单片机 应力测量仪

课程设计说明书课程设计名称：专业课程设计

课程设计题目：应力测试仪的设计

学院名称：信息工程学院

专业：电子信息科学与技术班级： 120431

学号： 12043110姓名：王树宇

评分：教师：吴开志

2015年9月 5日

专业课程设计任务书2014－2015学年第二学期分散1周第16 周－ 18 周集中

注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

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称重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STC89C52RC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LCD显示器可以识别的信息，最后显示输出。

关键词:STC89C52RC单片机；压力传感器；A/D转换器；LCD显示

目录

第一章模块方案选择 (1)

1.1系统设计要求 (1)

1.2 系统组成及工作原理 (1)

第二章硬件电路方案设计 (2)

2.1 放大电路方案设计 (2)

2.2 最小系统电路设计 (3)

2.3 A/D转换电路设计 (4)

2.4 键盘、显示及报警电路设计 (5)

2.5 系统总体结构 (6)

第三章软件设计 (8)

3.1 总体设计方案 (8)

3.2 初始化程序 (9)

3.3 A/D转换子程序 (10)

3.4单片机与键盘的接口程序设计 (11)

第四章系统调试与结果分析 (13)

4.1 单片机最小系统测试 (13)

4.2 放大电路测试 (13)

4.3 数据测量 (14)

4.4 数据分析 (14)

第五章结论 (15)

参考文献 (16)

附录A：硬件实物图 (17)

附录B：称量0.55kg矿泉水 (18)

附录C: 实验程序 (19)

第一章模块方案选择

1.1系统设计要求

1、设计并制作一个应力测量仪

2、A/D转换采用ADC0804

3、应力测量范围：0~200牛顿

4、用LCD1602显示

1.2 系统组成及工作原理

系统由称重传感器、运算放大器TL084、TL081、模数转换芯片ADC0804、主控芯片STC89C52RC单片机以及显示电路组成。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AT89C51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ADC0804，ADC0804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。具体方案图如图1.1所示

图1.1 方案图

第二章硬件电路方案设计

系统主控CPU为STC89C52RC,A/D转换芯片采用ADC0804、传感器采用电阻应变式传感器，传感器供电电压为5V,当有压力施加在传感器上时传感器输出端有最大10mV的压降，因此需要一个放大电路，将0~10mV电压放大到0~5V送给ADC0804采样。

2.1 放大电路方案设计

由于传感器输出的信号比较微弱，大概在0~20mV，因此必须通过一个放大器对其进行500 倍的放大，才能基本满足A/D转换器对输入信号电平的要求。如果只使用一级放大的话，由于倍数较高，误差将会比较大。本设计中选用由三个TL084芯片的三组运放构成的具有高输入阻抗的三级差分放大器。原理图如图2.1

如图2.1 三运放差分放大电路

三运放差动放大电路具有以下几个特点：

Ⅰ、U3A和U3D提高了共模信号和差模信号之比，即提高了信噪比。

Ⅱ、在保证各电阻严格对称的条件下，各电阻阻值的误差对该电路的共模抑制比没有影响。

Ⅲ、电路对共模信号几乎没有放大作用，工模电压增益接近零。

因为R17=R21,R9=R22,R10=R23。故可导出两级差模总增益Av 为：

910

21722-Ui2-Ui1Uo Av R R VR R VR ?

?? ??+==

(公式2-1)

通常第一级增益要尽量高，第二级增益一般为1~2倍，这里第一级增益为100，第二级增益为1总增益为100，再加一级放大5倍的运放，这里选单运放TL081。原理图如图2.2所示。实际测试发现放大数据完全能达到所需要的值。

图2.2 5倍增益放大电路

通过TL081组成同向放大器，增益为5可调节，通过VR 可以调零。

2.2 最小系统电路设计

最小系统有STC89C52RC 单片机组成，其原理图如图2.5所示。

图2.3 STC89C52RC最小系统

最小系统由振荡电路和复位电路组成。通过一个11.0592M的晶振提供单片机时钟。复位电路有一个RC充放电电路组成，当RESET引脚接收到两个机器周期的高电平时，单片机会复位，回到初始状态，这样复位电路可以防止程序跑飞。

2.3 A/D转换电路设计

在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续量，而输出的数字信号代码是离散量，所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间（亦即时间坐标轴上的一些规定点上）对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换为输出的数字量。一般的A/D转换过程是通过取样、保持、量化和编码这4个步骤完成的。

常用的A/D转换器可分为并行比较器、逐次比较型和双积分型等几种，本次设计ADC0804属于连续渐进式A/D转换器，这类A/D转换器除了转换速度快（几十到几百us）,分辨率高外还有价格便宜等优点。ADC0804是8位AD转换器，分辨率为1/256。其应用电路如图2.4所示。

图2.4 A/D转换电路

2.4 键盘、显示及报警电路设计

用数码管显示的话电路复杂，程序也复杂，而且只能显示三位，LCD1602可以显示32位字符，程序简单，电路也简单，因此我们采用LCD1602作为显示。其电路部分如图2.7所示。键盘的功能有设置称量物体单价，称重前去皮。蜂鸣器可以在超重的时候报警，按键提示等作用。这样可以完全模拟实际生活中的电子称的功能。

图2.4 键盘、显示及报警电路

2.5 系统总体结构

整个系统用三种电源，±12V电源给运放供电，5V电源给单片机、传感器及液晶显示模块供电，电源是外接的±12V学生电源，5V电源通过+12V电源稳压获得，

整体电路原理图如图2.5所示。

图2.5 整体电路原理图

第三章软件设计

3.1 总体设计方案

软件总体功能分析：自动清零；自动称重；自动报警。

软件结构：包括三部分即A/D转换模块单片机控制模块和LCD数据显示模块设计。软件总的流程如图3.1所示：

否

图3.1 总体流程框图

3.2 初始化程序

初始化程序完成对STC89C52RC输入/输出端口的初始化，ADC0804的初始化和液晶显示器的初始化，定时器0初始化，在单片机上电后只运行一次。其程序流程图如图3.2所示：

图3.2 初始化程序框图

下面简单介绍下定时器0初始化程序：

void TimeInitial() //初始化程序

{

TMOD=0x01;

TH0=(65536-45872)/256; //设置定时器初值

TL0=(65536-45872)%256;

EA=1; //使能中断

ET0=1; //启动定时器0

TR0=1;

}

void T0_time() interrupt 1

{

TH1=(65536-45872)/256; //定时器初值重装

TL1=(65536-45872)%256;

CLK=~CLK; //提供给CLK脚相应的时钟信号

}

此段程序是为了启动单片机内部定时器0，进行中断，每过200us对CLK进行取反操作，为ADC0804的ALE端口提供正脉冲。

3.3 A/D转换子程序

A/D转换子程序是整个模块设计中很关键的一个子程序。信号的采集由这个子程序来完成。A/D转换程序流程图如图3.3所示：

图3.3 A/D转换程序框图

具体程序如下：

while(1)

{

ST=0;

OE=0;

ST=1; //起始信号一个下跳沿,开始AD转换

ST=0;

while(EOC==0); //等待转换结束信号变高，跳出循环

OE=1;

getdata=P0; //由P0口获取AD采样的值

OE=0;

temp=getdata*1.0/255*500; //AD采样值换算

}

初始时，OE至低，EOC至低，START需要一个由高到低的起始信号，ALE得到一个正脉冲，使ADC开启转换。当转换结束时，先是EOC由低变高发送转换结束的中断信号到CPU的INT0使后者知道采样完成，之后把OE由低至高，让CPU从P0口读取数据再经过程序转换得到实际电压值，最后再将OE至低。这样一次完整的AD采样就完成了。

3.4单片机与键盘的接口程序设计

STC89C52RC单片机的P1口用作键盘I/O口，键盘的按键接到P1口的低4位，检测当前是否有键被按下。检测的办法是读取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。在每组输出时读取P1.0-P1.3，为“1”表示没有键闭合，不然有键闭合。由此得到闭合键，为了保证键每闭合一次CPU仅作一次处理，必须去除键释放时的抖动。

从以上分析得到单片机键盘扫描程序的流程图如图3.4所示。流程图如下：

图3.4 单片机独立式键盘接口流程图

第四章系统调试与结果分析

4.1 单片机最小系统测试

1、复位电路的设计

由电容串联电阻构成，结合"电容电压不能突变"的性质可以知道当系统一上电，RST脚将会出现高电平并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般C取10u,R取8.2K，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。

2、晶振电路的设计

晶振取11.0592MHZ，这样可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合/12MHz会产生精确的uS级时歇，方便定时操作。

测试最小系统时可以在任意8位I/O口接8个LED发光二极管，写一个简单的流水灯程序，在保证程序正确的情况下如果单片机不工作则检查晶振是否损坏或者振荡电容有没有接错。

4.2 放大电路测试

传感器信号放大选用的是三运放差分放大电路。总的来说，放大电路是本次课设的难点，因为要放大500倍，还要低噪声，低漂移，效率高。用廉价的芯片难度自然不小。电路的难点在传感器与放大电路接地的地方，接地不正确，输出值很难有变化。

测试放大电路时用函数发生器产生一个10mV以内的直流信号，通过万用表测输出，看输出是否合理，当输入为0mV时，输出也应该为0，不正确则调节调零电阻，使输出为0；当输入为10mV时输出为5V，可以通过电阻调节放大倍数，使之刚好为5V。

4.3 数据测量

各单元电路测试没问题后组装好整体电路，测试电子称数据。由于没有提供标称砝码，故用矿泉水测试，每瓶矿泉水为550mL，即0.55kg，电子称称量数据表如表5.1所示

表4-1电子称称量数据

4.4 数据分析

本次课设所用传感器为实验专用20kg电阻应变式传感器，故没有工业级的标准，因此线性度不是很好，从而误差也比较大，另外实验所用的A/D转换芯片为8位ADC0804，分辨率为1/256，分辨率较低也是数值跳动比较大的一个原因。

第五章结论

通过这次实践，我了解了压力测量仪的用途及工作原理，熟悉了压力测量仪的设计步骤，应用单片机、模数转换和液晶显示的编程原理，培养了自己独立的设计能力。此次课程设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是毕业设计前的一次热身。

本次课设所做的是模拟应力测量仪将压力传感器所感受的压力引起的自身电阻的变化转换为电压变化，在通过放大电路AD转换，最终显示物体的重量。调试是最关键的时候，刚开始的时候没有显示，在修改程序的时候花了不少时间最后，终于显示可以想要的结果。

同时，课程设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，动手能力不够强等等。这次课计是对自己所学知识的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，大四还有一年，但老师说主要是入门，现在学习也不晚，应该在实践中学习。

参考文献

[1] 华成英. 模拟电子技术基本教程. 北京：清华大学出版社，2006.

[2] 万福君等. MCS-51单片机原理、系统设计及应用. 北京：清华大学出版社，2008.

[3] 郭天祥. 51单片机C语言教程. 北京：电子工业出版社，2009.

[4] 徐阳、徐爱钧. 智能化测量控制仪表原理与设计. 北京：北京航空航天大学出版

社，2012.