单片机的压力检测系统

题 目 基于单片机的智能压力检 测系统的设计 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 基于单片机的智能压力检测系统的设计基于单片机的智能压力检测系统的设计 摘要摘要 压力是工业生产过程中的重要参数之一 压力的检测或控制是保证生产和设备安 全运行必不可少的条件 实现智能化压力检测系统对工业过程的控制具有非常重要的 意义 本设计主要通过单片机及专用芯片对传感器所测得的模拟信号进行处理 使其完 成智能化功能 介绍了智能压力传感器外围电路的硬件设计 并根据硬件进行了软件编 程 本次设计是基于 STC89C52 单片机的测量与显示 是通过压力传感器将压力转换成 电信号 再经过运算放大器进行信号放大 送至 24 位 A D 转换器 然后将模拟信号 转换成单片机可以识别的数字信号 再经单片机转换成 LED 显示器可以识别的信息 最后显示输出 而在显示的过程中通过键盘 向计算机系统输入各种数据和命令 让 单片机系统处于预定的功能状态 显示需要的值 本设计的最终结果是 将软件下载到硬件上调试出来了需要显示的数据 当输入 的模拟信号发生变化的时候 通过 A D 转换后 LED 将显示不同的数值 关键词关键词 压力 STC89C52 单片机 压力传感器 A D 转换器 LED 显示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 I Design of pressure detecting system based on single chip Abstract Pressure is one of the important parameters in the process of industrial production Pressure detection or control is an essential condition to ensure production and the equipment to safely operating which is of great significance The single chip is infiltrating into all fields of our lives so it is very difficult to find the area in which there is no traces of single chip microcomputer In this graduation design primarily through by using single chip and dedicated chip handling of analog signal measured by the sensor to complete intelligent function This design illustrates external hardware circuit design of intelligent pressure sensor and conduct software development to the hardware The design is based on measurement and display of STC89C52 single chip This is the pressure sensors will convert the pressure into electrical signals After using operational amplifier the signal is amplified and transferred to the 8 bit A D converter Then the analog signal is converted into digital signals which can be identified by single chip and then converted by single chip into the information which can be displayed on LED monitor and finally display output In the course of show through the keyboard to input all kinds of data and commands into the computer the single chip will locate in a predetermined function step to display required values The end result of this design is that by downloading software to the hardware it will get the data which is required to display by debugging When the input analog signals change the LED monitor will display different values through the A D converting Key words pressure STC89C52 single chip pressure sensor A D converter LED monitor 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 II 目录目录 摘要 I Abstract II 第一章 绪论 1 1 1 研究背景 1 1 2 基于单片机的智能压力检测的原理 2 1 2 1 压力的概念 2 1 2 2 测量压力的意义 3 第二章 基于单片机的智能压力检测系统的硬件设计 4 2 1 压力传感器 4 2 1 1 压力传感器的选择 4 2 1 2 金属电阻应变片的工作原理 4 2 1 3 电阻应变片的基本结构 6 2 1 4 电阻应变片的测量电路 6 2 2 信号放大电路 8 2 1 2 放大器的选择 8 2 2 4 三运放大电路 9 2 3 A D 转换器 10 2 3 1 A D 转换模块器件选择 10 2 3 2 A D 转换器的简介 10 2 4 单片机 14 2 4 1 STC89C52 单片机简介 14 2 4 2 主要特性 15 2 4 3 管脚说明 15 2 4 5 芯片擦除 17 2 5 单片机于键盘的接口技术 18 2 5 1 键盘功能及结构概述 18 2 5 2 键盘抖动及去除 18 2 5 3 单片机与键盘的连接 19 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 III 2 6 LED 显示接口 21 2 6 1 发光二极管及 LED 显示器 21 2 6 2 七段数码显示器 22 第三章 软件设计 26 3 1 A D 转换器的软件设计 26 3 2 单片机与键盘的接口程序设计 27 3 4 LED 数码管显示程序设计 28 第四章 总结 30 参考文献 31 附录 A 32 附录 B 33 致谢 38 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 0 第一章第一章 绪论绪论 1 1 研究背景研究背景 近年来 随着微型计算机的发展 他的应用在人们的工作和日常生活中越来越普 遍 工业过程控制是计算机的一个重要应用领域 其中由单片机构成的嵌入式系统已 经越来越受到人们的关注 现在可以毫不夸张的说 没有微型计算机的仪器不能称为 先进的仪器 没有微型计算机的控制系统不能称其为现代控制系统的时代已经到来 压力测量对实时监测和安全生产具有重要的意义 在工业生产中 为了高效 安 全生产 必须有效控制生产过程中的诸如压力 流量 温度等主要参数 由于压力控 制在生产过程中起着决定性的安全作用 因此有必要准确测量压力 为了测到不同位 置的压力值 本次设计为基于单片机智能压力测量系统 通过压力传感器将需要测量 的位置的压力信号转化为电信号 再经过运算放大器进行信号放大 送至 8 位 A D 转换器 然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号 再经单片机转换成 LED 显示器可以识别的信息 最后显示输出 基于单片机的智能压力检测系统 选择的单 片机是基于 STC89C52 单片机的测量与显示 将压力经过压力传感器变为电信号 再 通过三运放放将电信号放大为标准信号为 0 5V 的电压信号 然后进入 A D 转换器将模 拟量转换为数字量 我们所采样的 A D 转换器为 ADC0832 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 0 5V 之间 芯片转换时间仅为 32 S 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 正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线 分别是CS CLK DO DI 但 由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的 所以电路设计时 可以将DO和DI并联在一根数据线上使用 为了提高单片机系统 I O 口线的利用效率 利用单片机 AT87C51 的串行口和串行移 位寄存器 74LS164 扩展输出多位 LED 显示 键盘是单片机系统实现人机对话的常用输入设备 我们通过键盘 向计算机系统 输入各种数据和命令 亦可通过使用键盘 让单片机系统处于预定的功能状态 要想 实现压力的显示需硬件与软件配合 最终调试出来 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 1 1 2 基于单片机的智能压力检测的原理基于单片机的智能压力检测的原理 本次设计是以单片机组成的压力测量 系统中必须有前向通道作为电信号的输入 通道 用来采集输入信息 压力的测量 需要传感器 利用传感器将压力转换成电信 号后 再经放大并经 A D 转换为数字量后才能由计算机进行有效处理 然后用 LED 进 行显示 而键盘的作用是改变输入量的系数的 它的原理图如图 1 1 所示 压力传感器放大器 显示单片机A D 转换 键盘 图 1 1 压力测量仪表原理方框图 我们这次主要做的是 A D 转换 单片机键盘和显示 我们选用的 A D 转换器是 ADC0832 单片机为 STC89C52 键盘为 4 乘 4 的键盘 显示为 4 位数码管显示 根 据硬件电路编程 调试出来并显示结果 1 2 11 2 1 压力的概念压力的概念 压力是工业生产中的重要参数之一 为了保证生产正常运行 必须对压力进行测 量和控制 但需说明的是 这里所说的压力 实际上是物理概念中的压强 即垂直作 用在单位面积上的力 在压力测量中 常用绝对压力 表压力 负压力或真空度之分 所谓绝对压力是 指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力 用符号 pj 表示 用来测量绝对压力的 仪表称为绝对压力表 地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力 用符号 pq 表 示 用来测量大气气压力的仪表叫气压表 绝对压力与大气压力之差 称为表压力 用符号 pb 表示 即 pb pj pq 当绝对压力值小于大气压力值时 表压力为负值 即负 压力 此负压力值的绝对值 称为真空度 用符号 pz 表示 压力是工业生产中的重要参数 如高压容器的压力超过额定值时便是不安全的 必须进行测量和控制 在某些工业生产过程中 压力还直接影响产品的质量和生产效 率 如生产合成氨时 氮和氢不仅须在一定的压力下合成 而且压力的大小直接影响 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 2 产量高低 此外 在一定的条件下 测量压力还可间接得出温度 流量和液位等参数 1643 年 意大利人托里拆利首先测定标准的大气压力值为 760 毫米汞柱 奠定了 液柱式压力测量仪表的基础 1847 年 法国人波登制成波登管压力表 由于结构简单 实用 很快在工业中获得广泛应用 一直是常用的压力测量仪表 二十世纪上半叶出现了远传压力表和电接点压力表 从而解决了压力测量值的远 距离传送和压力的报警 控制等问题 60 年代以后 为适应工业控制 航空工业和医 学测试等方面的要求 压力测量仪表日益向体积轻巧 耐高温 耐冲击 耐振动和数 字显示等方向发展 1 2 21 2 2 测量压力的意义测量压力的意义 压力是过程生产中四大重要参数之一 它在检测生产过程能否完全可靠正常运行 的重要参数指标 尤其在化工生产过程中压力这一参数更显得尤为重要 在化工生产过程中 压力即影响物料平衡 也影响化学反应速速 是标志生产过 程能否正常进行的重要参数 安全生产的需要 从确保安全生产的角度 压力检测也是非常重要的 如 确保 压力容器内的压力在安全指标之内 确保易燃易爆介质的压力不超标 在其他工业生产中压力检测于控制也非常重要 常可见到一些工业装置上都有压 力表 如 汽包压力 当压力过高容易爆炸 压力低动力不足 还有炉膛压力 一般维 持在 0mmH2O 高了炉门缝冒烟尘 低了膛内出现负压降低温度 若维持在 10 mmH2O 节能 20 压力也是间接测量物位的手段 用孔板测量流量仅能产生差压 而这个差压考压 力检测的方法来测取才能最终求出流量 液面的高度可以靠测取压力的大小来表示 总之 压力检测是一般成产过程所不可缺少的环节 只有按工艺要求保持压力的 稳定 才能维持生产的正常进行 所以压力准确测量在实际过程是非常重要的 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 3 第二章第二章 基于单片机的智能压力检测系统的硬件设计基于单片机的智能压力检测系统的硬件设计 2 1 压力传感器压力传感器 2 1 12 1 1 压力传感器的选择压力传感器的选择 压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分 由各种压力敏感元件将被测压力 信号转换成容易测量的电信号作输出 给显示仪表显示压力值 或供控制和报警使用 力学传感器的种类繁多 如电阻应变片压力传感器 半导体应变片压力传感器 压阻 式压力传感器 电感式压力传感器 电容式压力传感器谐振式压力传感器及电容式加 速度传感器等 而电阻应变式传感器具有悠久的历史 由于它具有结构简单 体积小 使用方便 性能稳定 可靠 灵敏度高动态响应快 适合静态及动态测量 测量精度 高等诸多优点 因此是目前应用最广泛的传感器之一 电阻应变式传感器由弹性元件 和电阻应变片构成 当弹性元件感受到物理量时 其表面产生应变 粘贴在弹性元件 表面的电阻应变片的电阻值将随着弹性元件的应变而相应变化 通过测量电阻应变片 的电阻值变化 可以用来测量位移加速度 力 力矩 压力等各种参数 2 1 2 1 2 2 金属电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理 应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的 应变片是 由金属导体或半导体制成的电阻体 是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信 号的敏感器件 它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一 电阻应变片应用最多的 是金属电阻应变片和半导体应变片两种 金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状 应变片两种 通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上 当基体受力发生应力变化时 电阻应变片也一起产生形变 使应变片的阻值发生改变 从而使加在电阻上的电压发生变化 这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小 一般这种应变片都组成应变电桥 并通过后续的仪表放大器进行放大 再传输给处理 电路 通常是 A D 转换和 CPU 显示或执行机构 其阻值随压力所产生的应变而变化 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化 的现象 俗称为电阻应变效应 对于金属导体 如图 2 1 所示 一段圆截面的导线的金 属丝 设其长为 L 截面积为 A 直径为 D 原始电阻为 R 金属导体的电阻值可用下 式表示 R L A 2 1 式中 金属导体的电阻率 cm2 m S 导体的截面积 cm2 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 4 L 导体的长度 m 图 2 1 金属电阻丝应变效应 当金属丝受到轴向力 F 而被拉伸或压缩产生形变 其电阻值会随之变化 通过对 2 1 式两边取对数后再取全微分得 2 2 d A dA R dR L dL 式中为材料轴向线应变 且 跟据材料力学 在金属丝单向受力 L dL D dD A dA 2 状态下 有 2 3 L dL D dD 式中 为导体材料的泊松比 因此 有 2 4 d L dLd 21 试验发现 金属材料电阻率的相对变化与其体的相对变化间的关系为 2 5 V dV c d 式中 c 为常数 由一定的材料和加工方式决定 将式 2 5 21 A dA L dL V dV 代入 2 4 且当 R R 时 可得 2 6 Kc R R 21 21 式中 k 1 2 c 1 2 为金属丝材料的应变灵敏系数 上式表明 金属材料电阻的相对变化与其线应变成正比 这就是金属材料的应变电 阻效应 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 5 电阻变化率 R R 的表达式为 K R R 式中 材料的泊松系数 应变量 当金属丝受外力作用时 其长度和截面积都会发生变化 从上式中可很容易看出 其电阻值即会发生改变 假如金属丝受外力作用而伸长时 其长度增加 而截面积减 少 电阻值便会增大 当金属丝受外力作用而压缩时 长度减小而截面增加 电阻值 则会减小 只要测出加在电阻的变化 通常是测量电阻两端的电压 即可获得应变金 属丝的应变情 2 1 32 1 3 电阻应变片的基本结构电阻应变片的基本结构 电阻应变片主要由四部分组成 如图 2 2 所示 电阻丝是应变片敏感元件 基片 覆盖片起定位和保护电阻丝的作用 并使电阻丝和被测试件之间绝缘 引 出线用以连接测量导线 图 2 2 电阻应变片的基本结构 2 1 42 1 4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 应变片可以将应变转换为电阻的变化 为了显示于记录应变的大小 还要将电阻 的变化再转换为电压或电流的变化 因此需要有专用的测量电路 通常采用直流电桥 和交流电桥 2 1 4 12 1 4 1 电桥电路的工作原理电桥电路的工作原理 由于应变片的电桥电路的输出信号一般比较微弱 所以目前大部分电阻应变式传 感器的电桥输出端与直流放大器相连 如图 2 3 所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 6 图 2 3 直流电桥 设电桥的各臂的电阻分别为 R1R3R2R4 它们可以全部或部分是应变片 由于直流放 大器的输入电阻比电桥电阻大的多 因此可将电桥输出端看成开路 这种电桥成为电 压输出桥 输出电压 U0 为 U0 SU RRRR RRRR 4321 4231 2 7 由上式可见 若 R1R3 R2R4 则输出电压必为零 此时电桥处于平衡状态 称为平 衡电桥 平衡电桥的平衡条件为 R1R3 R2R4 应变片工作时 其电阻变化 R 此时有不平衡电压输出 2 8 1 1 0 4 R RU U 由式 2 8 表明 R R1 时 电桥的输出电压于应变成线性关系 若相邻两 桥臂的应变极性一致 即同为拉应变活压应变时 输出电压为两者之差 若不同时 则输出电压为两者之和 若相对两桥臂的极性一直 输出电压为两者之和 反之则为 两者之差 电桥供电电压 U 越高 输出电压 U0 越大 但是 当 U 大时 电阻应变片通过的 电流也大 若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流 传感器就会出现蠕变和零 漂 基于这些原因可以合理的进行温度补偿和提高传感器的测量灵敏度 2 1 4 2 非线性误差及温度补偿非线性误差及温度补偿 由式 2 8 的线性关系是在应变片的参数变化很小 极 R R1 的情况下得出 的 若应变片承受的压力太大 则上述假设不成立 电桥的输出电压应变之间成非线 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 7 性关系 在在这种情况下 用按线性关系刻度的仪表进行测量必然带来非线性误差 为了消除非线性误差 在实际应用中 常采用半桥差动或全桥差动电路 如图 2 4 所示 以改善非线性误差和提高输出灵敏度 U U a 半桥差动电路 b 全桥差动电路 图 2 4 差动电桥 图 2 4 a 为半桥差动电路 在传感器这中经常使用这种方法 粘贴应变片时 使两个应变片一个受压 一个受拉 应变符号相反 工作时将两个应变片接入电桥的 相邻两臂 设电桥在初始时所示平衡的 且为等臂电桥 考虑到 R R1 R2 则得半 桥差动电路的输出电压为 U R R U 2 2 9 由上式可见 半桥差动电路不仅可以消除非线性误差 而且还使电桥的输出灵敏 度提高了一倍 同时还能起到温度补偿的作用 如果按图 2 4 b 所示构成全桥差动 电路同样考虑到 R R1 R2 R3 R4时得全桥差动电路的输出电压为 U R R U 2 10 可见 全桥的电压灵敏度比单臂工作时的灵敏度提高了 4 倍非线性误差也得到了 消除 同时还具有温度补偿的作用 该电路也得到了广泛的应用 2 2 信号放大电路信号放大电路 2 1 22 1 2 放大器的选择放大器的选择 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 8 被测的非电量经传感器得到的电信号幅度很小 无法进行 A D 转换 必须对这些 模拟电信号进行放大处理 为使电路简单便于调试 本设计采用三运算放大器 因为 在具有较大共模电压的条件下 仪表放大器能够对很微弱的差分电压信号进行放大 并且具有很高的输入阻抗 这些特性使其受到众多应用的欢迎 广泛用于测量压力和 温度的应变仪电桥接口 热电耦温度检测和各种低边 高边电流检测 2 2 42 2 4 三运放大电路三运放大电路 本次设计的放大器采用了三运放 因为它具有高共模抑制比的放大电路 它由三 个集成运算放大器组成 如图 2 5 所示 2 5 三运放高共摸抑制比放大电路 其中 A1 和 A2 为两个性能一致 主要指输入阻抗 共模抑制比和增益 的同相输入 通用集成运算放大器 构成平衡对称差动放大输入级 A3 构成双端输入单端输出的输 出级 用来进一步抑制 A1 和 A2 的共模信号 并适应接地负载的需要 由于每个放大 器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压 因此 整个差分输入电压现在都呈 现在 RG 两端 因为输入电压经过放大后 在 A1 和 A2 的输出端 的差分电压呈现在 R5 RG 和 R6 这三只电阻上 所以差分增益可以通过仅改变 RG 进行调整 这种连 接有另外一个优点 一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后 在改变 增益时不再对电阻匹配有任何要求 如果 R5 R6 R1 R3 和 R2 R4 则 VOUT VIN2 VIN1 1 2R5 RG R2 R1 由于 RG 两端的电压等于 VIN 所以流过 RG 的电流等于 VIN RG 因此输入信号 将通过 A1 和 A2 获得增益并得到放大 然而须注意的是对加到放大器输入端的共模 电压在 RG 两端具有相同的电位 从而不会在 RG 上产生电流 由于没有电流流过 RG 也就无电流流过 R5 和 R6 放大器 A1 和 A2 将作为单位增益跟随器而工作 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 9 因此 共模信号将以单位增益通过输入缓冲器 而差分电压将按 1 2 RF RG 的 增益系数被放大 这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了 1 2 RF RG 倍 在理论上表明 得到所要求的前端增益 由 RG 来决定 而不增加共模增益和误 差 即差分信号将按增益成比例增加 而共模误差则不然 所以比率 增益 差分输 入电压 共模误差电压 将增大 因此 CMR 理论上直接与增益成比例增加 这是 一个非常有用的特性 最后 由于结构上的对称性 输入放大器的共模误差 如果它们跟踪 将被输出 级的减法器消除 这包括诸如共模抑制随频率变换的误差 2 3 A D 转换器转换器 模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量 能够完成这一任务的器件称之 为模数转换器 简称 A D 转换器 本次设计的中 A D 转换器的任务是将放大器输出的 模拟信号转换位数字量进行输出 2 3 12 3 1 A DA D 转换模块器件选择转换模块器件选择 HX711 是一款专为高精度电子秤而设计的 24 位 A D 转换器芯片 与同类型其它芯 片相比 该芯片集成了包括稳压电源 片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外 围电路 具有集成度高 响应速度快 抗干扰性强等优点 降低了电子秤的整机成本 提高了整机的性能和可靠性 该芯片与后端 MCU 芯片的接口和编程非常简单 所有控 制信号由管脚驱动 无需对芯片内部的寄存器编程 输入选择开关可任意选取通道 A 或通道 B 与其内部的低噪声可编程放大器相连 通道 A 的可编程增益为 128 或 64 对应的满额度差分输入信号幅值分别为 20mV 或 40mV 通道 B 则为固定的 64 增益 9 用于系统参数检测 芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的 A D 转 换器提供电源 系统板上无需另外的模拟电源 芯片内的时钟振荡器不需要任何外接 器件 上电自动复位功能简化了开机的初始化过程 芯片管脚图如图 2 3 所示 2 3 22 3 2 A DA D 转换器的简介转换器的简介 芯片管脚图如图 2 3 所示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 10 图 2 3 HX711 管脚定义 HX711 典型应用电路如图 2 4 所示 图 2 4 HX711 典型应用电路 2 4 单片机单片机 随着电子技术的发展 单片机的功能将更加完善 因而单片机的应用将更加普及 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 11 它们将在智能化仪器 家电产品 工业过程控制等方面得到更广泛的应用 单片机将 是智能化仪器和中 小型控制系统中应用最多的有种微型计算机 2 4 12 4 1 STC89C52STC89C52 单片机简介单片机简介 STC89C52 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8 位微处理 器 俗称单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次 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 STC89C52 是一种高 效微控制器 AT89C2051 是它的一种精简版本 如图 2 9 所示 STC89C52 单机为很多 嵌入式控制系统提供灵活性高且廉价的方案 图 2 9 STC89C52 单片机的结构示意图 2 4 22 4 2 主要特性主要特性 与 MCS 51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命 1000 写 擦循环 数据保留时间 10 年 全静态工作 0Hz 24Hz 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 32 可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 12 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2 4 32 4 3 管脚说明管脚说明 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 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 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 STC89C52 的一些特殊功能口 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 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 13 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 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 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 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位 字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周 期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对外部输出的脉冲或用 于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指 令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁 止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个机器周 期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不 管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保 持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程 电源 VPP 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 2 4 42 4 4 振荡器特性振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配置为片内振 荡器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2 应不接 有 余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外部时钟信号的脉宽无任何 要求 但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 2 4 52 4 5 芯片擦除芯片擦除 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 14 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合 并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成 在芯片擦操作中 代码阵列全被写 1 且在任何非空 存储字节被重复编程以前 该操作必须被执行 此外 STC89C52 设有稳态逻辑 可以在低到零频率的条件下静态逻辑 支持两种 软件可选的掉电模式 在闲置模式下 CPU 停止工作 但 RAM 定时器 计数器 串口 和中断系统仍在工作 在掉电模式下 保存 RAM 的内容并且冻结振荡器 禁止所用其 他芯片功能 直到下一个硬件复位为止 2 52 5 单片机于键盘的接口技术单片机于键盘的接口技术 2 5 12 5 1 键盘功能及结构概述键盘功能及结构概述 键盘是单片机系统实现人机对话的常用输入设备 操作员通过键盘 向计算机系 统输入各种数据和命令 亦可通过使用键盘 让单片机系统处于预定的功能状态 键盘按照其内部不同电路结构 可分为编码键盘和非编码键盘二种 编码键盘本 身除了带有普通按键之外 还包括产生键码的硬件电路 使用时 只要按下编码键盘 的某一个键 硬件逻辑会自动提供被按下的键的键码 使用十分方便 但价格较贵 由非编码键盘组成的简单硬件电路 仅提供各个键被按下的信息 其他工作由软件来 实现 由于价格便宜 而且使用灵活 因此广泛应用在单片机应用系统中 非编码键盘按照其键盘排列的结构 又可分为独立式按键和行列式按键两种类型 2 5 22 5 2 键盘抖动及去除键盘抖动及去除 目前各种结构的键盘 主要是利用机械触点的合 断作用 产生一个电压信号 然后将这个电信号传送给 CPU 由于机械触点的弹性作用 在闭合及断开的瞬间均有抖 动过程 抖动时间长短 与开关的机械特性有关 一般约 5 10ms 之间 图 2 10 为闭 合及断开时的电压抖动波形 图 2 10 键闭合及断开时的电压抖动波形 按键的稳定闭合期 由操作人员的按键动作所确定 一般为十分之几秒至几秒时 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 15 间 为保证 CPU 对键的一次操作仅作一次输入处理 必须去除抖动影响及人为的操作 时问长短的影响 通常去抖动影响的措施有硬 软件两种 可用基本 R S 触发器或单稳态电路构成 硬件去抖动电路如图 2 11 所示 也可采用软件延时的方法除去键盘抖动产生的影响 采用软件除去抖动影响的办法是 在检测到有键按下时 执行一个 10ms 左右的延时程 序 然后再去判断该键电平是否仍保持闭合状态电平 如保持闭合状态电平则可确认 该键为按下状态 从而消除了抖动影响 图 2 11 RC 去抖动电路 2 5 32 5 3 单片机与键盘的连接单片机与键盘的连接 键盘与单片机的连接在单片机系统中键盘中按钮数量较多时 为了减少 I O 口的 占用 常常将按钮排列成矩阵形式 如 2 13 图所示 在矩阵式键盘中 每条水平线和 垂直线在交叉处不直接连通 而是通过一个按钮加以连接 这样 一个端口 如 P1 口 就能组成 4 4 16 个按钮 比之直接将端口线用于键盘多出了一倍 而且线数越多 区 别越明显 比如再多加一条线就能组成 20 键的键盘 而直接用端口线则只能多出一键 9 键 由此可见 在需要的键数比较多时 采用矩阵法来做键盘是合理的 在实际 应用中 4 4 键盘主要由数字 0 9 和功能键组成 这里给出一个比较常用的键盘排列 方式 如表 2 3 所示 表 2 3 按键表 123命令 456功能 789确认 0上移下移退出 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 16 按照键盘与单片机的连接方式可分为独立式键盘与矩阵式键盘 独立式键盘相互 独立 每个按键占用一根 I O 口线 每根 I O 口线上的按键工作状态不会影响其他按键 的工作状态 如图 2 12 所示这种按键软件程序简单 但占用 I O 口线较多 一根口线 只能接一个键 适用于键盘应用数量较少的系统中 图 2 12 独立式按键接口电路 于独立是按键接口电路要比较矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些 识别 也要复杂一些如图 2 13 所示 图 2 13 单片机矩阵式键盘接口电路 上图中列线通过电阻接正电源 并将行线所接的单片机的 I O 口作为输出端 而 列线所接的 I O 口则作为输入 这样 当按钮没有按下时 所有的输出端都是高电平 代表无键按下 行线输出是低电平 一旦有键按下 则输入线就会被拉低 这样 通 过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了 具体的识别及编程办法如下所述 矩 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 17 阵式键盘的按钮识别办法 确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种 行扫描法 行扫描 法 行扫描法又称为逐行 或列 扫描查询法 是一种最常用的按钮识别办法 如上图 所示键盘 介绍过程如下 判断键盘中有无键按下 将全部行线 Y0 Y3 置低电平 然后 检测列线的状态 只要有一列的电平为低 则表示键盘中有键被按下 而且闭合的键 位于低电平线与 4 根行线相交叉的 4 个按钮之中 若所有列线均为高电平 则键盘中 无键按下 判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后 即可进入确定具体闭合键的过程 其 办法是 依次将行线置为低电平 即在置某根行线为低电平时 其它线为高电平 在 确定某根行线位置为低电平后 再逐行检测各列线的电平状态 若某列为低 则该列 线与置为低电平的行线交叉处的按钮就是闭合的按钮 2 62 6 LEDLED 显示接口显示接口 本次设计是利用 89C51 单片机串行口和 74LS164 移位寄存器实现多个 LED 显示的 一种方法 利用该方法设计的多路 LED 显示系统具有硬件结构简单 软件编程容易和价 格低廉等特点 2 6 12 6 1 发光二极管及发光二极管及 LEDLED 显示器显示器 发光二极管是由半导体发光材料做成的 PN 结 只要在发光二极管两端通过正向电 流 5 20mA 就能达到正常发光 LED 的发光颜色通常有红 绿 黄 白 其外形和电 气图形符号如图 2 14 所示 单个 LED 通常是通过亮 灭来指示系统运行状态和用快速 闪烁来报警 aa 外形 b 图形符号 图 2 14 LED 通常所说的 LED 显示器由 7 个发光二极管组成 因此也称之为七段 LED 显示器 其排列形状如图 2 15 所示 显示器中还有一个圈点型发光二极管 在图中以 dp 表示 用于显示小数点 通过七个发光二极管亮暗的不同组合 可以显示多种数字 字母以 及其它符号 LED 显示器中的发光二极管共有两种连接方法 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 18 共阳极接法 把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极 使用时公共阳极接 5V 阴极端输 入低电平的段发光二极管导通点亮 输入高电平的则不点亮 共阴极接法 把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极 使用时会共阴极接地 阳极端输入 高电平的段发光二极管导通点亮 输入低电平的则不点亮 图 2 15 LED 显示 用 LED 显示器显示十六进制数的字型代码如下表所示 表 2 4 十六进制数字形代码 2 6 22 6 2 七段数码显示器七段数码显示器 七段 LED 显示器需要由驱动电路驱动 在七段 LED 显示器中 共阳极显示器 用低电平驱动 共阴极显示器 用高电平驱动 点亮显示器有静态和动态两种方式 2 6 2 1 静态显示静态显示 所谓静态显示 就是当显示器显示某一字符时 相应段的发光二极管恒定地导通 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 19 或截止 这种显示方法的每一位都需要有一个 8 位输出口控制 静态显示器的优点是显示稳定 在发光二极管导通电流一定的情况下显示器的亮 度高 控制系统在运行过程中 仅仅在需要更新显示内容时 CPU 才执行一次显示更 新子程序 这样大大节省了 CPU 的时间 提高了 CPU 的工作效率 缺点是位数较多 时 所需的 I O 口太多 硬件开销太大 图 2 16 四位静态显示电路 2 6 2 22 6 2 2 动态显示动态显示 所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器 扫描 对于显示器的每一位 而言 每隔一段时间点亮一次 在同一时刻只有一位显示器在工作 点亮 利用人眼 的视觉暂留效应和发光二极管熄灭时的余辉效应 看到的却是多个字符 同时 显示 如图 2 17 所示 图 2 17 四位动态显示的电路 显示器亮度既与点亮时的导通电流有关 也与点亮时间和间隔时间的比例有关 调整电流和时间参数 可实现亮度较高较稳定的显示 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 20 动态显示器的优点是节省硬件资源 成本较低 但在控制系统运行过程中 要保 证显示器正常显示 CPU 必需每隔一段时间执行一次显示子程序 占用 CPU 大量时间 降低了 CPU 的工作效率 同时显示亮度较静态显示器低 若显示器的位数不大于 8 位 则控制显示器公共极电位只需一个 8 位 I O 口 称 为扫描口或字位口 控制各位 LED 显示器所显示的字形也需要一个 8 位口 称为数 据 第三章第三章 软件设计软件设计 3 13 1 A DA D 转换器的软件设计转换器的软件设计 HX711 是一款专为高精度电子秤而设计的24 位 A D 转换器芯片 与同类型其 它芯片相比 该芯片集成了包括稳压电源 片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需 要的外围电路 具有集成度高 响应速度快 抗干扰性强等优点 降低了电子秤的 整机成本 提高了整机的性能和可靠性 该芯片与后端MCU 芯片的接口和编程非 常简单 所有控制信号由管脚驱动 无需对芯片内部的寄存器编程 输入选择开关 可任意选取通道 A 或通道 B 与其内部的低噪声可编程放大器相连 通道A 的可 编程增益为 128 或 64 对应的满额度差分输入信号幅值分别为 20mV 或 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 21 40mV 通道 B 则为固定的 64 增益 9 用于系统参数检测 芯片内提供的稳压电 源可以直接向外部传感器和芯片内的A D 转换器提供电源 系统板上无需另外的 模拟电源 芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件 上电自动复位功能简化了开 机的初始化过程 3 23 2 单片机与键盘的接口程序设计单片机与键盘的接口程序设计 STC89C52单片机的P1口用作键盘I O口 键盘的列线接到P1口的低4位 键盘的行 线接到P1口的高4位 列线P1 0 P1 3分别接有4个上拉电阻到正电源 5V 并把列线 P1 0 P1 3设置为输入线 行线P1 4 P 17设置为输出线 4根行线和4根列线形成16个 相交点 检测当前是否有键被按下 检测的办法是P1 4 P1 7输出全 0 读取P1 0 P1 3的状态 若P1 0 P1 3为全 1 则无键闭合 不然有键闭合 去除键抖动 当 检测到有键按下后 延时一段时间再做下一步的检测判断 若有键被按下 应识别出 是哪一个键闭合 办法是对键盘的行线进行扫描 P1 4 P1 7按下述4种组合依次输出 P1 7 1 1 1 0 P1 6 1 1 0 1 P1 5 1 0 1 1 P1 4 0 1 1 1 在每组行输出时读 取P1 0 P1 3 若全为 1 则表示为 0 这一行没有键闭合 不然有键闭合 由此 得到闭合键的行值和列值 然后可采用计算法或查表法将闭合键的行值和列值转换成 所定义的键值 为了保证键每闭合一次CPU仅作一次处理 必须却除键释放时的抖动 从以上分析得到单片机键盘扫描程序的流程图如图3 2所示 程序如下 内蒙古科技大学毕业设计说明书 毕业论文 22 键盘扫描 有键闭合 延时去抖动 扫描键盘 计算键值 建立有效标志 闭合键键释放 找到闭合键 返回 建立无效标志 N Y N Y N Y 图 3 2 单片机矩阵式键盘接口流程图 3 43 4 LEDLED 数码管显示程序设计数码管显示程序设计 利用单片机内部的串行接口 可以实现静态的显示处理