完整版基于单片机的铅膏视密度监测系统硬件设计毕业设计.docx
《完整版基于单片机的铅膏视密度监测系统硬件设计毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整版基于单片机的铅膏视密度监测系统硬件设计毕业设计.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
完整版基于单片机的铅膏视密度监测系统硬件设计毕业设计
基于单片机的铅膏视密度监测系统硬件设计
摘要：
目前，铅酸蓄电池已成为工农业生产必不可少的产品。
铅膏视密度参数直接关系到其使用寿命与可靠性。
铅膏视密度的检测主要是靠人工取样进行称重测量，大大降低了生产效率，存在一定的滞后性。
本文充分了解了铅膏的生产工艺和特点，从而想到了这样的检测铅膏视密度的方法。
主要控制芯片为STC89C52单片机，用压力传感器收集数据，结合A/D转换器、液晶显示128*64制作出了一种高精度的铅膏视密度检测仪器。
用4×4矩阵键盘模块进行控制，非常方便，用液晶显示器显示结果。
本设计检测精度高、测量速度快，解决了人工测量引起的误差，提高了生产效率。
关键词：
视密度；单片机；A/D转换；液晶显示
Hardwaredesignofmicrocomputermonitoringsystembasedonthecelldensityofpaste
Abstract：
Atpresent,thelead-acidbatteryhasbecometheindustrialandagriculturalproductionessentialproducts.Leadpasteapparentdensityparametersdirectlyrelatedtoitsservicelifeandreliability.Leadpasteapparentdensitydetectionismainlydependsonartificialsamplingweighingmeasurement,greatlyreducestheproductionefficiency,thereisacertainhysteresis.
Thisarticlefullyunderstandtheproductionprocessandcharacteristicsofleadpaste,tothinkofsuchatestleadpastemethodofapparentdensity.MaincontrolchipisSTC89C52micro-controller,dataiscollectedbypressuresensorandcombiningwiththeA/Dconverter,liquidcrystaldisplay128*64tomakeAkindofhighprecisionelectronicscale.With4*4matrixkeyboardcontrolmodule,isveryconvenient,withLCDdisplaytheresults.Thisdesigntestingprecision,fastmeasurementspeed,solvedtheerrorcausedbyartificialmeasurement,improvestheproductionefficiency.
Keywords：
Apparentdensity;electronicscale;MCU;A/Dconversion
1引言4
1.1选题的背景及意义4
1.2关于选题的研究现状4
1.3主要研究方法4
2系统总体设计4
2.1基本实现方法4
2.2基本原理及设计思路4
2.3小结4
3硬件设计4
3.1检测电路设计4
3.2A/D电路的设计4
3.3控制芯片4
3.4电源部分设计4
3.5显示电路4
3.6键盘输入4
3.7小结4
4程序设计4
4.1主程序的设计4
4.2扩展程序设计4
4.3HX711输出参数的确定4
4.4小结4
5总结4
参考文献4
附录4
致谢4
1引言
1.1选题的背景及意义
随着工业水平的进步，铅酸蓄电池技术不断地发展，对蓄电池的铅膏视密度的要求也越来越严格，新型铅膏视密度检测技术越来越受到蓄电池制造厂家的青睐。
铅膏的生产工艺直接影响铅膏的视密度参数，新型合膏技术也应运而生，各种合膏技术层出不穷。
铅膏是由一定氧化度和表观密度的铅粉与水和硫酸通过机械搅拌混合而形成的具有一定可塑性的膏状物质，铅膏的视密度是铅粉分散在硫酸和水的液体中自然堆集后其总重量与总体积之比，单位为g/cm3。
铅膏的视密度是铅膏质量的重要指标，对极板活性物质的孔隙率的形成状态有很大的影响，铅膏视密度还影响了严重铅酸蓄电池的容量和使用寿命。
因此，研究铅膏视密度对提升电池极板活性物质利用率和电池使用寿命意义重大，而且能够改善因铅膏视密度的影响造成的极板弯曲变形这一状况。
1.2关于选题的研究现状
近年来，对铅膏进行研究的人很多，发表的相关文献也很多如：
陈红雨在2001年发表的《铅膏制备原理与方法的研究》，提出了采用真空合膏技术的重要性；战祥连在2006年发表的《铅粉视密度对铅酸蓄电池性能的影响》，说明了用低视密度的铅粉合成的铅膏生产的管式蓄电池性能比视密度高的蓄电池好。
1.3主要研究方法
用小钢铲取适量的不同处的铅膏装入一定容积的不锈钢杯内，并用力不断的振动，直到铅膏填充钢杯内无空隙和气泡为止，重复进行上述步骤到钢杯被填满为止，然后用硬直的钢尺刮去杯口多余的铅膏，并将钢杯外部擦干净，放在电子秤上，称出其总重量（铅膏重量与钢杯重量之和），铅膏视密度ρ按下式计算。
1-1
ρ——铅膏的视密度；
m2——钢杯和铅膏总质量；
m1——钢杯的质量；
由以上方法，只需要设计出一种符合要求的铅膏视密度检测仪器即可实现铅膏视密度的检测。
2系统总体设计
2.1基本实现方法
本系统由硬件设计部分和软件编程设计部分组成。
硬件部分由传感器，A/D转换芯片，单片机，键盘，液晶显示和电源电路组成，各部分的主要功能为：
压力传感器用来测量重量数据，A/D用来将微小的模拟量放大并转换成数字量，单片机控制模块，人机接口和数据锁存器。
单片机控制模块采用了STC89C52单片机作为核心控制，实现对电子秤的基本控制；数据信息处理模块选用了应变片式传感器和HX711的A/D转换部分；人机部分采用了4×4矩阵键盘进行按键设置及人工清零操作；再加上液晶显示显示输出结果，基本能够实现对铅膏视密度的检测。
系统结构图如图2.1所示。
2.2基本原理及设计思路
当将单位体积的铅膏放到测量托盘上时，迫使压力应变片产生形变，导致自身电阻值随压力大小的变化而变化，这个变化是线型变化。
从而完成了将压力信号转换为电信号。
由于这个电信号是很微小，并且是模拟量，由于52单片机不能直接对模拟量进行处理，所以要对这个微小信号放大处理，经过A/D将模拟量变成数字量，在这个过程中，我使用了HX711芯片，该芯片是一个24位双通道A/D转换器，它内带最大128倍放大电路和模拟电压输出。
它具有精度高，安全可靠，较高集成的特点，其模拟电压输出还可为测量电桥供电。
经HX711处理放大后的信号可由STC89C52处理，最后由LCD输出结果。
按键键盘模块可以输入测量时候容器质量，进行人工清零等操作。
考虑到电子秤的准确度，应对电源电压进行处理。
2.3小结
在本设计过程中，用到的硬件有应变片传感器，还用到了下列芯片：
HX711，STC89C52单片机和128*64显示器，LM7805稳压芯片。
我查阅了很多硬件的相关资料，了解了各个硬件的基本功能和用法，并了解了相关硬件的原理与接线方法。
3硬件设计
3.1检测电路设计
3.1.1常用传感器的工作原理
电阻式传感器是一种把被测量参数转换为电阻变化的传感器，在非电量检测技术中应用最广、最成熟和最重要的传感器之一，常用的电阻式传感器有电位器式、热敏效应式等类型。
电阻应变式传感器的原理是电阻应变效应，弹性敏感元件受到外力作用产生了形变，而应变计在上面，而且随发生变形，电阻应变计的变化导致了电阻值增加或减少。
经过专门的测量电路把电阻变化变成了电信号。
应变片主要有金属电阻应变片和半导体应变片。
金属电阻应变片就是利用了金属材料的电阻定律。
应变片发生了变化，会导致其结构尺寸的变化，从而导致其电阻值的变化。
3-1
ρ——金属电阻率，Ω*m；
l——金属长度，m；
A——金属横截面积；m2
r——金属半径，m。
半导体应变片是利用半导体的压阻效应做成的，半导体受到轴向外力导致其电阻率变化。
其电阻相对变化为：
3-2
为半导体应变片电阻率相对变化，与所受到的轴向应变力成正比，
3-3
π——半导体压阻系数
将式3-3代入中得：
3-4
其中1+2µ随着几何形状变化，为压阻效应，随电阻率变化，实验证明：
是1+2µ的几百倍，因此可以把1+2µ忽略不计，这样半导体应变片的灵敏系数就应为：
3-5
半导体应变片体积小，灵敏度高，频率响应宽，输出范围大，无需放大器，缺点是应变非线性比较严重。
3.1.2传感器的选择
外界环境对传感器有很大的影响，如高温就能使传感器的焊点脱焊，弹性元件内结构发生变化，在潮湿的环境传感器很容易短路；在高腐蚀环境下弹性体的传感器很容易损坏或短路，在电磁场中容易使传感器输出信号紊乱等。
由于显示结果是传感器的输出信号经A/D转换放大后得到的，所以还要求传感器的输出信号与显示电路的输入信号匹配。
考虑到以上各种因素，本设计选用了应变片式传感器，它具有分辨力高，能测出极微小应变；误差小，一般低于1%；动态响应好；尺寸小、重量轻，测量范围较大；测量结果便于传送、记录和处理；在磁场、放射性、化学腐蚀条件下采取一定措施仍能可靠工作；价格也比较便宜，品种多样。
综合以上各种因素，本设计选用应变片式传感器，完全符合硬件设计要求。
3.1.3电阻式传感器的测量电路
本文采了用桥式测量电路，电桥桥臂由R1，R2，R3，R4组成，负载为RL。
直流电桥的基本形式如图3.1所示。
当RL∞，电桥输出电压为U0
3-6
U0=0时，电桥平衡
3-7
电桥平衡的条件：
平衡电桥的桥路中两相邻臂电阻值之比应相等，流过负载电阻的电流为0。
在测量中用应变片代替第一个桥臂的电阻R1，微小的应变导致了电阻阻值的微小变化，从而造成了电桥输出电压的微小变化，微小变化用放大器进行放大。
放大器输入阻抗与电桥输出电阻的比值很大，电桥的状态视为开路。
受到应变力时，我们假设应变片的电阻变化量为△R1，其它桥臂不变，则输出电压U0≠0。
3-8
假设桥臂比用n来表示，则n=R2/R1，由于R1<3-9
电桥电压灵敏度定义为：
3-10
由上式可知：
电桥电压灵敏度和电桥供电电压成正比，供桥电压越高，电桥电压灵敏度越高。
但受到应变片功耗的限制，应适当选择电压；其次，还应适当选择桥臂比n的值，才能保证较高的电压灵敏度。
当供桥电压E确定后，由求最大值，
3-11
当n=1时，最大，即供桥电压确定后，桥臂电阻R1等于R2，桥臂电阻R3等于R4，这时电桥能达到最高的电压灵敏度。
上式简化为：
3-12
3-13
3-14
由上式知，电源电压E和电阻相对变化量一定时，电桥输出电压和灵敏度也是一定的，和桥臂阻值无关[1]。
3.1.4非线性误差及其补偿方法
理想情况下，可以假设应变片参数的变化量很微小，以至于可以忽略掉R1/R1。
实际情况应按照3-12计算，此时3-8输出电压U0和R1/R1是非线性的。
在理想情况下，记输出电压为。
非线性误差为：
3-15
减小非线性误差可用这些方法：
增大桥臂的比n=R2/R1可降低非线性误差，与此同时降低了电压灵敏度；采用差动电桥，有半桥差动和全桥差动，差动电桥完全没有非线性误差。
半桥差动电路=1/2E，全桥差动电路=E，而采用单片=1/4E，采用全桥差动电桥比用单片应变片提高了4倍，比半桥提高了2倍。
通过应变片式传感器实现了压力信号转换为电信号，通过差动全桥接法，减小了误差。
3.2A/D电路的设计
3.2.1芯片的选择
在整个设计中，A/D模块起着非常重要的作用。
传感器输出的模拟量必须经过A/D的放大后变为数字量才能供单片机处理，因此必须选择好适当的A/D转换芯片。
本文要使A/D模块具有强抗干扰能力，很快的响应速度，良好的稳定性。
在现有的芯片市场中，HX711就是不错的选择。
3.2.2HX711芯片介绍
HX711是一个高精度的24位A/D转换器芯片，专门用于电子秤。
相比与其他相同类型的芯片，芯片集成稳压电源，芯片上的时钟振荡器和其他所需的相同类型的芯片外围电路、集成程度高的优势，响应速度、抗干扰能力强等。
降低了成本，提高了性能和可靠性。
接口和编程的芯片和控制芯片的后端很简单，所有的控制信号是由管脚驱动，不需要编程芯片内部的寄存器。
输入选择开关可以任意选择通道A或B，低噪声程控放大器和内部连接。
通道可编程增益为128或64，全部金额对应的差分输入信号幅值±20mV或±40mV。
B通道是固定的64获得系统参数检测。
芯片提供稳压电源可以直接提供电源到外部传感器和A/D转换器芯片，系统板不需要模拟供应。
时钟振荡器芯片不需要任何外部设备。
自动上电复位功能简化了初始化启动的过程[2]。
3.2.3芯片特点
有两个差分放大输入通道可供使用；内含稳压输出，可以用来直接向内外提供VCC，在该电路里可以给传感器和内部放大电路供电；提供了32、64、128倍放大增益，可通过MUL选取，其中A通道提供了32、128倍增益，B通道固定64倍增益；具有片内时钟振荡，还能选择片外时钟输入；无需额外复位电路，上电自动复位电路；控制与通讯简单通过PD_SCK管脚直接输入，且芯片无需编程；输出速率可选择10Hz或80Hz；拥有抑制同步频率50Hz的电源干扰；工作电压范围2.6～5.5V工作温度范围-20℃～85℃。
HX711引脚说明如表3.1所示。
表3.1引脚说明表
引脚编号
引脚名
功能
注释
1
VSUP
电源
提供2.6～5.5V稳压电源
2
BASE
模拟输出
稳压电路控制输出
3
AVDD
电源
模拟电源2.6～5.5V
4
VBF
模拟输入
稳压电路控制输入
5
AGND
地
6
VBG
模拟输出
7
INA-
信号输入
通道A负输入端
8
INA+
信号输入
通道A负输入端
9
INB-
信号输入
通道A负输入端
10
INB+
信号输入
通道A负输入端
11
PD_SCK
控制输入
串行通讯口，选取增益
12
DOUT
信号输出
输出转换后的信号
13
X0
数字输入
外部晶振输入
14
X1
数字输入
选取时钟类型
15
RATE
数字输入
选取输出频率
16
DVDA
电源
数字电源:
2.6～5.5V
3.2.4HX711串口通讯
串口通讯线由管脚PD_SCK和DOUT组成，用来输出数据，选择输入通道和增益。
当数据输出管脚DOUT为高电平时，表明，A/D转换器输出数据功能还没有准备好，这个时候的串口时钟输入信号PD_SCK应该为低电平。
当输出由高到低，PD_SCK应输入25到27不等于时钟脉冲，此时第一个时钟脉冲的上升沿将会读出输出24位数据的最高位，一直到第24个时钟脉冲完成，直到完成24个时钟脉冲，24位数据输出从最高到最低逐位输出。
25到27的时钟脉冲是用来选择下一个输入通道和A/D转换增益[3]。
如图3.2和表3.2所示。
图3.3
表3.2时刻注释表
符号
说明
最小值
典型值
最大值
单位
T1
DOUT下降沿到PD_SCK脉冲上升沿
0.1
µs
T2
PD_SCK脉冲上升沿到DOUT数据有效
0.1
µs
T3
PD_SCK正脉冲电平时间
0.2
50
µs
T4
PD_SCK负脉冲电平时间
0.2
µs
3.3控制芯片
3.3.1芯片的选择
单片机种类繁多，各种型号应用环境也不同，选用时考虑了单片机的性能、存储器、I/O接口、工作电压、运行速度、串行接口、功耗、是否容易开发，编程器的选用是否方便，还有开发成本等因素，基于此，本设计选用了STC89C52单片机作为控制芯片。
89C52与其他芯片相比，具有价格便宜，速率快，直接可以用串口下载程序，兼容性良好等特点。
3.3.2芯片介绍
STC89C52是INTE公司MCS-51系列单片机中基本的产品，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它是一种采用CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机[4]。
52结合了CMOS的反应速度快和高密度技术及低功耗的特性，它使用的是标准的MCS-51单片机体系结构与指令系统，相当于89C51的增强版，在51基础上又具备了时钟输出和向上或向下计数器等功能，适合于很多控制场合。
它由中央处理器，内存系统、定时/计数器、串并行接口、终端系统以及特殊功能寄存器集成的。
它的体系结构图如图3.3所示。
图3.352单片机体系结构图
它有4个8位的并行I/O接口分别是P0口，P1口，P2口和P3口，一共算起来有32根I/O口，并且每一根I/O都能够单独的拿来作为输入或输出。
它还有一些第二功能的引脚，如P10（T2）、P11（T2EA）、P17（SCK）、等等。
引脚说明如图3.4所示。
图3.452引脚说明图
引脚介绍
1输入输出引脚（P0～P3口）
P0端口是一个双向I/O口（8位漏极开路），它可以用来当作输入口，也能当作输出口，又可作为地址数据用。
P0口做I/O口使用时，此时控制端ALE应为低电平。
当它做输出口使用时应接10K上拉电阻不然无法输出高电平。
当它用作输入口时；在输入操作前应该先写入一个1，这是因为内部直接和场效应管，锁存器链接时，如果输入锁0，它的输入不能为高水平。
P0口的8位地址和数据总线使用；在高水平的控制终端。
在这种模式下，P0端口与内部引体向上。
在这种情况下工作的8位地址和数据行P0口点使用。
在对Flash内存进行编程、校验时输入或输出代码使用；此时需加上拉电阻。
P1口为准双向口。
P1口当成通用I/O口来使用，作为输出的时候不需要加上拉电阻，但是当作输入使用时要先写入1，才能完成输入操作。
P1口还有其附加第二功能，P1口还能够对Flash内存编程、校验时接收低8位地址。
p1口第二功能如表3.5所示。
表3.5P1口第二功能说明
引脚
P10
P11
P15
P16
P17
附加功能
T2（计时器2外部输入端）
T2EX（计数器2外部触发端）
MOSI（串行数据输入）
MISO（串行数据输出）
SCK（串行时钟输入）
P2口是一个内含上拉电阻的准双向口。
P2口作为普通I/O口使用时，被当作高8位地址总线口使用；可以能够在对Flash内存进行编程、校验的时候接收高8位的地址，还能接收一些控制信号。
P3端口是准双向口多用。
与P0I/O使用时没有区别，但第二个引线应该保持高电平，保持输入输出通畅；可接收一些控制信号；第二功能实际上就是具有控制功能的总线，此时如需要输出信号先要置1，其第二功能说明如表3.6所示。
表3.6P3口第二功能说明
引脚
P30
P31
P32
P33
P34
P35
P36
P37
功能
RXT串行
输入
TXT串行
输出
INT0外部
中断0
INT1外部中断1
T0定时01外部输入
T1定时器1外部输入
WR外部数存写选通
RD外部数存读选通
3.3.3控制引脚
RST复位引脚：
振荡器运行时，RST发生在2周期的高水平将使芯片复位，看门狗定时溢出后RST保持98个振荡周期高电平后复位。
ALE/PROG地址锁存允许，PSEN外部程序存储器选通信号。
用于度外部程序存储器选通信号，低电平有效，EA外部程序存储器访问允许端/编程电源输入端。
EA接地单片机从0000H～FFFFH的外部程序内存中读取代码，EA接VCC单片机先从内部程序中读取，后自然转向外部。
外接晶振引脚
XTAL1XTAL2；外部晶体振荡器XTAL1，XTAL2信号悬挂。
3.4电源部分设计
3.4.1稳压芯片的选择
由于工作环境复杂，考虑到硬件使用的方便性与可靠性，需要对电源进行处理，本设计需要一种稳压芯片，做成稳压电源。
而LM7805在稳压方面的应用十分广泛，它具有过热、短路、输出晶体管SOA保护等特点，输出的电压和电流分别为5V和1A，符合我们所需要的要求。
3.4.2稳压芯片介绍
LM7805连续三个电源稳压电路，它形成的封装形式为TO-220/D-PAK。
它的输出电压具有某些固定的值，应用非常广泛。
由于不同类型的内部限流保护和过热保护和安全区域，以便它基本上不会损坏。
如果能够加上一个适当的散热片，它可以提供输出超过1安培的电流。
外部设备访问适当的时候，可以实现不同的电压和电流。
3.4.3稳压电路的设计
220V电压经变压器下降后通过整流电路接入LM8705芯片，电容C1的作用是防止由输入引线较长而带来的电感效应所产生的自激振荡以及减小纹波；C2降低了由于负载电流和瞬时变化引起的高频干扰；C3为大容量的电解电容，旨在进一步减少输出纹波和低频干扰；DI是一个保护二极管，单端输入短接的时候，与C3构成放电回路，以免LM7805PN结被击穿而损坏，该电路可输出稳定5V电压。
稳压电路图如图3.5所示。
3.5显示电路
3.5.1液晶显示模块的选择
128*64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集[5]。
模块接口简单、灵活、方便的操作指令，可显示汉字，也可显示图形，其功耗低，其显示模块的构成与相同类型的显示模块相比较而言，硬件电路结构和程序非常简单，价格低于相同模块的点阵液晶显示模块。
3.5.2LCD128*64介绍
LCD12864液晶显示模块是有8位标准数据总线、6条控制线及电源线，可显示各种字符图形及汉字的点阵型液晶显示模块。
它的Vcc（逻辑工作电压）在4.5到5.5V之间，0到-10V的驱动电压在范围。
引脚功能如表3.7所示。
表3.7引脚功能
脚号
管脚
电平
功能注释
1
VSS
0V
模块电源接地
2
VCC
3～5V
模块电源
3
V0
---
LCD驱动电压输入端
4
RS（CS）
H\L
并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号
5
R/W（SID）
H\L
并行的读写选择信号；串行的数据口
6
E（CLK）
H\L
并行的使能信号；串行的同步时钟
7～14
DB0～DB7
H\L
数据口
15
PSB
H\L
并行接口选择；H-并行，L-串行；
16
NC
---
空脚
17
RESET
H\L
复位低电平有效
18
VOUT
---
LCD驱动电压输出端
19
LED-A
5+V
升级会员 