毕业设计基于单片机的电子称设计.doc

1 22 目录目录 前言 1 设计内容及总体方案 3 1 1 设计内容 6 1 2 总体方案 6 2 传感器的选择 7 2 1 测量原理分析 8 2 2 应变电桥 9 3 信号调理电路的设计 10 3 1 放大电路的设计 10 3 2 滤波电路的设计 10 4 A D 转换的设计 10 4 1 ADC0809 芯片 11 4 2 MC51 单片机与 ADC0809 接口电路 12 5 单片机的选择 15 6 显示单元的设计 19 7 参考文献 22 2 22 前言前言 随着科技的发展 检测技术已经深入各种领域 为了发展和学习检测技术 为了巩固利用所学知识 我们进行检测系统综合课程设计 首先 我们应该初 步了解检测系统的设计步骤 掌握系统设计方法 加深对理论知识的理解 能 运用所学的 传感器原理 智能仪表电路 仪器仪表电路 等专业知识 设计测控系统各个单元 并组成系统 检测系统综合课程设计是测控技术与仪器专业的必须完成的一个课程设计 是一个重要的教学环节 通过本设计 培养学生理论联系实际的设计思想 训 练综合运用传感器设计和有关课程的理论 结合实际分析和解决工程实际问题 的能力 巩固加深有关传感器 智能仪器 单片机 测控电路等方面的知识 通过制定检测系统设计方案 合理选择传感器及其他元件 正确计算 选 择各零件和元件参数 确定尺寸和选择材料 以及较全面地考虑制造工艺 使 用和维护等要求 达到了解和掌握检测系统综合设计过程和方法的目的 进行 设计基本技能的训练 如 计算 绘图 熟悉和运用设计资料 手册 图册 标准和规范等 以及使用经验数据 进行经验估算和数据处理及计算机应用的 能力 3 22 1 设计内容及总体方案设计内容及总体方案 1 1 设计内容 1 在温度 压力 流量 机械量 含位移 速度 加速度等 液位 组分 成等常见参数中 选择有工程应用价值的一个或几个参数作为本课程设计要构 造的检测系统的被测参数 2 初步拟定技术方案 经与指导老师协商并经老师同意后展开具体的系统设 计 3 合理选择传感器的种类与型号 4 正确选择或设计信号调理电路 包括放大电路 相敏检波电路 低通滤波 电路的设计和相关电路参数计算 并绘制检测系统装配图 学会正确使用各 种设计手册 国家标准 设计规范等 5 按学校课程设计说明书撰写规范提交一份课程设计说明书 6000 字左右 6 按机械制图标准绘制机械装配图 不小于 A3 电气原理图各一张 1 2 总体方案 本次设计要求在在温度 压力 流量 机械量 含位移 速度 加速度等 液位 组分 成等常见参数中 选择有工程应用价值的一个或几个参数作为 本课程设计要构造的检测系统的被测参数 那么 选择最常用的测量量比较合 适 我们选择测压力 传感器选择应用最广泛的电阻应变式传感器 其后是放 大器 差动放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数 的放大 以满足 A D 转换器对输入信号电平的要求 A D 转换的作用是把模拟 信号转变成数字信号 进行模数转换 然后把数字信号输送到显示电路中去 最后由显示电路显示出测量结果 本次设计是以设计电子称为基础的 以下是总体方案图 4 22 电阻应变片电阻应变片 信号调理电路 压力量压力量 弹性元件弹性元件 应变应变 A D转换转换 单片机单片机 输出显示输出显示 图 1 1 总体方案图 整个系统由测量电桥 信号调理电路 A D 转换器 单片机 显示器组成 首先利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号 以模 拟信号的方式输出 经过了信号调理电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍 数的放大 滤波 然后送 A D 转换电路中 再由 A D 转换电路把接收到的模拟 信号转换成数字信号 传送到单片机后进行调整 最后由显示电路显示数据 具体方案如下 电阻应 变式传 感器输 出信号 信号调 理电路 显示 电路 LED A D 转换 电路 单片 机 图 1 2 具体方案图 5 22 2 传感器的选择传感器的选择 2 1 测量原理分析 电阻应变式传感器简称电阻应变计 当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测 构件的表面上时 则敏感元件将随构件一起变形 其电阻值也随之变化 而电 阻的变化与构件的变形保持一定的线性关系 进而通过相应的二次仪表系统即 可测得构件的变形 通过应变计在构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接 即可测得重力 变形 扭矩等机械参数 由物理学已知 一根金属丝的电阻为 2 1 在金属丝的弹性范围内 R R K x 2 2 式中 Ks 金属丝的灵敏系数 x 金属丝的应变 以下为金属应变片的结构 图 2 1 金属应变片结构图 如图所示为丝绕式应变片的构造示意图 它以直径为 0 025mm 左右的 高电阻率的合金的电阻丝 绕成形如栅状的敏感栅 敏感栅为应变片的敏感元 l R S 6 22 件 它的作用是感应应变变化 敏感栅粘贴在基片上 基片除能固定敏感栅之 外 还有绝缘的作用 敏感栅上面粘贴有覆盖层 敏感栅电阻丝两端焊接引出 线 用来和外接导线连接 本设计需要 4 个应变片 它们的分布如下图 图 2 2 应变片粘贴示意图 作用力 F 与某一位置处的应变关系可按下式计算 2 3 06 x Fl EAh 式中 距自由端为处的应变值 x 0l 梁的长度 l E 梁的材料弹性模量 A 梁的截面积 h 梁的厚度 在此传感器选用在双孔悬壁梁式称重传感器 双孔悬臂梁式称重传感器是 电子计价秤中广泛使用的传感器 这种传感器的弹性体具有上下两个平行梁 它的最大特点就是具有抗偏载的力学特性 也就是说 弹性体的应变量 只取 决于作用在弹性体平面内且与轴线相垂直的力分量 而与其他分量无关 型号 选择 cb004 以为是它的有关参数 产品类型 CB004 系列 结构特点 铝合金 应用领域 定量包装秤和配料秤等 功能特点 体积小 质量轻 精度高 额定载荷 0 100Kg 7 22 2 2 应变电桥 应变片由于温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有 相同的数量级 如果不采取必要是措施克服温度的影响 测量精度无法保证 可采用电桥电路补偿 当贴有电阻应变片的弹性平衡梁受到载荷 作用时 电阻应变片 1 和 3 受到拉伸作用 阻值增加 2 和 4 受到压缩作用 阻值减小 电桥失去平衡 产生的不平衡电压 的大小与所受作用力 成正比 电桥的输出电压反映了电 阻应变片相应的受力状态 图 2 3 电桥电路图 电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种 当电桥平衡时 桥路对臂 电 阻乘积相等 电桥输出为零 在桥臂四个电阻 R1 R2 R3 R4 中 电阻的相 对变化率分别为 R1 R1 R2 R2 R3 R3 R4 R4 当使用一个 应变片时 当二个应变片组成差动状态工作 则有 用四个应变片组成二个差动对工作 且 R1 R2 R3 R4 R 8 22 图 2 4 应变电桥 当电桥后面接放大器时 放大器的输入阻抗都很高 比电桥的输出电阻大 很多 因此可以把电桥输出端看成是开路 若电桥不平衡时 即 R1R3 R2R4时 电桥输出 U RRRR RRRR U 4321 4231 0 恰好选择各桥臂电阻 可消除电桥的恒定输出 使输出电压只与应变片输 出有关 令 R1 R2 R3 R4 在应变片工作时 其电阻 R1 变化 R 此时电桥的灵敏度 为 ku U 4 电压输出为 UO U 4 R1 R1 3 信号调理电路的设计信号调理电路的设计 3 1 放大电路 本次设计中 要求用一个放大电路 在许多需要用 A D 转换和数字采集的 单片机系统中 多数情况下 传感器输出的模拟信号都很微弱 必须通过一个 9 22 模拟放大器对其进行一定倍数的放大 才能满足 A D 转换器对输入信号电平的 要求 在此情况下 就必须选择一种符合要求的放大器 仪表仪器放大器的选 型很多 我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器 来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压 包括干扰电压 一般采 用差动输入集成运算放大器来抑制它 但是必须要求外接电阻完全平衡对称 运算放大器才具有理想特性 否则 放大器将有共模误差输出 其大小既与外 接电阻对称精度有关 又与运算放大器本身的共模抑制能力有关 一般运算放 大器共模抑制比可达 80dB 而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路 共模抑制比可达 100 120dB 结合以上几点 采用了低漂移运算放大器构成的双运放高共模抑制比放大 电路 具体的电路如图所示 图 3 1 同相串联型双运放高共模抑制比放大电路 共模电压 Uic Ui1 Ui2 2 差模电压 Uid Ui2 Ui1 U UO O 1 1 R R3 3 R R4 4 U UiC iC 1 2 1 1 2 1 R R3 3 2R2R4 4 U Uid id R R1 1 R R1 1 R R2 2R R4 4 R R3 3 R R2 2 若 则上式第一项为零 较好抑制了共模信号 差模增益 Kd 1 Rf R 本电路的特点是输入阻抗高 A A2 2 A A1 1 R R1 1 R R2 2 R R3 3 R R4 4 U Ui i2 2 U Ui i1 1 U UO O U UO O1 1 A A2 2 A A1 1 R R1 1 R R2 2 R R3 3 R R4 4 U Ui i2 2 U Ui i1 1 U UO O U UO O1 1 A A2 2 A A1 1 R R1 1 R R2 2 R R3 3 R R4 4 U Ui i2 2 U Ui i1 1 U UO O U UO O1 1 A A2 2 A A1 1 R R1 1 R R2 2 R R3 3 R R4 4 U Ui i2 2 U Ui i1 1 U UO O U UO O1 1 若若 R R3 3 R R4 4R R1 1 R R2 2 R R R Rf f 若若 R R3 3 R R4 4R R1 1 R R2 2 R R R Rf f 10 22 3 2 滤波电路 滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统 具有滤除噪声和分离 各种不同信号的功能 传感器过来的信号经常带有各种各样的干扰 因此要采 用滤波电路来去除干扰 综合考虑 采用低通滤波器 增益 Kp R4 R3 图 3 2 低通滤波器 4 A D 转换转换 A D 转换的作用是进行模数转换 把接收到的模拟信号转换成数字信号输 出 在选择 A D 转换时 先要确定 A D 转换的位数 该设计运用的是 8 位 A D 转换器 ADC0809 A D 转换误的位数确定与整个测量控制系统所需测量控制的范 围和精度有关 系统精度涉及的环节很多 包括传感器的变换精度 信号预处 理电路精度 A D 转换器以及输出电路等 11 22 4 1ADC0809 芯片介绍 关于 ADC0809 的介绍 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A D 转换 器 内部结构如图 13 22 所示 它由 8 路模拟开关 地址锁存与译码器 比 较器 8 位开关树型 D A 转换器 逐次逼近 寄存器 三态输出锁存器等其它 一些电路组成 因此 ADC0809 可处理 8 路模拟量输入 且有三态输出能力 既可与各种微处理器相连 也可单独工作 输入输出与 TTL 兼容 主要特性 1 8 路 8 位 A D 转换器 即分辨率 8 位 2 具有转换起停控制端 3 转换时间为 100 s 4 单个 5V 电源供电 5 模拟输入电压范围 0 5V 不需零点和满刻度校准 6 工作温度范围为 40 85 摄氏度 7 低功耗 约 15mW 图 4 1 ADC0809 管脚图 对 ADC0809 主要信号引脚的功能说明如下 IN7 IN0 模拟量输入通道 12 22 ALE 地址锁存允许信号 对应 ALE 上跳沿 A B C 地址状态送入 地址锁存器中 START 转换启动信号 START 上升沿时 复位 ADC0809 START 下降沿时启动芯片 开始进行 A D 转换 在 A D 转换期间 START 应保持 低 电平 本信号有时简写为 ST A B C 地址线 通道端口选择线 A 为低地址 C 为高地址 引 脚图中为 ADDA ADDB 和 ADDC 其地址状态与通道对应关系见表 9 1 CLK 时钟信号 ADC0809 的内部没有时钟电路 所需时钟信号由外界提供 因此有时钟信号引脚 通常使用频率为 500KHz 的时钟信号 EOC 转换结束信号 EOC 0 正在进行转换 EOC 1 转换结束 使 用中该状态信号即可作为查询的状态标志 又可作为中断请求信号使用 D7 D0 数据输出线 为三态缓冲输出形式 可以和单片机的数据 线直接相连 D0 为最低位 D7 为最高 OE 输出允许信号 用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到 的数据 OE 0 输出数据线呈高阻 OE 1 输出转换得到的数据 Vcc 5V 电源 Vref 参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较 作为逐次 逼近的基准 其典型值为 5V Vref 5V Vref 5V 4 2 MCS 51 单片机与 ADC0809 的接口电路 ADC0809 与 MCS 51 单片机的连接如图所示 电路连接主要涉及两个问题 一是 8 路模拟信号通道的选择 二是 A D 转换完成后转换数据的传送 13 22 图 4 2 ADC0809 与 MCS 51 的连接 A D 转换完成数据的输送 A D 转换后得到的是数字量的模拟量 这些数据应传诵给单片机进行处理 数据串的关键是如何确定 A D 转换完成 因为只有确定数据转换完成后 才进 行传送 为此可采用以下三种方式 1 定时传送方式 对于一种 A 时子程序 A D 转换启动后 就调动这个子程序 延迟时间一 到 转换肯定已经完成了 接着 就可以进行数据传送 D 转换来说 转换时间 作为一项技术指标是已知的和固定的 例如 ADC0809 转换时间为 128us 相 当于 6MHZ 的 MCS 51 单片机共 60 个机器周期 可根据此设计一个延了 2 查询方式 A D 转换芯片表明有转换完成的状态信号 例如 ADC0809 的 E 端 因 此可以通过查询方式用软件测试 EOC 的状态 即可知道转换是否完成 若完 成 则接着进行数据传送 14 22 3 中断方式 中断方式 ADC0809 与 8031 的中断方式接口电路只需将 0809 的 EOC 端 经过一非门连接到 8031 的 INTl 端即可 采用中断方式可大大节省 CPU 的时 间 当转换结束时 EOC 发出一个脉冲向单片机提出中断请求 单片机响应中 断请求 由外部中断 1 的中断服务程序读 A D 结果 并启动 0809 的下一 次转换 外部中断 1 采用边沿触发方式 程序如下 INITl SETB ITl 外部中断 1 初始化编程 SETB EA SETB EXl MOV DPTR 7FF8H 启动 0809 对 IN0 通道转换 MOVX DPTR A MOV DPTR 7FF8H 读取 A D 结果送缓冲单元 30H MOVX A DPTR MOV 30H A MOVX DPTR A 启动 0809 对 IN0 通道下一次转换 RETI 不管使用上述那种方式 一旦确定转换完成 即可通过指令进行数据传送 首先送出口地址 并以 RD 做选通信号 OE 信号即有效 把转换数据送上数据 总线 供单片机接受 A D 转换程序 ORG 0000H MOV DPTR 0FEF8H AD 转换 IN0 通道地址 MOV A 00H MOVX DPTR A 启动 AD 转换 START CLR ST SETB ST CLR ST JNB EOC SETB OE MOV 30H P2 CLR OE 15 22 MOV A 30H MOV B 100 DIV AB LOOP MOV BAI A MOV SHI B MOV A SHI MOV B 10 DIV AB MOV SHI A MOV GEWEI B MOV A BAI MOV P1 A CLR P3 2 LCALL DELAY SETB P3 2 MOV A SHI MOV P1 A CLR P3 1 LCALL DELAY SETB P3 1 MOV A GEWEI MOV P1 A CLR P3 0 LCALL DELAY SETB P3 0 SJMP START 5 单片机的选择单片机的选择 根据对单片机种类的认识 本系统选用 51 系列单片机 80C51 80C51 是 INTEL 公司 MCS 51 系列单片机中最基本的产品 它采用 INTEL 公司可靠的 CHMOS 工艺技术制造的高性能 8 位单片机 属于标准的 MCS 51 的 HCMOS 产品 它结合了 HMOS 的高速和高密度技术及 CHMOS 的低功耗特 征 它继承和扩展了 MCS 48 单片机的体系结构和指令系统 16 22 80C51 内置中央处理单元 128 字节内部数据存储器 RAM 32 个双向输入 输出 I O 口 2 个 16 位定时 计数器和 5 个两级中断结构 一个全双工串行通 信口 片内时钟振荡电路 此外 80C51 还可工作于低功耗模式 可通过两种软件选择空闲和掉电模 式 在空闲模式下冻结 CPU 而 RAM 定时器 串行口和中断系统维持其功能 掉电模式下 保存 RAM 数据 时钟振荡停止 同时停止芯片内其它功能 80C51 有 PDIP 40pin 和 PLCC 44pin 两种封装形式 图 5 1 单片机 89C51 管脚图 Vss 20 脚 接地 VCC 40 脚 主电源 5V XTAL1 19 脚 接外部晶体的一端 在片内它是振荡电路反相放大器的输入 端 在采用外部时钟时 对于 HMOS 单片机 该端引脚必须接地 对于 CHMOS 单 片机 此引脚作为驱动端 XTAL2 18 脚 接外部晶体的另一端 在片内它是一个振荡电路反相放大 器的输出端 振荡电路的频率是晶体振荡频率 若需采用外部时钟电路 对于 HMOS 单片机 该引脚输入外部时钟脉冲 对于 CHMOS 单片机 此引脚应悬浮 17 22 RST 9 脚 单片机刚接上电源时 其内部各寄存器处于随机状态 在 该脚输入 24 个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位 RESET PSEN 29 脚 在访问片外程序存储器时 此端输出负脉冲作为存储器 读选通信号 CPU 在向片外存储器取指令期间 PSEN 信号在 12 个时钟周期中两 次生效 不过 在访问片外数据存储器时 这两次有效 PSEN 信号不出现 PSEN 端同样可驱动 8 个 LSTTL 负载 我们根据 PSEN ALE 和 XTAL2 输出端是否有信 号输出 可以判别 80C51 是否在工作 ALE PROG 30 脚 在访问片外程序存储器时 此端输出负脉冲作为存储 器读选通信号 CPU 在向片外存储器取指令期间 PSEN 信号在 12 个时钟周期中 两次生效 不过 在访问片外数据存储器时 这两次有效 PSEN 信号不出现 PSEN 端同样可驱动 8 个 LSTTL 负载 我们根据 PSEN ALE 和 XTAL2 输出端是否 有信号输出 可以判别 80C51 是否在工作 EA VPP 31 脚 当 EA 端输入高电平时 CPU 从片内程序存储器地址 0000H 单元开始执行程序 当地址超出 4KB 时 将自动执行片外程序存储器的 程序 当 EA 输入低电平时 CPU 仅访问片外程序存储器 在对 87C51EPROM 编 程时 此引脚用于施加编程电压 VPP 输入 输出引脚 1 P0 0 P0 7 39 脚 32 脚 2 P1 0 P1 7 1 脚 8 脚 3 P2 0 P2 7 26 脚 21 脚 4 P3 0 P3 7 10 脚 17 脚 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据 存储器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原 码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 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 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 18 22 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 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作 为输入 并因此作为输入时 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 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 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 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表所示 P3 口管脚 备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 表 5 1 单片机 89C51 主要功能特性 主要功能特性 标准 MCS 51 内核和指令系统 4kB 内部 ROM 外部可扩展至 64kB 32 个可编程双向 I O 口 128x8bit 内部 RAM 可扩充 64kB 外部存储器 2 个 16 位可编程定时 计数器 时钟频率 0 16MHz 5 个中断源 5 0V 工作电压 可编程全双工串行通信口 布尔处理器 2 层优先级中断结构 电源空闲和掉电模式 快速脉冲编程 2 层程序加密位 PDIP 和 PLCC 封装形式 兼容 TTL 和 CMOS 逻辑电平 19 22 6 显示单元显示单元 用 80C51 串行口外接 74LS164 扩展 8 位并行输出口 如图所示 8 位并 行口的各位都接一个发光二极管 要求发光管呈流水灯状态 串行口方式 0 的 数据传送可采用中断方式 也可采用查询方式 无论哪种方式 都要借助于 TI 或 RI 标志 串行发送时 可以靠 TI 置位 发完一帧数据后 引起中断申请 在中断服务程序中发送下一帧数据 或者通过查询 TI 的状态 只要 TI 为 0 就 继续查询 TI 为 1 就结束查询 发送下一帧数据 在串行接收时 则由 RI 引 起中断或对 RI 查询来确定何时接收下一帧数据 无论采用什么方式 在开始通 讯之前 都要先对控制寄存器 SCON 进行初始化 在方式 0 中将 将 00H 送 SCON 就可以了 芯片介绍 74LS164 是 8 位移位寄存器 串行输入 并行输出 当清除端 CLEAR 为