单片机的数字测力计的设计

1、关键字：信息时代，传感器，转换器，51单片机，数码显示。 一、绪论（一） 背景 在教案实验中和一些工业中常常需要测一些力的大小，传统的一些弹簧测力计由于精度不准，弹簧容易形变，调零不准等等缺点。为了 提高传感器和单片机的认识和了解，尤其是对数字测力计的深入研究以及其用法和用途，基于实用、精确、广泛、操作简单和调 零容易的原则设计了本系统。 （二）设计目的 掌握数字测力计，调零系统、报错系统组装与调试方法。 ）的使用KEILPROTEUS）编译软件（ 熟悉仿真软件（ 转换器，单片机，数码管得使用及其各个引脚的功能掌握AD 掌握各个器件数据的计算和量程的选取，和数据的通用性 二、设计与实现 （一）

2、 传感器 选取： 选择的传感器要求实现测量在0100N的力信号，实现实验室用的小量程的测力计的传 的力信号的识别。100N0感器对 选用FS20测力传感器是一种高性价比的微力传感器，采用MICROFUSE技术，长期稳定 性好，超高分分辨率，过量程保护，带温度补偿的压力传感器。 特点： 低成本；超小外形；低噪声；0-5V输出；高稳定性；低飘移；反极性及过载保护； 工业标准封装； 1500g:500量程 描述： FS20测力传感器（如下图）是一种高性价比的微力传感器；采用MICROFUSE 产品。技术，长期稳定性好，超高分辨力，过量程保护，带温度补偿，非常适合OEM运用： 婴儿称、油漆喷雾器、汽车

3、安全刹车、机器人、泵、微压力测量、接触力测量、医 疗设备、家用电器； 设计：传感器 引出线压调零杠传力杠f杆压调零 压力N F 拉力 1图FS20500-1500g的可被0100N的力缩小X倍数使其在如上图1所示：用杠杆的原理将 传感器识别的信号。 F设要测量的拉力为 f设传力杠杆对压件的向上压力为 N设调零杠杆对压件的压力为 G设压件的重力为 T设以上对传感器的向上压力为时，此时测力计为且向下的拉力F为0N 所以：此力系统对传感器的向上作用力T为500g 零正常状态。各个力的作用变化如下表所示。 状态N+GfF 零状态00N500g 工作中500g0-100N 过载中>100500g

4、IN3101 IN4010 IN5110 IN6110-1000g>1000g0 11 1 00-5过载 ： 调零 调零的条件是 T=N+G+f=500g当 F=0N 时 的大小使操作：调节N N+G+f=500g 计算传力杠杆的缩小倍数 X=F/f=100/1000g*9.8=10.2 精度： 所以精度可以。时 F=1.0*9.8*10.2=99.96N X=10.2时 当f=1000g取 （二） 转换器A/D转换器的作用是将模拟量转换成数字量，以便于芯片进行处理。选用有八位分ADC选取：，转换时间为5V0辨率的模拟量输入通道，有有转换启停控制，模拟输入电压范围 100us. 2)如下

5、图ADC0809芯片介绍( 个引脚，采用双列直插式封装。28ADC0809芯片有 各个引脚的含义如下。 路模拟量输入端8IN0-IN7： 位数字量输出端8D7 ：D0路模拟量中的一8是3位地址译码线，译码结果决定转换ADDCADDA、ADDB、 路。译码情况如下表： ADDCADDBADDA选择通道 IN0000 IN1100 IN201IN7 ：地址锁存信号，输入，高电平。ALE 转换启动信号，输出，高电平。A/DSTART： 转换结束信号，输出，高电平。A/D：EOC ：数据输出允许信号，输入，高电平。OE 转换频率。A/DCLK：时钟脉冲输入端，决定 ：基准电压。 Vref+Vref-、

6、 2图：+5V Vcc ：地线GND 量程的确定及数据计算： 时）N+G=500g在调零的情况下（ 0-100N的变化范围测量拉力F 0-1000g变化范围传力杠杆对传感器的压力f 0-5VU变化范围传感器输出电压 0-2551转换成数字的范围是转换器的通道 时，各个数据的最小变化为：所以：当取最小量程为1N 数字量f数据量电压拉力FU压力 2.561N0.05V10g最小变化 各个数据随拉力的变化表为： 数字量电压拉力FU压力数据量f 0000零状态 0-100N0-1000g0-5V0-255工作中 0>100N>1000g无超载中 传感器到转换器连接的简单叙述：从传感器的三根

7、引线中，有一根接地，一根接五伏电源，一根是信号线经过处理后接到0-5V的转换器的通道0口处，然后转换器进行模数转化成0-255的数字信号之后送到单片机进行处理。把0-255的数字经过处理得到0-100的数字后，通过数码管显示出来。设计的测力计的最小量程为1N，所以得到的数字信号得按2.56的倍数进行处理得到0-100的 数字信号。 （三） 数码管 描述： 数码显示器是由发光二级管按一定的7SEG 结构组合起来的显示器件，在单片机应用 数码显示LED段式8系统中通常使用的是 7段发光二极管构成3）其中7管（如右图 位二8a-g引脚输入不同的笔的字形，从 3图级制编码，可显示不同的数字和字符，通常

8、 位二进制编码称为字段8把控制发光二极管 码。 引脚功能 a- ：信号显示的输入端g ：公用端DP ：选通端1,2 硬件译码：由于数码管的断码值与显示的数字要一一对应，而要显示的数字的规律但断码值却没规律，在处理显示时要用查表的方法，需要占用很大的空间，选取一个硬件译码器势 在必行。 译码器：74ls248如右图是一种共阴极一位十六进制数到字段码转换芯片，能够输出四位二进制表示的一位 十六进制数的七位字段码。 引脚功能：A- ：二进制数输入端D ：字段码输出端QA-QG ：可以作为输入端使用，也可以作为输出端使用BI/RBO 4图LT：灯测试输入端，低电平有效 ：输出有效，高电平有效RBI （

9、四） 单片机 单片机的结构8051MCS-51（下图）单片机在结构上基本相同，只是在个别模块上有些区别。如图为8051单片机它包含了作为微型计算机所必须的基本功能部件，各个功能部件通过片内单一 总线连成一个整体，集成在一个芯片上。MCS-51单片机是一块芯片集成了CPU、储存器、（包括RAM和ROM）、定时器、计时器、和多功能的I/O线等一台计算机所必须的基本功能部件。主要包括一个8位 个片内振荡器、及其、1CPU 4KB ROM128B RAM、时钟带电路、 条计数器、322个十六位定时器/ 线和一个可编程的全I/O可编程的 个中断2双串行接口、5个中断源、 优先级嵌套中断结构。 引脚及功能

10、： 电源线Vcc:+5V 接地线Vss: ：片内振荡器反向放大器XTAL1 的输入端和内部时钟工作的输入 端。采用内部振荡器时，它接外 部石英晶体和微调电容的一个引 脚。 5 图XTAL2：片内振荡器反向放大器 的输出端，接外部石英晶体和 微调电容的另一个引脚。采用外 部振荡器时，该引脚悬空。 ：复位输入端，高电平有效。RST ：地址所存允许编程线。ALE ：外部程序存储器的读选段PSEN 允许访问端。ROMEA：片外P0：P0接口有8条接口线，它有一个输出锁存器、两个三态缓冲器输出驱动电路和输 接口，它有两种不同的功能。接口是一个三态双向I/O出控制电路组成。P0P1：P1接口有8条接口线，

11、是一个准双向接口，只作普通的I/O接口使用。做输出接 。口使用时不需要接外接上拉电阻。做输入接口使用时，必须先向锁存器写入“1”P2：P2接口有8条接口线，也是一个准双向接口，它有两种使用功能，一种是作普通8口做低P0位使用。其中8口使用，另一种是系统外扩展存储器时候，做地址线的高I/O 位使用。P3：P3接口有8条接口线，是一个多用的准双向I/O接口，第一功能是作普通的I/O接口使用，第二功能是作为控制呵特殊功能的接口使用，这时候8条接线的定义功能各不 相同。I/O接口的读写：P0-P3接口都可以作为普通的I/O口使用，当作为输入口使用时，必须先向该接口的锁存器中写入“1“，然后再从读引脚缓

12、冲器中读入引脚状态，这样的读入结 果才正确 接口的特殊功能：P3 备注符号P3口 RXDP3.0串行口发射端 TXDP3.1串行口接收端 INT0P3.20外部中断接口 INT1P3.31外部中断接口 T0P3.40定时计数中断 T1P3.51定时计数中断 WRP3.6读取允许端 RDP3.7写入允许端模数转换器 数码管正常显示正常运行 结束语 四、单片机正正常译码 随着信息时代的到来，数字处理技术、传感器技术得到了显著的提高，对测力精度的常运行 要求越来越高，对其操作要求越简单。虽然本设计写的不是很好，但应该能满足要求。 （五） 总系统设计图 6图 （六） 执行程序 。#include<

13、;reg51.h> 。#include<absacc.h> 。#define clk=P30 】。【0X0000#define IN0 XBYTE 。uchar m,n void main (void) 工作于方式二。 /TMOD=0x02 赋初值 /T0。TH0=256-400 。HL0=256-400 脉冲触发0 /外部中断。IT0=1 允许触发外部中断0 /EX0=1。 /T0中断允许触发ET0=1。 总中断允许 /EA=1。 启动。 /T0TR0=0 ）启动转换（ /P2.7=0。IN0=0 赋初值 /。P=0 等待中断并显示输出while(1) / 。P1=n 。P

14、1=m 中断函数void int_abc(void) interrupt 0 / 。uchar t,p 。float q q转换值给q=(flaot)IN0。 / 的多少倍2.56t=(char)(q/2.56) /计算是 输出 /p=t。 四舍五入if(q>(t+0.5) / 。p=p+1 显示处理n=p/10+64。 / m=p_x0010_+128 中断函数void int_T0(void)interrupt 1 /T0 clk=!clk。 调试与完成三、 的使用（一）PROTEUS multisim）的功能。这些功能是：Proteus软件具有其它EDA工具软件（例： 原理布图 P

15、CB自动或人工布线 电路仿真SPICE 互动的电路仿真 用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分 器件。SPI器件，部分IIC 仿真处理器及其外围电路 可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图 的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻要求能画出各个器件的接线建立了完备的电子设计开发环境.辑分析仪、示波器等，Proteus 图。 （二） KEIL 系统概述 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一

16、下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体 开发系统各部分功能和使用。现高级语言的优势。下面详细介绍Keil C51 单片机软件开发系统的整体结构Keil C51C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以

17、与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试， 中。EPROM也可以直接写入程序存贮器如 程序并能调试成功C所以写出（三） 系统调试 程序调试：打开KEIL软件，把13页的程序输入里面，确定没错误时候。编译成HEX格式的文件，然后加载到模拟单片机里面。运行调试，手动输入模拟量看看能不能实现本设计的模拟功能。若实现时有错误，则需要改变程序代码。多次修改、调试按思路调试一定能实 现。 模拟器件调试：打开PROTEUS软件，按要求把系统设计图

18、画出PROTEUS的模拟起器件，检查各个器件的属性是否与所选的器件的参数一致，只有这样才能真实的实现模拟。并能查处真实的器件是否需要替换。要多次调试才能实现。然后检查效果是否符合要求。多次调试，以 保设计无误。 传感器的调试：查看传感器的规格型号是否符合要求，按第六页的图形安装并调整。调整各个力的初始值，使得，的时候为零状态。若时，不是零状态则要 调整调零杠杆即调的大小，使得，且； 外部力信号 并且还得保证输出电压才能保证系统调试正确。 系统调试：传感器能正确 系统调试时候需要各个独立的调试的正确无误PROTEUS运行。 7才能进行系统调试如下图 正确输出数据 选题目时第一个题目选的不好，主要是没有思路，我给同学聊天偶然听到她的题目是数字温度计之类的，我想了想，这类题目就是我想写的，只是没有想到，所以我加上对传感器的想法，然后就把题目改成了数字测力计，在此要感谢周老师的指导和对我的思路的肯 定