应力测试仪的设计南昌航空大学专业课设.docx
《应力测试仪的设计南昌航空大学专业课设.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《应力测试仪的设计南昌航空大学专业课设.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
应力测试仪的设计南昌航空大学专业课设
课程设计说明书
课程设计名称：
专业课程设计
课程设计题目：
应力测试仪的设计
学院名称：
信息工程学院
专业：
电子信息工程班级：
09041209
学号09041209姓名：
评分：
教师：
2012年6月28日
电子信息工程专业课程设计任务书
2011－2012学年第2学期 第18周－20周
题目
应力测试仪
内容及要求
设计并制作一个应力测试仪，AD转换用ADC0804，应力测试范围为0~200牛，用三位LED显示结果
进度安排
1.查阅资料、选择方案，领仪器设备：
2天；
2.仿真、画电路原理板图：
2天；
3.领元器件、制作、焊接：
3天；
4．调试：
2天；
5.验收：
1天；
学生姓名韦祥宝程克明
指导时间2012年6月11日－2012年6月28日
指导地点：
E楼401室
任务下达
2012年6月11日
任务完成
2012年6月28日
考核方式
1.评阅□ 2.答辩□3.实际操作
4.其它□
指导教师
王忠孙成立
系（部）主任
万在红
注：
1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。
2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务档。
摘要
本文主要讲述了一种利用传感器，A/D转换和7279显示器制作的数字应力测试仪，论述了仪器的工作原理，给出了仪器硬件设计和软件流程。
其中利用传感器把重量转换成电压信号，再将电压信号放大输入A/D转换，通过A/D转换和数据处理，由7279显示。
该应力测试仪体积小，携带方便，操作简单，测量速度快。
本设计具有制作简单，实用性强，精确度高等特点，具有广泛应用前景。
关键词：
压力传感器，放大器，单片机，A/D转换，7279显示
目录
第一章绪论………………………………………………………………1
1.1课题的目的及意义1
1.2研究内容1
第二章系统的总体设计方案……………………………………………2
2.1系统的设计要求2
2.2系统的组成及其工作原理2
2.3硬件电路设计方案3
2.3.1传感器的选择3
2.3.2放大器的选择6
2.3.3AD转换器的选择8
2.3.4单片机的选择12
2.3.5显示单元的选择15
2．4系统软件设计17
2.4.1主程序流程图17
2.4.2A/D转换子程序17
2.4.37279显示子程序18
数据转换子程序19
第三章应力测试仪的调试…………………………………………19
3.1软件的调试19
3．2硬件的调试20
第四章结论……………………………………………………………21
参考文献…………………………………………………………………22
附录：
22
元件清单：
22
系统总原理图：
23
第一章绪论
1.1课题的目的及意义
在我们的日常生活中都需要测量物体的体重，所以当然会用到应力测试仪，但是传统的应力测试仪一般都偏向于体积大，反应慢，不具备快速，简便的社会需求，所以制作一个小型的，适合于人们日常生活用的应力测试仪就很有必要。
随着计量技术与电子技术的发展，传统纯机械结构的杆秤，台秤，磅秤等重量装置逐步被淘汰，电子类的测量应力或者体重的装置越来越受到人们的青睐。
应力测试仪向着提高精度和降低成本的方向发展的趋势引起了对对成本，高性能模拟信号处理器器件需求的增加。
通过分析近年来电子衡器产品的发展情况以及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋势是小型化，模块化，集成化，智能化；其技术性能趋向于速率高，准确度高，稳定性高，可靠性高；设计方面更加符合人们的思维，更加人性化。
应力测试作为一种计量手段，广泛应用于工农业，科研，交通，内外贸易等各个领域，于人们的生活紧密相连。
应力测试仪是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生，国防建设，科学研究，内外贸易不可或缺的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行业的现代化水平和社会经济效益的提高。
本着快速，简便，智能，可靠，稳定的原则，设计了一个简便的应力测试仪，对于满足人民的日常生活提供了很大的便利。
1.2研究内容
本次设计研究的是某一应力或者重力装置通过压力传感器采集到的力并将其转换为电压信号。
输出电压信号通常很小，所以需要处理电路将微小变化的电压进行放大，在放大电路中用到了LM358，放大后的模拟电压信号经ADC0809芯片转换成数字量被送入主控电路的单片机中，再经过单片机输出控制7279显示，从而测得压力传感器所感受到的力。
按照设计的基本要求，系统可以分为数据采集，放大转换，控制显示三大模块，数据采集有压力传感器组成，放大转换由放大器LM358以及ADC0809组成，控制显示则由AT89C51和7279组成。
实现的功能
在应力的范围为0—200牛顿时，可在7279显示相应的测量结果。
第二章系统的总体设计方案
2.1系统的设计要求
1．设计并制作一个应力测试仪
2.A/D转换采用ADC0809
3.应力测试范围：
0–200牛顿
4.用三位LED显示器显示测量结果
2.2系统的组成及其工作原理
系统由压力传感器，放大电路LM358和模数转换电路ADC0809，主控电路AT89C51单片机以及显示电路7279显示。
压力传感器的作用是将所感受到的应力的变化转化为微小的电压变化，经过放大电路后得到适合转换的模拟电压值，然后经过模数转换电路后得到相应的数字量，送入单片机内进而控制7279显示电路显示。
图2-1总体方案图
具体的方案图：
图2-2具体方案图
2.3硬件电路设计方案
2.3.1传感器的选择
传感器的定义:
能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
通常传感器由敏感元件和转换元件组成。
其中敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换部分指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。
传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量和输入量之间所有的相互关系。
表征传感器静态特性的主要参数有：
线性度，灵敏度，迟滞，重复性，漂移等。
传感器的动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出特性。
传感器的动态特性常用阶跃响应和频率响应来表示。
电阻应变式传感器
电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，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。
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。
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ΔR/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ΔR/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，Ein接直流电源E：
图2-3传感器结构原理图
当电桥输出端接无穷大负载电阻时，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：
=式（2.1）
当满足条件R1R3=R2R4时，即
式（2.2）
=0，即电桥平衡。
式（2.2）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
，按式（2.1），则电桥输出为
式（2.3）
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，最终选择了第二种方案。
本系统选择的是PM-23型称重传感器，量程30Kg，完全满足本系统的精度要求。
2.3.2放大器的选择
称重传感器输出的信号一般电平较低，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。
综上分析，该设计在放大电路选用了LM358，该放大器件内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组，音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
器件资料如图2-4、2-5所示。
图2-4DIP塑封引脚图引脚功能
图2-5内部电路原理图
特性：
（1）内部频率补偿。
（2）直流电压增益高（约100dB）。
（3）单位增益频带宽（约1MHz）。
（4）电源电压范围宽：
单电源（3—30V）；双电源（±1.5一±15V）。
（5）低功耗电流，适合于电池供电。
（6）低输入偏流。
（7）低输入失调电压和失调电流。
（8）共模输入电压范围宽，包括接地。
（9）差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。
（10）输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）。
参数：
（1）输入偏置电流45nA
（2）输入失调电流50nA
（3）输入失调电压2.9mV
（4）输入共模电压最大值VCC~1.5V
（5）共模抑制比80dB
（6）电源抑制比100dB
2.3.3AD转换器的选择
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。
ADC0809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，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100μs
4）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2-6ADC0809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
ALE——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；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。
通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。
其地址状态与通道对应关系见表9-1。
CLK——时钟信号。
ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。
通常使用频率为500KHz的时钟信号
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的状态标志，又可作为中断请求信号使用。
D7～D0——数据输出线。
为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。
D0为最低位，D7为最高
OE——输出允许信号。
用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。
Vcc——+5V电源。
Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。
其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V）.
ADC0809与MCS-51
单片机的连接如图
所示:
图2-7单片机与ADC0809连接电路图
电路连接主要涉及两个问题。
一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。
A/D转换完成数据的输送
A/D转换后得到的是数字量的模拟量，这些数据应传诵给单片机进行处理。
数据串的关键是如何确定A/D转换完成。
因为只有确定数据转换完成后，才进行传送。
为此可采用以下三种方式：
1定时传送方式：
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，转换肯定已经完成了。
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的和固定的。
例如ADC0809转换时间为128us，相当于6MHZ的MCS-51单片机共60个机器周期。
可根据此设计一个延了。
2查询方式
A/D转换芯片表明有转换完成的状态信号，例如ADC0809的E端，因此可以通过查询方式用软件测试EOC的状态，即可知道转换是否完成，若完成，则接着进行数据传送。
3中断方式
中断方式ADC0809与8031的中断方式接口电路只需将0809的EOC端经过一非门连接到8031的INTl端即可。
采用中断方式可大大节省CPU的时间，当转换结束时，EOC发出一个脉冲向单片机提出中断请求，单片机响应中断请求，由外部中断1的中断服务程序读A／D结果，并启动0809的下一次转换，外部中断1采用边沿触发方式。
不管使用上述那种方式，一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送，首先送出口地址，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。
2.3.4单片机的选择
根据对单片机种类的认识，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的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。
80C51内置中央处理单元、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位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。
此外，80C51还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、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，同时停止芯片内其它功能。
80C51有PDIP（40pin）和PLCC（44pin）两种封装形式。
图2-8
单片机89C51管脚图：
ss（20脚）:
接地
VCC（40脚）:
主电源+5V
XTAL1（19脚）:
接外部晶体的一端。
在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。
在采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该端引脚必须接地；对于CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。
XTAL2（18脚）:
接外部晶体的另一端。
在片内它是一个振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的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，其内部各寄存器处于随机状态，在该脚输入24个时钟周期宽度以上的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。
不过，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不出现。
PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。
我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出，可以判别80C51是否在工作。
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。
不过，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不出现。
PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。
我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出，可以判别80C51是否在工作。
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。
当地址超出4KB时，将自动执行片外程序存储器的程序。
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口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
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外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出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，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，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。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
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口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，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的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出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）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
P3口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（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）
单片机89C51主要功能特性
主要功能特性：
·标准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位可编程定时/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
·布尔处理器
·2层优先级中断结构
·电源空闲和掉电模式
·快速脉冲编程
·2层程序加密位
·PDIP和PLCC封装形式
·兼容TTL和CMOS逻辑电平
2.3.5显示单元的选择
介于对7279比较熟悉，然后单片机板上给的是7279，所以选择了其做为显示器件。
HD7279是一片具串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可以连接多达64键的键盘矩阵，单片机可完成LED显示键盘接口的全部功能。
主要特性：
（1）串行接口，无需外围元件可直接驱动LED。
（2）各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性。
（3）循环左移和右移指令。
（4）具有段寻址指令，方便控制独立LED。
（5）64键键盘控制器，内含去抖动电路。
图2-9原理图图2-10引脚图
2．4系统软件设计
2.4.1主程序流程图
2.4.2A/D转换子程序
CLRP1.7；P1.7通道低电平，其默认为高电平
MOVDPTR,#3F08H;启动0通道
AD:
MOVX@DPTR,A
SETBP1.7；给ALE一个上升沿，开始锁存地址
CLRP1.7；给START一个下降沿，开始启动AD转换
MOVR6,#3CH
AD0:
DJNZR6,AD0；延时
MOVXA,@DPTR；读数据
2.4.37279显示子程序
STFS:
MOVR7,#08H；发送一字节子程序
LP1:
RLCA；串行发送
MOVP1.2,C
SETBP1.1；给CLOCK一个脉冲
MOVR6,#02H
LP2:
DJNZR6,LP2
CLRP1.1
MOVR6,#02H
LP3:
DJNZR6,LP3
DJNZR7,LP1
RET
DTR:
MOVR5,#03H；显示三位数据
MOVR0,#40H；显缓区为40H到43H
MOVR1,#92H；指令码为90H到92H
LP4:
CLRP1.0
MOVR6,#0CH
LP5:
DJNZR6,LP5
MOVA,R1
ACALLSTFS
MOVR6,#06H
LP6:
DJNZR6,LP6
MOVA,@R0
ADDA,#0DH
MOVCA,@A+PC；查表显示
ACALLSTFS
MOVR6,#02H
LP7:
DJNZR6,
升级会员 