「半桥计算机毕业设计」.doc
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1、绪论1 概述随着时代科技的迅猛发展,微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代,使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化,并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统,使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。作为重量测量仪器,智能电子秤在各行各业开始显现其测量准确,测量速度快,易于实时测量和监控的巨大优点,并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量称,成为测量领域的主流产品。本文设计的电子秤以单片机为主要部件,用汇编语言进行软件设计,硬件则以半桥传感器为主,测量050
2、0电子秤,随时可改变上限阈值,并达到阈值报警的功能。称重传感器输出的电量是模拟量,数值比较小达不到A/D转换接收的电压范围。所以送A/D转换之前要对其进行前端放大、整形滤波等处理。然后,A/D转换的结果才能送单片机进行数据处理并显示。其数据显示部分采用LCD显示,成本低且能很好地实现所要求的功能。本次课设完成的电子秤的主要优点是:1、实时测量与监控。、阈值修改与重设功能。、超值报警功能。、测量精度高。、显示速度快、准确。本文设计的电子秤虽然是一个极其简单的智能仪器,但是通过它可以更深入的了解智能仪器的工作原理以及其优异的性能。1.2 本文的主要内容 本文分为五章,第一章主要介绍课题的产生背景和
3、本文讲述的主要内容;第二章主要方案的论证,包括任务的分析实现、硬件和软件的方案设计;第三章详细介绍半桥电子秤的硬件设计;第四章讲述半桥电子秤的软件设计;第五章主要论述调试与分析过程。第2章 方案论证2. 半桥电子秤的任务分析与实现2.11设计任务利用CSY-20传感器与检测技术实验台中的电阻应变片式传感器实验模板完成称重的传感器部分。在传感器的输出端连接放大电路以及滤波整形电路,得到所要的在5之间的信号。本设计主要利用单片机实验箱(含/D转换)、单片机仿真器等对传感器输出量进行AD转换、数据处理、显示,并利用单片机控制蜂鸣器,实现超值报警功能。其中,D转换采用09,键盘/显示采用8279,蜂鸣
4、器由单片机的1.1口控制。技术指标:(1)重量显示为XX.Xg。(2)测重范围:0500g。2.12任务的分析与实现方框图如下:ROM8952 单片机A009放大滤波电路 C显示时钟电路半桥传感器键盘电路键盘电路829复位电路 报警电路测重物电源图2- 硬件原理框图由于电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化,从而引起电压发生变化,即电桥的输出电压反映了相应的受力状态。利用半桥传感器测应力的变化,可以间接的测量物体的质量。传感器测出的信号经过放大电路、整形滤波电路进入/D放大器、单片机,最后通过单片机运行软件程序进行计算,最后送交LCD显示器显示。原理框图如图2-所示。2.2半桥电子
5、秤的硬件方案设计 首先由图2-2了解电子秤的构成: 图2-2 电子秤的构成原理图根据任务的要求,半桥电子秤的硬件部分分成以下几个部分:测量部分:用半桥传感器和振动台实现从非电量(质量)到电量(电压)的转换即。2.调理电路:主要指由双运放组成的运算放大电路。由于半桥传感器的输出电压比较小,只有几个毫伏,而A/转换器要求的电压在0-5V之间,而放大电路的增益是可调的,故运用运算放大电路将电压信号放大到所要求的的范围。传感器的输出信号,在实验条件下会产生噪声,为了避免干扰消除噪声,就需要滤波电路。3A/D转换部分:计算机所能处理的是二进制的数字量,而传感器经过放大器出来的信号是模拟量,计算机不能处理
6、,所以需要一个AD转换电路完成从模拟量到数字量的转换。4.单片机:采集的信号要进行显示,阈值要进行比较等都要经过单片机的处理。单片机主要完成数据处理,使显示值与称重值对应。同时对键盘输入阈值进行显示并与A/D值比较,控制蜂鸣器进行报警。键盘/显示电路:阈值设定与称重值显示。6报警电路部分:在所秤质量超过设定阈值时,报警电路工作,蜂鸣器报警。应变式传感器半桥式连接图2-3:图2-3 应变式传感器半桥式连接图2.3半桥电子秤的软件方案设计根据模块化设计程序的思想设计程序,其中包括:监控子程序的设计、数据处理子程序的设计、数据采集子程序的设计、键盘扫描子程序的设计、显示子程序的设计、报警子程序的设计
7、几大部分。监控程序实时监测测量值的范围,若超出阈值则调用报警子程序,实现报警,它是实现超值报警功能的关键部分。传感器输出值与显示值之间有一定的对应关系。AD采样值为十六进制数,LD显示需要BD码,所以数制之间需要转换。这些过程都需要通过数据处理子程序来完成。数据采集子程序是控制/转换的程序,通过它启动转换,并将采集的数据存入数据存储区。这是数字化电子秤的关键。键盘扫描子程序实时监视键盘是否有有重设阈值的要求,实现对键盘阈值重新设定的需求。并将键盘扫描值保存、显示。键盘是电子秤的主要控制部件,不同按键又有不同的功能定义,“09”为数据区,“”返回重新设置阈值界面。“E”为确定阈值输入。”D”为进
8、入设置阈值界面。显示子程序是将测量结果送显示器显示。是电子秤的窗口部件。初始化调监控程序调键盘扫描子程序调A/D转换子程序调数据处理子程序调显示子程序调报警子程序报警报警?开始 N Y 图2-4 软件原理框图第3章 半桥电子秤的硬件设计3.1 传感器的选择.1.1应变式电阻传感器的测量原理。应变式电阻传感器的工作原理:当导体或半导体受到外力作用时,会产生机械变形,从而导致阻值变化。导体与半导体的电阻与电阻率及其几何尺寸有关。当导体受外力作用时,电阻率及几何尺寸的变化会引起电阻的变化。因此,通过测量电阻值的大小,就可以反映外界力的大小。电阻型应变片传感器的测量电路可采用桥式测量电路。桥式测量电路
9、有四个电阻,其中任何一个电阻均可以是应变片。图31桥式测量电路图电桥平衡,即输出电压为时的条件是:=。若即电桥不平衡时,电桥输出电压 : =(-)/(+)(+) (3-1)如能恰当选择各桥臂的电阻,可消除电桥的恒定输出,使输出电压只与应变片的电阻有关。每当桥的变化远小于本身阻值,即时,可得输出电压为:(-+-) (-)3.1.传感器的分类和选择应变片式电阻传感器按其测量电路(桥式)可分为单臂式、半桥式、全桥式三种。所谓半桥,即将电桥的四臂接入四应变片。其中:一片受拉,一片受压,另外两应变片不受力。全桥是两片受拉,两片受压,故灵敏度比半桥式的大一倍。本方案采用半桥式传感器。3.2 放大电路的设计
10、传感器输出电压为毫伏级,而A/转换器所能处理的电压是05V,所以必须在/D转换器前加入一个前置差动放大电路以实现电压的放大,放大倍数为100倍,使输出电压为05V。由于单运放在应用中要求外围电路匹配精度高、增益调整不便、差动输入阻抗低,故采用三运放结构。三运放结构具有差动输入阻抗高、共膜抑制比高、偏置电流低等优点,且有良好的温度稳定性,低噪单端输出和和增益调整方便,适于在传感器电路中应用。如图3-2所示,图中为增益调节电阻,整个芯片仅为外接电阻,而运放为增益为1的差动输入放大器。利用理想运放条件可列写方程。设流过的电流为:再由、的虚短可知: 所以 =又=-故=(-)(1+)所以 =1+2 (3
11、3)可以看出三运放增益只与取值有关。图3- 放大电路硬件原理图.3 采集电路的设计3.3数据采集系统的组成数据采集的核心是计算机,它对整个系统进行控制和数据处理。它由采样保持器、放大器、/D转换器、计算机等组成。半桥 传感器测量物体单片机/D转换器采样保持器滤波放大器 图3- 数据采样系统框图.3.2数据采样保持器进行模数变换时,从启动变换到变换结束的数字量输出,需要一定的时间,即D转换的孔径时间。当输入信号频率较高,由于孔径时间的存在,会造成较大的转换误差;为了防止误差需在中间加一个功能器件采样/保持器,进行有效、正确的数据采集。采样/保持器通常由保持电容器、模拟开关和运算放大器组成。其中对
12、于低速场合可以采用继电器作为开关以减小开关漏电流的影响;在高速场合也可以用晶体管、场效应管来作为开关。 采样保持器的原理:如图,当开关闭合时,V通过限电流电阻向电容C充电,在电容值合理的情况下,V随的变化而变化;当K断开时,由于电容C有一定的容量,此时输出V0保持输入信号再开断开瞬间的电平值。图3-4采集/保持原理图在模拟信号输入通道中,是否需要加采样/保持器,取决于模拟信号的变化频率和A/D转换器的孔径时间;对快速过程信号,当最大孔径误差超过允许值时,必须在AD转换器前加采样/保持器。但如果输入模拟量是直流量或者被测信号模拟量随时间变化非常缓慢,采样/保持(S/H)电路可以省去。.3.3 /
13、D转换器设计中AD转换器用的是D809 A/D转换器,它是8路位逐次逼近式转换器,结果为8位二进制数据,转换时间短(一般在级),满足题目要求的“实时采样”,并且它的转换精度在0.1上下,比较适中,适用于一般场合。由图-可见,单片机通过读控制线W和009片选线控制启动/转换及输入通道地址锁存,写控制线WR与AD089片选线控制输出允许。由于DC0809具有通道地址锁存功能,通道选择D.A、AD.、AD.直接接单片机的数据口。模拟电压由IN通道输入,A/D采样电压在5v之间变化。所模拟通道IN0地址口为0AOO,但是ADC089无内置时钟,所以LCK由外部时钟信号控制。图3-5 A/D转换器与单片
14、机的接口电路3. 显示电路的设计显示部分可以将处理得出的信号在显示器上显示,让人们直观的看到被测体的质量,也可以进行报警提示。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。本设计采用的显示模块是264点阵的汉字图形型液晶显示模块,可显示汉字及图形,内置82个中文汉字(16X16点阵)、8个字符(X16点阵)及4X256点阵显示R(RA)。可与C直接接口,提供两种界面来连接微处理机:8位并行及串行两种连接方式。具有多种功能:光标显示、画面移位、睡眠模式等。3.5 键盘电路的设计利用键盘可选择电子秤工作模式、设定测量
15、上限等。键盘部分采用矩阵式的键盘,采用这种结构的特点是把检测线分为两组,一组为行线,一组为列线,按键放在行线和列线的交叉点上。矩阵式的键盘的优点是需要的测试线的数量少,对于一个MN的矩阵键盘与主机连接只需要MN条测试线,这样键盘的规模越大,矩阵时键盘的有点越显著,当需要的按键数目大于8时,一般都采用矩阵式键盘。图6矩阵式键盘结构图36 报警电路的设计+5vP1.0Pp报警电路是超过阈值设定的范围,单片机输出信号驱动蜂鸣器发声报警。蜂鸣器9012如图3所示。当BLL端为低电平时,有电流通过蜂鸣器,蜂鸣器报警。反之,当EL端为高电平时,不报警。即当电压值超过预定值时,电路报警。这里设定当超过质量上
16、限时通过软件使8031的1.口清零,再用P.口出来的低电平信号连接至BEL端驱动蜂鸣器发声报警。 图3-8 报警电路第4章半桥电子秤的软件设计4.1 引言软件设计一般按下列步骤进行:即先分析仪器系统对软件的要求;然后在此基础上进行软件总体设计,包括程序整体结构设计和对程序进行模块化设计,模块化设计即将程序划分为若干个相对独立的模块;接着画出每一个专用模块的详细流程图,并选择合适的语言编写程序;最后按照软件总体设计时给出的结构框图,将各模块连接成一个完整的程序。在主程序的设计中要合理地调用各模块程序,特别注意各模块的入口、出口及对硬件的、资源占用情况。采用模块化设计方法以后依据仪表的功能要求将软
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