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1、菏泽学院Heze University本科生课程设计（论文）题 目应变式传感器称重系统的设计姓 名 任青瑞 学号院系蒋震机电工程学院专业自动化指导教师侯建华 职称 副教授传感器与检测技术课程设计任务书及成绩评定专业 自动化设计题目 应变式传感器称重系统的设计学生姓名 任青瑞 学号 2013174271指导教师侯建华 职称 副教授、设计的主要内容（技术指标）与要求1主要内容本文设计了一种以AT89C51单片机为核心，包括ADC0809类型转换器的压阻应变片式压力 传感器的重力测量系统。精度高，输出特性的线性好，工作性能稳定、可靠。2设计要求：（1）了解应变桥的工作原理；（2）应用应变桥的调节电路
2、和A/D转换；（3）使用单片机读取转换值并用数码管显示；（4）测量范围是02000g。进度安排： 第一阶段查阅相关文献第二阶段确立多个方案，选择最优方案第三阶段针对方案进行硬件电路设计并调试第四阶段针对方案进行软件设计并调试第五阶段总结报告，写论文成绩评定设计成绩：指导教师：年 月 日目录摘要1关键字1Abstract 1Key words 1引言21应变式传感器称重系统设计方案21.1设计要求21.2设计思路22硬件设计22.1单片机模块22.2电源模块 42.3传感器电路模块42.4 A/D变换电路模块42.5数码管显示模块53软件设计63.1程序设计语言的选用 63.2软件程序的设计 6
3、4调试校准74.1实物连线74.2系统调零84.3量程调节8个人总结8参考文献8附录9应变式传感器称重系统的设计自动化专业学生 任青瑞指导教师 侯建华摘要：本文设计一种以AT89C51单片机为核心，包括ADC0809类型转换器的压阻应变片式压力传 感器的重力测量系统。简要介绍了压阻应变片式压力传感器电路的工作原理以及A/D变换电路的工 作原理，完成了整个实验对于压力的采样和显示。与其它类型传感器相比，压阻应变片式压力传感 器有以下特点：测量范围广，精度高，输出特性的线性好，工作性能稳定、可靠，能在恶劣的化境 条件下工作。由于压阻应变片式压力传感器具有以上优点，所以它在重力测试技术中取得十分广泛
4、 的应用。关键字：压阻应变片式传感器；AT89C51单片机；ADC0809；数码管The Design of Strain Gauge Sensor Weighing SystemAutomation professional student Ren QingruiTutor Hou JianhuaAbstract: This paper introduces a kind of differential pressure measuring system with AT89C51 single chip microcomputer as the core, including the dif
5、fusion silicon pressure resistance type pressure sensor of ADC0809 type converter. This paper briefly introduces the working principle of the diffusion silicon pressure sensor circuit and the working principle of the A/D conversion circuit, and completes the sampling and display of the pressure in t
6、he whole experiment. Compared with other kinds of sensors, the diffused silicon pressure resistance type resistance strain type sensor has the following characteristics: wide measuring range, high precision, good output characteristics of linear, stable performance, reliable, can work under the bad
7、environment conditions. Because of the above advantages, the diffusion silicon pressure resistance type pressure sensor has a very wide range of applications.Keywords: Pressure resistance strain gauge sensor; AT89C51; ADC0809; digital tube引言物料计量是工业生产和贸易流通中的重要环节。称重装置或衡器是不可缺少的计量 工具。随着工农业生产的发展和商品流通的扩大，
8、衡器的需求也日益增多，过去沿用的 机械杠杆秤己不能适应生产自动化和管理现代化的要求。而传感器技术和电子技术的迅 速发展，电子称重技术日趋成熟，逐步取代了机械秤。快速、准确、操作方便、消除人 为误差、功能多样化等方面已成为现代电子称重技术的主要特点。现代电子称重装置的应用已遍及到国民经济各领域，取得了显著的经济效益。同时 对称重仪表的要求也越来越高，要求仪表有更高抗干扰能力、更高的精度。而压力传感 器技术在诸多领域中相对而言最为成熟。根据工作原理的不同，压力传感器通常可以分 为机械膜片、硅膜片电容性、压电性、应变性、光纤、霍尔效应、压阻式压力传感器等。 压阻式传感器又包括扩散硅型和应变片型传感器
9、，压阻应变片式传感器由于具有结构简 单、可微型化、输出信号大、精度高、分辨率高、频响高、低功耗、体积小、工作可靠 等突出特点而在压阻式压力传感器市场中占据更大的份额。本次设计采用压阻应变片传 感器。1应变式传感器称重系统设计方案1.1设计要求(1) 了解应变桥的工作原理；(2) 应用应变桥的调节电路和A/D转换；(3) 使用单片机读取转换值并用数码管显示；(4) 测量范围是02000g。1.2设计思路在设计之前，先准备好编程软件，原理图设计软件，相关元器件，焊接工具，导线 若干，应变传感器模块等。然后查阅资料，绘制电路图，绘制完成后生成PCB图，进 行元器件的布局，不断改进。布局要美观合理，避
10、免信号干扰。绘制完成后进行电路板 的印刷，然后进行元器件的焊接，最终完成整个应变式传感器称重系统的硬件系统，然 后进行软件编程，编写A/D转换和数码管显示的程序。确定完成整个应变式传感器称重 系统后进行调试。2硬件设计应变片传感器称重系统的设计，采用金属丝电阻应变片式压力传感器，采集的信号 通过A/D转换器实现从模拟到数字的转换，再经过AT89C51芯片处理，在LED数码管 上显示所要的结果。应变片传感器称重系统总框图如图2-1所示。2.1单片机模块在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51、AT89S51更实用，因图2-1应变片传感器称重系统总框图为它不但和8051指令、管
11、脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的， 这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMEL AT89xx做 的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也 大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。再 者，AT89C51、AT89S51目前的售价比8051还低，而且还有稳定，充足的货源。AT89C51系列单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互连构成的。其主要由 中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、串行接口、并行I/0 接口、定时/计数器、中断系统等几大单元，以及
12、数据总线、地址总线和控制总线组成。AT89C51单片机特点能与MCS-51兼容，有4K字节可编程闪烁存储器，寿命能够 达到1000写/擦循环，数据可以保留时间长达10年，全静态工作：0Hz-24MHz，三级 程序存储器锁定，128X8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5 个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。所以 AT89C51符合本次设计的主控芯片。AT89C51接线如图2-2所示。teo a DAT89C5QuDatel 2Date2 34Datc4 5Date? 6Datefi 7Date? 891011121314151617
13、1181920P1.0P1.1P1.2P1.3PL.4P1.5P1.6P1.7RSTRXDTXD INTO D4T1 TOT1WRRDX2 XI GNDvcc PO.O P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.& P0.7 EA ALE PSEN P2.7 P2.& P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.02.2电源模块应变式传感器称重系统需要+ 5V电源，所以该系统的电源可以由普通的手机充电器 来代替。手机充电器中既包含了降压模块，又有交直流转换模块，可以提供稳定的+5V 直流电源，而且手机充电电源非常常见，完全可以满足要求。2.3传感器电路模块传感器是一种
14、能够感受规定的被测量的信息，并按照一定规律转换成可用输出信号 的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成。传感器技术是现代 信息技术的三大支柱之一，其应用的数量和质量已被国际社会作为为衡量一个国家智能 化、数字化、网络化的重要标志。应变片传感器称重系统采用压阻式应变片传感器。用应变片测量受力时，将四片应变片采用全桥形式接入测量电路应变片在外力作用 下发生机械形变时。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，金属电阻丝受 力F作用时长度变化，横截面积相应改变，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故 起电阻值变化，这就是金属的电阻应变效应。应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生
15、相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，可以得到被测对象的应变值，而根 据应力应变关系，可以测得应力值。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、 压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感 器。在设计中直接将应变片作为电阻连接到传感器模块中，组成传感器。本设计选用金 属电阻式应变片如图2-3所示。护层 金尾电阻应变丝引税图2-3金属箔式应变片结构图2.4 A/D转换电路模块ADC芯片型号很多，在精度、速度和价格方面千差万别，较为常见的ADC主要有 逐次逼近型、双积分型和电压一频率变换型三种。我们选用逐次逼近型，即ADC0809。 它由5V电源供
16、电，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，片内具有多路开关的地 址译码器和锁存电路、高阻抗斩波器、稳定的比较器，256Q电阻T型网络和树状电子 开关以及逐次逼近寄存器。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总线上。通过适当的外接电路，ADC0809可对0V5V的双极性模拟信号进行转换。ADC0809 是28脚双列直插式封装。各引脚功能说明如下：D0 - D8：8位数字量输出引脚，由最低引脚到最高引脚IN0 - N7:8路模拟量输入引脚Vcc：+5V工作电压GND：地REF ( + )：参考电压正端REF (-)：参考电压负端START：A/D转换启动信号输入端ALE：地址锁存允许信号
17、输入端，以上两个信号用于启动A/D转换EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，转换结束时为高电平OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器CLK：时钟信号输入端A、B、C：地址输入线，经译码后可选通IN0-IN7 8个通道的一个通道进行转换ADC0809芯片接线如图2-4所示。+5V+5VTDATA1，IN3IN2 ，典INI -IN5INO IN6A 函7B ，STARTC ，EOCALE-D3D7 ，OFD6 - CLKD5 VCCD4 ，VKEF+DO ，GNDVKEF. -DID2 U1414ADC08O9CCN78舛4IN6 W STARTEOCDATA3LLK项1C
18、1013强 IN25 ADD_4工 addb23 ADlCd 22 AI_ 21 DATA? 20 DATA6 DATA5 IS 17 17DATMDATAOGNDU10kGND图2-4 ADC0809芯片接线图2.5数码管显示模块数码管(LED)是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在 内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管的应用代替了老套旧式的 指针仪表，指针表精度低，测量不精确，精度只能在1-1.5之间，然后用数码管代替的 数显仪表运用其高科技手段，精度可以达到0.1-0.5之间，是个很大的飞跃。应变式传感器称重系统采用的是六位数码管显示。数码管显示模块
19、如图2-5所示。图2-5数码管显示模块3软件设计3.1程序设计语言的选用应变式传感器称重系统中采用的处理器是AT89C51单片机，由此可采用面向MCS-51 的程序设计语言，包括ASM51汇编语言和C51高级语言，这两种语言各有特点。汇编 语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的一种语言。其 主要优点是占用资源少、程序执行效率高。但是不同的CPU，其汇编语言可能有所差异， 不易移植。C语言是一种结构化的高级语言。其优点是可读性好，移植容易，是普遍使用的一 种计算机语言。但它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。有着功能丰 富的库函数，运算速度快，编译效率高，有
20、良好的可移植性，而且可以直接实现对系统 硬件的控制。此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块 化程序设计方法提供了有力的保障。用C语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周 期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备 的系统。综上所述，本设计采用C语言编程。3.2软件程序的设计程序主要由主程序和子程序两部分构成。主程序主要实现系统的初始化，A/D转 换，显示数据。系统的初始化包括寄存器的初始化（控制寄存器、堆栈、中断寄存器等）， 通信的初始化（串口的初始化，ADC0809的初始化），LED显示的初始化，输出端口的 初始化，采集、累计数据的
21、初始化。工作流程是：在金属电阻丝应变片模块上放若干砝码，通过应变片放大感应电压， 将电压值传到ADC0809的IN0 口，通过模数转换，在AT89C51单片机中运行，输出到 LED显示屏上数字。流程图如图3-1所示图3-1程序流程图4调试校准4.1实物连线(1) 将应变片连接到应变传感器模块上(2) 从主控台上接入15V电源，差动放大器调零前，先将Ui短接并与地相连，信号输 出与数显电压表相连。检查无误后，进行差动放大器调零，然后关闭主控台电源，将应 变片传感器接入Ui，加上托盘调零以及调节量程，调好后断开电源，将输出改接到数码 管显示模块，将电压量纲改为重量量纲，进行称量。连线实物图如图4-
22、1所示。4.2系统调零4.2.1差动放大器调零从主控台上接入15V电源，将Ui短接并与地相连好，信号输出与数显电压表相连。 将电位器Rw3调到增益最大处并反向旋转一周，调节Rw4使数显电压表显示为0V。关 闭主控台电源。4.2.2加托盘后电桥调零电桥输出端接入Ui检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1 使数显电压表显示为零。4.3量程调节（1）将10只砝码置于传感器托盘上，调节Rw3,使数显电压表显示为0.200V（2V档）。（2）拿去托盘上的所有砝码，观察数显电压表是否显示为0.00V若不为零，再次将差 动放大器调零和加托盘后电桥调零。（3）重复上述步骤，直至精确为止。总
23、结本次设计结束之后我对传感器有了更进一步的了解。对AT89C51单片机我们有了 新的认识，并且这次课程设计让我能更加熟练的应用单片机。应变片传感器反应不是很 灵敏，所以在取数据的时候还要稍微等一会，而我做出来的电子称精度也达到50mv/50g, 这个精度已经相当好了，可以测出50g到2100g的重量变化。同时我在调试电路时发现 一个问题就是，这次我做的系统结果会产生一定的漂移和可用的电压只能到2.3V，A/D 转换的芯片可以承受5V，这就是电路中需要改进的地方。最终的设计比较成功，称了 下自己的手机178g，与官方标配相同，结果比较满意。参考文献：1 徐科军.电阻式传感器原理及应用M.第3版.
24、北京：电子工业出版社,2011.9.2 强宝民，周台发,王卫辉.大型起重转载设备稳定性监测J.计算机测量与控制,2005.83 郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用M.西安:西安电子科学大学出版社,2003.4 叶香滨.传感器测试技术M.北京：国防工业出版社,2007.5 郭天祥.51单片机C语言教程M.北京：电子工业出版社,2009.1附录ATC89C51软件程序：（c语言编程） #include#include#include#define uchar unsigned char/8155控制字数码管字位口数码管字形口#define com8155 XBYTE0xff20#defin
25、e pa8155 XBYTE0xff21#define pb8155 XBYTE0xff22#define ad0809 XBYTE0x9000void delay(unsigned int i)延时子程序(unsigned int j,k;for(k=0;ki;k+)for(j=0;j100;j+); void main(void)( uchar idata disbuf6=0,8,0,9,5,5;定义数码管字形码数组uchar codet table20=0xC0,0xF9, 0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8, 0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0
26、xA1, 0x86,0x8E,0xFF,0x0C,0x89,0xDE; 七段 LED 数码管段选 com8155=0x43;/8155 控制字设置while(1) uchar x=6,y=0x20,m,n,w,r,shi,ge,t=0xff;/X:表示6个数码管，丫:送LED数码管字位值 y=-y;取反命令ad0809=0x00;/0809 的 0 通道采样取出采样值delay(1); m=ad0809;将采样取出的16进制数拆分送LED数码管显示 m=m&t;取出采样值低4位r=100*m/(256-m); w=r； ge=w%10; disbuf5=ge; shi=w/10;取出采样值高4位disbuf4=shi;for(x=0;x6;x+)六位数码管动态循环显示(pb8155=tabledisbufx;将显示数值转化成LED段选码送数码管字形口pa8155=y;将字位值送数码管字位口delay(2);延时几毫秒y=_cror_(y,1);位选码右移一位选通下个数码管，依次循环显示
