传感器与检测技术综合实训报告书电子称硬件电路设计.doc
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1、成绩:课 程 设 计 报 告 书所属课程名称 传感器与检测技术综合课程设计 题 目 电子称硬件电路设计 分 院 机电学院 专 业、班 级 学 号 0614100306 学 生 姓 名 指 导 教 师 2013 年 7 月 19 日目录1 课 程 设 计 任 务 书22 总体设计方案32.1 控制器部分32.2 数据采集部分42.2.1 传感器的选择42.2.2 放大电路选择52.2.3 A/D转换器的选择72.2.4 键盘处理部分方案论证82.3 显示电路部分的选择82.4 超量程报警部分选择93 电路的硬件设计93.1 AT89S52的最小系统电路103.1.1 单片机芯片AT89S52介绍
2、103.1.2 AT89S52的最小系统电路构成103.2 显示电路与AT89S52单片机接口电路设计113.3 测量电路123.4 数据采集部分电路设计133.5 键盘电路与AT89S52单片机接口电路设计153.6 报警电路的设计164 电路的软件设计164.1 主程序设计164.2 子程序设计174.2.1 A/D转换启动及数据读取程序设计174.2.2 显示子程序设计184.2.3 键盘输入控制程序的设计184.2.4 报警子程序的设计195 总结196 参考文献20附录21附录1 元件清单及其参数21附录2 系统总图22附录3 电子称主程序23辽东学院1 课 程 设 计 任 务 书课
3、程设计题目: 电子称硬件电路设计 课程设计时间:自 2013 年 7 月 15 日起至 2013 年 7 月 19日课程设计要求:1.利用单片机实现对所设计的电子秤的各项功能的控制。2.电子秤能够LCD液晶显示出商品的名称、价格,重量、总价等信息。3.电子秤称重范围:09.999;重量误差不大于0.005。4.性能稳定、计数要精确,具有校准旋钮,简化电子称的校准操作。5.电子秤能够自动完成商品的价格计算。6.具有溢出声光报警,提示用户纠正操作功能。学生签名: 2013 年 07 月 19 日课程设计评阅意见项目课程设计态度评价10%出勤情况评价10%任务难度、量评价10%创新性评价10%综合设
4、计能力评价20%报告书写规范评价20%答辩20%成绩综合评定等级评阅教师: 2013年 7 月 19 日2 总体设计方案按照本设计功能的要求,本设计大致可分为五个模块:数据采集模块、信号放大模块、模数转换模块、单片机控制模块、人机交换模块。(其中人机交换模块中包括:声光报警、LCD显示、键盘输入)系统设计总体方案框图如图2-1所示。图2-1设计思路框图测量部分是利用称重传感器检测压力信号,得到微弱的电信号(本设计为电压信号),而后经处理电路(如滤波电路,差动放大电路,)处理后,送A/D转换器,将模拟量转化为数字量输出。控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号,经过复杂的运算,将数字信号转换
5、为物体的实际重量信号,并将其存储到存储单元中。控制器还可以通过对扩展I/O的控制,对键盘进行扫描,而后通过键盘散转程序,对整个系统进行控制。数据显示部分根据需要实现显示功能。2.1 控制器部分本设计使用单片机作为系统的主控制器,可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起,组成新型的只需要改变软件程序就可以更新换代的“智能化测量控制系统”。这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面,都取得了巨大的进展。根据总体方案设计的分析,可以选用带EPROM的单片机,由于应用程序不大,应用程序直接存储在片内,不用在外部扩展存储器,这样电路也可简化。在这里选用ATMEL生产
6、的AT89SXX系列单片机。AT89SXX系列与MCS-51相比有两大优势:第一,片内存储器采用闪速存储器,使程序写入更加方便;第二,提供了更小尺寸的芯片,使整个硬件电路体积更小。此外价格低廉、性能比较稳定的MCPU,具有8K8ROM、2568RAM、3个16位定时计数器、4个8位I/O接口。这些配置能够很好地实现本仪器的测量和控制要求。最后我们最终选择了AT89S52这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。AT89S52内部带有8KB的程序存储器,基本上已经能够满足我们的需要。2.2 数据采集部分电子秤的数据采集部分主要包括称重传感器、信号放大电路、A/D转换电路及键盘处理方案论证,因此对
7、于这部分的论证主要分四方面。2.2.1 传感器的选择传感器属于精密部件,剧烈振动、自由落体、碰撞、过载、过压等都非常容易造成传感器永久损坏或者影响精度和线性。传感器是测量机构最重要的部件,目前常用的有电阻应变是压力传感器和电容式压力传感器、压电式压力传感器。选用是应按照稳定性、精度等级、灵敏度、寿命和安装环境依次作为优先考虑。现比较如下:1.电容式压力传感器稳定性较差,精度和灵敏度高,寿命较短,对环境要求苛刻,不易长距离传输。2.压电式压力传感器稳定性好,精度和灵敏度高,寿命长,但大量程的压力传感器有待进一步研究。3.电阻应变式压力传感器稳定性好,精度和灵敏度较高,寿命较长,对测量环境要求不太
8、严格。电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成,内部线路采用惠更斯电桥,当弹性体承受载荷产生变形时,电阻应变片(转换元件)受到拉伸或压缩应变片变形后,它的阻值将发生变化(增大或减小)从而使电桥失去平衡,产生相应的差动信号,供后续电路测量和处理。通过以上对传感器的比较分析,最终选择了第三种方案。称重范围为09.999Kg,重量误差不大于0.005Kg,考虑到秤台自重、振动和冲击分量,还要避免超重损坏传感器,所以传感器量程必须大于额定称重9.999Kg 。我们选择的是L-PSIII型传感器,量程20Kg,精度为 0.01%,满量程时误差0.002Kg,完全满足本系统的精度要求。2.
9、2.2 放大电路选择电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成R/R,而应变电阻的变化一般都很微小,例如传感器的应变片电阻值120,灵敏系数 K=2,弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000,应变电阻相对变化量为:R/R = K= 21000106 =0.002 (2-1)由式2-1可以看出电阻变化只有0.24,其电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化既难以直接精确测量,又不便直接处理。因此,必须采用转换电路,把应变计的R/R变化转换成电压或电流变化,但是这个电压或电流信号很小,需要增加增益放大电路来把这个电压或电流信号转换成可以被A/D转换芯片接收的信号。在前级处理电路部分,我们考虑可以采
10、用以下几种方案:方案一 利用普通低温漂运算放大器构成前级处理电路:普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于A/D转换器需要很高的精度,所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以,此种方案不宜采用。方案二 由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器,而构成的前级处理电路:差动放大器具有高输入阻抗,增益高的特点,可以利用普通运放(如LM324)做成一个差动放大器。其设计电路如下图:图2-2利用普通运放设计的差动放大器方案三 采用专用仪表放大器,如:INA126,INA121,AD620等构成前级处理电路:下面举例用AD620专用仪表放大器来实现,其接口如下图所示:图2-3 AD
11、620的接口图内部结构如下图所示:图2-4 AD620的内部等效图电路的工作原理:A1、A2工作在负反馈状态,其反向输入端的电压与同相输入端的电压相等。即Rg两端的电压分别为Vin+、Vin-。因此 (2-2)设图中电阻R1=R2=R,则A1、A2两输出端的电压差U12为 (2-3)将式(2-4)代入式(2-3)得 放大器的增益Av为 (2-4)可见,仅需调整一个电阻Rg,就能方便的调整放大器的增益。由于整个电路对称,调整时不会造成共模抑制比的降低。在接口图中,通过改变可变电阻R3的阻值大小来改变放大器的增益,放大器增益计算公式如下: (2-5)AD620 具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和
12、输入偏置电流低的特点。其最大输入偏置电流为20nA,这一参数反映了它的高输入阻抗。AD620在外接电阻Rg时,可实现11000范围内的任意增益;工作电源范围为2.318V;最大电源电流为1.3mA;最大输入失调电压为125V;频带宽度为120kHz(在G=100时)。基于以上分析,我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器AD620(仿真中用OPAMP代替)。2.2.3 A/D转换器的选择A/D转换部分是整个设计的关键。ADC集成电路主要有以下几种类型:1.并行比较A/D转换器:如ADC0808、 ADC0809等 。并行比较ADC是现今速度最快的模/数转换器,采样速率在1GSPS以上,
13、通常称为“闪烁式”ADC。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四部分组成。这种结构的ADC所有位的转换同时完成,其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。缺点是:并行比较式A/D转换的抗干扰能力差,由于工艺限制,其分辨率一般不高于8位,因此并行比较式A/D适合于数字示波器等转换速度较快的仪器中。2.逐次逼近型A/D转换器:如:ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模/数转换方法,这一类型ADC的优点:高速,采样速率可达 1MSPS;与其它ADC相比,功耗相当低;在分辨率低于12位时,价格较低。缺点:在高于14位分辨率情况下,价格较高;传感器产生的
14、信号在进行模/数转换之前需要进行调理,包括增益级和滤波,这样会明显增加成本。3.积分型A/D转换器:如:ICL7135、ICL7109、ICL1549、MC14433等。积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC,是应用比较广泛的一类转换器。积分型ADC两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定,因此所得到的表达式与时钟频率无关,其转换精度只取决于参考电压VR。这类ADC主要应用于低速、精密测量等领域,如数字电压表。其优点是:分辨率高,可达22位;功耗低、成本低。缺点是:转换速率低,转换速率在12位时为100300SPS。4.压频变换型ADC:其优点是:精度高、价格较低、功耗较低。缺点是
15、:类似于积分型ADC,其转换速率受到限制,12位时为100300SPS。 根据系统的精度要求以及综合的分析其优点和缺点,本设计采用了12位A/D转换器ADC0832。ADC0832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。其内部电源输入与参考电压的复用,使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S,据有双数据输出可作为数据校验,以减少数据误差,转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入,使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端,可以轻易的实现通道功能的选择。2.2.4 键盘处理部分方案论证由于电子秤需要设置单价(十个数字键,
16、一个小数点),总共需设置13个键(包括一个清除键和一个确认键)。本设计采用矩阵式键盘:矩阵式键盘的特点是把检测线分成两组,一组为行线,一组列线,按键放在行线和列线的交叉点上。图2-5给出了一个44的矩阵键盘结构的键盘接口电路,图中的每一个按键都通过不同的行线和列线与主机相连。44矩阵式键盘共可以安装16个键,但只需要8条测试线。当键盘的数量大于8时,一般都采用矩阵式键盘。结合本设计的实际要求,采用44矩阵式键盘。图2-5矩阵式键盘2.3 显示电路部分的选择数据显示是电子秤的一项重要功能,是人机交换的主要组成部分,它可以将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的显示出来。数据显示部分有以下两种
17、方案可供选择:一是LED数码管显示,二是LCD液晶显示两种选择。LCD液晶显示器是一种极低功耗显示器,从电子表到计算器,从袖珍时仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛利用了液晶显示器。本设计采用的是HJ12864ZW液晶显示器。2.4 超量程报警部分选择智能仪器一般都具有报警功能,报警主要用于系统运行出错、当测量的数据超过仪表量程或者是超过用户设置的上下限时为提醒用户而设置。在本系统中,设置报警的目的就是在超出电子秤测量范围以及总价不能正常显示时,发出声光报警信号,提示用户,防止损坏仪器。超限报警电路是由单片机的I/O口来控制的,当称重物体重量超过系统设计所允许的重量,通过程序使单片机
18、的I/O值为低电平,从而三极管导通,使蜂鸣器BUZZER发出报警声,同时使连接报警灯的I/O置为低电平,则发光二极管导通,二极管发光。在设计过程中一定得注意发光二极管的极性,否则,发光二极管是不会正常发光。3 电路的硬件设计根据设计要求与设计思路,此电路由一块AT89S52单片机、复位电路、振荡电路、12864LCD显示器、蜂鸣器及LED灯报警电路、L-PSIII压力传感电路。硬件设计框图如下:图3-1硬件电路设计框图在本系统中用于称量的主要器件是称重传感器(一次变换元件),称重传感器在受到压力或拉力时会产生电信号,受到不同压力或拉力是产生的电信号也随着变化,而且力与电信号的关系一般为线性关系
19、。由于传感器输出的为模拟信号,所以需要对其进行A/D转换为数字信号以便单片机接收,因此电路中需要用进行A/D转换。又由于本设计采用的是L-PSIII电阻应变式压力传感器,其输出电压不能够使单片机和A/D转换器正常工作,因此需要设计放大电路来使ADC0832的输入电压达到2V左右。单片机根据称重传感器输出的电信号计算出物体的重量。本设计电子称的硬件电路包括AT89S52的最小系统构成、传感器检测模块、信号放大模块、数模转换模块、信号处理模块、主控制模块、键盘及报警模块、人-机交换电路等。电路经Proteus软件仿真达到接近实际电路的效果,下面是硬件的设计与仿真结果。3.1 AT89S52的最小系
20、统电路3.1.1 单片机芯片AT89S52介绍AT89S52是一种带8K字节FLASH存储器(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器,俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S
21、52具有以下标准功能:8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、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。3.1.2 AT89S52的最小系统电路构成AT89S52单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机构成。单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作
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