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22传感器与检测技术综合课程设计辽东学院课程设计报告书传感器与检测技术综合课程设计1辽东学院1课程设计任务书课程设计题目: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:根据电路的要求选择电阻应变式传感器可液晶显示所称物体重量、设置商品单价(元/Kg)及商品总价输出;电子秤称重范围:0~㎏;㎏;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;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:2012年月日传感器与检测技术综合课程设计辽东学院课程设计报告书传感器与检测技术综合课程设计12总体设计方案本设计为一个数字式电子称控制系统及其硬件电路的设计。本设计选用电阻应变式传感器作为物体重力感知设备,通过模数转换芯片,结合可靠、成熟的单片机数字处理技术,通过高亮度LCD12864显示屏实现物体质量实时显示、商品单价设置及商品总价的分行输出功能,便于使用者操作;同时,外设调零旋钮,易于调零校准,相比于机械称大大节省了校准时间;并且在称量商品的质量及总价超过预设最大值时,电子称会发出声光报警,提示用户错误操作,以免对设备造成更大损害。:应变式传感器、模拟信号放大模块、模数转换模块、主控制器模块、键盘、显示模块及报警模块。系统工作流程图如下。键盘显示模块主控制器模块电阻应变式传感器运放电路报警电路校准电路系统工作示意图由应变式传感器原理可知其将压力信号转变成微弱的电信号,经运放电路将其放大到信号处理所需压值得电信号,然后经AD转变换器将其转换成数字信号,送经总控制器进行处理;键盘的功能是设定商品单价(元/Kg)并送入总控制器,经处理后得出商品总价,经显示模块将商品的质量、单价、总价输出,当商品的总质量超过电子称测量极限或总价超出预设总价上限,报警模块会发出提示音和LED闪烁的报警提示,提醒用户操作非法,应及时取消当前操作,以免造成损失。,AT89S52单片机是美国ATMEL公司生产的低功耗、低电压、高性能8位单片机,片内含8k字节的可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和256字节的随机存取数据存储器(RAM),采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大、适合于许多较为复杂控制应用场合。:供电电压。GND:接地。P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时,能驱动8个TTL逻辑门电路。对端口写“1”时,被定义为高阻输入。在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。P1口:P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1口的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(I)。在Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。部分端口还有第二功能,如表3所示:(用于ISP编程)(用于ISP编程)(用于ISP编程)表3P1口部分引脚第二功能P2口:P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(I)。传感器与检测技术综合课程设计辽东学院课程设计报告书传感器与检测技术综合课程设计1在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行******@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据寄存器(例如执行******@Ri指令)时,P2口线上的内容(也即特殊功能寄存器(SFR)区中P2寄存器的内容),在整个访问期间不改变。在Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口:P3口是一个带有内部上拉电阻的双向8位I/O口,P3口的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写“1”时,它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入口使用时,被外部信号拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(I)。P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能,如表4所示:P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。(串行输入口)(串行输出口)(外中断0)(外中断1)(定时/计数器0)(定时/计数器1)(外部数据存储器写选通)(外部数据存储器读选通)表4P3口引脚第二功能RST:复位输入。当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上的高电平时间将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平,设置SFRAUXR的DISRTO位(地址8EH)可打开或关闭该功能。DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。ALE/:当访问外部存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部寄存器,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。值得注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲()。如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。该位置位后,只要一条MOVX和MOVC指令才会激活ALE。此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE无效。传感器与检测技术综合课程设计辽东学院课程设计报告书传感器与检测技术综合课程设计1:程序存储允许()输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89S51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次有效,即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器时,没有两次有效的信号。EA/VPP:外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。需要注意的是:如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。如EA端保持高电平(端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程期间,该引脚用于施加+12V编程电压(VPP)。XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入端。XTAL2:反向振荡放大器器的输出端。,引脚XTAL1和XTAL2分别为该反向放大器的输入端和输出端。这个反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性。如果使用石英晶体,电容应该使用30pF10pF。还可以使用外部时钟。这种情况下,外部时钟脉冲接XTAL1端,即内部时钟发生器的输入端,XTAL2应悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的,所以外部时钟信号的占空比没有特殊要求,但最小高电平持续时间和最大低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。、与MCS-51单片机产品兼容2、8K字节在系统可编程Flash存储器3、1000次擦写周期4、全静态操作:0Hz~33Hz5、三级加密程序存储器6、32个可编程I/O口线7、三个16位定时器/计数器传感器与检测技术综合课程设计辽东学院课程设计报告书传感器与检测技术综合课程设计18、八个中断源9、全双工UART串行通道10、低功耗空闲和掉电模式l1、掉电后中断可唤醒l2、看门狗定时器13、双数据指针l4、、与显示模块接口P0:--D7数据/指令输入端,-,控制显示模块的数据刷新等操作。-、转换时钟CLK、数据输出DO端,单片机通过片选和时钟控制转换器的数模转换,经过DO获取转换结果。与键盘接口单片机的P1口接行列式键盘,-,-。,控制报警器的开关,报警器开时蜂鸣器会发出提示音,LED会被点亮。单片机接口图如下:,将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件,其工作原理是基于材料的电阻应变效应,电阻应变片即可单独作为传感器使用,又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后,由于应变量及相应电阻变化一般都很微小,难以直接精确测量,且不便处理。因此,要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响,抗干扰能力强,但因机械应变的输出信号小,要求用高增益和高稳定性的放大器放大。下图为一直流供电的平衡电阻电桥,接直流电源E:,可视输出端为开路,此时直流电桥称为电压桥,即只有电压输出。当忽略电源的内阻时,由分压原理有:=()当满足条件R1R3=R2R4时,即()传感器与检测技术综合课程设计辽东学院课程设计报告书传感器与检测技术综合课程设计1=0,即电桥平衡。式()称平衡条件。应变片测量电桥在测量前使电桥平衡,从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。若差动工作,即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R,R4=R+△R,按式(),则电桥输出为()应变片式传感器有如下特点:(1)应用和测量范围广,应变片可制成各种机械量传感器。(2)分辨力和灵敏度高,精度较高。(3)结构轻小,对试件影响小,对复杂环境适应性强,可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用,频率响应好。(4)商品化,使用方便,便于实现远距离、自动化测量。通过以上对传感器的比较分析,最终选择了第三种方案。题目要求称重范围0~,,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——。我们选择的是L-PSIII型传感器,量程20Kg,%,,完全满足本系统的精度要求。;经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行A/D转换。为此,测量电路中常设有模拟放大环节。这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。放大器的输入信号一般是由传感器输出的。传感器的输出信号不仅电平低,内阻高,还常伴有较高的共模电压。因此,一般对放大器有如下一些要求:1、输入阻抗应远大于信号源内阻。否则,放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。2、抗共模电压干扰能力强。3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性,输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。从而保证放大器输出性能稳定。4、能附加一些适应特定要求的电路。如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。我们考虑了以下几种方案:方案一利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。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。