毕业设计基于单片机的电子称设计样本.doc

目录
前言
1 设计内容及总体方案 3
1.1 设计内容 6
1.2 总体方案 6
2 传感器选取 7
2.1 测量原理分析 8
2.2 应变电桥 9
3 信号调理电路设计 10
3.1 放大电路设计 10
3.2 滤波电路设计 10
4 A/D转换设计 10
4.1 ADC0809芯片 11
4.2 MC51单片机与ADC0809接口电路 12
5 单片机选取 15
6显示单元设计 19
7 参照文献 22

前言

随着科技发展，检测技术已经进一步各种领域。为了发展和学习检测技术，为了巩固运用所学知识，咱们进行检测系统综合课程设计。一方面，咱们应当时步理解检测系统设计环节，掌握系统设计办法，加深对理论知识理解，能运用所学《传感器原理》、《智能仪表电路》《仪器仪表电路》等专业知识设计测控系统各个单元，并构成系统。
检测系统综合课程设计是测控技术与仪器专业必要完毕一种课程设计。是一种重要教学环节，通过本设计，培养学生理论联系实际设计思想，训练综合运用传感器设计和关于课程理论，结合实际分析和解决工程实际问题能力，巩固加深关于传感器、智能仪器、单片机、测控电路等方面知识。
通过制定检测系统设计方案，合理选取传感器及其她元件，对的计算、选取各零件和元件参数，拟定尺寸和选取材料，以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等规定，达到理解和掌握检测系统综合设计过程和办法目。进行设计基本技能训练。如：计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、原则和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据解决及计算机应用能力。

1设计内容及总体方案
1.1设计内容
1．在温度、压力、流量、机械量（含位移、速度、加速度等）、液位、组分、成等常用参数中，选取有工程应用价值一种或几种参数作为本课程设计要构造检测系统被测参数；
2. 初步拟定技术方案，经与指引教师协商并经教师批准后展开详细系统设计；
3.  合理选取传感器种类与型号；
4. 对的选取或设计信号调理电路（涉及放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路设计和有关电路参数计算），并绘制检测系统装配图；学会对的使用各种设计手册、国标、设计规范等；
5. 按学校课程设计阐明书撰写规范提交一份课程设计阐明书（6000字左右）；
6.按机械制图原则绘制机械装配图（不不大于A3）、电气原理图各一张。
1.2总体方案
本次设计规定在在温度、压力、流量、机械量（含位移、速度、加速度等）、液位、组分、成等常用参数中，选取有工程应用价值一种或几种参数作为本课程设计要构造检测系统被测参数。那么，选取最惯用测量量比较适当。咱们选取测压力，传感器选取应用最广泛电阻应变式传感器。其后是放大器。差动放大电路作用就是把传感器输出薄弱模仿信号进行一定倍数放大，以满足A/D转换器对输入信号电平规定。A/D转换作用是把模仿信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量成果。
本次设计是以设计电子称为基本，如下是总体方案图
电阻应变片
信号调理电路
压力量
弹性元件
应变
A/D转换
单片机
输出显示

图1-1 总体方案图

整个系统由测量电桥，信号调理电路，A/D转换器，单片机，显示屏构成。
一方面运用由电阻应变式传感器构成测量电路测出物质重量信号，以模仿信号方式输出。通过了信号调理电路把传感器输出薄弱信号进行一定倍数放大，滤波，然后送A/D转换电路中。再由A/D转换电路把接受到模仿信号转换成数字信号，传送到单片机后进行调节，最后由显示电路显示数据。
详细方案如下：
电阻应变式传感器输出信号
信号调理电路
显示电路
LED
A/D转换电路

单片机

图1-2详细方案图

2传感器选取
2.1测量原理分析
电阻应变式传感器简称电阻应变计。当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件表面上时，则敏感元件将随构件一起变形，其电阻值也随之变化，而电阻变化与构件变形保持一定线性关系，进而通过相应二次仪表系统即可测得构件变形。通过应变计在构件上不同粘贴方式及电路不同联接，即可测得重力、变形、扭矩等机械参数
由物理学已知，一根金属丝电阻为： （2-1）
在金属丝弹性范畴内 ： △R/R=K εx （2-2）
式中：Ks ——金属丝敏捷系数
εx ——金属丝应变
如下为金属应变片构造：

图2-1 金属应变片构造图
如图所示为丝绕式应变片构造示意图。它以直径为0.025mm左右、高电阻率合金电阻丝，绕成形如栅状敏感栅。敏感栅为应变片敏感元件，它作用是感应应变变化。敏感栅粘贴在基片上。基片除能固定敏感栅之外，尚有绝缘作用；敏感栅上面粘贴有覆盖层。敏感栅电阻丝两端焊接引出线，用来和外接导线连接。

本设计需要4个应变片，它们分布如下图：

图2-2应变片粘贴示意图
作用力F与某一位置处应变关系可按下式计算： （2-3）
式中： ——距自由端为处应变值；
——梁长度；
E——梁材料弹性模量；
A——梁截面积；
h——梁厚度。
在此传感器选用在双孔悬壁梁式称重传感器。双孔悬臂梁式称重传感器是电子计价秤中广泛使用传感器。这种传感器弹性体具备上下两个平行梁。它最大特点就是具备抗偏载力学特性。也就是说，弹性体应变量ε只取决于作用在弹性体平面内且与轴线相垂直力分量，而与其她分量无关。型号选取cb004，觉得是它关于参数：
产品类型：CB004 系列 ； 构造特点：铝合金 ；
应用领域：定量包装秤和配料秤等 功能特点：体积小，质量轻，精度高
额定载荷：0~100Kg

2.2应变电桥
应变片由于温度变化引起电阻变化与试件应变所导致电阻变化几乎有相似数量级，如果不采用必要是办法克服温度影响，测量精度无法保证，可采用电桥电路补偿。
当贴有电阻应变片弹性平衡梁受到载荷Ｆ作用时，电阻应变片Ｒ1和Ｒ3受到拉伸作用，阻值增长；Ｒ2和Ｒ4受到压缩作用，阻值减小，电桥失去平衡，产生不平衡电压Ｕ 大小与所受作用力Ｆ成正比。电桥输出电压反映了电阻应变片相应受力状态。

图2-3电桥电路图
电桥电路是最惯用非电量电测电路中一种，当电桥平衡时，桥路对臂电
阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4 中，电阻相对变化率分别为△R1/ R1、△R2/ R2、△R3/ R3、△R4/ R4 ，当使用一种应变片时， ；当二个应变片构成差动状态工作，则有 ；
用四个应变片构成二个差动对工作，且R1= R2= R3= R4=R，

图2-4 应变电桥
当电桥背面接放大器时，放大器输入阻抗都很高，比电桥输出电阻大诸多，因而可以把电桥输出端当作是开路。若电桥不平衡时，即R1R3≠R2R4时，电桥输出：

正好选取各桥臂电阻，可消除电桥恒定输出，使输出电压只与应变片输出关于。
令R1=R2,R3=R4,在应变片工作时，其电阻R1变化△R,此时电桥敏捷度为：ku=U/4
电压输出为： UO=(U/4)(△R1/R1)

3信号调理电路设计
3.1放大电路
本次设计中，规定用一种放大电路。在许多需要用A/D转换和数字采集单片机系统中，多数状况下，传感器输出模仿信号都很薄弱，必要通过一种模仿放大器对其进行一定倍数放大，才干满足A/D转换器对输入信号电平规定，在此状况下，就必要选取一种符合规定放大器。仪表仪器放大器选型诸多，咱们这里简介一种用途非常广泛仪表放大器。
来自传感器信号普通都随着着很大共模电压（涉及干扰电压）。普通采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必要规定外接电阻完全平衡对称，运算放大器才具备抱负特性。否则，放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度关于，又与运算放大器自身共模抑制能力关于。普通运算放大器共模抑制比可达80dB，而采用由几种集成运算放大器构成测量放大电路，共模抑制比可达100～120dB。
结合以上几点，采用了低漂移运算放大器构成双运放高共模抑制比放大电路。详细电路如图所示：

图3-1同相串联型双运放高共模抑制比放大电路
共模电压Uic=(Ui1+Ui2)/2
差模电压Uid=Ui2-Ui1
UO=(1-
R3
R4
)
UiC
+1/2(1+
R3
2R4
+
)Uid
R1
R1
R2
R4
R3
R2

若 ， 则上式第一项为零,较好抑制了共模信号.

差模增益：Kd=(1+Rf/R) ，本电路特点是输入阻抗高.

3.2滤波电路
滤波器是具备频率选取作用电路或运算解决系统，具备滤除噪声和分离各种不同信号功能。传感器过来信号经常带有各种各样干扰，因而要采用滤波电路来去除干扰。综合考虑，采用低通滤波器，
增益：Kp=R4/R3

图3-2 低通滤波器

4 A/D转换
A/D转换作用是进行模数转换，把接受到模仿信号转换成数字信号输出。在选取A/D转换时，先要拟定A/D转换位数，该设计运用是8位A/D转换器ADC0809，A/D转换误位数拟定与整个测量控制系统所需测量控制范畴和精度关于，系统精度涉及环节诸多，涉及传感器变换精度，信号预解决电路精度A/D转换器以及输出电路等。

4.1ADC0809芯片简介
关于 ADC0809简介：ADC0809 是CMOS 单片型逐次逼近式A／D 转换器，内部构造如图13．22 所示，它由8 路模仿开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A 转换器、逐次逼近，寄存器、三态输出锁存器等其他某些电路构成。因而，ADC0809 可解决8路模仿量输入，且有三态输出能力，既可与各种微解决器相连，也可单独工作。输入输出与TTL 兼容。
重要特性：
1）8路8位A／D 转换器，即辨别率8 位。
2）具备转换起停控制端。
3）转换时间为100μs
4）单个＋5V 电源供电
5）模仿输入电压范畴0～＋5V，不需零点和满刻度校准。
6）工作温度范畴为-40～＋85 摄氏度
7）低功耗，约15mW。

图4-1 ADC0809管脚图
对ADC0809重要信号引脚功能阐明如下：
IN7～IN0——模仿量输入通道
ALE——地址锁存容许信号。相应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。

START——转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持 低电平。本信号有时简写为ST.
A、B、C——地址线。 通道端口选取线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。其地址状态与通道相应关系见表9-1。
CLK——时钟信号。ADC0809内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因而有时钟信号引脚。普通使用频率为500KHz时钟信号
EOC——转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询状态标志，又可作为中断祈求信号使用。
D7～D0——数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高

OE——输出容许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到数据。
Vcc—— +5V电源。
Vref——参照电源参照电压用来与输入模仿信号进行比较，作为逐次逼近基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V，Vref(-)=-5V).

4.2 MCS-51单片机与ADC0809接口电路
ADC0809与MCS-51单片机连接如图所示:
电路连接重要涉及两个问题。一是8路模仿信号通道选取，二是A/D转换完毕后转换数据传送。

图4-2 ADC0809与MCS-51连接
A/D转换完毕数据输送
A/D 转换后得到是数字量模仿量，这些数据应传诵给单片机进行解决。数据串核心是如何拟定A/D 转换完毕。由于只有拟定数据转换完毕后，才进行传送。为此可采用如下三种方式：
1定期传送方式：
对于一种A时子程序。A/D 转换启动后，就调动这个子程序，延迟时间一到，转换必定已经完毕了。接着，就可以进行数据传送/D 转换来说，转换时间作为一项技术指标是已知和固定。例如ADC0809转换时间为128us，相称于6MHZMCS-51单片机共60 个机器周期。可依照此设计一种延了。
2 查询方式
A/D 转换芯片表白有转换完毕状态信号，例如ADC0809 E 端，因而可以通过查询方式用软件测试EOC状态，即可懂得转换与否完毕，若完毕，则接着进行数据传送。

3中断方式
中断方式ADC0809与8031中断方式接口电路只需将0809EOC端通过一非门连接到8031INTl 端即可。采用中断方式可大大节约CPU时间，当转换结束时，EOC发出一种脉冲向单片机提出中断祈求，单片机响应中断祈求， 由外部中断1 中断服务程序读A／D 成果，并启动0809下一次转换，外部中断1 采用边沿触发方式。
程序如下：
INITl： SETB ITl ； 外部中断1 初始化编程
SETB EA
SETB EXl
MOV DPTR，#7FF8H ； 启动0809 对IN0 通道转换
MOVX @DPTR，A
MOV DPTR，#7FF8H ；读取A／D成果送缓冲单元30H
MOVX A，@DPTR
MOV 30H，A
MOVX @DPTR，A ；启动0809 对IN0通道下一次转换
RETI
不论使用上述那种方式，一旦拟定转换完毕，即可通过指令进行数据传送，一方面送出口地址，并以RD 做选通信号，OE 信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。
A/D转换程序：
ORG 0000H
MOV DPTR,#0FEF8H ;AD转换IN0通道地址
MOV A,#00H
MOVX @DPTR,A ;启动AD转换
START:CLR ST
SETB ST
CLR ST
JNB EOC
SETB OE
MOV 30H,P2
CLR OE
MOV A,30H
MOV B,#100
DIV AB
LOOP： MOV BAI,A
MOV SHI,B

MOV A,SHI
MOV B,#10
DIV AB
MOV SHI,A
MOV GEWEI,B
MOV A,BAI
MOV P1,A
CLR P3.2
LCALL DELAY
SETB P3.2
MOV A,SHI
MOV P1,A
CLR P3.1
LCALL DELAY
SETB P3.1

MOV A,GEWEI
MOV P1,A
CLR P3.0
LCALL DELAY
SETB P3.0
SJMP START

5单片机选取
依照对单片机种类结识，本系统选用51系列单片机80C51。
    80C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本产品，它采用INTEL公司可靠CHMOS工艺技术制造高性能8位单片机，属于原则MCS-51HCMOS产品。它结合了HMOS高速和高密度技术及CHMOS低功耗特性，它继承和扩展了MCS-48单片机体系构造和指令系统。
     80C51内置中央解决单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定期/计数器和5个两级中断构造，一种全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。
    此外，80C51还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选取空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定期器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同步停止芯片内其他功能。80C51有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。

图5-1单片机89C51管脚图
Vss(20脚):接地
VCC（40脚）：主电源+5V
XTAL1（19脚）:接外部晶体一端。在片内它是振荡电路反相放大器输入端。在采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该端引脚必要接地；对于CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。
XTAL2（18脚）：接外部晶体另一端。在片内它是一种振荡电路反相放大器输出端，振荡电路频率是晶体振荡频率。若需采用外部时钟电路，对于HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。

RST（9脚）：单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处在随机状态，在该脚输入24个时钟周期宽度以上高电平将使单片机复位（RESET）
PSEN（29脚）：在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。但是，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不浮现。PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。咱们依照PSEN、ALE和XTAL2输出端与否有信号输出，可以鉴别80C51与否在工作。
ALE/PROG（30脚）:在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。但是，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不浮现。PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。咱们依照PSEN、ALE和XTAL2输出端与否有信号输出，可以鉴别80C51与否在工作。
EA/VPP（31脚）：当EA端输入高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。本地址超过4KB时，将自动执行片外程序存储器程序。当EA输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。在对87C51EPROM编程时，此引脚用于施加编程电压VPP。
输入/输出引脚：
（1）P0.0—P0.7    (39脚—32脚)
（2）P1.0—P1.7   （1脚—8脚）
（3）P2.0—P2.7   （26脚—21脚）
（4）P3.0—P3.7   （10脚—17脚）
P0口：P0口为一种8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸取8TTL门电流。当P1口管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0可以用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必要被拉高。
P1口：P1口是一种内部提供上拉电阻8位双向I/O口，P1口缓冲器能接受输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接受。
P2口：P2口为一种内部上拉电阻8位双向I/O口，P2口缓冲器可接受，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因而作为输入时，P2口管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址高八位。在给出地址“1”时，它运用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器内容。P2口在FLASH编程和校验时接受高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻双向I/O口，可接受输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉缘故。
P3口也可作为AT89C51某些特殊功能口，如下表所示：
P3口管脚 备选功能
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（记时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
表5-1 单片机89C51重要功能特性
 重要功能特性：

  · 原则MCS-51内核和指令系统
· 4kB内部ROM（外部可扩展至64kB）
  · 32个可编程双向I/O口
· 128x8bit内部RAM(可扩充64kB外部存储器)
  · 2个16位可编程定期/计数器
· 时钟频率0-16MHz
  · 5个中断源
· 5.0V工作电压
  · 可编程全双工串行通信口
· 布尔解决器
  · 2层优先级中断构造
· 电源空闲和掉电模式
  · 迅速脉冲编程
· 2层程序加密位
  · PDIP和PLCC封装形式
· 兼容TTL和CMOS逻辑电平
6显示单元
用80C51串行口外接74LS164扩展8位并行输出口，如图所示，8位并行口各位都接一种发光二极管，规定发光管呈流水灯状态。 串行口方式0数据传送可采用中断方式，也可采用查询方式，无论哪种方式，都要借助于TI或RI标志。串行发送时，可以靠TI置位（发完一帧数据后）引起中断申请，在中断服务程序中发送下一帧数据，或者通过查询TI状态，只要TI为0就继续查询，TI为1就结束查询，发送下一帧数据。在串行接受时，则由RI引起中断或对RI查询来拟定何时接受下一帧数据。无论采用什么方式，在开始通讯之前，都要先对控制寄存器SCON进行初始化。在方式0中将，将00H送SCON就可以了。
芯片简介：
74LS164 是8位移位寄存器（串行输入，并行输出）。
当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。 串行数据输入端（A，B）可控制数据。当 A、B 任意一种为低电平，则禁 止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下 Q0 为低电平。当 A、B 有一种为高电平，则另一种就容许输入数据，并在 CLOCK 上升沿作用下决定 Q0 状态。 引出端符号 CLOCK 时钟输入端 CLEAR 同步清除输入端（低电平有效） A，B 串行数据输入端 QA－QH 输出端

图6-1 74LS164引脚图

表6-1 真值表

显示电路图：

图6-2 显示电路图
多位LED显示时，常将所有位段选线并联在一起，由一种8位I／O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由另一种8位I／O口控制；也可采用并行扩展口构成显示电路，普通，需要扩展器件管脚较多，价格较高。图所示是该电路硬件原理图。其中，74LS164是8位并行输出门控串行输入移位寄存器，LED采用L05F型共阴极数码管。
　　 显示时，其显示数据以串行方式从89C51P3.0口输出送往移位寄存器74LS164A、B端，然后将变成并行数据从输出端Q0～Q7输出，以控制开关管WT1～WT8集电极，然后再将输出LED段选码同步送往数码管LED1～LED8。这样，8个数码管便以100ms时间间隔轮流显示。由于人眼残留效应，这8个数码管看上去几乎是同步显示。
显示程序：
START： CLR A ；熄灭显示屏
MOV P1，A
MOV Ro ,#20H
MOV A ,@Ro ；显示个位
MOV A ，#0FH
MOV A ，#20H
MOV P1,A
ACALL DMS
INC Ro
MOV A ,@Ro
MOV A ，#0FH
MOV A ，#40H ； 显示百位
MOV P1 ， A
ACALL DMS
RET
DMS： MOV R 7 ,#02H
DL1： MOV R6 ， #0FFH
DL2： DJNZ R6 ， DL2
DJNZ R 7 ， DL1
RET

7参照文献
1. 刘迎春.传感器原理.国防工业出版社.
2. 袁希光.传感器技术手册.国防工业出版社.1986年
3. 郑秀瑗.应力应变电测技术.国防工业出版社.1985年
4. 蔡春源.新编机械设计手册.辽宁科学技术出版社.1993年
5. 王森.仪表惯用数据手册.化学工业出版社.1998年
6. 孙传友.测控电路及装置.北京航空航天大学出版社.
7. 王俊杰.检测技术与仪表.武汉理工大学出版社.