压电陶瓷计数器

桂林电子科技大学实训论文报告用纸第16页共15页PAGE桂林电子科技大学实训论文报告用纸编号： 传感器实训(论文)说明书题目：基于压电陶瓷片 的振动计数器 学院：信息与通信学院 专业：电子信息工程 学生姓名： 学号： 指导教师：2012年7月4日摘要本设计压电陶瓷片振动计数器由4个部分组成：传感器、信号放大部分、信号整形部分，单片机处理显示部分，传感器部分采用的压电陶瓷传感器能感知两个表面产生机械形变而将力信号转换成电信号。这种电信号是连续变化的模拟信号，波形趋向于一个正弦波，另外也正由于此信号的强度非常弱小，单片机无法感受其信号，因此把此信号送进单片机之前我们要对次模拟信号进行放大处理。根据此设计要求，主要针对于压电陶瓷片的振动计数器，是一个基于AT89S52单片机控制传感器，所用传感器是压电陶瓷片，传感器感受敲打所发出发力转换成电信号，通过LM358放大电信号，然后经过NE555芯片电路做整形，通过此之后的电信号成为AT89S52单片机检测到，再通过显示模块数码管做静态显示出敲击次数。关键词：AT89S52单片机；压电陶瓷片传感器；LM358运算放大器；NE555整形。AbstractThedesignofpiezoelectricvibrationcounterconsistsoffourcomponents:thesensingelement;signalamplifyingpart,displaypartandthesinglechipprocessingmodule,thesensorpartoftheuseofpiezoelectricceramicsensorcansenseboththesurfacedeformationandmechanicalsignalsandtranslateitintoelectricalsignal.Thiselectricalsignalisacontinuouschangeoftheanalogsignal,thewaveformtendstoasinewave,ontheotherhand,duetothestrengthofthissignalisveryweak,singlechipcannotfeelitssignal,Thereforeweneedtomakeamplificationatanalogsignalprocessingthissignalinasinglechip.Owingtothisdesignisaimedatpiezoelectricvibrationcounter,itisasensorbasedonAT89S52MCU,thesensorisapiezoelectricceramicwitchcanfeeltheknocksensorissuemadebythepowerconversiontoelectricalsignalsbyLM358amplificationchip,andthenconnecttheNE555chipcircuitandoscillationdelay,afterwhichtheelectricalsignalwillbedetectedbyamicrocontrollerofAT89S52,thenthedigitalcontrolbydoingastaticdisplaymoduleshowsthenumberofpercussion.Keywords:AT89S52microcontroller；iezoelectricceramicsensor；LM358operationalamplifiers；NE555oscillatordelay。目录引言21.设计目标和实现方法22.方案论证与设计22．1传感器模块32.1.1压电效应32.1.2压电陶瓷片传感器的工作原理42.2信号放大模块52.3整形模块52.4单片机模块52.5显示模块63．硬件电路设计63.1主要器件63.3硬件调试73.4技术要点84．软件设计84.1程序流程图94.2实验程序及其分析95．总结12谢词14参考文献15引言现代信息技术的三大基础是信息的拾取、传输和处理技术，也就是传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。在信息化社会，几乎没有任何一种科学技术的发展和应用能够离得开传感器和信号探测技术的支持。生活在信息时代的人们，绝大部分的日常生活与信息资源的开发、采集、传送和处理息息相关。分析当前信息与技术发展状态，21世纪的先进传感器必须具备小型化、智能化、多功能化和网络化等优良特征。人们通常将能把被测物理量或者化学量传唤为与之有确定关系的电量输出的装置成为传感器，这种技术成为传感技术。传感器输出的信号又很多种形式，如电压、电流、频率、脉冲等，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。1.设计目标和实现方法振动计数器1、采用压电陶瓷片作为传感器1、实现100个振动无误差2、数码管显示振动次数3、20个振动无误差根据功能和指标要求，本系统选用MCS51单片机为主控机。采用压电陶瓷片输出的信号很小，是单片机无法检测和接受处理的，因此需要进行放大。且还需要加上振荡延时电路转化成单片机能接受的信号。显示部分由单片机I/O口加上上拉电阻后接数码管构成。为实现多个振动的计数功能，在设计程序的部分应加入扫描判断程序，当判断输入口确有振动信号时计数寄存器数加上一并通过单片机输出即可。2.方案论证与设计本设计的压电陶瓷振动计数器警器由四个部分组成：传感器、小信号放大电路、单片机数码管输出显示和电源模块。传感器部分采用的压电陶瓷片感器能感知压力产生机械形变然后转换成电信号。这种电信号是连续变化的模拟信号，信号波形为正弦波。但是由于压电陶瓷传感器产生的电信号非常的微弱，若将此信号直接送入单片机，由于信号的微弱单片机无法感知此信号，导致也无法实现信号显示与数码管上。对此，我们要想单片机能够感受此微弱的信号，就必须要经过小信号的放大，把信号放大到足够让单片机感受到信号的输送。对与信号的放大电路部分，我们用了CD4069和NE555两块芯片作为电路组成部分，CD4069为双运算放信号的大器集成电路，在本设计电路中，我们只用到了其中的一个放大器，当信号CD4069通过放大器时，信号就得到了放大，而信号放大的多少我们可以根据我们所设计的放大电路来计算，选用合适的电阻和电容。信号得到放大之后，还需要进行信号的处理。这里我们就选用了NE555芯片，NE555为8脚时基集成电路，芯片的主要功能在前面已经介绍过，在本次设计中，我们主要采用的是NE555芯片中的单稳类脉冲启动电路，当以放大信号通过此电路时，信号可以实现延时﹑消抖和脉冲输出。经过以上两种电路之后的信号再输送进单片机，就是我们所需要的以放大和稳定的脉冲信号。最后通过单片机编写程序就可以实现我们所希望得到的数码管显示，即是压电陶瓷片振动计数器。图2..1系统总框图2．1传感器模块2.1.1压电效应某些物质，当沿着一定方向施加压力或拉力时，会发生形变，其内部就产生极化现象，同时，其外表面上产生极性相反的电荷；当外力拆掉后，又恢复到不带电的状态；当作用力方向反向时，电荷极性也相反；电荷量与外力大小成正比。这种现象叫正压电效应。如图2.2所示。图2.2（正）压电效应反之，当对某些物质在极化方向上施加一定电场时，材料将产生机械形变，当外电场撤销时，形变也消失，这叫逆压电效应，也叫电致伸缩。压电效应的可逆性如图所示。利用这一特性可实现机—电能量的相互转换。图2.3压电效应的可逆性2.1.2压电陶瓷片传感器的工作原理压电陶瓷是一种经过极化处理后的人工多晶铁电体。多晶是指它由无数细微的单晶组成，所谓铁电体是指它具有类似铁磁材料磁畴的电畴结构，每个单晶形成一单个电畴，这种自发极化的电畴在极化处理之前，个晶粒内的电畴按任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷的极化强度为零，因此，原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。为使其具有压电性，就必须在一定温度下做极化处理。图2.3陶瓷极化过程示意图压电陶瓷片传感器就是利用极化过程是振动信号转化成微弱的电信号从而实现检测信号对有用信号的转变的，但他输出的信号很小，是单片机无法检测和接受处理的，因此需要进行放大。2.2信号放大模块由于压电陶瓷片传感器得输出信号十分微弱，要用相关的处理芯片检测其信号是很困难的，因此必须进行放大，在这里我们为实现运放的功能采用的是CD4069芯片，CD4069由六个COS/MOS反相器电路组成。此器件主要用作通用反相器、即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。图2.4

DIP塑封引脚图引脚功能2.3整形模块信号得到放大之后，还需要进行信号的处理。这里我们就选用了NE555芯片，NE555为8脚时基集成电路，芯片的主要功能在前面已经介绍过，在本次设计中，我们主要采用的是NE555芯片中的单稳类脉冲启动电路，当以放大信号通过此电路时，信号可以实现延时﹑消抖和脉冲输出。经过以上两种电路之后的信号再输送进单片机，就是我们所需要的以放大和稳定的脉冲信号。2.4单片机模块MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等一台计算机所需要的基本功能部件。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊独特的一些功能，通过使用单片机编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！因此我们采用单片机作为计算器的主要功能部件，可以进行很快地实现运算功能。2.5显示模块发光二极管LED是单片机应用系统中的一宗简单而常用的输出设备，其在系统中的主要作用是显示单片机的输出数据、状态等。因而作为典型的外围器件，LED显示单元是反映系统输出和操作输入的有效器件。LED具备数字接口可以方便的和大年纪系统连接；它的优点是价格低，寿命长，对电压电流的要求低及容易实现多路等，因而在单片机应用系统中获得了广泛的应用。通常的数码显示器是由7段条形的LED组成（如图4所示），点亮适当的字段，就可显示出不同的数字。我们采用8段数码管，其中位于显示器右下角的LED作小数点用。LED显示器有两种不同的形式：共阴极和共阳极。本次设计采用共阴极接法。图2.5段数码显示器内部段的排列图2.6共阴极连接3．硬件电路设计3.1主要器件传感器部分采用的压电陶瓷片感器能感知压力产生机械形变然后转换成电信号。对与信号的放大电路部分，我们用了CD4069和NE555两块芯片作为电路组成部分，LM358为双运算放信号的大器集成电路，显示输出部分使用了数码管的输出电路。3.1设计原理图图3.2电路设计pcb图（1）上电后，数码管初始化。（2）振动计数。触碰压电瓷片传感器，屏幕显示出振动的次数和定时时间，再触碰压电瓷片传感器，数码管显示触碰的次数的累加值。（3）能实现100次的振动计算，并且确保不失真。3.3硬件调试常见故障：（1）逻辑错误：它是由设计错误或加工过程中的工艺性错误所造成的。这类错误包括错线、开路、短路等。（2）元器件失效：有两方面的原因：一是器件本身已损坏或性能不符合要求；二是组装错误造成元件失效，如电解电容、二极管的极性错误、集成电路安装方向错误等。（3）可靠性差：引起可靠性差的原因很多，如金属化孔、接插件接触不良会造成系统时好时坏，经不起振动；走线和布局不合理也会引起系统可靠性差。（4）电源故障：若样机有电源故障，则加电后很容易造成器件损坏。电源故障包括电压值不符合设计要求，电源引线和插座不对，功率不足，负载能力差等。调试方法：包括多级调试和联机调试。在调试过程中要针对可能出现的故障认真分析，直至检查出原因并且排除。3.4技术要点（1）单片机的复位与时钟：8051单片机与其他处理器一样，在启动时都需要复位，使CPU和系统的各个部件都处于一种确定的初始状态。复位信号从单片机的RST引脚输入，高电平有效，其有效电平应维持至少2个机器周期。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式，我们采用的是按键手动复位方式时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。（2）电源电路设计：电源电路包括变压器、桥式整流器、电容和稳压器。通过变压器变压，使得220V电压变为5V，在通过桥式整流，电容的滤波作用，稳压器的稳压作用，可输出5V的稳定电压。（3）可靠性设计：单片机应用系统在实际运行中，可能会受到各种外部和内部的干扰，使系统工作产生错误或故障。为了提高系统的抗干扰能力，常用的措施有：①提高元器件的可靠性。在系统硬件设计和加工时，应注意选用质量好的电子器件、接插件，要进行严格的测试、筛选和老化，同时设计的技术参数应留有余量。②提高印刷电路板和组装的质量。设计电路板时布线及接地方法要符合要求。4．软件设计4.1程序流程图具体设计流程图如图4.1所示。图4.1总程序流程图4.2实验程序及其分析#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbits0=P1^0;sbits1=P1^1;uchara=0,b=0,c=0;ucharcodeduan[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};ucharbittime=0,bitdisp=0,mg=0,ms=0;voiddelay(uintz){uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=100;y>0;y--);}voidtimer0(void)interrupt1using0{TH0=0xd8;TL0=0xf0;switch(bitdisp){case0:P0=duan[mg];P2=0x0d;break;case1:P0=duan[ms];P2=0x0e;break;}delay(3);bitdisp++;bittime++;if(bitdisp==2)bitdisp=0;}voidmain(void){s0=1;s1=0;TMOD=0x01;TH0=0xb1;TL0=0xe1;EA=0;ET0=1;TR0=1;while(!EA){while(!s0)EA=1;}while(1){if(s1==1){b++;}switch(a){case0:P0=duan[b];P2=0x07;break;case1:P0=duan[c];P2=0x0b;break;}a++;if(a==2){a=0;}if(b>9){b=0;c++;}if(c>9){c=0;} if(bittime>99){bittime=0;mg++;}if(mg>9){mg=0;ms++;}if(ms>2)break;}while(1){ EA=0; P0=duan[b];P2=0x07;delay(3);P0=duan[c];P2=0x0b;delay(3);P0=0x3f;P2=0x0d;delay(3);P0=0x4f;P2=0x0e;delay(3);}}5．总结本设计采用CD4069和NE555芯片，实现了利用单片机进行了一个振动传感器。允许对振动信号及LED显示。如果设计对象是更为复杂的计算器系统，其实际原理与方法与本设计基本相同。设计的关键所在，必须非常熟悉单片机的原理与结构，同时还要对整个设计流程有很的把握，将单片机和其他模块完整的衔接。本次传感器实训，可实现压电陶瓷片传感器与单片机之间的通讯，通过数码管直观的显示出接收数据和定时时间。压电陶瓷片传感器是基于压电效应的原理上，产生微弱的电动势，经放大器输入单片机内部，由单片机内部程序结构输出数码管显示，当轻敲一下压电陶瓷片时，数码管显示1，敲2下则显示2，于此类推敲N下数码管显示N，这就是本次实训所设计的压电陶瓷片传感器振动计数器。在构思设计方案和编程方面的时候，我查阅了许多的资料，也借鉴了网上较为实用的编程方法，然后吸收消化，用在本次实训上。而且接收老师多次的指点，在这过程中，我深刻体会到，积极讨论和交流时多么有效地学习方法，它培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，在以往的传统的学习模式下，我们可能忽略了很多的书本知识或没有好好利用图书馆的资源或者网上相关的信息，但是通过这次实训，我学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了如何去搜索有用的信息，怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。最后终于完成了作品设计要求实现的功能，通过这次作品设计使我们明白了原来的那点知识是非常欠缺的，要学习的东西还很多，学习是一个长期积累的过程，在以后的工作和生活中都应该不断的