单片机应力测量仪

1、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20142015 学年第二学期分散 1 周 第 16 周 18周集中题目应力测试仪的设计内容及要求设计内容与要求：（1） 设计并制作一个应力测试仪（2） A/D 转换采用 ADC0804（3） 应力测试范围： 0 200牛顿（4） 用三位 LED 显示器显示测量结果。进度安排分散 1 周： 查资料、方案确定。第 16 周： 电子钟编程及调试。第 17 周： 应力测试仪的

2、设计、调试。第 18 周：考试、撰写并上交报告。学生姓名：李茂红、王树宇指导时间： 分散1 周，集中指导：指导地点：综合楼中505 室任务下达 2015年6 月 1 日 任务完成 2015 年 7 月3 日考核方式 1. 评阅 2. 答辩 3. 实际操作 4. 其它指导教师 吴开志 系（部）主任 贾杰注：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

3、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 AD 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11.1 系统设计要求11.2 系统组成及工作原理1第二章硬件电路方案

4、设计22.1 放大电路方案设计22.2 最小系统电路设计32.3A/D 转换电路设计42.4 键盘、显示及报警电路设计52.5 系统总体结构6第三章软件设计83.1 总体设计方案83.2 初始化程序93.3 A/D 转换子程序103.4 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134.1单片机最小系统测试134.2 放大电路测试134.3 数据测量144.4 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 A

5、DC08043、 应力测量范围： 0200 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 AD 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

6、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 所示压力电阻应变信号放A/D 转式传感器大换键盘及显STC89C52报 警 电示电路RC 单片机路图 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

7、，将010mV电压放大到 05V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020mV，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：、 U3A和 U3D提高了共模信号和差模信号之比，即提高了信噪比。、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。、电路对共

8、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：AvUo- VR2 2R17 R10Ui1 - Ui2VR2R9(公式 2-1)通常第一级增益要尽量高，第二级增益一般为 12 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 2.25 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

9、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。2.3A/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

10、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

11、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：开始单片机定时器1 初始化16

12、02 液晶初始化写液晶开机数据液晶清屏准备显示A/D 采样值AD 转换采样电压值是蜂鸣器响液判断重量晶上显示是否超重Alarm 警告否蜂鸣器不响不显示Alarm在液晶上显示重量结束图 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：开始I/O 端口初始化定时器 0 初始化ADC0804 初始化液晶初始化结束图 3.2 初始化程序框图下面简单介绍下定时器 void TimeInitial()0 初始化程序：/初始化程序

13、TMOD=0 x01;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 0TR0=1;void T0_time( ) interrupt 1TH1=(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

14、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

15、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.

16、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：开始键盘扫描有键闭合Y延时去抖动扫描键盘找到闭合键Y建立有效标志返回NN建立无效标志图 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

17、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

18、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

19、.1 所示表 4-1 电子称称量数据实际值（ kg）测量值（ kg）误差（ %）550mL矿泉水数量（瓶）10.5500.543-1.321.1001.0623.631.6501.6640.842.2002.021-8.952.7502.732-0.64.4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

20、、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

21、，但老师说主要是入门，现在学习也不晚，应该在实践中学习。参考文献华成英 . 模拟电子技术基本教程 . 北京： 清华大学出版社， 2006.万福君等 . MCS-51 单片机原理、系统设计及应用 . 北京：清华大学出版社， 2008.郭天祥 . 51 单片机 C 语言教程 . 北京：电子工业出版社， 2009.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.附录 A：硬件实物图附录 B：称量 0.55kg 矿泉水附录 C：实验程序#include#include#include delay.h/LCD 接口sbit RS=P32;sbit RW=P3

22、3;sbit EN=P34;按键接口sbit key1=P10;sbit key2=P11;sbit key3=P12;sbit key4=P13;蜂鸣器接口sbit beep=P15;/ADC0804 接口sbit AD_WR=P36;sbit AD_RD=P37;按键标志位uchar set_flag=0;uchar s1=0;uchar Local_gb=0;函数声明void Write_Cmd(char cmd);void Write_Data(char dat);void LCD_Init(void);void Init();void Data_Chang();void Beep()

23、;void KeyScan();void sendData(uchar dat);数据uchar num;uchar AD_Value=0;int qian=0,bai=0,shi=0,ge=0;float Weight=0;单价变量float Price=0.00;int P_bai=0,P_shi=0,P_ge=0;金额float Money;int M_qian,M_bai,M_shi,M_ge;void main()LCD_Init();Init();beep=1;Beep();while(1)Write_Cmd(0X80);Write_Data( );Write_Data(P);Wr

24、ite_Data(:);Write_Data(0X30+P_bai);Write_Data(0X30+P_shi);Write_Cmd(0X80+0X05);Write_Data(.);Write_Data(0X30+P_ge);Write_Cmd(0X80+0X07);Write_Data( );Write_Data(M);Write_Data(:);Write_Data(0 x30+M_qian);Write_Data(0 x30+M_bai);Write_Data(0 x30+M_shi);Write_Data(.);Write_Data(0 x30+M_ge);Write_Data(

25、);Write_Data( );Write_Cmd(0 x80+0 x43);Write_Data(W);Write_Data(:);Write_Data(0 x30+qian);Write_Data(0 x30+bai);Write_Data(.);Write_Data(0 x30+shi);Write_Data(0 x30+ge);Write_Data(k);Write_Data(g);Write_Data( );Write_Data(0 x30+Local_gb);Write_Data( );Write_Data( );Write_Data( );Write_Data( );/=/LCD

26、D写命令/=void Write_Cmd(char cmd)RW=0;RS=0;P0=cmd;delayms(1);EN=1;delayms(1);EN=0;/=/LCDD写数据/=void Write_Data(char dat)RW=0;RS=1;P0=dat;delayms(1);EN=1;delayms(1);EN=0;/=/液晶第 x 行第 y 列显示一个数字/=void Display(uchar x,uchar y,uchar dat)if(x=0)Write_Cmd(0 x80+y);else if(x=1)Write_Cmd(0 x80+0 x40+y);Write_Data

27、(0 x30+dat);/=/初始化函数/=void LCD_Init(void)EN=0;Write_Cmd(0 x38);Write_Cmd(0 x0c);Write_Cmd(0 x06);Write_Cmd(0 x01);/=/主函数初始化/=void Init()TMOD=0X21;TH0=0XD8;TL0=0XF0;TH1=0XFD;TL1=0XFD;SM0=0;SM1=1;EA=1;ET0=1;TR0=1;TR1=1;ES=1;/=/ADAD采集程序/=void Read_AD()AD_WR=1;delayus(1);AD_WR=0;delayus(1);AD_WR=1;delay

28、ms(1);AD_RD=1;delayus(1);AD_RD=0;delayus(1);AD_Value=P2;AD_RD=1;void Data_Chang()int temp=0;Weight=AD_Value*20/255.0;temp=Weight*100;qian=temp/1000;bai=temp%1000/100;shi=temp%1000%100/10;ge=temp%1000%100%10;Price=P_bai*10+P_shi+P_ge*0.1;Money=Price*Weight*10;M_qian=(int)Money/1000;M_bai=(int)Money%1

29、000/100;M_shi=(int)Money%1000%100/10;M_ge=(int)Money%1000%100%10;/=/定时器 0 中断（ 12MHZ晶振定时 10ms）/=void Timer0() interrupt 1TH0=0XD8;TL0=0XF0;Read_AD();Data_Chang();KeyScan();/=/蜂鸣器报警子函数/=void Beep()beep=0;delayms(80);beep=1;/=/按键处理函数/=void KeyScan()if(key1=0)delayms(1);if(key1=0)while(!key1);Beep();Local_gb+;switch(Local_gb)case 1:Write_Cmd(0 x80+0 x05);Write_Cmd(0 x0f);break;case 2: Write_Cmd(0 x80+0 x03);Write_Cmd(0 x0f);break;case 3: Write_Cmd(0 x80+0 x02);Write_Cmd(0 x0f);break;case 4: Local_gb=0;Write_Cmd(0 x0C);break;if(Local_gb!=0)