基于单片机拉伸仪系统的设计.docx
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基于单片机拉伸仪系统的设计
计算机控制技术
课程设计
成绩评定表
设计课题：
基于单片机拉伸仪系统的设计
学院名称：
电气工程学院
专业班级：
自动0704
学生姓名：
学号：
指导教师：
设计地点：
设计时间：
指导教师意见：
成绩:
签名：
年月日
计算机控制技术
课程设计
课程设计名称：
单片机拉伸仪系统设计
专业班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
课程设计地点：
课程设计时间：
2010-6-14~2010-6-19
计算机控制技术课程设计任务书
学生姓名
专业班级
学号
题目
单片机拉伸仪系统设计
课题性质
工程设计
课题来源
自拟
指导教师
主要内容
（参数）
本文是基于自整定PID控制算法的控制系统设计,以AVR单片机为主体构成一个能进行简单的数据处理和拉力检测系统,有自动检测,实时数据采集,处理等功能。
任务要求
（进度）
第1天：
熟悉课程设计任务及要求，针对课题查阅技术资料。
第2天：
确定设计方案。
要求对设计方案进行分析、比较、论证，画出方框图，并简述工作原理。
第3-4天：
按照确定的方案设计单元电路。
要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。
第5天：
撰写课程设计报告。
要求内容完整、图表清晰、文理流畅、格式规范、方案合理、设计正确，篇幅不少于3000字。
主要参考
资料
[1]第三届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1997）．北京理工大学出版社．1997年1月
[2]谭运光、陈安源等．单片机开发手册[M]．华龄出版社．1994年l2月
[3]李华编．AVR系列单片机实用接口技术[M]．北京航空航天大学出版社．1993年8月
[4]实用电子电路手册[J]．高等教育出版社．1992年10月
审查意见
系（教研室）主任签字：
年月日
摘要
拉伸仪是食品、质检等行业的重要控制设备。
随着我国经济飞速发展，食品、质检行业方兴未艾，开发高精度、智能型的拉伸仪已成为必然。
本文面向定向食品、质检控制领域，借鉴国内外可编程拉伸控制器的设计，给出了可编程拉伸仪的主要设计方案和技术指标，开发了一款基于ATmega16单片机的可编程拉伸仪。
本文详细给出了拉伸仪的设计方法，根据工艺要求，采用单片微机设计，集测量控制一体化的新型称重控制器，可实现自动拉伸、和拉力测控，具有较高的性能价格比。
拉伸仪是一种软硬件紧密结合的产品。
在硬件设计中，我们采atmel公公司的具有增强型51内核、基于ATmega16单片机及Cirrus公司针对电子秤设计的具有244Y分辨率的高精度A／D芯片CS5550，精心设计测控电路，充分发挥各器件的功能。
本拉伸仪具有8路开关量输入和步进电机输出控制，并具备了完善的可编程功能，是一款集测力控制、可编程控制、测力变送于一体，可准确方便的实现各种复杂控制的多功能拉伸仪。
在软件设计中，主要采用了前后台的程序设计框架，使用模块化的程序设计方法，各个模块具有相对的独立性，大大地提高了程序的可重用性，方便了程序地调试。
本设计的控制器具有可靠性高、抗干扰能力强、性价比高和体积小巧、功能全面等特点，它既可以作为单机仪表使用，也可以作为嵌入式仪表通过RS-32或RS-85标准接口与上位工控机组网联用。
关键词：
拉力仪；mega64；CS5550；可编程；步进电机
目录
1引言4
2系统总体设计方案论证4
2.1核心MCU选型，最小系统搭建4
2.2传感器的选择5
2.3显示模块的芯片选型5
2.4串行通讯接口的选型6
2.5驱动方式的选型8
3硬件电路的设计8
3.1功能描述8
3.2A/D模块的硬件电路设计9
3.3驱动模块的硬件电路设计12
3.4显示与按键模块的硬件电路设计13
3.5通信模块硬件电路的设计14
3.6电源模块硬件电路的设计15
3.7报警模块的设计16
4、系统软件设计16
4.1主程序16
4.2A/D转换中断服务程序17
4.3通信模块子程序18
4.4.拉伸仪各附加功能模块程序设计19
4.5显示子程序19
4．6拉力标定功能模块20
总结21
参考文献22
附录23
1引言
随着科学技术的不断发展和技术上的进步，各种加工食品的出现，对食品质量检测技术和设备都提出了新的要求，由于每一种食品都要有限定的拉力范围，否则，人吃过之后就会对人体有害，因此质量检测技术在包装领域正起着越来越大的作用。
检测的精确度的高低在一定程度上也影响到企业的利益和消费者对企业的信赖程度。
所以说，拉力仪在质量检测领域起着举足轻重的作用。
检测技术技术涉及到传感技术、电子信号处理技术、图形图像处理学、人工智能学、软件工程学等多门技术学科，拉力系统的设计方案也不是一定，但衡量标准大致相同。
本文着重介绍一种基于传感芯片与MCU电路连接的测力采集的方案，以及基于方向滤波的指纹图像处理的方案，并将得到的结果与标准进行对比。
目前的拉伸仪系统一般采用STD总线工控机或PC总线工控机对多台仪器进行集中控制。
由于测量现场往往距控制室较近，强、弱模拟信号不太混杂，可以采取不完全的屏蔽抗干扰措施保证系统的稳定运行。
2系统总体设计方案论证
2.1核心MCU选型，最小系统搭建
方案一：
1芯片内部有ROM，且片内ROM全部采用FlashROM，它能于3V的超低压工作，与MCS-51系列单片机完全兼容，但是其不具备ISP在线编程技术，需把程序编写好以后再放到编程器中烧写，才可以进行硬件电路的调试，倘若程序编写出现问题，调试电路就比较麻烦，而且其芯片内存也只有4KB。
方案二AVR单片机是ATMEL公司研制开发的一种新型单片机，它与51单片机、PIC单片机相比具有一系列的特点：
1：
在相同的系统时钟下AVR运行速度最快；
2:
芯片内部的Flsah、EEPROM、SRAM容量较大；
3：
所有型号的Flash、EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写（ISP）；
4：
多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电路也可以工作；
5：
每个IO口都可以以推换驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强；
6：
内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数器；PWM；SPI、USART、TWI、I2C通信口；丰富的中断源等。
目前支持AVR单片机编译器的语言主要有汇编语言、C语言、BASIC语言等。
其中C编译器主要有CodeVisionAVR、AVRGCC、IAR、ICCAVR等，C语言编译器由于它具有功能强大、运用灵活、代码小、运行速度快等先天性的优点，使得它在专业程序设计上具有不可代替的地位。
由于方案一的缺点，本设计基于AVR的强大功能及对AVR熟悉，选用ATmega64单片机作为本系统的开发核心。
2.2传感器的选择
方案一：
压电驱动器
压电驱动器作为微构件力学性能拉伸测试系统的驱动方式。
压电陶瓷易于得到低于亚微米的小行程，力度太小，不适合本系统。
方案二：
电阻应变式传感器，利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作。
主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。
电阻应变片贴在弹性元件上，弹性元件受力变形时，其上的应变片随之变形，并导致电阻改变。
测量电路测出应变片电阻的变化并变换为与外力大小成比例的电信号输出。
电信号经处理后以数字形式显示出被测物的质量。
因拉伸仪拉伸时，发生应变变形，且应变片容易补偿，本设计选择第二种方案。
2.3显示模块的芯片选型
方案一：
LCD液晶显示,由单片机驱动.它主要用来显示大量数据、文字、图形，能够显示的位数多，显示得清晰多样、美观，但同时液晶显示器的编写程序复杂，价格昂贵，从而降低了整个系统的性价比，故不采用此种方案。
方案二：
LED数码管显示器可分为两种显示方式：
静态显示和动态显示。
LED数码管静态显示：
LED显示器工作方式有两种：
静态显示方式和动态显示方式。
静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示的字形码。
当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。
这种方法的优点是占用CPU时间少，显示便于监测和控制。
缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。
LED数码管显示器动态显示：
动态显示的是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。
选亮数码管采用动态扫描显示。
所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。
动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。
显示模块是智能仪器人机对话的重要组成部分，其设计原则是视觉效果好、操作简单易行、硬件设计相对简单。
这样有利于减小拉力艺的体积、方便操作、提高可靠性。
由于配料控制器的主要应用环境是户外施工场地。
对于液晶显示器来说，LED显示器具有成本低、可靠性高、高亮清晰等特点。
所以，本控制器中选用独立按键和6位数码管和若干LED作为显示模块。
其中显示区主要分为2个部分：
l2位数码管用于显示拉伸仪的数据和命令数据、数码光管下面的6位LED数显用于显示参数设置和拉伸过程的状态和提示信息。
2.4串行通讯接口的选型
在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。
方案一：
RS-232接口
特点：
（1）RS-23接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。
（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。
（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。
（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。
（5）
方案二：
RS-485接口
特点：
（1）RS-485的电气特性：
逻辑"1"以两线间的电压差为+（2-6）V表示；逻辑"0"以两线间的电压差为-（2-6）V表示。
接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。
（2）RS-485的数据最高传输速率为10Mbps
（3）RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。
（4）RS-485接口的最大传输距离标准值为4000，实际上可达3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。
而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。
即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。
（5）因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。
因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。
RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9（针）。
针对RS-232-C的不足，本设计采用RS-485，驱动电路选用MAx485E芯片完成与上位计算机的数据通信。
2.5驱动方式的选型
国内外拉伸测试的驱动方式一般有线性马达、压电、电磁、步进马达等。
方案一：
线性马达
线性马达也可理解为直线电机，采用线性马达作为驱动方式，加载较为连续，但中途无法停止。
价格高，本方式可以实验。
方案二：
电磁驱动
电磁驱动是一种较为理想的驱动方式，它具有很好的线性、低滞后性、无摩擦，能直接进行精确控制等特点；运动的磁铁或线圈相对于结构具有很小的惯性，在磁力作用下能实现沿轴向自动对中，从而消除横向力，同时也能降低振动。
在得到电磁力与电流的线性关系后，可通过施加变化电流控制力的大小，从而克服微拉伸装置中微小力的测量困难。
利用磁力驱动拉杆，对试样施加拉伸载荷。
驱动力的大小受磁场梯度的控制，而磁场梯度取决于电流的大小，因此可实现精确控制，使得磁场梯度和驱动力与线圈激励电流呈线性关系。
但电磁驱动的成本高，力度小。
方案三：
步进电机
步进电机作为驱动方式，载荷呈台阶状，但中途可以停止，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
由于以上两个驱动的缺点，本课程选用方案三。
3硬件电路的设计
3.1功能描述
基于单片机的拉力仪是由ATmega16处理器、CS5550和l298芯片等构成，在无需上位机参与管理的情况下，具有拉力检测、数据采集、电机速度控制等功能的智能型模块。
它通过与之相配套的拉力传感器，可构成一个独立的拉力采集系统，或作为一个完整的外部设备。
系统的结构框图如下：
上图中，通过MCU控制步进电机，使其匀速缓慢转动，步进电机带动机械结构（带夹子，用于夹带被测物体），被测体的另一侧是拉力传感器，当电机运行，拉动传感器时，传感器信号通过A/D转换，测量变送送给MCU，使其进行运算并输出，直至被测物体断开，当光电传感器检测到被测物断开时，步进电机停下，观察者就可知道被测物体的拉力或其曲线。
3.2A/D模块的硬件电路设计
本系统采用CIRRUSLOGIC公司的CS5550来实现对测量信号的A／D转换。
CS5550是一个包含两个模数转换器（ADC）和一个串行接口的高度集成的模数转换器。
CS5550具有方便的片上AC／DC偏移和增益校准功能，包含一个可与控制器双向通讯的串行接口、一个可用于增益补偿的片上温度传感器。
双通道模数转换器CS5550是单芯片解决方案，可以同时输出数值和精度两项测量指标。
它是—个占位面积小且易于设计、定价合理的高集成度解决方案，可更加方便地应用于各类拉力仪的设计，使拉力仪在降低成本的同时，显著提高其精度。
CS5550集成了两个△-S型ADC、两个放大器、一个基准电压电路和一个双向串行接口，用于输出精确测量结果。
它是一个双通道解决方案：
通道1具有l3位有效位，通道2有十位有效位。
CS5550还集成了一个片内温度传感器，用于测量和补偿温度波动带来的误差。
该解决方案具有与微控制器通信的双向串行接口，该接口经初始化，在复位后具有全部功能。
CSS550具有极强的温度稳定性，可进行长时间操作。
其特性如下：
（1）两个通道上有24位模／数寄存器
（2）功耗小于l2mW
（3）通道l可调节输入范围
（4）使用单电源、以地为基准的信号
（5）片上2．5v基准电压（典型25ppm／℃）
（6）简单的3线数字串行接口
（7）输出速率为2．44ksps4ksps
（8）电源结构
a．VA+=+5V
b．AGND=0V
c．VD+=+3.3V一+5V
图3.2为CS5550模块
CS5550具有针对AINI+1拘两个满标度差分输入电压范围。
该输入范围是模拟输入可接收的最大正弦信号，且这些值将不会导致满标度记录。
如果该模拟输入设置为500mV|P．P，则只有一个250mⅥ。
信号将记录满标度，然而，实际上不能置入一个250mvRm的正弦信号。
当这样的正弦波进入模拟输入正峰值区域的较高位置时（在每一个周期），该信号的电压水平超过了输入通道的最大差分输入电压范围。
未达到饱和的可输入最大正弦波电压信号为：
500mVp-p／2√2=176.78mVRMS
它是满标度的70．7％。
因此，对于满标度峰．峰值水平的正弦输入，其满标度记录为0．707。
工作时，CS5550的VREFIN和AGND两引脚带+2．5v基准电压。
该转换器包括一个内部2．5V基准（25ppm／'C漂移），通过将器件的VREFOUT连接到vREnN弓I脚即可使用。
如果要求更高的精确度及稳定性，可以使用一个外部基准。
XIN及XOUT分别是一个反向放大器的输入和输出，提供振荡并可以设置成一个片上振荡器。
该振荡电路专为与石英晶体或陶瓷谐振器一起使用而设计。
为降低电路成本，器件内集成了两个负载电容器cl和c2。
结合这些负载电容器，该振荡电路能够产生高达20MI-Iz的信号。
为从一个外部时钟源驱动CS5550，当XIN被外部电路驱动时，XOUT不能连接。
该器件在ⅪN及提供CMOS电平信号的数字电路之间具有一个放大器，该放大器采用正弦信号输入。
CS5550能够被一个范围在2．5-2．0MH_z的外部振荡器驱动，但必须设置K分配器值，使内部DCLK在介于2．5MHz一5MHz之间的某处运行。
在配置寄存器中，用Kl3：
0]位设置K分配器值。
例如，如果xIN=MCubl5MHz，且K值设置为5，贝,lJDCU（值为3MHz，这是DCLK的有效值。
CS5550可以为交流／直流偏移及增益提供数字校准。
对于两个通道，交流偏移校准序列与直流偏移校准序列实现完全不同的功能。
交流增益和直流增益校准序列实现相同的功能，但实现这个功能要求使用不同的技术。
由于两个通道各自具有相应的偏移及增益寄存器，一个通道的校准结果不会影响另一通道，系统偏移或系统增益能够在任何通道上实现。
CS5550的串行端l：
3结合了一个带有传输，接收缓冲器的状态机，它在SCLK的上升沿解释8位指令字。
依据指令解码，该状态机执行要求的指令或对指定地址的寄存器进行
数据传输。
读操作需要一个内部寄存器，用以将数据传送到传输缓冲器：
写操作要等待一924／1'SCLK周期后才执行传送。
该内部寄存器用于控制模数转换器，所有寄存器长度均为24位。
加电后，CS5550进行初始化并处于全面操作状态，并等待接收一个有效指令（进入串行接口的第一个8位）。
依据接收及解码有效指令字，该状态机命令转换器执行系统操作指令，将数据传送到内部寄存器或从内部寄存器调用数据。
由此可见，与传统的多芯片方案和专用技术相比，单芯片CS5550能够提供更高集成度和更强的性能，是包括个人电子秤和家庭邮资计量秤在内的消费类电子产品的理解解决方案，特别适用于发展迅速的低端计量秤产品。
参考源也是影响A／D转换器精度的一个十分重要的部分。
本设计中A／D采样部分的参考源选用美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源芯片MCl403，其最大输入为40V，输出为2．5V。
aT可达loppm，完全可以满足本设计的要求。
3.3驱动模块的硬件电路设计
本设计采用常用步进电机驱动芯片L298。
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。
输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接步进电机的相，本实验装置我们选用一片驱动一台两相步进电机。
5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。
电路连接图如下：
图3.3为驱动模块
3.4显示与按键模块的硬件电路设计
按键输入和显示模块是智能仪器人机对话的重要组成部分，其设计原则是视觉效果好、操作简单易行、硬件设计相对简单。
这样有利于减小称重控制器的体积、方便操作、提高可靠性。
本拉伸仪的系统使用16键操作方式，操作面板上共有20个按键：
分别是加速、复位、时钟、设置、标定、参数一、参数二、停止、清除、启动、选择、Fl、f2、F3、F4。
在控制器运行过程中通过不同的按键组合实现对整个控制流程的控制。
为了减少CPU接口线路，键盘电路采用矩阵式。
由于控制器的主要应用环境是食品拉力检测，相对于液晶显示器来说，LED显示器具有成本低、可靠性高、高亮清晰等特点。
显示电路如下：
图3.4为显示模块
显示模块：
考虑到本设计中需要显示的位数较多，由于静态显示时需占用较多的硬件资源，所以采用了动态显示方式。
当CPU要将字符送显示时，是将字段码送到74HC573锁存器上，选通相应74HC573的片选，则将该数码管点亮，显示字符。
当要在另一位显示另一字符时，CPU将新的字段码送到锁存器，选通对应的片选线，又可显示另一字符。
这样，CPU分时选通和显示各位LED数码管，利用人眼的视觉暂留现象，在总体的视觉效果上，各位LED数码管同时点亮，虽然其亮度比静态显示低，但可以大大节省硬件资源。
LED数码管的位数越多，在动态显示时亮度越低，同时需要CPU用于刷新的频率越高，动态显示的实质是以牺牲CPU时间换取系统的低功耗并节省了系统资源，但显示亮度有所降低，由于人眼在刷新频率超过24Hz时就会产生视觉暂留现象，所以一般刷新频率达到50I{z时即可保证动态显示的效果良好。
在动态显示方式中每个LED数码管对应一根位选线，但都用一个字段码锁存器。
3.5通信模块硬件电路的设计
大多数的计算机设备都具有RS-232C串行通讯接口，尽管它的性能指标并非很好，但是，RS-232C借助与并行通讯口相比更多的寄存器，使用这些寄存器实现串行数据的传送及RS-232C设备之间的握手与流量控制。
从而使RS-232C串行通讯协议仅需3根线便可在两个数字设备之间全双工的传送数据。
1．RS-232C通讯协议
RS-232C的每个脚线的信号和电乎规定采用负逻辑电平，DC（-15V~-5V）规定为逻辑“1”，DC（+5V~+15V）规定为逻辑“0”，DC（-5V~+5Y）规定为过渡区。
单片机的TTL/CMOS电平与计算机接口或终端的RS-232C通讯接口的逻辑电平不兼容，需要外加电路实现电平转换。
通常采用的元器件为MC1489，MC1488实现TTL/CMOS电平与RS-232C电平的转换
。
也可采用MAX232芯片实现两对TTL/CMOS电平与RS-232C电平的转换。
RS-232C规定使用25针标准连接口，采用DB-25型连接器。
RS-232C标准定义了25根信号线，但在实际使用时，只需2个数据线、6个控制线、1个地线共九个信号。
因此一些生产厂家对RS-232C标准的机械特性进行了简化，使用9针标准连接口，即使用DB-9型连接器。
由于RS-232C发送端与接收端之间的信号传递采用多芯信号线，而多芯信号线的总负载电容不能超过2500PF，所以RS5-232C的信号传输距离为十几米。
由于单片机与计算机通讯距离不远，本文中所设计的拉伸仪系统串口通讯的硬件电路图如图5.5所示。
图中RXD与TXD可接入PC机的串行通信口,MAX232的T1N与R1OUT连接单片机的TXD和RSD.
图3.5为通信模块
此图为MAX232通讯线路图
3.6电源模块硬件电路的设计
电源部分是一个硬件系统设计中十分关键的一个部分，电源设计需要考虑到电源输出电压、功率容限、纹波干扰等。
本拉伸仪电源模块的电路图如下图
图3.6电源模块
考虑到本系统需要用2种不同输出的电源，所以在硬件设计时，选用了线性电源模块，通过变压器产生5V和12V两种电源，通过线性三端稳压芯片74HC7805和74HC78012输出稳定的5V和12V直流电源，其中12V输出用于驱动步进电机和芯片L298的公共端供电，5V输出用于给S型传感器桥路与MCU供电。
考虑到系统抗干扰问题，系统将模拟地AGND和数字地GND分开，通过0欧电阻单点接到电源芯片的
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