电桥实验仪设计与研究 毕业论文.doc

摘要电桥是用比较法测量各种量（如电阻、电容、电感等）的仪器。最简单的是由四个支路组成的电路。各支路称为电桥的“臂”。论文设计了一种用于测量电阻的直流电桥。测量电桥由电源电路、半桥测量电路、a/d变换器、微处理器与led等构成。电源由高精度的直流源提供。设计的主要意义为了设计电桥实验仪，一种价格低廉的小型实验设备，通过实验基本能掌握应变片的粘贴技术和应力应变的测量方法，让我们对试验仪有更一步的了解。设计中主要完成应变片粘贴流程，应用protell99软件设计电路板图，给出应变计在电桥中的各种接法等。在不同组合方式下，如何实现温度补偿，怎样从复杂的变形中测量所需要的应变分量，以及如何提高测量灵敏度。 关键词：直流电桥, 试验仪, 应变片, 单片机 目目 录第一章 绪论31.1 课题研究背景41.2 研究的内容及原理41.3 发展与展望5第二章 电桥试验仪的硬件设计62.1 直流电源的设计72.2 电桥实验仪输入电路的设计82.2.1 传感器电路82.2.2 a/d转换部分132.3 cpu的选择132.3.1 avr单片机的工作原理132.3.2 atmega168单片机152.4 输出显示电路设计162.5 pcb的设计18第三章 电桥试验仪的软设计183.1 汇编语言193.2 protel 99se的运用20第四章 调试与分析234.1 led驱动234.2 a/d转换驱动244.3 atmega168的指令25第五章 毕业设计总结27附录128附录231致谢35参考文献36第一章 绪论旷日持久的美国次贷危机最终转化为严峻的全球性金融危机，国际金融动荡加剧，金融经济危机已经迅速蔓延成实体经济危机。中国在这样全球性经济萧条的形势下，gdp增速下滑，今后一个时期我国经济运行面临新的不确定因素，国民经济的不景气对 直流单臂携带式电桥行业影响很大，就要求我们站在全球视野的高度、把握好经济发展的周期、剖析国家宏观政策走向，对直流单臂携带式电桥行业市场情况具体问题具体分析，认清形势、抓住机遇，合理预测直流单臂携带式电桥行业未来走势，制定正确的发展规划、及时调整发展战略、积极开拓新的市场，在危机中立于不败之地，在发展中更上一层楼。1.1 课题研究背景随着大规模集成电路、计算机技术的迅速发展，以及人工智能在测试技术方面的广泛应用，传统的电子测量仪器在原理、功能、精度及自动化水平等方面都发生了巨大的变化逐步形成了一种完全突破传统概念的新一代测试仪器智能仪器。目前，有很多的传统电子仪器已有相应的替代产品，而且还出现不少全新的仪器类型和测试系统体系。在科学技术高速发展的今天，如何用简单便宜，性能良好的元器件制造出对人类生活有用的产品，已经成为人们研究的主要趋势。单片机的诞生，对各种智能仪器的产生和发展起到了很大的推进作用。所谓单片机，普遍认为它是在一块硅片上集成了中央处理器单元（cpu），存储器（ram，rom，eprom）和各种输入、输出接口（定时器，计数器，并行i/o口，串行口，a/d转换器以及脉冲调制器pwm等），这样一块芯片具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机。 单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。传感器是人类探知自然界信息的触角。它是一种能把特定的被测量信息按一定的规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。传感器在本次设计实验中起着一个非常重要的作用，它作为把重量等非电量的变化转化为电量的变化并输出的装置，为接下来通过单片机测量、控制和显示铺平了道路。在本次设计中采用的是电阻应变式单臂电桥传感器。 1.2 研究的内容及原理用以实现测试目的所运用的方式方法称为测试技术。完成测试任务首先要搭建测量系统，它是以客观和实验方式对客体或事件的特性或品质加以定量描述。也就是说，其结果必须不依赖于观察者并以实验为依据。数值大小必须与所描述的特性遵循相同的规律。测试的主要目的是过程监测，如环境温度测量，气体和水体积测量以及临床监测。另一个目的是过程控制，例如，研究不规则形状物体内部的温度分布或确定汽车碰撞时仿真模型驾驶员各部位的力分布。led显示a/d转换cs5532 atmega168电源部分应变片传感器图1-1 电桥试验仪原理框架图在工作状态，电源控制器分别为应变片传感器、led显示器、cs5532a/d转换器、单片机atmega168等提供5v电源，通过应变片传感器传输模拟量，由a/d转换器转换成数字信号，再通过微处理器atmega 168读取压力，其进行修正处理，并在led显示屏上显示气压和高度的具体数值。1.3 发展与展望 ic测试、通信测试、网络测试和虚拟仪器的发展已出现一些新的势态：（1）降低测试成本成为发展ic测试的首要目标 体积更小、功能更强的芯片的需求正推动ic产业的发展，同时也推动着ic设计和测试的发展。对于系统芯片（soc）的测试，其成本已几乎占芯片成本的一半。根据英特尔公司副总裁提出的测试摩尔定律，未来几年，每一晶体管的硅投资成本将低于其测试成本。因此未来ic测试设备制造商面临的最大挑战是如何降低测试成本。（2）解决异步测试问题，需要制定ip核测试标准 目前，设计人员设计系统级ic时，已广泛采用将不同的ip核集成在一起的方式。这样可大大缩短芯片的上市时间。将不同厂商的不同ip核集成到一个器件中可能遇到多个时钟问题。如果设计师采用pci总线和rambus总线，不同的时钟使并行测试这些ip核极为复杂。假如这些ip核的时钟呈整数倍关系，可选的测试方法有很多，但是遇到它们的时钟不呈整数倍时，则在同一测试设备中，需要多个时域。也就是被测器件的各引脚的工作状态处于异步状态，即一些引脚以mhzs工作，另一些引脚以mb/s工作。因此，半导体测试的下一步工作就是要解决这类异步测试问题。现在，各ip核供货商采用的不是同一种可测性设计策略，对被测ip核的接入方式也各不相同。因此，需要制定ip核接入标准和可测性设计标准。（3）提高测试模拟ic的速度 另一个要解决的测试问题是如何发展可测性设计、内置自测试和其它数字测试技术，以满足器件的模拟测试。从上市的时间的观点来看，这可能是关键问题。ic测试设备制造商能解决以gb/s工作的数字电路和高速串行通信端口的测试问题。但测试混合信号器件中模拟部分的难度就很大。一些器件可能是数字器件，但具有模拟特性。如局域网接口电路。这种电路的测试很复杂、费时、难以实现。今后，ic测试设备制造商的另一个任务就是要提高这类器件的测试速度。（4）采用开放式结构，适应通信测试的需求通信测试仪器制造商正面临新技术、新标准和更短的产品寿命周期的挑战。许多通信设备制造商将向市场推出采用无线因特网等新技术的产品。他们一边推出新产品，一边设计性能更高的新产品。因此，它们需要测试仪器厂商提供易于升级的测试仪器，以适应采用最新技术的通信设备的测试需求。所以，这类通信仪器将广泛采用开放式结构设计、模块化和灵活的硬件与软件结构。（5）开发适应高速网测试的网络测试仪随着网络速率的提高，测试仪器捕捉网络数据越来越困难。现有的测试仪器在测试高速率的网络时已不是很有效，甚至采用大容量的缓冲器，也不能获得真实的数据。这就迫切需要仪器生产厂商研制具有实时滤波能力的测试仪器。这样可以把与故障有关的数据存储下来，并进行实时分析。这种具有实时滤波和内部专家系统的仪器不但能对数据进行分析，还能对网络的故障进行准确定位。第36页第二章 电桥试验仪的硬件设计2.1 直流电源的设计三段稳压管也称三端稳压集成电路，电子产品中常见到的三端 稳压 集成电路有正电压输出的78 系列和负电压输出的79系列。顾名思义，三端ic是指这种稳压用的集成电路 只有三条 引脚输出，分别是输入端、 接地端 和输出端。它的样子象是普通的三极管，to- 220 的标准封装，也有9013样子的to-92 封装。用 78/79系列三端稳压ic 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠 、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压ic型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6v，7909表示输出电压为负9v。有时在数字78或79后面还有一个m或l，如78m12或79l24， 用来区别输出电流和封装形式等， 其中78l调系列的最大输出电流为100ma ， 78m系列最大输出电流为1a，78系列最大输出电流为15a。 它的封装也有多种。塑料封装的稳压电路具有安装容易、价格低廉等优点，因此用得比较多。 79系列除了输出电压为负。引出脚排列不同以外，命名方法、外形等均与78系列的相同。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。注意三端集成稳压电路的输入、输出和接地端绝不能接错，不然容易烧坏。一般 三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2v，否则不能输出稳定的电压，一般应使电压差保持在4-5v，即经 变压器变压，二极管整流，电容器滤波后的电压应比稳压值高一些 。（如图2-1为两系列的电压输出。）图2-2中的引脚号的标注方法是按照引脚电位从高到低的顺序标注的，引脚为最高电位，脚为最低电位，脚居中。从图中可以看出，不论78系列。还是79系列，脚均为输出端。对于78正压系列，输入是最高电位，为脚，地端为最低电位，为脚。对于79负压系列，输入为最低电位，自然是脚，而地端为最高电位，为脚，输出为中间电位，为脚。图2-1 78、79系列的电压输出此外，还应注意，散热片总是和最低电位的第脚相连，这样在78系列中，散热片和地相连而在79系列中，散热片和输入端相连接。用万用表判断三端稳压器的方法与三极管的判断方 法相同，三端稳压器类似于大功率三极管。图2-2 三端稳压器（78、79系列）管脚的序号判断2.2 电桥实验仪输入电路的设计2.2.1 传感器电路传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。1. 应变片的概念应变片是一种重要的测量敏感元件,它有很多品种系列。长的有几百毫米,短的只有0.2mm,有单片、中测量应力,但也可以做成各种类型的传感器,如压力传感器、加速度计、线位移传感器等。目测电阻应变片有无折痕断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能贴。用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆。 2. 应变片的测量原理和内部结构电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。变化值和应变片粘贴的构件表面的应变成正比,最后通过测量电路和转换电路,输出相应的电压和电流。当试件受力在该处沿电阻丝方向发生线变形时，电阻丝也随着一起变形（伸长或缩短），因而使电阻丝的电阻发生改变（增大或缩小）。金属电阻应变片分为丝式、箔式和薄膜式三种。上例中为丝式。金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅采用光刻技术制造,适用于大批量生产。（图2-3为电阻应变片的内部结构）图2-3 电阻应变片的内部结构3. 应变片的选型1、应变片的粘贴工艺流程(1)应变片选型(2)胶粘剂选择(3)构件打磨(4)表面清洗(5)画线定位(6)应变片清洗(7)涂敷底胶(8)应变片粘贴(9)加热固化(10)贴片质量检查(11)引线连接(12)质量检查(13)常温及温度性能补偿(14)质量检查(15)性能测试(16)防护处理。2、应变片的选型应变片种类较多，大系列有高精度应变片（用于0.02级传感器生产），通用应变片（可归纳为工程测量类），特殊用途应变片（高温、水下等），本文主要对工程测量用片作介绍。1） 通用应变片用材有：酚醛-缩醛基底，康铜箔为敏感材料，其全密封结构可温度自补偿，其柔韧性好，粘贴方便；聚酰亚胺基底，康铜箔敏感栅，全密封结构，可温度自补偿，其延伸率高，耐湿热性好，温度范围宽（可用于150范围内）；纸浸缩醛树脂基底，康铜箔敏感栅，其基底柔软，粘贴方便，可用于复合材料和混凝土材料。2） 用户在购买应变片时，应根据被测构件材料选择应变片，选片时应注意温度自补偿系数，这是因为在无任何外力作用下，不受约束的试件上的应变片在环境温度发生变化时，其电阻值也随之改变，不同材料其变化值不同，根据这个变化值，应变片生产中采用了一种称之为温度自补偿系数修正的工艺。购买应变片时，应注意温度自补偿系数号，如9：用于钛合金，10：用于合金钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢，16：用于奥氏体不锈钢和铜基材，23：铝材料，27：用于镁合金。3） 一般的工程测试或教学实验选片电阻值可在120350范围。4） 选片时应遵循试验或应用条件：1、应用精度、环境条件。2、试件大小、贴片面积、安装条件。3、使用条件、功耗大小、最大允许电压。4、试件材料类型、工作温度范围。3、应变片粘贴工艺1） 应变片的选择根据测试要求所选择的应变片应符合指标，外观应无破损，无锈斑，无皱折，无短路，电阻值与标称值误差应0.5%（通常应变仪自动平衡范围1%标称电阻）。2） 应变片的表面处理应变片在使用前，应使用丝、绸纺织品浸无水乙醇擦洗，用微热烘干装置烘干（灯泡、红外线、电吹风）。3） 被测物表面的处理要使应变片粘贴牢固，需要对被测结构的表面进行处理（机械与化学），处理的范围约为应变片面积的35倍。首先清除表面的油污、锈斑、涂料、氧化膜镀层等，打磨材料可选用200#400#的砂纸，并打出与贴片方向呈45角的交叉条纹，用丙酮粗擦后用无水乙醇精擦，擦洗时要顺向单一方向进行，待烘、吹干后贴片。4） 底胶的处理精度要求较高的结构物（如传感器制造）在粘贴前要打底胶，底胶一般采用与贴片胶相同的粘接剂，在粘接效果好并绝缘阻值足够的前提下，底胶越薄越好。5） 应变片粘贴 胶粘剂 胶粘剂的种类甚多，如环氧、聚按酯、硫化硅橡胶、502等，应根据粘贴环境、条件选用不同粘贴剂，要了解粘贴剂自身的物理、化学特性及固化条件。 粘贴 粘贴前用划针划出贴片位置，线不应划到应变片下方，划线后再做清洗。贴片时要摆正应变片位置，刷胶均匀，用胶量合理，贴片后盖上聚四氟乙烯薄膜，用手指沿应变片轴线方向均匀滚压应变片，以排除多余胶液和气泡，一般以34个来回为宜，并注意应变片位置。 清洗 对被贴结构物、应变片、粘贴工具的清洗是为了保证粘贴效果和绝缘电阻，从而保证测试精度。6） 固化 大部分粘接剂都需要固化（502快速胶是特例），固化条件是：温度、压力、时间。加温是因为大部分粘贴剂需要高温固化。固化方法举例：如环氧胶粘剂：加压0.10.3mpa，升温至135，保温2小时，然后降温到室温卸压，再升温至165，保温2小时，后降温至常温。 固化条件主要是制造传感器厂商及精密测试所使用的方法。在动态测试中，大部分测试现场的环境较差，加之超大的构件，短促的时间，给固化带来影响，工程应用中常使用快干的粘贴剂（如502胶）来解决这个问题。建议用户尽可能创造良好的贴片条件，尽可能按贴片基本要求操作，从而使测试精度得以保证（如线性度、重复性）。4、测试贴片工作结束，待粘贴剂固化以后，应检查应变片，如阻值是否正确，绝缘是否合格（电阻应在11011左右）。5、应变片的焊接及粘贴后的防护1) 应变片焊接时间不可太长，焊线引线尽量选择柔软导线，延长电缆应有一定弹性空间，不要直接拉动应变片焊点。焊接后，应用无水乙醇擦洗应变片及焊点。2) 安装好的应变片可用703硅胶覆盖，以防止雨水及空气中有害气体侵蚀（对薄片被测物应慎重，因为硅胶固化后有一定强度，会影响测试精度）。3) 应用摄子夹持应变片操作，以保证工艺卫生。4. 应变片的电桥输出压力传感器包括利用压阻效应制造出来的压阻式压力传感器，利用压电效应制造出来的压电式压力传感器、利用应变效应制造的应变式压力传感器等，本文仅以压阻式压力传感器为例，说明其测试原理。压阻式压力传感器芯体如图2-4，r1，r2，r3，r4是4片电阻片，当受外力作用时，电阻片r1，r3亦受拉伸作用电阻增大，r2，r4电阻减小，这样外力f的作用使4个电阻片电阻值发生变化。传感器上的电阻r1，r2，b3，r4接成图2-5所示的直流桥路。cd两端接稳压电源e，ab两端为电桥电压输出端，输出电压为u0，如图7。图2-4传感器芯体 图2-5 平衡条件下的电桥根据电工学原理，可导出当输入端加有电压时，电桥的输出电压为当时，电桥处于平衡状态。因此，电桥的平衡条件为。当处于平衡的电桥中各桥臂的电阻值分别有、和的变化时，可近似地求得电桥的输出电压为由此可见，应变电桥有一个重要的性质：应变电桥的输出电压与相邻两桥臂的电阻变化率之差、相对两桥臂电阻变化率之和成正比。对于平衡电桥，如果相邻两桥臂的电阻变化率大小相等、符号相同，或相对两桥臂的电阻变化率大小相等、符号相反，则电桥将不会改变其平衡状态，即保持。如果电桥的四个桥臂均接入相同的应变片，则有式中，分别为接入电桥四个桥臂的应变片的应变值。若，则电桥的输出电压为2.2.2 a/d转换部分a/d转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，a/d转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。 图2-6 cs5532的原理图 如图2-6所示，通过引脚1、引脚2，将压力传感器所得的气压数据进行模数转换；而通过引脚20将温度传感器测所得的温度数据进行模数转换。引脚9、10是晶振连接端。引脚11 14和atmega168上相应的引脚相连，从而将所得的数据进行软件补偿修正。 2.3 cpu的选择2.3.1 avr单片机的工作原理avr单片机是新一代的基于risc精简指令集的单片机，risc计算机是九十年代才开始流行的和以往的circ计算机相比指令简单，机器执行效率高。现代的计算机一般都是基于多级流水线设计的。risc计算机也不例外，这使得risc计算机具有在单个时钟周期内执行一条指令的能力。对于通用的risc微处理器，一般应用在大型的工作站上，其他主要应用在微控制器领域。如八位、十六位、三十二位单片机。avr单片机具有非常好的c语言代码效率，内部的三十二个工作寄存器都和alu相连，这些寄存器和传统的累加器具有相同的功能，不同的是它们有32个，在一个时钟周期内avr可以把寄存器文件中的任意两个寄存器转到算术逻辑单元执行一次运算，并且把结果写回寄存器文件中，当数据保存在32个寄存器当中，在任意一个算术指令之间没有必要把数据移入或移出存储器。一些寄存器可以组成16位的指针用于高效的访问数据。对于大的存储器，16位的指针可以和第三个8位的寄存器组成24位的指针用于访问高达64k的未分页的数据空间。一般情况下，没必要用汇编语言去开发avr单片机（除非对时间有特别的要求）。at40系列微控制器都带有片内flash程序存储区，且都支持isp（in-system-programming）系统在线编程（mega器件支持self-programming）. 大多数的avr器件都含有片内的eeprom数据存储器。avr器件的可编程i/o口 都是双向口，可以设置为输入、输出、或是高阻态。每个i/o口对应有3个端 口地址（如口，右porta和pina3个端口）。avr单片机是高速嵌入式单片机它具有以下特点：1、avr单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行。2、多累加器型，数据处理速度快。avr单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行。3、中断响应速度快。avr单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断。其次，avr单片机耗能低。对于典型功耗情况，wdt关闭时为100na，更适用于电池供电的应用设备。有的器件最低1.8 v即可工作。再次，avr单片机保密性能好。它具有不可破解的位加密锁lock bit技术，保密位单元深藏于芯片内部，无法用电子显微镜看到。4、 avr单片机的i/o口是真正的i/o口，能正确反映i/o口输入/输出的真实情况。工业级产品，具有大电流(灌电流)1040 ma,可直接驱动可控硅scr或继电器，节省了外围驱动器件。5、 avr单片机内带模拟比较器，i/o口可用作a/d转换，可组成廉价的a/d转换器。atmega48/8/16等器件具有8路10位a/d。6、 部分avr单片机可组成零外设元件单片机系统，使该类单片机无外加元器件即可工作，简单方便，成本又低。7、 avr单片机可重设启动复位,以提高单片机工作的可靠性。有看门狗定时器实行安全保护,可防止程序走乱(飞),提高了产品的抗干扰能力。2.3.2 atmega168单片机atmega168是基于avr增强型risc结构的低功耗8位cmos微控制器。它主要有以下特性：1. 高性能、低功耗的8 位avr 微处理器。2. 先进的risc 结构：有131条指令，大多数指令的执行时间为单个时钟周期；32 x 8 通用工作寄存器；全静态操作；工作于16 mhz 时性能高达16 mips；只需两个时钟周期的硬件乘法器，擦写寿命: 10000 次；具有独立锁定位的可选boot 代码区，通过片上boot 程序实现系统内编程，真正的同时读写操作；512 字节的eeprom，擦写寿命: 100000 次；1k 字节的片内sram ，可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。3. 外设特点：两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器；一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器；具有独立振荡器的实时计数器rtc；六通道pwm，8路10 位adc(tqfp 与mlf 封装)，6路10 位adc( pdip 封装)；可编程的串行usart 接口，可工作于主机/ 从机模式的spi 串行接口；面向字节的两线串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；片内模拟比较器，引脚电平变化可引发中断及唤醒mcu。4. 特殊的微控制器特点：上电复位以及可编程的掉电检测；经过标定的片内rc 振荡器，片内/ 外中断源；五种休眠模式：空闲模式、adc 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和standby 模式。5. i/o 口与封装：23 个可编程的i/o 口线，32引脚tqfp 封装 与32 引脚mlf 封装。6. 工作电压:atmega168v：1.8 - 5.5v；atmega168：2.7 - 5.5v7.工作速度等级:atmega168v: 0 - 2 mhz 1.8 - 5.5v , 0 - 8 mhz 2.4 - 5.5v；atmega168: 0 - 8 mhz 2.7 - 5.5v,0 - 16 mhz 4.5 - 5.5v8. 极低功耗：正常模式：1 mhz , 1.8v: 300ua 32 mhz , 1.8v: 20ua(包括振荡器）；掉电模式：1.8v , 0.5ua。图2-7 atmega168结构图2.4 输出显示电路设计具有 4 个 8 位i/ o 口 p0、 p1、 p2、 p3 共 32 条 i/ o 线。其中 p3 口为双功能口 ,按需要优先作为外中断申请、 定时器/计数器输入、 串行数据接收和发送、 外部 ram 读和写选通。在我们设计的电脑控制管理系统中 ,除了手机与主机串行通信、 空调随室温自动换档及看门狗电路外 ,一个重要的部分是键盘和显示器。在电路设计中除键盘显示外其它功能共使用 i/ o 线 9位 ,而系统中需 32 键的键盘、 26 位 l ed 和 4 位七段数码显示 ,若键盘采用矩阵连接需 12 条 i/ o 线 ,余下的 i/ o 线若不添加芯片是无法完成系统显示要求的。图2-8给出了8个led和一个数码管的电路连接图.图2-8 8个led和一个数码管的电路单片机系统中,显示器显示方式分动态显示和静态显示 ,静态显示具有显示稳定 ,节省 cpu 时间的特点 ,但通常要由硬件芯片实现 ,成本高。动态显示则采用逐位点亮扫描显示方式 ,只要正确调整点亮时间和间隔时间以及导通电流 ,就可得到亮度较高较稳定的显示。动态显示主要依靠软件实现 ,可节省硬件。本系统设计为获较高性价比 ,采用定时中断动态扫描显示。32 位 l ed 也是以 8 位一列矩阵形式排列 ,以p2 口的 4 位 i/ o 作列选线 , p2 口的另外 4 位 i/ o线作 4 位七段数码管位选。数码显示芯片为f3407ax ,其面板如图 2-9 所示。要求 dp1、 dp5(dp6) 、 dp8、 dp9 及数码管应根据需要显示 ,在此 ,巧妙地将dp1、 dp5 (6) 、 dp7、 dp8 作为数码管的dp端 ,用八个 8 位数据则可满足显示要求。图2-9 显示面板 2.5 pcb的设计pcb布局模拟电路和数字电路在元件布局和布线方法上有许多相同和不同之处.模拟电路中,由于放大器的存在,由布线产生的极小噪声电压,都会引起输出信号的严重失真；在数字电路中,ttl噪声容限为0.4v0.6v, cmos噪声容限为(0.30.45)vcc,故数字电路具有较强的抗干扰的能力。良好的电源和地总线方式的合理选择是电路可靠工作的重要保证,相当多的干扰源是通过电源和地线产生的,其中地线引起的噪声干扰最大。（图为pcb设计流程） 图2-10 pcb设计流程第三章 电桥试验仪的软设计3.1 汇编语言 汇编语言是一种功能很强的程序设计语言，也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。汇编语言，作为一门语言，对应于高级语言的编译器，需要一个“汇编器”来把汇编语言原文件汇编成机器可执行的代码。高级的汇编器如masm，tasm等等为我们写汇编程序提供了很多类似于高级语言的特征，比如结构化、抽象等。在这样的环境中编写的汇编程序，有很大一部分是面向汇编器的伪指令，已经类同于高级语言。现在的汇编环境已经如此高级，即使全部用汇编语言来编写windows的应用程序也是可行的，但这不是汇编语言的长处。汇编语言的长处在于编写高效且需要对机器硬件精确控制的程序。大多数情况下linux程序员不需要使用汇编语言，因为即便是硬件驱动这样的底层程序在linux操作系统中也可以用完全用c语言来实现，再加上gcc这一优秀的编译器目前已经能够对最终生成的代码进行很好的优化，的确有足够的理由让我们可以暂时将汇编语言抛在一边了。但实际情况是linux程序员有时还是需要使用汇编，或者不得不使用汇编，理由很简单：精简、高效和libc无关性。假设要移植linux到某一特定的嵌入式硬件环境下，首先必然面临如何减少系统大小、提高执行效率等问题，此时或许只有汇编语言能帮上忙了。汇编语言直接同计算机的底层软件甚至硬件进行交互，它具有如下一些优点： 1.能够直接访问与硬件相关的存储器或i/o端口；2.能够不受编译器的限制，对生成的二进制代码进行完全的控制；3.能够对关键代码进行更准确的控制，避免因线程共同访问或者硬件设备共享引起的死锁；4.能够根据特定的应用对代码做最佳的优化，提高运行速度；5.能够最大限度地发挥硬件的功能。同时还应该认识到，汇编语言是一种层次非常低的语言，它仅仅高于直接手工编写二进制的机器指令码，因此不可避免地存在一些缺点：1.编写的代码非常难懂，不好维护；2.很容易产生bug，难于调试；3.只能针对特定的体系结构和处理器进行优化；4.开发效率很低，时间长且单调。汇编语言的特点:1.面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。2.保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点。3.可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、cpu、i/o端口等。4.目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言。5.经常与高级语言配合使用，应用十分广泛。总之汇编语言在在计算机语言发展中扮演着不可替代的角色。3.2 protel 99se的运用protel 99se是应用于windows9x/2000/nt操作系统下的eda设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3d模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层。1）protel 99se的组成： 按照系统功能来划分，protel99se主要包含以下2大部分。1、电路工程设计部分 （1）电路原理设计部分（advanced schematic 99）：电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称sch编辑器）、电路图零件库编辑器（简称schlib编辑器）和各种文本编辑器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。 （2）印刷电路板设计系统（advanced pcb 99）：印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称pcb编辑器）、零件封装编辑器（简称pcblib编辑器）和电路板组件管理器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。（3）自动布线系统（advanced route 99）：本系统包含一个基于形状（shape-based）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现pcb设计的自动化。2、电路仿真与pld部分（1）电路模拟仿真系统（advanced sim 99）：电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。（2）可编程逻辑设计系统（advanced pld 99）：可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器（waveform）。本系统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。利用pld系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。（3）高级信号完整性分析系统（advanced integrity 99）：信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析pcb设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。2）protel 99se的功能特性：1、开放式集成化的设计管理体系 2、超强功能的、修改与编辑功能3、强大的设计自动化功能3）protel 99se设计流程：protel 99se流程图第四章 调试与分析4.1 led指令ldi r18,$06 ;打开lcdcall commclr r2clr r3ldi r27,$01ldi r29,$01ldi r26,$0cst x+,r2st x+,r2ldi r26,$00;显示“ ldi r16,$1f;st x+,r16ldi r16,$1b;hst x+,r16ldi r16,$0e;est x+,r16ldi r16,$1c;lst x+,r16ldi r16,$1c;lst x+,r16ldi r16,$00;0st x+,r16call dis1; rcall dcdy4.2 a/d转换指令ad00: sbic pinb,sdo ;a/d转换是否结束？ rjmp ad00 ;no，等待转换结束 sbi portd,scs ldi r16,$82 ;启动0通道转换自增益校验 cbi portd,scs rcall wbytead01: sbic pinb,sdo ;a/d转换是否结束？ rjmp ad01 ;no，等待转换结束 sbi portd,scs ldi r16,$91 ;启动1通道转换自偏移校验 cbi portd,scs rcall wbytead10: sbic pinb,sdo ;a/d转换是否结束？ rjmp ad10 ;no，等待转换结束 sbi portd,scs ldi r16,$92 ;启动1通道转换自增益校验 cbi portd,scs rcall wbytead11: sbic pinb,sdo ;a/d转换是否结束？ rjmp ad11 ;no，等待转换结束 sbi portd,scs;set;bldr2,4;bldr2,5;ldir26,$54;“k系数=1;ldir16,$a0;stx+,r16;ldir16,$86;stx+,r16;ldir16,$01;stx+,r16;incr26;clrr16;偏移量=0;stx+,r16;stx+,r16;stx+,r16sei4.3 atmega168的指令.included:program filesatmelavr studioappnotesm168def.inc . $00rjmp $024rjmp $50f330:ldi temp,0 ;设置堆栈out spl,temp ldi temp,4out sph,tempsbi ddrd,sd ;rs-232处于工作状态cbi portd,sdsbi ddrd,scssbi portd,scs ;设置cs5532 cs引脚输出“1” sbi ddrb,sdi ;设置cs5532 sdi引脚输出“0” sbi ddrb,sclk ;设置cs5532 sclk引脚输出“0” cbi ddrb,sdo sbi portb,sdo ;设置cs5532 sdo引脚输入上拉 sbiddrc,clcd ;置ht1621 /cs为输出“1”sbiportc,clcdsbiddrc,rlcd ;置ht1621 /rd为输出“1”sbiportc,rlcdsbiddrc,wlcd ;置ht1621 /wr为输出“1”sbiportc,wlcdsbiddrc,dlcd ;置ht1621 tada为输出“1”sbiportc,dlcdldir16,$47 ;设置模拟口pa7：参考内部avcc，左对齐，7通道stsadmux,r16 ldi temp,0 sts ubrr0h,temp ldi temp,23 ;设置串行口，波特率19200(时钟3.6864mzh) sts ubrr0l,temp ;ubrr波特率积存器 ldi temp,$20 sts ucsr0a,temp ldi temp,$98 ;0001,1000.置rx完，tx完中断，接收，发送使能 sts ucsr0b,temp ;发送,接收数据8位。uart控制寄存器ucr ldi temp,$86 sts ucsr0c,temp ldi r18,$02 ;打开ht1621call commldi r18,$52 ;lcd 1/3 偏置，4背极call commldi r18,$30 ;启动在片振荡器call comm第五章 毕业设计总结2个月的毕业设计已经接近尾声，想着自己即将毕业，心里有种说不出的感觉。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。在选题时，每个人都会在自己在选题的选比较简单的，容易做的，更希望的是指导老师很好说话，可是我觉得，学校之所以要在学生毕业时，让学生做毕业设计，目的就是让学生能够独立能够完成一项任务，而不是敷衍行事。学习这事就是个长期积累的事，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。当自己拿到课题后，查资料就是唯一的准备工作了，在网上，图书馆，我认为不管是通过哪种方式查的资料都是有利用价值的。在没见指导老师前，我也只能做这些，找的太零碎，对自己不是很满意，后然通过老师的指导，和推介的书籍资料后，就开始有点眉目了，对所选的题目也有了进一步的了解。在经过一个月的努力，到了中期检查，由于我只面向于不断的找资料，而忘了整理，结果连电路图还没设计完好，老师提醒我要抓紧，当时确实有些失落，找的资料又太零碎，没有一点连贯性，后来指导老师建议我去网上找找相关论文，看看他们的论文格式和写作方法等等，在自己的搜集下，论文终于开始慢慢行成，最终顺利完成了毕业论文。我也期待着毕业答辩能够顺利通过。在这次毕业设计中，也促进我我跟同学的有好关系，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，虽然每个人的课题都不一样，但有的也有一定的联系，所以在这里非常感谢帮助我的同学。在此，我更要感谢我的指导老师对我悉心的指导，也感谢学校给我们这样的锻炼机会。在整个毕业设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了只有实践才能学到得更多。虽然这个毕业设计还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，让我受益匪浅。附录1负载功率对电桥灵敏度的影响实验一 实验目的1了解电桥工作原理，并熟悉其基本结构和应用2. 研究惠斯通电桥灵敏度与外电路输出功率的关系3. 通过实验了解负载功率对电桥灵敏度的影响图1二实验原理图1为惠斯通电桥测电阻的电路图 为待测电阻，为调节电阻（称比较臂）， ，为比例电阻（称比例臂），e为电源（内阻r）， g为检流计，r为限流电阻。当电桥达平衡时，有 (1) 在已平衡的电桥中，当比例臂r2偏离实际值r时，检流计的指针偏离平衡位置的格数问d，则定义电桥的灵敏度s为5： (2) 从（2）式中可以看出，检流计的指针偏转的格数越多，即d越大，电桥的灵敏度也就越高；电桥的灵敏度越高，对电桥平衡的判断就越容易准确，测量结果的准确度也就越高。实验中使用的检流计系磁电式仪表，它是利用通电线圈在永磁体的磁场中受力矩作用发生偏转的原理制成的。它偏转的角度与负载功率的平方根成正比，当负载功率达到最大值时，电桥的灵敏度也是最高的。根据直流电桥等效电路的计算原理，从电源的两端向电桥的方向看，电桥平衡时的等效输入电阻ri为5： (3)由公式（1） ， 代入（3）式得： (4)当电桥获得最大功率时，电源输出功率也是最大，即当电源的内阻r加上串联电阻r与负载电阻ri相等时，电源输出的功率才是最大的，所以电桥获得最大功率的条件是： ri = r +r (5)在实验中，固定r1=rx，改变rs、r2，由（4）式可知r