铝板厚度检测系统设计

目录

前言 (2)

一．设计要求 (2)

二．2.1 总体设计 (2)

2.2 设计原理 (2)

三．设计模块 (3)

3.1多谐振荡器 (3)

3.2 分频器 (3)

3.3 秒脉冲产生电路 (4)

3.4 单片机 (5)

3.5 LCD显示器 (9)

3.6 无线数传模块 (10)

四．改进意见 (10)

4.1 分频器的改进 (10)

4.2 秒脉冲的改进 (11)

五．心得体会 (12)

六.参考文献 (13)

基于电容传感器的铝板厚度检测系统硬件设计

前言

本设计采用的频率变换型电容传感器检测金属板带厚度的原理和方法, 完全消除了被测金属板带在测量头中上、下跳动对厚度测量的影响。直接对频率进行计数, 实现数字化的输出, 供单片机进行数据处理, 不需要再进行AD变换,。本硬件设计涉及到电容传感器及其信号处理电路，单片机，LCD显示技术以及无线通信技术，各个知识点相辅相成，构成了完善的基于电容传感器的铝板厚度检测系统。

一．设计要求

1.测量范围1到5毫米

2.综合测量误差小于1%

3.测量结果LCD实时显示

4.配备无线数传功能

二．总体设计

2.1 总体思想

要测得铝板厚度，根据Cx = ε*S / dx 可看出，厚度与电

容有一定数学关系，又根据f=1/T=1/[R*Cx（V

DD -V

T-

）V

T+

/(V

DD

-V

T+

)V

T-

]

可知道频率与电容也有一定数学关系，所以根据两个关系式，测得频率即可知道铝板的厚度。

2.2设计原理

由施密特触发器构成的多谐振荡器产生方波，令一方面设置

一个秒脉冲电路，考虑到计算方便，设计了一个秒脉冲电路，输出端接到单片机的INTO.这样，每秒便产生一个中断。根据计算公式算出方波原始频率，根据计算结果确定是否需要分频，然后再接到单片机上。因为单片机只能计数65536个，所以输入的频率不能太高，而使得计数溢出。单片机将计算结果在LCD显示器上显示，并由无线数传模块实现无线通信。

三．设计模块

3.1 多谐振荡器

如上图是由施密特触发器为CMOS电路CC40106构成的多谐振

荡器。

f = 1/T=1/[R*Cx（V

DD -V

T-

）V

T+

/(V

DD

-V

T+

)V

T-

]

其中由CC40106的电压传输特性上查到V

T+=6.3V,V

T-

=2.7V,给

定VDD=10V,R=10KΩ。

3.2 分频器

74LS90 功能：十进制计数器（÷2 和÷5）

原理说明：本电路是由4 个主从触发器和用作除2 计数器及计数周期长度为除5 的3 位2 进制计数器所用的附加选通所组成。有选通的零复位和置9 输入。

为了利用本计数器的最大计数长度（十进制），可将B 输入同QA 输出连接，输入计数脉冲可加到输入A 上，此时输出就如相应的功能表上所要求的那样。

LS90 可以获得对称的十分频计数，办法是将QD 输出接到A 输入端，并把输入计数脉冲加到B 输入端，在QA 输出端处产生对称的十分频方波。

3.3 秒脉冲产生电路

本电路采用32768HZ晶体震荡器，利用CD4060芯片经过14级分频得到2HZ的信号，再经过CD4013双D触发器经过二分频得到0.5HZ的方波，即输出秒脉冲信号使单片机进行计数。CD4013的Q2输出端接单片机INTO。

3.4 单片机

选用AT89C51单片机，引脚图如下图所示：

89C51是一种高性能低功耗的采用CMOS工艺制造的8位微控制器，它提供下列标准特征：4K字节的程序存储器，128字节的RAM,32条I/O线，2个16位定时器/计数器, 一个5中断源两个优先级的中断结构，一个双工的串行口, 片上震荡器和时钟电路。

外部晶振电路如下所示：

复位电路如下图所示：

（其中 R7右端接RESET引脚。）

引脚说明：

：电源电压

·V

CC

·GND:地

·P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，作为输出口用时，每个引脚能驱动8个TTL逻辑门电路。当对0端口写入1时，可以作为高阻抗输入端使用。

当P0口访问外部程序存储器或数据存储器时，它还可设定成地址数据总线复用的形式。在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。

在EPROM编程时，P0口接收指令字节，同时输出指令字节在

程序校验时。程序校验时需要外接上拉电阻。

·P1口：P1口是一带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口的输出缓冲能接受或输出4个TTL逻辑门电路。当对P1口写1时，它们被内部的上拉电阻拉升为高电平，此时可以作为输入端使用。当作为输入端使用时，P1口因为内部存在上拉电阻，所以

）。

当外部被拉低时会输出一个低电流（I

IL

·P2口：P2是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P2口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P2口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时

）。

会输出电流（I

IL

P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如MOVX ＠ DPTR）时，P2口送出高8位地址数据。在这种情况下，P2口使用强大的内部上拉电阻功能当输出1时。当利用8位地址线访问外部数据存储器时（例MOVX ＠R1）,P2口输出特殊功能寄存器的内容。

当EPROM编程或校验时，P2口同时接收高8位地址和一些控制信号。

·P3口：P3是一带有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口。P3口的输出缓冲能驱动4个TTL逻辑门电路。当向P3口写1时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可以用作输入口。作为输入口，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时

）。

会输出电流（I

IL

·RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

·ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许是一输出

脉冲，用以锁存地址的低8位字节。当在Flash编程时还可以作为编程脉冲输出（PROG）。

一般情况下，ALE是以晶振频率的1/6输出，可以用作外部时钟或定时目的。但也要注意，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

·PSEN：程序存储允许时外部程序存储器的读选通信号。当AT89C52执行外部程序存储器的指令时，每个机器周期PSEN两次有效，除了当访问外部数据存储器时，PSEN将跳过两个信号。

:外部访问允许。为了使单片机能够有效的传送外部·EA/V

PP

数据存储器从0000H到FFFH单元的指令，EA必须同GND相连接。需要主要的是，如果加密位1被编程，复位时EA端会自动内部锁存。

端。

当执行内部编程指令时，EA应该接到V

CC

·XTAL1：振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端。

·XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。

3.5 LCD显示器

选用的LCD1602引脚图如右图所示：

3．6 无线数传模块

选用PTR2000实现无线通信，引脚图如下：

四．改进意见

4.1 秒脉冲的改进

为了提高精度减小误差，在用秒脉冲电路时，可以用四秒脉冲，这样，单片机得出的计数值就要去除以四，相当于一次求平均数的过程，这样便能减小误差。具体做法如下所述：

采用32768HZ晶体震荡器，利用CD4060芯片经过12级分频得到8HZ的信号，再经过CD4013双D触发器经过二分频得到2HZ

的方波，即输出四秒脉冲信号使单片机进行计数。CD4013的Q2输

出端接单片机INTO。

4.2 分频器的改进

设构成电容传感器的金属板面积为10cm*5cm,间距dx=1mm. Cx = Cx = ε*S / dx=4.427*10-11F

f=1/T=1/[R*Cx（V

DD -V

T-

）V

T+

/(V

DD

-V

T+

)V

T-

] =1.4802*106HZ

f1=f/128=11564.0625HZ

单片机计数个数n = 4f1 = 46256.25个

（这里假定分频器是128分频，因为n小于65536）

当间距改变1um,即dx’=0.999mm,此时

Cx’=4.431*10-11F

f’= 1.479*106HZ

f’1=f’/128=11554.6875HZ

n’= 4f =46218.75个

即可看出间距改变1um,则单片机计数个数改变n’- n = 38个，可见精度要求满足。所以分频器应该产用128分频，这里用74LS393实现128分频。

电路图如下：

其中1QA接输入，2QC接输出

五．心得体会

通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们对绘制电路原理图，以及芯片的选择有了更深的了解。在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我认真做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个课程设计对我们的作用是非常大的。

此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。在此，感谢于老师的细心指导，也同样谢谢其他各组同学的无私帮助！

六．参考文献

[1] 阎石，数字电子技术基础[M]，北京：高等教育出版社，2005

[2] 张毅刚，单片机原理及应用[M]，北京：高等教育出版社，2003

[3] 李全利，单片机原理与接口技术[M]，北京：高等教育出版社，2004．

[4] 康华光，电子技术基础[M]，北京：高等教育出版社，2005.

[5] 陈杰黄鸿，传感器与检测技术[M]，北京：高等教育出版社，2002.