1、 单片机系统课程设计 单片机系统 课 程 设 计 成绩评定表 设计课题 ： 基于 89S52 的数字称设计 学院名称 ： 专业班级 ： 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 2 单片机系统 课 程 设 计 课程设计名称： 基于 89S52 的数字称设计 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： 单片机系统 课程设计任务书 3 学生姓名 专业班级 学号 题 目 课题性质 工程设计 课题来源 选题 指导教师 主要内容 （参数） 1 显示数字 2 语音播报 任务要
2、求 （进度） 第 1-2 天：熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料， 确定设计方案。 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 5-6 天：软件设计，编写程序。 第 7-8 天：实验室调试。 第 9-10 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，篇幅合理。 主要参考 资料 （ 1） 张迎新单片微型计算机原理、应用及接口技术（第 2 版） M北京：国防工业出版社， 2004 （ 2）伟福 LAB6000 系列单片机仿真实验系统使用说明书 （ 3） 阎石 数字电路技术
3、基 础（第五版） 北京 ：高等教育出版社， 2006 （ 4）陈杰 黄鸿 . 传感器与检测技术（第二版） .北京：高等教育出版社， 审查意见 系（教研室）主任 签字： 年 月 日 4 目录 1 绪论 . 2 总体方案设计 . 2.1 数字称原理及基本思路 . 2.2 系统总体设计方案 . 2.3 传感器的选择 . 2.4 放大器的选择 . 2.5 A/D 转化器的选择 . 2.6 单片机的选择 . 3 硬件设计 . 3.1 称重传感器 . 3.2 信号放大处理 . 3.3 信号转换 . 3.4 单片机控制部分 . 3.5 键盘 . 3.6 LED. 3.7 语音播报 . 4 软件设计 . 4.
4、1 主程序流程图 . 4.2 子程序流程图 . 4.2.1 LED 显示子程序 . 4.2.2 A/D 转换子程序 . 5 系统仿真与调试 . 6 设计总结 . 附录 1. 附录 2. 1 绪论 在当前社会，物品称重是市场交 易中很基本的活动， 是商业领域最基本的衡具。在日常生活中，到处必须用到称。尤其是现代超市和一些其他交易市场5 上，称是必不可少的测重工具。随着人们生活水平的不断提高，商业行为也越来越现代化，人们对商品度量的速度和精度也提出了新的要求。数字称在结构和原理上取代了以杠杆平衡为原理的传统机械式称量工具。相比传统的机械式称量工具，数字称具有称量精度高、装机体积小、应用范围广、易于
5、操作使用等优点。 今后，随着电子高科技的飞速发展，数字称技术的发展定将日新月异。同时，功能更加齐全的高精度的先进数字称将会不断问世，其应用范围 也会更加拓宽。从实际情况看来，目前市场上使用的称量工具，结构复杂，运行不可靠，且成本高，精度稳定性不好，调正时间长，易损件多，维修困难，装机容量大，能源消耗大，生产成本高。而且目前市场上数字称产品的整体水平不高，部分小型企业产品质量差且技术力量薄弱，设备不全，缺乏产品的开发能力，产品质量在低水平徘徊。因此，有针对性地开发出一套有实用价值的数字称系统，从技术上克服上述诸多缺点，改善数字称系统在应用中的不足之处，具有现实意义。 2 总体方案设计 2.1 数
6、字称原理及基本思路 数字 称的工作原理是通过称重传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号。输出电压信号通常很小，需要通过前端信号放大，再通过 A/D 转换成数字量送入到主控电路的单片机中处理，再经过单片机控制显示器，从而显示出被测物体的重量。 数字称的基本思路是微控制器技术、传感器技术的发展和计算机技术的广泛应用，电子产品的更新速度达到了日新月异的地步。本系统在设计过程中，除了能实现系统的基本功能外，还增加了语音播报功能。 按照设计的基本要求， 系统可由单片机最小系统、数据采集、几部分组成 。其中数据 采集模块 由称重传感器、前端信号放大器件、 A/D 转换组成 。 转换后的 数字信号送
7、给控制器处理，由控制器完成 对该数字量的处理，驱动显示模块完成人机间的信息交换 。 2.2 系统总体设计方案 选用称重传感器测量物体后，选用前置放大、 A/D 转换等措施，在这个环节中使用信号放大和 AD 转换之间独立的器件，在显示方面采用 LED 显示器，增增加了键盘控制和语音播报电路。如图所示 6 M C U键 盘称 重 传 感 器L M 3 5 8 放 大电 路A D C 0 8 3 2L E D 数 码 管显 示 器语 音 播 报电 路原理框图 2.3 传感器的选择 在本设计中，传感器是一个十分重要的元件，因此对传感器的选择也显的特别的重要，不仅要注意其量程和参数，还要考虑到与其相配置
8、的各种电路的设计的难易程度和设计性价比等等。所谓传感器就是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。 通过以上系统总体方案设计，确立了以下两种传感器方案： 方案一 压电传感器 压电传感 器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。 压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适合测频率太低的被测量，更不能测静态量。目前多用于
9、加速度和动态力或压力的测量。压电器件的弱点：高内阻、小功率。功率小，输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰影响输出特性，这对外接电路要求很高。 方案二 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7 )( 4321 4231 RRRR RRRRE )()()()( )()( 22 RRRRRRRR ERRRRuo 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
10、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 2-3 为 一直流供电的平衡电阻电桥， Ein 接直流电源 E： 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： ADABBDo uuuu = 当 满足条件 R1
11、R3=R2R4 时，即电桥平衡 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 RRRRRRRRRRRR 4321 , ， 8 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 3Kg，完全满
12、足本系统的精度要求。 2.4 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
13、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。 9 内部原理图 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 (
14、 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 45 nA （ 2）输入失调电流 50 nA （ 3）输入失调电压 2.9mV （ 4）输入共模电压最大值 VCC1.5 V 10 （ 5）共模抑制比 80dB （ 6）电源抑制比 100dB 2.5 A/D 转换器的选 择 A/D 转换部分 是整个设计的关键，这一部分处理不好， 会使得整个设计毫
15、无意义。目前，世界 上有多种类型的ADC，有传统的并行、 逐次逼近型、积分型 ADC，也有近年来新发展起来的流水线型 ADC，多种类型的 ADC 各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求 6。 在选择 A/D 转换器的时候应该遵循以下原则： （ 1） A/D 转换器的位数： A/D 转换器决定分辨率的高低。在系统中， A/D 转换器的分辨率应比系统允许引用误差高一倍以上。 （ 2） A/D 转换器的转换速率：不同类型的 A/D 转换器的转换速率大不相同。积分型的转换速率低，转换时间从几豪秒到几十毫秒，只能构成低速 A/D 转换器，一般用于压力、温度及流量等缓慢变化的参数测试。逐次逼近型属于中速A
16、/D 转换器，转换时间为纳秒级，用于个通道过程控制和声频数字转换系统。 （ 3） A/D 转换器的有关量程引脚：有的 A/D 转换器提供两个输入引脚，不同量程范围内的模拟量可从不同引脚输入。 （ 4） A/D 转换器的晶闸管现象：其现象是在正常使用时 ， A/D 转换器芯片电流骤增，时间一长就会烧坏芯片。 在 AD 转换模块选用了 ADC0832 ，该器件 是 美国国家半导体公司 生产的一种 8 位分辨率、双通道 A/D 转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用 ADC0832 可使我们了解 A/D 转换器 的原理，有助于我们 使用 单片机 的 技术水平提高。 引脚如图所示。
