应力测量仪.docx

课程设计说明书课程设计名称： 专业课程设计 课程设计题目： 应力测量仪的设计 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 电子信息科学与技术 班级： 学号： 姓名： 评分： 教师： 2015 年 6 月 8 日 专业 课程设计任务书20142015学年 第 2 学期 分散1周 第16周18周集中 题目内容及要求设计并制作一个应力测量仪，AD转换用ADC0804，应力测试范围为0200牛，用三位LED显示结果进度安排1、 查阅资料、选择最优方案：3天2、 画仿真图，进行电路仿真：2天3、 画原理图。1天4、 领元件、焊接实物。3天5、 调试、检查bug 1天6、 验收 1天学生姓名： 指导时间 2015/6/11-2015/6/28地点：综合楼中505任务下达2015年 6月 11日任务完成20 15 年 6 月 28 日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师系（部）主任摘要本文主要研究了利用传感器，A/D转换芯片和LCD显示开发的数字应力测量仪。通过不同的电路方案选择了最优的方案进行实物研发。详细论述了应力测量仪的工作原理，给出了硬件和软件的设计流程。利用称重传感器将重量信号转换，电信号再经过运算放大器放大输入给A/D转换，通过A/D的输出给AT89C51进行数据处理，显示在LCD上。该应力测量仪体积小、携带方便、测量速度快、精确度高、实用性强，具有广泛的应用前景。关键词：称重传感器、运算放大器、AT89C51、A/D转换、LCD显示第一章 模块方案选择1.1 系统设计要求1、 设计并制作一个应力测量仪2、 A/D转换采用ADC08043、 应力测量范围：0200牛顿4、 用LCD1602显示1.2 系统组成及工作原理系统由称重传感器、运算放大器TL084、TL081、模数转换芯片ADC0804、主控芯片STC89C52RC单片机以及显示电路组成。称重传感器将感受到的重量变化转换为微小的电压变化，经过运算放大器得到适合ADC0804转换的模拟电压值，通过A/D转换为相应的数字量送入单片机处理后显示在屏幕上。具体方案图如图1.1所示A/D转换信号放大电阻应变式传感器报警电路键盘及显示电路AT89C52单片机图1.1第二章 电路方案设计系统主控CPU为STC89C52RC,A/D转换芯片采用ADC0804、传感器采用电阻应变式传感器，传感器供电电压为5V,当有压力施加在传感器上时传感器输出端有最大10mV的压降，因此需要一个放大电路，将010mV电压放大到05V送给ADC0804采样。放大电路有以下几种方案设计。2.1 方案一将10mV放大到5V需要放大500倍，因此用单运放，电压增益为500,输出电压为Uo，输入电压为Ui.电路图如图2.1所示。运放选用TL081。如图2.1TL081输入失调电压为3mV，放大500倍后失调电压也放大了500倍，输入为0时输出为1.5V，通过VR6可以进行调零。TL081温漂为18uV/，电子称一般都是长时间工作，这样温度自然很容易变大，使数据也跟着变化。2.2 方案二UA741输入失调电压为1mV，失调电压小，零温漂，比较适合放大其原理图如图2.2所示，如图2.2UA741虽然失调电压小，但是实际调试过程中发现放大电压始终无法达到理想值，且由于是万用板焊接，性能达不到要求。2.3 方案三采用三运放差动放大电路，输入阻抗高，对共模信号具有很强的抑制能力，对差模信号没有影响。很适合仪表放大，原理图如图2.3如图2.3三运放差动放大电路具有以下几个特点：、U3A和U3D提高了共模信号和差模信号之比，即提高了信噪比。、在保证各电阻严格对称的条件下，各电阻阻值的误差对该电路的共模抑制比没有影响。、电路对共模信号几乎没有放大作用，工模电压增益接近零。因为R17=R21,R9=R22,R10=R23。故可导出两级差模总增益Av为：通常第一级增益要尽量高，第二级增益一般为12倍，这里第一级增益为100，第二级增益为1总增益为100，再加一级放大5倍的运放，这里选单运放TL081。原理图如图2.4所示。实际测试发现放大数据完全能达到所需要的值。图2.4通过TL081组成同向放大器，增益为5可调节，通过VR可以调零。最终我们选方案三为传感器的放大电路。2.4 最小系统电路设计最小系统有STC89C52RC单片机组成，其原理图如图2.5所示。图2.5最小系统由振荡电路和复位电路组成。通过一个11.0592M的晶振提供单片机时钟。复位电路有一个RC充放电电路组成，当RESET引脚接收到两个机器周期的高电平时，单片机会复位，回到初始状态，这样复位电路可以防止程序跑飞。2.5 A/D转换电路设计A/D转换由ADC0804组成，ADC0804属于连续渐进式A/D转换器，这类A/D转换器除了转换速度快（几十到几百us）,分辨率高外还有价格便宜等优点。ADC0804是8位AD转换器，分辨率为1/256。其应用电路如图2.6所示。其中TL431提供2.5V的基准电压。R7为0的电阻，隔离模拟地和数字地。图2.62.6 键盘、显示及报警电路设计用数码管显示的话电路复杂，程序也复杂，而且只能显示三位，LCD1602可以显示32位字符，程序简单，电路也简单，因此我们采用LCD1602作为显示。其电路部分如图2.7所示。键盘的功能有设置称量物体单价，称重前去皮。蜂鸣器可以在超重的时候报警，按键提示等作用。这样可以完全模拟实际生活中的电子称的功能。图2.7第三章 总体系统设计3.1 系统总体结构整个系统用三种电源，12V电源给运放供电，5V电源给单片机、传感器及液晶显示模块供电，电源是外接的12V学生电源，5V电源通过+12V电源稳压获得，整体电路原理图如图3.1所示。图3.1第四章 系统调试4.1 单片机最小系统测试最小系统测试比较容易，值得注意的地方有以下几点：1、复位电路的设计要使单片机能正常复位，RESET引脚必须在复位键按下的时候有两个机器周期的高电平，因此，选择适当的RC值是关键。2、时钟电路的设计晶振选择11.0592MHZ对应的两个振荡电容应该为1030pf，电容选取不恰当，单片机不会工作。测试最小系统时可以在任意8位I/O口接8个LED发光二极管，写一个简单的流水灯程序，在保证程序正确的情况下如果单片机不工作则检查晶振是否损坏或者振荡电容有没有接错。4.1 A/D转换电路设计A/D采集电路用ADC0804芯片实现，ADC0804电路值得注意的地方有以下几点：1、 时钟范围的选择；ADC0804的19号引脚CLKR为内部时钟发生器的外接电阻端，与4号引脚CLK端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为：频率范围为100kHZ1460kHz，小于100kHZ或者大于1460kHZ均不能正常工作。这里取R=10k，C=150pf，f606kHZ。2、 参考电压的选择，ADC0804参考电压为Vref/2，电源电压为5V则参考电压应该接2.5V，测试时可以直接通过电阻将电源电压分压得到，但实际工作中，电源电压会随着功耗变化，这样参考电压也会变化，从而产生误差，因此电源分压不可取，故用了基准源芯片TL431提供2.5V的参考电压。对于电路调试，先在A/D输入口接一个可调电阻，然后调节电阻，通过单片机看采集的数据是否变化，数据可以显示在LCD1602液晶上，也可以在输出口接8个LED进行测试。我们用LCD1602测试，将采集的结果直接打印在显示屏上。数据没有变化用了以下方式依次排查：1、 检查芯片是否损坏，各个电路是否有短路或者断路、虚焊的情况2、 检查19号引脚和4号引脚之间的RC振荡电路的频率是否合理3、 基准电压源是否起作用。依次排查成功解决了问题。4.2 放大电路测试传感器信号放大选用的是三运放差分放大电路。总的来说，放大电路是本次课设的难点，因为要放大500倍，还要低噪声，低漂移，