毕业设计基于单片机的电子称设计

1目录前言1设计内容及总体方案................................................31.1设计内容.....................................错误!未定义书签。1.2总体方案.....................................错误!未定义书签。2传感器的选择.....................................错误!未定义书签。2.1测量原理分析..................................................82.2应变电桥.....................................错误!未定义书签。3信号调理电路的设计...............................................103.1放大电路的设计...............................................103.2滤波电路的设计...............................................104A/D转换的设计...................................................104.1ADC0809芯片.................................................114.2MC51单片机与ADC0809接口电路................................125单片机的选择.....................................................156显示单元的设计...................................................197参考文献.........................................................222前言随着科技的发展，检测技术已经深入各种领域。为了发展和学习检测技术，为了巩固利用所学知识，我们进行检测系统综合课程设计。首先，我们应该初步了解检测系统的设计步骤，掌握系统设计方法，加深对理论知识的理解，能运用所学的《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，并组成系统。检测系统综合课程设计是测控技术与仪器专业的必须完成的一个课程设计。是一个重要的教学环节，通过本设计，培养学生理论联系实际的设计思想，训练综合运用传感器设计和有关课程的理论，结合实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固加深有关传感器、智能仪器、单片机、测控电路等方面的知识。通过制定检测系统设计方案，合理选择传感器及其他元件，正确计算、选择各零件和元件参数，确定尺寸和选择材料，以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求，达到了解和掌握检测系统综合设计过程和方法的目的。进行设计基本技能的训练。如：计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数据、进行经验估算和数据处理及计算机应用的能力。31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、成等常见参数中，选择有工程应用价值的一个或几个参数作为本课程设计要构造的检测系统的被测参数；2.初步拟定技术方案，经与指导老师协商并经老师同意后展开具体的系统设计；3.合理选择传感器的种类与型号；4.正确选择或设计信号调理电路（包括放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路的设计和相关电路参数计算），并绘制检测系统装配图；学会正确使用各种设计手册、国家标准、设计规范等；5.按学校课程设计说明书撰写规范提交一份课程设计说明书（6000字左右）；6.按机械制图标准绘制机械装配图（不小于A3）、电气原理图各一张。1.2总体方案本次设计要求在在温度、压力、流量、机械量（含位移、速度、加速度等）、液位、组分、成等常见参数中，选择有工程应用价值的一个或几个参数作为本课程设计要构造的检测系统的被测参数。那么，选择最常用的测量量比较合适。我们选择测压力，传感器选择应用最广泛的电阻应变式传感器。其后是放大器。差动放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。A/D转换的作用是把模拟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结果。本次设计是以设计电子称为基础的，以下是总体方案图4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，显示器组成。首先利用由电阻应变式传感器组成的测量电路测出物质的重量信号，以模拟信号的方式输出。经过了信号调理电路把传感器输出的微弱信号进行一定倍数的放大，滤波，然后送A/D转换电路中。再由A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到单片机后进行调整，最后由显示电路显示数据。具体方案如下：图1-2具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电阻应变式传感器输出信号信号调理电路显示电路LEDA/D转换电路单片机52传感器的选择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的表面上时，则敏感元件将随构件一起变形，其电阻值也随之变化，而电阻的变化与构件的变形保持一定的线性关系，进而通过相应的二次仪表系统即可测得构件的变形。通过应变计在构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得重力、变形、扭矩等机械参数由物理学已知，一根金属丝的电阻为：（2-1）在金属丝的弹性范围内：△R/R=Kεx（2-2）式中：Ks——金属丝的灵敏系数εx——金属丝的应变以下为金属应变片的结构：图2-1金属应变片结构图如图所示为丝绕式应变片的构造示意图。它以直径为0.025mm左右的、高电阻率的合金的电阻丝，绕成形如栅状的敏感栅。敏感栅为应变片的敏感元件，它的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，还有绝缘的作用；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lRS6和外接导线连接。本设计需要4个应变片，它们的分布如下图：图2-2应变片粘贴示意图作用力F与某一位置处的应变关系可按下式计算：06xFlEAh（2-3）式中：x——距自由端为0l处的应变值；l——梁的长度；E——梁的材料弹性模量；A——梁的截面积；h——梁的厚度。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的传感器。这种传感器的弹性体具有上下两个平行梁。它的最大特点就是具有抗偏载的力学特性。也就是说，弹性体的应变量ε只取决于作用在弹性体平面内且与轴线相垂直的力分量，而与其他分量无关。型号选择cb004，以为是它的有关参数：产品类型:CB004系列；结构特点：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：0~100Kg72.2应变电桥应变片由于温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，如果不采取必要是措施克服温度的影响，测量精度无法保证，可采用电桥电路补偿。当贴有电阻应变片的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，阻值增加；Ｒ2和Ｒ4受到压缩作用，阻值减小，电桥失去平衡，产生的不平衡电压Ｕ的大小与所受作用力Ｆ成正比。电桥的输出电压反映了电阻应变片相应的受力状态。图2-3电桥电路图电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，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，电阻的相对变化率分别为△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4，当使用一个应变片时，；当二个应变片组成差动状态工作，则有；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1=R2=R3=R4=R，8图2-4应变电桥当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大很多，因此可以把电桥输出端看成是开路。若电桥不平衡时，即R1R3≠R2R4时，电桥输出：URRRRRRRRU))((432142310恰好选择各桥臂电阻，可消除电桥的恒定输出，使输出电压只与应变片输出有关。令R1=R2,R3=R4,在应变片工作时，其电阻R1变化△R,此时电桥的灵敏度为：ku=U/4电压输出为:UO=(U/4)(△R1/R1)3信号调理电路的设计3.1放大电路本次设计中，要求用一个放大电路。在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。仪表仪器放大器的选型很9多，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器。来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压）。一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称，运算放大器才具有理想特性。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有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。一般运算放大器共模抑制比可达80dB，而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，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的双运放高共模抑制比放大电路。具体的电路如图所示：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),本电路的特点是输入阻抗高.UO=(1-R3R4)UiC+1/2(1+R32R4+)UidR1R1R2R4R3R2++--A2A1R1R2R3R4Ui2Ui1UOUO1。。。++--A2A1R1R2R3R4Ui2Ui1UOUO1++--A2A1R1R2R3R4Ui2Ui1UOUO1++--A2A1R1R2R3R4Ui2Ui1UOUO1。。。若R3R4R1R2==RRf若R3R4R1R2==RRf103.2滤波电路滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。传感器过来的信号经常带有各种各样的干扰，因此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4A/D转换A/D转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。在选择A/D转换时，先要确定A/D转换的位数，该设计运用的是8位A/D转换器ADC0809，A/D转换误的位数确定与整个测量控制系统所需测量控制的范围和精度有关，系统精度涉及的环节很多，包括传感器的变换精度，信号预处理电路精度A/D转换器以及输出电路等。114.1ADC0809芯片介绍关于ADC0809的介绍：ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图13．22所示，它由8路模拟开关、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它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。主要特性：1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100μs4）单个＋5V电源供电5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度7）低功耗，约15mW。图4-1ADC0809管脚图对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN7～IN0——模拟量输入通道12ALE——地址锁存允许信号。对应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；