9 ADC0832 与单片机接口 第第 4 章章 软件设计软件设计 4 1 主程序设计 本设计程序主要包括 系统初始化模块 测量模块 串行通信模块 看门狗程序 模块 显示模块五部分组成 系统初始化模块包括内存单元和变量缓冲区的初始化 定时器设置 中断向量设置和各芯片引脚的初始化定义等内容 测量模块主要完成对 和扭矩的测量工作 也是本次设计所要完成的主要工作 串行通信模块实现数据与计 算机的相互收发 以便于计算机对过程进行控制 看门狗程序模块是对单片机系统进 行保护作用 当系统跑飞或者出现其他异常现象时完成对系统的复位 显示模块是完 成对测量结果的显示功能 整个测量系统所要完成的工作就是测量扭矩和值 并将其 显示出来 因此显示模块也是非常重要的部分 主程序设计首先要对这个系统进行初始化 然后开中断 开始对扭矩和进行测量 接着调用显示子程序 将测量结果显示出来 本次设计还需要完成与计算机的数据交 换 因此需要一个串行通信程序 通过 485 总线与计算机进行数据传输 主程序流程 图如图 4 1 所示 开始 系统初始化 开中断 开始测量 调显示子程序 完成与PC机的 数据交换 结束 图 4 1 软件程序总流程图 4 2 初始化程序设计 系统的初始化是既复杂又很重要的工作 初始化程序主要完成对设计中使用的存 储单元的初始化 串行通信的初始化 看门狗电路的初始化 1602 的初始化 T0 T1 T2 的初始化和中断向量的设置 图 4 2 初始化程序流程图 4 3 测量子程序设计 测量子程序主要完成转矩和转速的测量 转速的测量是根据公式 N 60 C T P 所 得 利用定时器 T2 定时测量时间 1 分钟 T1 对 1 分钟内信号脉冲个数进行计数 再 根据转速测量公式计算出转速值 转矩的测量是根据公式 T 5 R F T1 T2所得 利用 T0 的 GATE 门来测量信号的相位差 即 T1 根据前面转速测量时得出的值可计算出信 号的周期 即 T2 60 C 然后再根据转矩测量公式计算出转矩的值 转速和转矩的程序 流程图分别如 4 3 和 4 4 所示 图 4 3 转速测量程序流程图 图 4 4 转矩测量程序流程 4 4 串口通信程序设计 串口通信程序主要包括两个部分 一个是将计算机发来的数据传给单片机 另一 部分是将单片机传来的数据通过串口发给计算机 在主程序里直接调用即可 下面给 出这个子程序流程图 图 4 5 串口中断服务程序流程图 4 5 看门狗程序设计看门狗程序设计 本文的看门狗程序设计的框图如下图所示 图 4 6 看门狗程序设计框图 看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定 通常比系统正常 工作时最大循环周期的时间略小即可 编程时 可在软件的合适的地方加一条喂狗指 令 使看门狗的定时时间永远达不到预置时间 系统就不会复位而正常工作 当系统 跑飞 用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时 则看门狗定时时间很快增长到预置 时间 迫使系统复位 看门狗定时器的预置时间是通过 X5045 的状态寄存器的相应位来设定的 X5045 状态寄存器共有 6 位有含义 其中 WDl WD0 和看门狗电路有关 其余位和 EEPROM 的工作设置有关 W Dl 0 WD0 0 预置时间为 1 4s W Dl 0 WD0 1 预置时间为 0 6s W Dl 1 WD0 0 预置时间为 0 2s W D1 1 WD0 1 禁止看门狗工作 结论与展望结论与展望 本文设计的基于ZJ型传感器的扭矩测量仪采用了相位差测量技术 结合了单片机 处理技术 完成了对扭矩的高精度测量 并且采用数字化显示功能 解决了传统扭矩 测量仪结构庞大 能耗大 容易产生误差且测量范围受限制等问题 用单片机实现的扭矩测量系统不仅可以高精度的测量扭矩值的大小 而且在加入 了串行通信后还能方便的与计算机进行数据发送和接收 以实现智能化控制 本次课 题采用的以 ZJ 型传感器为基础 AT89C52 单片机系统为核心的设计方案 与以往的扭 矩测量系统相比有以下几个优点 智能化设计 精度高 能够对扭矩进行较准确地测量 控制电路简单易懂 增强了系统的抗干扰功能 附加其它功能简单 方便 本次设计使用的 ZJ 型传感器由于本身工艺的限制 测量精确度以及测量范围等还 受到一定程度的限制 所以本次设计的扭矩测量仪还有一些不足 但随着现代传感器 技术发展越来越快 各种新型的 智能化的传感器将会不断被研制出来 所以我们将 可以选择更好的传感器来代替设计中的传感器 以使测量系统功能更加完善 现在的测量仪正在朝着高精度 宽测量范围 小体积 低价格等方向发展 而本 次设计的扭矩测量仪就是一种精度高 测量范围宽的数字化测量系统 因此本次课题 研究具有很广阔的发展前景和价值 随着技术的不断发展 可以在本次课题研制的扭 矩测量系统中选择更精良的传感器以增加其测量精度和测量范围 还可以添加报警电 路和更好的抗干扰系统 以提高整个测量系统的稳定性 安全性和抗干扰功能 致致 谢谢 毕业设计即将结束了 这也是我在大学阶段的最后一次设计 我的导师给本人提 供了良好的设计条件和细心的指导 导师前瞻性的科学思维 宽广的专业知识和兢兢 业业的工作精神 令我敬佩 使我受益匪浅 在导师的指导和帮助下 我顺利地完成 了这次设计任务 在此向我的导师致以最诚挚的感谢 从一开始选题的确定 到开题 报告的完成 初稿的修改 定稿的调整 以及论文格式方面的问题 直至终稿 自始 至终导师都给予了大量的关心与帮助 这使我在完成论文的过程中很是受益 在此再 次深表感谢 此次毕业设计既是对我大学四年所学知识的总结与运用也是对我即将步 入社会 走向工作岗位前的一次考验与检查 虽然毕业设计已经完成了 但是 由于 自己所学的知识有限 我们在设计中遇到很多问题 在很多方面还不够全面 我希望 在以后的工作和专业发展中 导师能继续给以指导和帮助下学到更多有关的知识 来 充实自己 最后 还要感谢母校一直关心我的老师和领导 参考文献参考文献 1 王幸之 钟爱琴 王雷 王闪 AT89C51 系列单片机原理与接口技术 M 北京 航空航天大学出版社 2004 5 2 王幸之 单片机应用系统抗干扰技术 M 北京 北京航空航天大学出版社 2004 3 冯建华 赵亮 单片机应用系统设计与产品开发 M 北京 人民邮电出版社 2004 11 4 张有颐 扭矩测量技术 M 北京 中国计量出版社 1986 5 李敏 孟臣 文凯 数字式高精度扭矩测量仪的研制 J 电工技术杂志 2004 年 01 期 80 82 6 张凤生 张光辉 基于单片机的扭矩测量系统 J 仪表技术与传感器 2000 年 06 期 21 23 7 孟祥贵 杨辉林 潘孟春 无源 RS 232 RS 485 智能转换器 J 湖南大学学报 自 然科学版 2004 年 02 期 43 45 8 周凯 郭黎利 采用 MAX485 实现单片机与 PC 机串行通信的一种方法 J 应用 科技 2003 年 03 期 27 29 9 赵思宏 范惠林 电机扭矩测量方法的分析 J 光学精密工程 2002 年 6 月 10 卷 3 期 290 295 10 柳永林 宋汝江 田真银 刘国红 PCDIY 最新显示器集成电路大全 M 北 京 希望电子出版社 2002 12 11 秦岭 高宁宁 基于 ZJ 型传感器的扭矩测量仪研制 J 南通职业大学学报 2004 年 12 月第 18 卷第 4 期 12 15 12 阎石主编 数字电子技术基础 第 4 版 M 北京 高等教育出版社 1998 13 康华光主编 模拟电子技术基础 第 4 版 M 北京 高等教育出版社 1999 14 雷尧 郝红旗 S3C44B0X 同步串口 SIO 驱动 ZLG7289 的设计与编 J 科技 信 息 学术研究 2007 年 07 期 72 76 15 潘永雄 新编单片机原理及应用 M 西安 安电子科技大学出版社 2003 16 Alan reeve Fieldbus routes and timetables Control 给出了X5045芯片与AT89C52单片机的硬件接口电路 附录三 部分程序清单附录三 部分程序清单 include include include define DATA 1602 P0 定义数据口 define uchar unsigned char define uint unsigned int void Init Device void void Reset Sources Init void void UART0 Init void void SYSCLK Init void void PORT Init void void Timer Init void void ADC Init void void Interrupts Init void void delaynus unsigned int q void ADC void void LED Disply void void vUart0SendByte unsigned char Num void LiangChengPanDuan void void ADResult Out void Global CONSTANTS define BAUDRATE 115200 Baud rate of UART in bps define SYSCLK 11059200 SYSCLK frequency in Hz define LED P2 define LED CS P3 define SHIFTSELECT P1 unsigned int pdata i 0 delaynms counter unsigned char pdata Count 124us 0 timer0 106 5us unsigned int pdata Count 20ms 500 UART output times unsigned char pdata Count DuZhuan 0 unsigned char pdata Zero count 0