压力测量系统的设计 - 副本

1 课课 程程 设设 计计 报报 告告 题 目 压力测量系统的设计压力测量系统的设计 院 系 信息与电气工程学院信息与电气工程学院 姓 名 王彩红王彩红 学 号 12894040 专 业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 指导老师 王桂英王桂英 2 目 录 1 1 设计内容及要求 2 2 智能电子天平的总体设计分析 2 1 智能电子天平的基本结构 2 2 智能电子天平系统的工作原理 2 3 智能电子天平设计的基本思路 3 3 硬件设计 3 1 总体规划 3 2 主控制器电路 3 3 电源变换电路 3 4 信号放大电路 3 5 信号变换电路 3 6 显示电路 4 软件设计 4 1 系统应用程序组成 4 2 主程序流程图 4 3 AD 采样程序块 4 4 液晶显示程序块 5 5 心得体会 3 1 设计内容及要求设计内容及要求 设计一个智能电子天平 可以同时测量两个物体的重量并进行比较 该系统应具有数 码管显示 键盘设定 数据存储等功能 设计要求 测量范围 0 5kg 测量精度 正负 0 1kg 测量通道 2 通道 被测物体重量 1 通道 参照物体重量 1 通道 供电电源 220V AC 2 智能电子天平设计总体分析智能电子天平设计总体分析 2 1 智能电子天平的基本结构智能电子天平的基本结构 所谓智能电子天平 即可以同时测量两个物体的重量并进行比较的装置 它和电子称 的原理类似 都是是利用物体的重力作用来确定物体质量 重量 智能电子天平可以说 是电子称的改进装置 把原有的电子称压力传感器测量端换成两个 相继的数据处理等后 续装置做一定的改进即可 2 22 2 系统的工作原理系统的工作原理 电子天平称重系统的工作原理 首先是通过两个压力传感器分别采集到两个被测物 体的重量并将其转换成电压信号 输出电压信号通常很小 需要通过前端信号处理电路进 行准确的线性放大 放大后的模拟电压信号分别经 A D 转换电路转换成数字量通过两个 通道被送入到主控电路的单片机中 单片机通过程序结合按键控制译码显示器 从而显示 出某个被测物体的重量或是比较结果 在实际应用中 为提高数据采集的精度并尽量减少 外界电气干扰 还需要在传感器与 A D 芯片之间加上信号调整电路 2 32 3 系统设计基本思路系统设计基本思路 按照设计的基本要求 系统可分为四大模块 电源转换模块 数据采集模块 控制 器模块 显示器模块 其中数据采集模块由压力传感器 信号的前级处理和 A D 转换部分 组成 转换后的数字信号送给控制器处理 由控制器完成对该数字量的处理 驱动显示模 块完成人机间的信息交换 此部分对软件的设计要求比较高 系统的大部分功能都需要软 件来控制 3 3 硬件电路设计硬件电路设计 3 1 总体规划总体规划 按照本设计功能的要求 系统由 5 个部分组成 控制器部分 两个相同的测量部 4 分 数据显示部分 键盘部分和电路电源部分 系统设计总体方案框图如图 1 所示 AT89C51 单片 机 压力传感 1 电源转换模块 LCD 显示装置 按键 A D 转 换 压力传感 2 放大器 A D 转 换 放大器 图一 系统总体框图图一 系统总体框图 其中 本设计采用 SP20C G501 电阻应变式传感器 其最大量程为 5Kg 称重传感器由 组合式 S 型梁结构及金属箔式应变计构成 具有过载保护装置 由于惠斯登电桥具诸如抑 制温度变化的影响 抑制干扰 补偿方便等优点 所以该传感器测量精度高 温度特性好 工作稳定等优点 广泛用于各种结构的动 静态测量及各种电子秆的一次仪表 该称重传 感器主要由弹性体 电阻应变片电缆线等组成 其工作原理如图 3 所示 RdRa RcRb Res Bridge Ein Eout 图 3 称重传感器原理图 本设计的测量电路采用最常见的桥式测量电路 用到的是电阻应变传感器半桥式测量 电路 它的两只应变片和两只电阻贴在弹性梁上 测量电阻随重力变化导致弹性梁应变而 5 产生的变化 其测量原理 用应变片测量时 将其粘贴在弹性体上 当弹性体受力变形时 应变片的敏感栅也随同变形 其电阻值发生相应变化 通过转换电路转换为电压或电流的 变化 由于内部线路采用惠更斯电桥 当弹性体承受载荷产生变形时 输出信号电压可由 下式给出 上式说明电桥的输出电压 V 和四个桥臂的应变片感受的应变量的代数和成正比 3 23 2 主控器电路主控器电路 本设计中主控制器采用 AT89C51 单片机 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦 除只读存储器 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 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 AT89C51 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 此外 AT89C51 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 其中主控电路图如下 3 3 电源转换电路设计 电源转换电路设计 由于本设计中要求用 220V 电源供电 而设计中用到的芯片大多工作电压为 5V 因 此需要将 220V 交流电变换为 5V 直流电 具体实现电路如下 6 220V 交流电变换成 5V 直流电电路图 3 43 4 信号放大电路信号放大电路 由于称重传感器输出电压振幅范围 0 20mV 而 A D 转换的输入电压要求为 0 2V 因此需要一定的放大环节 且增益为 100 倍左右 这里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 INA126 为例 接口如下图所示 图 2 7 INA126 仪表放大结构图 3 53 5 信号转换电路信号转换电路 7 要想利用单片机进行数据处理进而达到各种控制功能 必须先把传感器测得的模拟信 号通过 芯片放大后 再通过 芯片进行转换 得到数字信号才能够送达 单片机进行处理 本设计中利 进行数据转换 具体电路如下 图 8 1602 液晶模块的读操作时序 4 4 软件设计软件设计 8 图 10 程序结构 4 24 2 主程序流程图主程序流程图 系统程序固化在STC12C5A60S2内部的flash存储器中 分为主程序和若干子程序 主 程序的功能是系统初始化 管理和调用各个子程序 本设计的程序流程图如图11所示 9 图 11 程序流程图 4 34 3 ADAD 采样程序块采样程序块 本文设计的 STC12C5A60S2 片内 AD 程序如下 include config h SPEED1 SPEED0 A D 转换所需时间 define AD SPEED 0 x60 0110 0000 1 1 90 个时钟周期转换一次 CPU 工作频率 21MHz 时 A D 转换速度约 300KHz define AD SPEED 0 x40 0100 0000 1 0 140 个时钟周期转换一次 define AD SPEED 0 x20 0010 0000 0 1 280 个时钟周期转换一次 define AD SPEED 0 x00 0000 0000 0 0 420 个时钟周期转换一次 unsigned int get AD result unsigned char channel 10 unsigned char AD finished 0 存储 A D 转换标志 ADC RES 0 A D 转换结果高 8 位 ADC RESL 0 A D 转换结果低 2 位 channel 0000 0111 清 0 高 5 位 ADC CONTR AD SPEED nop ADC CONTR 0 xE0 1110 0000 清 ADC FLAG ADC START 位和低三位 ADC CONTR channel 选择 A D 当前通道 nop ADC CONTR 0 x80 启动 A D 电源 delay 1 使输入电压达到稳定 ADC CONTR 0 x08 0000 1000 令 ADCS 1 启动 A D 转换 AD finished 0 while AD finished 0 等待 A D 转换结束 AD finished ADC CONTR 0001 0000 测试 A D 转换结束否 ADC CONTR 1111 0111 清 ADC FLAG 位 关闭 A D 转换 return ADC RES 2 ADC RESL 返回转换后的结果 4 44 4 液晶显示程序块液晶显示程序块 本文设计的 1602 液晶操作程序如下 函 数 名 WriteDataLCD 功 能 向 1602 写数据 说 明 入口参数 WDLCD 返 回 值 无 void WriteDataLCD unsigned char WDLCD ReadStatusLCD 检测忙 11 LCD Data WDLCD LCD RS 1 LCD RW 0 LCD E 0 若晶振速度太高可以在这后加小的延时 LCD E 0 LCD E 0 延时 LCD E 1 函 数 名 WriteCommandLCD 功 能 向 1602 写指令 说 明 入口参数 WDLCD BuysC 返 回 值 无 void WriteCommandLCD unsigned char WCLCD BuysC BuysC 为 0 时忽略忙检测 if BuysC ReadStatusLCD 根据需要检测忙 LCD Data WCLCD LCD RS 0 LCD RW 0 LCD E 0 LCD E 0 LCD E 0 LCD E 1 函 数 名 ReadDataLCD 功 能 从 1602 读数据 说 明 入口参数 无 返 回 值 LCD Data 12 unsigned char ReadDataLCD void LCD RS 1 LCD RW 1 LCD E 0 LCD E 0 LCD E 0 LCD E 1 return LCD Data 函 数 名 ReadStatusLCD 功 能 读取 1602 状态 说 明 如果为忙 则一直等到非忙为止 入口参数 无 返 回 值 LCD Data unsigned char ReadStatusLCD void LCD Data 0 xFF LCD RS 0 LCD RW 1 LCD E 0 LCD E 0 LCD E 0 LCD E 1 delay 18B20 200 Delay5Ms 检测忙信号 proteus 仿真时 延迟 5MS 关闭 while 循 环 while LCD Data 函 数 名 LCDInit 13 功 能 1602 初始化 说 明 入口参数 无 返 回 值 无 void LCDInit void LCD Data 0 WriteCommandLCD 0 x38 0 三次显示模式设置 不检测忙信号 Delay5Ms WriteCommandLCD 0 x38 0 Delay5Ms WriteCommandLCD 0 x38 0 Delay5Ms WriteCommandLCD 0 x38 1 显示模式设置 开始要求每次检测忙信号 WriteCommandLCD 0 x08 1 关闭显示 WriteCommandLCD 0 x01 1 显示清屏 WriteCommandLCD 0 x06 1 显示光标移动设置 WriteCommandLCD 0 x0C 1 显示开及光标设置 函 数 名 DisplayOneChar 功 能 按指定位置在 1602 显示一个字符 说 明 X 为列 Y 为行 DData 为字符 入口参数 X Y DData 返 回 值 无 按指定位置显示一个字符 void DisplayOneChar unsigned char X unsigned char Y unsigned char DData Y X 限制 X 不能大于 15 Y 不能大于 1 if Y X 0 x40 当要显示第二行时地址码 0 x40 14 X 0 x80 算出指令码 WriteCommandLCD X 0 这里不检测忙信号 发送地址码 WriteDataLCD DData 函 数 名 DisplayListChar 功 能 按指定位置在 1602 显示一串字符 说 明 X 为列 Y 为行 DData 为字符串 入口参数 X Y DData 返 回 值 无 void DisplayListChar unsigned char X unsigned char Y unsigned char code DData unsigned char ListLength ListLength 0 Y X 限制 X 不能大于 15 Y 不能大于 1 while DData ListLength 0 若到达字串尾则退出 if X 0 xF X 坐标应小于 0 xF DisplayOneChar X Y DData ListLength 显示单个字符 ListLength X 函 数 名 Delay5Ms 功 能 5ms 延时 说 明 入口参数 无 15 返 回 值 无 void Delay5Ms void unsigned int TempCyc 5552 while TempCyc 函 数 名 Delay400Ms 功 能 400ms 延时 说 明 入口参数 无 返 回 值 无 void Delay400Ms void unsigned char TempCycA 5 unsigned int TempCycB while TempCycA TempCycB 7269 while TempCycB 4 4 心