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1、目录前言1 设计内容及总体方案31.1 设计内容61.2 总体方案62 传感器的选择72.1 测量原理分析82.2 应变电桥93 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104 A/D转换的设计104.1 ADC0809芯片114.2 MC51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22前言随着科技的开展，检测技术已经深入各种领域。为了开展和学习检测技术，为了稳固利用所学知识，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
2、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，稳固加深有关传感器、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，到达了解和掌握检测系统综合设计过程和方法的目的。进行设计根本技能的训练。如：计算、绘图、熟悉和运用设计资料手册、
3、图册、标准和标准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。1设计内容及总体方案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、设计标准等；5.按学校课程设计说明书撰写标准提交一份课程设计说明书6000字左右；6.按
4、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。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拟适宜。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根底的，
5、以下是总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 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：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 图1-2具体方案图2传感器的选择测量原理分析电阻应变式传感器简称电阻应变
6、计。当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的外表上时，那么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，一根金属丝的电阻为： 2-1在金属丝的弹性范围内 ： R/R=K x 2-2 式中：Ks 金属丝的灵敏系数 x 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下图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
7、，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，用来和外接导线连接。本设计需要4个应变片，它们的分布如下列图： 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： 2-3 式中： 距自由端为处的应变值； 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，弹性体的应变量只取决于作用在弹性体平面内且与轴
8、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：0100Kg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作用时，电阻应变片1和3受到拉伸作用，阻值增加；2和4受到压缩作用，阻值减小，电桥失去平衡，产生的不平衡电压 的大小与所受作用力成正比。电桥的输出电压反映了电阻应变片相应的受力状态。图
9、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，那么有 ；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1= R2= R3= R4=R， 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。假设电桥不平衡时，即R1R3R2R4时，电桥输出：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
10、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
11、完全平衡对称，运算放大器才具有理想特性。否那么，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100120dB。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。具体的电路如下图：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-Ui1UO=(1-R3R4)UiC+1/2(1+R32R4+)UidR1R1R2R4R3R2假设 ， 那么上式第一项为零,较好抑制了共模信号.差模增
12、益: Kd=(1+Rf/R) , 本电路的特点是输入阻抗高.滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和别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4 A/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
13、换器以及输出电路等。关于 ADC0809的介绍：ADC0809 是CMOS 单片型逐次逼近式AD 转换器，内部结构如图1322 所示，它由8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比拟器、8位开关树型DA 转换器、逐次逼近，存放器、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：18路8位AD 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100s4单个5V 电源供电5模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。6工作温度范围为-4085 摄氏度7低功耗，约15mW。图
14、4-1 ADC0809管脚图对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：IN7IN0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5
15、00KHz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。D7D0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拟，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V). MCS-51单片机与ADC0809的接口电路ADC080
16、9与MCS-51单片机的连接如下图: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。图4-2 ADC0809与MCS-51的连接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的和固定的。例如ADC0809转换时间为128us，相当于
17、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 转换芯片说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，假设完成，那么接着进行数据传送。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 的中断效劳程序读AD 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。程序如下
18、：INITl： SETB ITl ； 外部中断1 初始化编程SETB EASETB EXlMOV DPTR，#7FF8H ； 启动0809 对IN0 通道转换MOVX DPTR，AMOV DPTR，#7FF8H ；读取AD结果送缓冲单元30HMOVX A，DPTRMOV 30H，AMOVX DPTR，A ；启动0809 对IN0通道下一次转换RETI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。A/D转换程序：ORG 0000H MOV DPTR,#0FEF8H ;AD转换IN0通
19、道地址 MOV A,#00H MOVX DPTR,A ;启动AD转换 START:CLR ST SETB ST CLR ST JNB EOC SETB OE MOV 30H,P2 CLR OEMOV A,30H MOV B,#100 DIV AB LOOP: MOV BAI,A MOV SHI,B MOV A,SHI MOV B,#10 DIV AB MOV SHI,A MOV GEWEI,BMOV A,BAI MOV P1,A LCALL DELAYMOV A,SHI MOV P1,A LCALL DELAY MOV A,GEWEI MOV P1,A LCALL DELAY SJMP STA
20、RT5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系列单片机中最根本的产品，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
21、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5-1单片机89C51管脚图Vss(20脚):接地VCC40脚: 主电源+5VXTAL119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。XTAL218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。假设需采用外部
22、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。RST9脚: 单片机刚接上电源时，其内部各存放器处于随机状态，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RESETPSEN29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/PROG30脚:在访问片外程序存储器时
23、，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/VPP31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：1P0.0P0.7 (39
24、脚32脚)2P1.0P1.7 1脚8脚3P2.0P2.7 26脚21脚4P3.0P3.7 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。
25、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口输出其特殊功能存放器的内容。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
26、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 P3.0 RXD串行输入口 P3.1 TXD串行输出口 P3.2 /INT0外部中断0 P3.3 /INT1外部中断1 P3.4 T0记时器0外部输入 P3.5 T1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表5-1 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
27、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 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6显示单元 用80C51串行口外接74LS164扩展8位并行输出口，如下图，8位并行口的各位都接一个发光二极管，要求发光管呈流水灯状态。 串行口方式0的数据传送可采用中断方式，也可采用查询方式，无论哪种方式，都要借助于TI或RI标志。串行发送时，可以靠TI置位发完一帧
28、数据后引起中断申请，在中断效劳程序中发送下一帧数据，或者通过查询TI的状态，只要TI为0就继续查询，TI为1就结束查询，发送下一帧数据。在串行接收时，那么由RI引起中断或对RI查询来确定何时接收下一帧数据。无论采用什么方式，在开始通讯之前，都要先对控制存放器SCON进行初始化。在方式0中将，将00H送SCON就可以了。芯片介绍：74LS164 是8位移位存放器串行输入，并行输出。当去除端CLEAR为低电平时，输出端QAQH均为低电平。 串行数据输入端A，B可控制数据。当 A、B 任意一个为低电平，那么禁 止新数据输入，在时钟端CLOCK脉冲上升沿作用下 Q0 为低电平。当 A、B 有一个为高电
29、平，那么另一个就允许输入数据，并在 CLOCK 上升沿作用下决定 Q0 的状态。 引出端符号 CLOCK 时钟输入端 CLEAR 同步去除输入端低电平有效 A，B 串行数据输入端 QAQH 输出端图6-1 74LS164引脚图表6-1 真值表显示电路图：图6-2 显示电路图多位LED显示时，常将所有位的段选线并联在一起，由一个8位IO口控制，而共阴极点或共阳极点分别由另一个8位IO口控制；也可采用并行扩展口构成显示电路，通常，需要扩展器件管脚的较多，价格较高。图所示是该电路的硬件原理图。其中，74LS164是8位并行输出门控串行输入移位存放器，LED采用L05F型共阴极数码管。 显示时，其显示
30、数据以串行方式从89C51的P口输出送往移位存放器74LS164的A、B端，然后将变成的并行数据从输出端Q0Q7输出，以控制开关管WT1WT8的集电极，然后再将输出的LED段选码同时送往数码管LED1LED8。这样，8个数码管便以100ms的时间间隔轮流显示。由于人眼的残留效应，这8个数码管看上去几乎是同时显示。显示程序：START: CLR A ；熄灭显示器 MOV P1, A MOV Ro ,#20H MOV A ,Ro ；显示个位 MOV A , #0FH MOV A , #20H MOV P1,A ACALL DMS INC RoMOV A ,Ro MOV A , #0FH MOV A
31、 , #40H ； 显示百位 MOV P1 , A ACALL DMS RET DMS: MOV R 7 ,#02H DL1: MOV R6 , #0FFH DL2: DJNZ R6 , DL2 DJNZ R 7 , DL1 RET7参考文献1. 刘迎春.传感器原理.国防工业出版社.2004年 2. 袁希光.传感器技术手册.国防工业出版社.1986年3. 郑秀瑗.应力应变电测技术.国防工业出版社.1985年4. 蔡春源.新编机械设计手册.辽宁科学技术出版社.1993年5. 王森.仪表常用数据手册.化学工业出版社.1998年6. 孙传友.测控电路及装置.北京航空航天大学出版社.2002年7. 王俊杰.检测技术与仪表.武汉理工大学出版社. 2002年
