光学微重测量报告

1、光学微重测量摘要本设计采用STC89C52单片机组成光照强度测量显示系统，实现对光强的测量和显示，因为光学测量微重的关键是测量变化的光强。光强传感器采用硅光电池硅光电池，随着所称重量的改变，光强发生相应改变，则对光照强度进行实时采样，并转换成电压变化。将采集的信号接入差分放大器实现放大，再输入到ADC转换器，将模拟信号转换成数字信号输入单片机中处理，通过LCD1602液晶屏显示出在不同光照强度下电路电压的变化值。关键词： 激光，89C52单片机 ,A/D转换器, LCD显示屏AbstractIn this paper,the author uses the STC89C52 SCM&

2、#160;light intensity measurement display system to realize the measurement of the light intensityand and display,As the key of the optical measurement of micro heavy is how to measures the changes of the light intension. Light intensity sensor using silicon photocell, which samples th

3、e light intensity that in result of the changes of what we weigh in a real-time and then transform the light intension into the changes of voltage. The voltage signal should be input to the operational amplifier to magnify it, and then import the A/D converter that can transform the analog

4、 digital into digital signal which 52mcu can deal with.Finally,the weight change can be saw on the LCD1602.Keywords: laser, 89C52 MCU, A/D converters, Liquid Crystal Display第一章绪论11.1背景11.2研究目标及实现功能1第二章设计要求与方案论证32.1设计要求32.2方案选择32.2.1 单片机芯片的选择32.2.2显示模块选择52.2.4 AD芯片选择62.2.5光电转换器的选择72.2.6设计原理

5、82.3 电路设计方案最终确立8第三章系统的硬件设计与实现93.1 电路设计框图93.2主要单元电路的设计103.2.1 单片机主控模块设计103.2.2 LM741运放电路设计103.2.3 AD转换电路113.2.4显示器件设计123.3系统设计的整体硬件结构13第四章系统的软件设计及调试144.1 程序流程框图144.2 A/D转换流程图154.3 软件程序15结论23参考文献24第一章 绪论1.1 背景在现实生活中，很多贵重物品都是比较细小且价值昂贵的，我们需要知道它们重量才能知道它的价值，如多少克药品，多少克黄金。但是这些微小的物品显然比较难以坚测。同样的，在工业生产中，对于一些原材

6、料也需要测量其质量以确定需要的用量，方能生产出符合要求的产品。那么我们应该怎样测量微小物品的重量呢，下面我们就以光纤传输原理，设计一个光学方法测量微重的系统。1.2研究目标及实现功能本文所设计的微重测量系统是以单片机 STC89C52为主控制中枢，其工作稳定，使用方便。本设计主要是测试因为质量变化使托盘反射的光强变化，利用传感器将所采集的光信息转换为电压输出，并通过 A/D 转换器将所得到的模拟量转换为数字量送入单片机中进行分析，并通过 LCD1602液晶进行显示。本设计以 STC89C5单片机为控制中枢来设计光学方法微重测量。实现首先掌握系列传感器的工作原理应用硅光电池测量重量导致的光强变化

7、；使系统的各个模块稳定的工作；完成单片机的程序语言的设计及编程并在系统中运行；掌握单片机各外部引脚的作用及功能；完成重量测量值显示整体的设计工作以及器件的运行。第二章 设计要求与方案论证2.1设计要求A具有显示当前测量物品重量功能；2.2方案选择2.2.1 单片机芯片的选择 STC89C52单片机是STC公司生产的一种功耗低、性能高的CMOS8位微控制器，具有8K系统内可编程存储器。在一块芯片上，包含有8位CPU和在系统可编程flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制系统提供灵活、高效的解决方案。该单片机包含以下功能：8k字节字Flash，512字节RAM，32位I/O端口线，看门狗定时

8、器功能，内置4KB EEPROM，内置MAX810复位电路，三个16位的定时器计数器一个6向量2级中断系统结构全双工串行口。另外STC89C52可降至0HZ静态逻辑操作，并且支持2种可选择的节电模式。空闲模式下，CPU可以单独停止工作，允许RAM、定时器计数器、串口和中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止，本设计中使用的单片机型号是STC89C52RC。STC89C52主要特性如下：1.增强型8052单片机，可以在6时钟机器周期和12时钟机器周期中任意选择，程序指令完全兼容8051传统舉片机2.工作电压：3.3V5.5V(

9、5V单片机）, 2.0V3.8V(3V单片机）3.工作频率范围：040MHz，相当于普通8051单片机的080MHz，实际的工作频率可达48MHz4.用户实际应用程序空间为8K字节5.单片机上集成512字节RAM6.通用I/O端口为32个，P1/P2/P3/P4是准双向端口弱上拉，P0端口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，可以不加上拉电阻；作为I/O端口时，需加上拉电阻7.具有ISP(在系统可编程）/IAP(在应用可编程），不需要专用编程器以及专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TXD/P3.0）直接下载应用程序，数秒即可完成一片单片机的程序烧录8.具有EEPROM功能9.具有看门狗功能

10、。10.共3个16位定时器/计数器，即定时器T0,T1,T2。11.外部中断共4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式来唤醒。12.具有通用异步串行口（UART），还可以用定时器软件实现多UART。13.工作温度范围：-40+85°C工业级）/0-75°C（商业级）STC89C52的封装如图2-1所示图2-1 STC89C52引脚图由于STC89C52 单片机片内有4K 字节的在线编程 Flash 存储器，可以擦写1000次，不但具有掉电模式，而且具有掉电状态下的中断恢复功能，对设计开发非常实用。所以选用 STC89C52 单

11、片机作为光学微重测量系统的控制单片机。2.2.2显示模块选择在本设计当中使用 1602 液晶进行显示，1602 液晶显示屏也被称为 1602 字符型液晶显示屏，这种液晶是一种点阵型的字符液晶模块，用来显示不同字母、阿拉伯数字以及特殊的字符。该液晶由多个 5X7 或者是 5X11 的点阵型字符组成的，每个字符都是由一些点阵字符组成来进行显示的，显示的每个字符都用一个点进行间隔，每行之间也可以有间隔。这样就可以当做行列间距来使用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义 CGRAM，显示效果也不好）。 内部含有 80 字节显示数据存储器。 8 个可由用户自定义的 5X7 的字符发生器 CGRA

12、M。 其工作电压为 3.3V 或 5V，显示亮度可以调节。 内部含有 5X7 点阵的字型的字符发生器 CGROM。 内部含有各种位控制命令,如：清屏、闪烁、左右移位等特殊功能。 图2-2 LCD引脚图2.2.3 运放芯片选择LM741是一种应用非常广泛的通用型运算放大器集成电路。由于采用了有源负载，所以只要两级放大就可以达到很高的电压增益和很宽的共模及差模输入电压范围。本电路采用内部补偿，电路比较简单不易自激，工作点稳定，使用方便，而且设计了完善的保护电路，不易损坏。LM741可应用于各种数字仪表及工业自动控制设备中。由于硅光电池板将光转换成电压后，所得电压量较小，所以选用LM741单运放，其

13、不仅可以实现信号放大，而且能用于缓冲隔离，阻抗匹配，以及将电压转换为电流或者将电流装换成电压等用途。图2-3 LM741引脚图2.2.4 AD芯片选择TLC549可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17s，TLC549允许的最高转换速率为45500次/s，TLC549为40000次/s。总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于较小信号的采样。TLC549的引脚名称如下

14、图所示。 图2-4 TLC549AD转换器引脚图2.2.5光电转换器的选择硅光电池是一种能将光能直接转换成电能的半导体器件,其结构图所示.它实质上是一个大面积的半导体PN结.硅光电池的基体材料为一薄片P型单晶硅,其厚度在0.44mm以下,在它的表面上利用热扩散法生成一层N型受光层,基体和受光层的交接处形成PN结.在N型层受光层上制作有栅状负电极,另外在受光面上还均匀覆盖有抗反射膜,它是一层很薄的天蓝色一氧化硅膜,可以使电池对有效入射光的吸收率达到90%以上,并使硅光电池的短路电流增加25%-30%.硅光电池的工作原理是光生伏特效应.当光照射在硅光电池的PN结区时,会在半导体中激发出光生电子空穴

15、对.PN结两边的光生电子空穴对,在内电场的作用下,属于多数载流子的不能穿越阻挡层,而少数载流子却能穿越阻挡层.结果,P区的光生电子进入N区,N区的光生空穴进入P区,使每个区中的光生电子一空穴对分割开来.光生电子在N区的集结使N区带负电,光生电子在P区的集结使P区带正电.P区和N区之间产生光生电动势.当硅光电池接入负载后,光电流从P区经负载流至N区,负载中即得到功率输出。因此，硅光电池可以实时将光强变化输出方便后续处理。2.2.6设计原理2.3 电路设计方案最终确立综上各方案所述,对此次作品的方案选定：采用 STC89C52 作为主控制系统；硅光电池测量光强；LM741作为运放模块核心；TLC5

16、49实现AD装换；液晶 1602 作为显示。第三章 系统的硬件设计与实现3.1 电路设计框图本系统的电路系统框图如图 3-1 所示。称重设备承重以改变其高度从而改变激光的反射角，使得硅光电池实时接收的光发生改变从而改变电压，STC89C52 单片机通过 TLC549对电压值进行读取，继而控制 1602 液晶作出对应的显示。称重设备硅光电池LM741运放TLC549AD转换STC89C52LCD1602显示图3-1 测微重系统框图3.2主要单元电路的设计3.2.1 单片机主控模块设计图3-2 STC89C52系统框图使用STC89C52的P1.3，P1.4，P1.6接收AD转换得到三位数据。3.

17、2.2 LM741运放电路设计LM741能够很好地将微弱的电压信号放大。741 放大器为运算放大器中最常被使用的一種，拥有反相向与非反相两输入端，由输入端输入 欲被放大的电或电压信号，经放大后由输出端输出。放大器作动時的最大特点为需要一對同样大 小的正负电源，其值由±12Vdc至±18Vdc等，而一般使用±15Vdc的电压。在本设计中我们外接±12Vdc的电压驱动LM741。图3-3 运放电路设计3.2.3 AD转换电路图3-4 AD转换电路TLC549均有片内系统时钟，该时钟与I/O CLOCK是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配。当CS为高时，数据

18、输出(DATA OUT)端处于高阻状态，此时I/O CLOCK不起作用。这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时，共用I/O CLOCK，以减少多路(片)A/D并用时的I/O控制端口。一组通常的控制时序为： (1)将CS置低。内部电路在测得CS下降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATA OUT端上。(2) 前四个I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6、D5、D4、D3)，片上采样保持电路在第4个I/O CLOCK下降沿开始采样模拟输入。 (3)接下来的3个I/O CLOCK周期

19、的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位，(4)片上采样保持电路在第8个I/O CLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。保持功能将持续4个内部时钟周期，然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。第8个I/O CLOCK后，CS必须为高，或I/O CLOCK保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果CS为低时I/O CLOCK上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器/控制器将与器件的I/O时序失去同步；若CS为高时出现一次有效低电平，若要在特定的时刻采样模拟信号，应使第8个I/O CLOCK时钟的下降沿与该时刻对应，因

20、为芯片虽在第4个I/O CLOCK时钟下降沿开始采样，却在第8个I/O CLOCK的下降沿开始保存。3.2.4显示器件设计图3-5 LCD1602电路设计本设计用 1602 液晶显示屏进行显示，1602 液晶也叫 1602 显示字符型液晶，此种液晶是一种点阵型的液晶模块用来显示不同字母以及阿拉伯数字和符号等形式。该液晶由多个 5X7 或者是 5X11 的点阵型字符位组成的，而且每一个字符都由每个点阵字符进行确定和显示的，各个位之间都有有一个个点作为间隔，每行之间也可以有间隔。这样就可以当做行列间距来使用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义 CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD

21、 液晶显示屏是指显示的内容为 16X2,其意义也就是说可以显示的行数为两行，每行可以显示 16 个不同字母以及阿拉伯数字和符号等形式。 1602LCD 液晶具有如下的特性： 工作电压为 3.3V 或 5V，可以清晰的调节对比度。 其内部含有多种控制命令,如：清屏、换行、左右移位等多种功能。 其中 DDRAM 为显示内部 80 字节数据存储器。 内部含有 CGROM 为 192 个 5X7 点阵字型的字符发生器 内部含有 8 可供用户自己定义的 5X7 的字符发生器 CGRAM。3.3系统设计的整体硬件结构系统设计的整体硬件结构图如图 3-6 所示。包括 STC89C52 控制器、TLC549

22、模数转换器等。图3-6 系统整体硬件图第四章系统的软件设计及调试4.1 程序流程框图开始初始化重新设置判断初始电压是否过大运放放大电压值AD转换子程序数值显示子程序返回4.2 A/D转换流程图A/D转换时首先进行端口初始化，然后进行通道的选择，然后单片机读取A/D端口的数据，读取完成后，延迟，等待下一个A/D数据的读取。读取A/D端口数据A/D端口初始化开始选择进行转换的通道4.3 软件程序#include <REG51.H>#include "intrins.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned

23、int/ad的端口sbit data_temp = P14; /数据线sbit cs = P13; /片选sbit sclk = P16; /io口时钟uchar qian,bai,shi,ge;uint j;/lcd的端口sbit RS = P26;sbit RW = P25;sbit E = P27; void chuli(uint ynum) /显示程序uint num=0; uint value=200;uint num=ynum-value;num =( num*4)/5;/电压与重量转换公式qian=num/1000; /千，百，十，个处理bai=num/100%10;shi=nu

24、m/10%10;ge=num%10; uint ad_549() /TLC549处理 uchar i; uint data_ad = 0; cs = 1;/初始化，启动 sclk = 0; cs = 0; _nop_(); for(i = 0;i < 8;i+)/读取采集数据，读取的是上一次采集数据 sclk = 1; if(data_temp)data_ad |= 0x01; sclk = 0; data_ad = data_ad << 1; cs = 1; data_ad = data_ad * (500/ 256); return(data_ad); void time

25、r0_isr(void) interrupt 1 / timer0中断服务函数/数码管的位选变量TR0 = 0; /停止计数TL0 = (65536-10000)%256;TH0 = (65536-10000)/256; j+; /位循环变量加1if(j >= 4) j = 0; /循环显示1次，j清零TR0 = 1;void timer0_init (void) / timer0中断初始化函数EA = 0; TMOD = 0x01; TR0 = 0; TL0 = (65536-10000)%256;TH0 = (65536-10000)/256; PT0 = 1; ET0 = 1; E

26、A = 1; TR0 = 1; void delay(unsigned int n) unsigned int j=0; for(;n>0;n-) for(j=0;j<125;j+); void write_command(uchar command)RW = 0;RS = 0;E = 1;P0 = command;delay(20);E = 0;RW = 1;void write_data(uchar date)RW = 0;RS = 1;E = 1;P0 = date;delay(20);E = 0;RW = 1;void display_string(uchar *p)while(*p)write_data(*p);p+;void gotoxy(unsigned y,unsigned x)if(y = 1) write_command(0x80+x);else if(y = 2) write_command(0x80+0x40+x); void F1602_init(void)write_command(0x38); / 两行，每行16字符，每个字符5*7点阵write_command(0x0C);/ CURSOR_OFFwrite_com