电子式拉力计的设计毕业设计.docx
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电子式拉力计的设计毕业设计
电子式拉力计的设计
摘要
随着嵌入式设备的广泛运用,目前电子仪表也越来越趋近于数字化和智能化。
数字仪表是集电子技术、计算机技术和精密测量技术于一体的全新产物。
数字仪表具有响应快、分辨率高、测量精度高等优点。
生产的要求对电子仪表提出了越来越高的要求,需要仪表既准确的显示、记录参数大小,又能借助电脑连续反映出参数变化的过程和趋势。
因此数字仪表已成为仪器仪表领域中一个重要的分支。
而本文设计的电子式拉力计就是这样一款携带方便、功耗超低的智能化仪表。
设计这款电子式拉力计,结合了我在大学所学的嵌入式技术、单片机技术以及串口通信技术,并把它们相结合使用在这个系统中,从而设计出这样一款便携式、低功耗的电子式拉力计。
它由ATmega16AVR单片机为处理核心,由MT-TS应变式传感器来测量拉力的变化,最后测量结果由LCD1602显示。
它能实现以下功能:
测量范围分为0~50N、50~500N,以键盘控制两档量程的转换。
测量精度1%,测量结果在LCD显示屏上显示。
此拉力计结构简单,性能稳定可靠,便于维护。
操作十分简便,测量结果使用液晶显示器显示,便于使用者读取。
关键词:
数字仪表;电子式拉力计;ATmega16AVR;应变式传感器;液晶显示器
DESIGNOFELECTRONICTENSOMETER
ABSTRACT
Withthewidespreaduseofembeddeddevices,Currentlymoreandmoreelectronicinstrumentationapproachtodigitalandintelligent.Digitalinstrumentisasetofelectronictechnology,computertechnologyandprecisionmeasurementtechnologyinoneofthenewproduct.Digitalmeterwithfastresponse,highresolution,highaccuracyadvantages.Digitalinstrumentationhasbecomeanimportantbranchoftheinstrumentationfield.Thepaperdesignanelectronictensionmeterissuchaportable,ultra-low-powerintelligentinstrument.
Designofthiselectronicforcegauge,combinesincollegeIlearnedembeddedtechnologiesmicrocontrollertechnologyandserialcommunicationtechnology,andputthemincombinationwiththissystem,inordertodesignsuchaportable,low-powerelectronicRally.ItconsistsATmega16AVRmicrocontrollerprocessingcore,theMT-TSstraingaugesensorstomeasurechangesintension,measurementresultsfromtheLCD1602display.Itcanachievethefollowingfunctions:
Measuringrangeisdividedinto0~50N,50~500N,withtwostepsofkeyboardcontrolrangeconversion.Measurementaccuracyof1%,theLCDdisplayshowsthemeasurementresults.
ThisRallysimplestructure,reliableperformance,easytomaintain.Operationisverysimple,themeasurementresultsusingtheLCDdisplay,easytoread.
Keywords:
DigitalInstrument;ElectronicTensometer;ATmega16AVR;StrainSensor;LCD
1绪论..............................................................1
1.1课题研究的背景及意义...........................................1
1.2电子式拉力计的原理.............................................2
1.3本文的主要工作.................................................3
2设计方案的比较及论证..............................................4
2.1设计方案的比较.................................................4
2.1.1AT89C51方案................................................4
2.1.2ATmega16AVR方案............................................4
2.1.3方案的确定.................................................5
2.2主要元件的介绍.................................................5
2.2.1拉力传感器简介.............................................5
2.2.2ATmega16AVR单片机..........................................7
2.2.3LCD显示器..................................................7
3硬件设计及电路实现...............................................12
3.1信号采集电路的设计............................................12
3.1.1传感器....................................................12
3.1.2滤波电路..................................................12
3.1.3放大电路..................................................13
3.2信号处理电路的设计............................................14
3.2.1ATmegaAVR16功能详述.......................................14
3.2.2A/D转换模块介绍及参考电压.................................18
3.3LCD显示电路的设计.............................................19
3.4电源电路..................................................20
3.5键盘电路与报警电路........................................21
3.6晶振电路与复位电路...........................................21
4软件设计及程序实现...............................................23
4.1端口初始化....................................................23
4.1.1ATmega16AVR单片机I/O口....................................23
4.1.2I/O口寄存器...............................................24
4.1.3端口初始化程序.............................................24
4.2A/D转换数据处理程序...........................................25
4.2.1ATmega16的A/D转换器的工作方式.............................25
4.2.2与A/D转换相关的寄存器.....................................27
4.2.3A/D转换数据处理程序流程....................................28
4.3LCD显示程序...................................................29
4.4键盘程序......................................................32
4.5警报程序......................................................32
5结论..............................................................34
参考文献...........................................................35
致谢...............................................................36
附录...............................................................37
附录A电子式拉力计硬件原理图...................................37
附录B电子式拉力计软件源程序.......................................38
附件1开题报告
附件2外文翻译
1绪论
1.1课题研究的背景及意义
通常电子仪表可以分为模拟式和数字式两种类型。
模拟仪表的特点是通过指针的移动,能连续、直观地反映被测变量的测量结果及变化过程。
模拟仪表因设计原理而存在固有的局限性:
其显示精度受到表盘刻度限制,精确度提高很困难;读数存在主观误差;模拟显示的跟随速度不能太快;模拟记录是一种纸制记录,换纸、换笔既不方便也很浪费;记录结果在纸上,不利于信息的进一步处理[1-2]。
数字式仪表是电子技术、计算机技术与精密测量技术结合的产物,已成为仪表领域中一个重要分支。
数字式仪表具有响应快、精确度高、分辨率高等优点,还能实现人机对话,便于数据的进一步处理。
生产的发展对电子仪表提出了越来越高的要求,需要仪表既准确的显示、记录参数大小,又能借助电脑连续反映出参数变化的过程和趋势。
用户需要通过测量仪表准确判断设备运行状态从而有效分析数据和实现遥测,传统的电子仪表已经不能满足要求。
因此带有CPU的智能数字式仪表,能与电脑有效连接以实现连续记录,对仪表技术的开发和应用都极具研究价值[3]。
由于智能型仪表功能上明显的优点,进年来,化工业的四大测量参数压力、温度、液位及流量的测量及成分测量、阀位控制都广泛的运用到智能型仪表,DCS的推广和应用,也带动了智能型仪表的快速发展和常规仪表的更新换代。
因为智能型仪表可与DCS进行数字通讯,在DCS操作界面上也能方便地进行故障检查、参数修正等工作;智能型仪表推广的越来越普及,也大大的促进了国内仪表厂商开发智能型仪表的积极性,开发出很多符合HART协议和以微处理器为基础与上位机联网通讯的智能型仪表产品;随着仪表智能程度的提高和微处理器功能的加强,现在智能仪表的功能已经不仅限于数据采集,还加入越来越多的远程控制功能。
测量仪表的主要功能由数据采集、数据显示和数据分析等三大部分而组成。
在虚拟现实系统中,数据显示和分析完全用上位机的软件来完成。
所以,只要提供一定的数据采集硬件,就可以与PC机组成一个测量仪表。
这种基于PC机的测量仪表被称为虚拟仪表。
在虚拟仪表中,即使是同一个硬件系统,只要配套不同的软件,就可得到功能完全不同的测量仪表。
可见,软件系统是虚拟仪表的核心,“软件就是仪表”。
传统的智能仪表主要在仪表技术中用了某种计算机技术,而虚拟仪表则强调在通用的计算机技术中吸收仪表技术[4]。
作为虚拟仪表的核心,软件系统具有通用性、可视性、通俗性、可扩展性以及可升级性,能为用户带来极大的利益,因此,具有传统的智能仪表所无法比拟的应用前景和市场。
电子式拉力计,是一种体型轻巧、功能强大的数字式电子仪表。
随着微电子技术的高速发展,电子式拉压力计开始渐渐取代传统的机械式拉压力计,在拉压力测量市场中占有了越来越重要的地位[5]。
传统的机械式拉压力计因为在机械方面固有的误差和耐久度方面的缺陷,在现代高精度的测量要求下,已经不能满足人们的需求。
电子式拉力计和传统的机械式拉压力计相比,具有精度高,功能强的特点。
目前国内市场上的数显电子式拉力计中,日本的产品占主导地位,其次是美国,而国内品牌的电子拉力计与行业领导品牌具有一定差距。
因此,国内市场对拉力计的需求目前基本上全靠进口[6]。
但是,这些产品的价格十分昂贵。
因此,我们迫切需要有自己的电子式拉力计。
本设计的目的是研制出高性能、易使用的电子式拉力计系统。
本课题要求完成一个基于单片机的电子式拉力计的设计,通过对信号的采集,放大,A/D转换自动的进行数据采集和分析,达到对拉力的测试功能;本系统以ATmega16AVR单片机作为控制系统的核心部件,以键盘输入实现两档测量量程(0~50N,50~500N)的转换,测量精度为1%,采用液晶显示器显示结果。
从而实现拉力的测试和显示。
1.2电子式拉力计原理
电子式拉力计是利用拉力传感器感受拉力变化,然后输出模拟信号。
并经过放大器对其输出的信号进行放大处理,经过A/D转换后变成数字信号输送到单片机进行分析处理。
最后处理结果在LCD液晶显示模块上显示其拉力大小。
其原理如图1.1所示
图1.1拉力计原理
1.3本文的主要工作
本文主要从硬件和软件方面设计了电子式拉力计,所做工作如下:
1.在查阅大量资料的情况后,针对目前已有电子式拉力计的不足,对电子式拉力计的功能进行创新、改进,降低数字电子式拉力计的功耗,提高数显电子式拉力计的测量精度。
2.设计了电子式拉力计各模块的硬件组成,绘制了各个功能模块的原理图并画出总图(附录A)。
3.采用模块化设计方法,设计并实现了电子式拉力计软件上的各个功能。
2设计方案的比较及论证
本设计要求完成一个电子式拉力计的设计,通过拉力传感器对信号的采集、放大、A/D转换进行数据采集和分析,达到对拉力的测试功能。
本设计要求以单片机作为控制系统的核心部件,以键盘输入实现两档测量量程(0~50N,50~500N)的转换,测量精度为1%,采用LCD液晶显示屏显示,从而实现拉力的测试和显示。
鉴于以上要求以及成本上的考虑并结合本人对硬件的掌握程度,联系系统原理图,本章节就AT89C51方案和ATmega16AVR方案进行比较和论证。
2.1设计方案的比较
2.1.1AT89C51方案
如图2.1所示
图2.1AT89C51方案原理图
2.1.2ATmega16AVR方案
如图2.2所示
图2.2ATmega16AVR方案原理图
2.1.3方案的确定
通过对两个方案的原理图比较可以发现,由于ATmega16AVR单片机本身内部集成了一个8路10位的A/D转换器,如果选用ATmega16AVR方案不但可以节省硬件成本,而且降低了电路的复杂度,更有利于拉力计精确度的提高;而在软件上,两者的复杂程度是相似。
故本课题设计选用方案二(ATmega16AVR方案)。
其硬件原理图见附录A。
2.2主要元件介绍
2.2.1拉力传感器简介
传感器是能够感受规定的被测量并按人们需求转换为可用的信号进行输出的器件或装置。
它一般由敏感元件、转换元件以及其它辅助元件组成。
敏感元件是传感器中感受被测量的变化并转换为可用信号的元件,它将被测量转换为电信号或其它非电信号。
转换元件则将敏感元件输出的非电信号转换为电信号。
而辅助元件一般用于对微弱的电信号进行放大,或者将模拟电信号转换为数字电信号,以便A/D转换器能够对其进行捕获或者直接能被数字设备识别。
压力传感器是电子式拉力计的核心部件之一,压力的测量范围通常为0-5Kg。
常见的有根据金属应变片电容原理制成的压力传感器,它主要以手工生产为主,体积大,对生产经验要求高,所以,一致性,互换性较差。
而根据硅晶片惠斯通原理制作的电阻式压力传感器,具有更小的体积小、重量轻、耗能低、响应时间短等优点,被广泛应用于医疗器械,消费类电子中[7-9]。
作为拉力计的核心部件,拉力传感器的性能直接影响到整个设备的测量精度和灵敏度,因此,对拉力传感器进行选择是相当有必要的。
以下将对两种常用的典型的拉力传感器进行简要介绍。
2.2.1.1变阻式传感器
变阻器式传感器也被称为电位计式传感器。
它通过改变电位计接触位置,将位移的变化转换为电阻值的变化,并在外加电源的作用下输出电流或电压信号。
它的特点是结构简单,性能稳定,使用方便。
但是由于很细的电阻丝烧制非常困难,且烧制时要求保持恒张力,所以分辨率很难高于20um。
触点和电阻丝之间的接触面因变动和磨损、尘埃附着等使触点在移动过程中的接触电阻发生非线性变化,从而产生噪声。
用导电塑料制成的变阻器式传感器性能得到改善。
此种传感器广泛运用于工厂配料、机械制造、数控系统、拉力试验机等计量与工业控制系统中。
2.2.1.2电阻应变式传感器
电阻应变式传感器的原理是:
弹性体,也被称为弹性元件、敏感梁,在外力作用下产生弹性变形,使粘在它表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生变形,电阻应变片变形后,它的阻值将发生变化,再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流),从而完成了将外力的变化转换为电信号的过程。
其具有灵敏度高,机械滞后小,横向效应小,体积小等特点。
但是应变片的温度稳定性较差,导致灵敏度的离散度较大,当外力变化很大时非线性误差较大。
因此针对不同需要MT-TS系列应变式拉压传感器具有不同的规格和量程,广泛应用于水泥,煤炭,船舶,工程,机械等行业的测试及控制系统。
考虑到电子式拉力计需要质量轻,体积小,量程小,便于携带,便于维修,灵敏度高等特点,同时结合市场上传感器的供求情况和性价比,故本设计选用应变式拉压传感器MT-TS。
MT-TS应变式拉压传感器采用全密封、全补偿的箔式应变片,通过专门设备将应变片粘贴在应变梁的应力集中点上。
并经高温处理后,使之与应变梁较好的粘合在一起,其具有如下优点:
1.精度高,测量范围广;
2.使用寿命长,性能稳定可靠,输出特性的线性好;
3.结构简单,尺寸小,重量轻;
4.响应频率高,适合测量动态过程;
5.环境适应能力强,可以在高温、高压、振动、核辐射及化学腐蚀很严重的恶劣环境下工作。
该传感器内部有高精度的电阻应变片,在压力的作用下能产生一定应变,从而引起其电阻阻值的变化,可以通过应变与压力关系,将压力信号转换为电信号。
其基本性能参数如下:
•恒压供电:
推荐5VDC,最大15VDC;
•桥路阻抗:
120Ω,350Ω,650Ω;
•桥路形式:
惠斯通全桥;
•绝缘电阻:
大于100MΩ/100VDC;
•电缆长度:
1.5mPVC四芯屏蔽电缆;
•防护等级:
IP65;
•输出信号:
可按要求为0~5V或4~20mA;
•综合精度:
0.05%FS;
•重复性误差:
0.05%FS;
•滞后误差:
0.05%FS ;
•零点输出:
5%FS;
•灵敏度输出:
2±0.1mV/V;
•补偿温度范围:
0℃~50℃;
•工作温度范围:
-20℃~80℃;
•零点温度漂移:
0.05%FS/℃;
•灵敏度温度漂移:
0.05%FS/℃;
•过载能力:
150%FS。
2.2.2ATmega16AVR系列单片机
近几年来,随着单片机技术的发展,世界上很多芯片制造商纷纷推出自己的新一代产品,品种极为丰富。
由于竞争相当激烈,其中低功耗、本身具有液晶显示驱动器与看门狗定时器的多功能单片机将成为主流器件。
全球著名半导体器件制作商—爱特梅尔半导体公司(Atmel)所生产的新型芯片AVR系列单片机,以其独特的性能、丰富的片内外设成为电子技术设计开发人员的新宠。
AVR单片机是Atmel公司于1997年推出的基于RISC指令架构的高性能、低功耗8位单片机。
RISC(ReducedInstructionSetComputer,精简指令集计算机)开发于上世纪90年代、综合了半导体集成技术和软件技术的新微型处理器架构。
RISC是相对于CISC(ComplexInstructionSetComputer,复杂指令集计算机)而言的。
RISC通过优选使用频率最高的简单指令、避免复杂指令、采用固定指令长度、减少指令格式和寻址方式等方法来缩短指令周期,提高处理器的运算速度。
采用RISC结构,使得AVR系列单片机具备1MIPS/MHz的高速处理能力。
2.2.3LCD显示器
随着信息技术、计算机技术和电子技术的飞速发展,各种仪器仪表逐渐趋于智能化和多功能化。
由于低功耗、高画质、轻巧、平板型结构、不眩光、不刺激眼睛、无电磁辐射和X射线等诸多优点,液晶显示器已经在平板显示领域中占据了主导地位,更由于它显示字符规范、可汉字化、能显示各种图形、曲线等丰富的内容。
作为重要的人机交互设备,显示器具有不可替代的作用。
在小型智能仪器中,普通的7段LED数码管只能用来显示数字。
若遇到要显示图像或者文字时,则必须使用LED点阵或者液晶显示器(简称LCD)。
但是LED点阵存在着功耗大、显示效果差的缺点,而LCD凭借其功耗低、容量大、分辨率高、稳定性好、辐射低等优点被广泛运用于智能仪器仪表的显示,逐渐成为显示器市场的主流。
2.2.3.1液晶显示原理
液晶显示器。
简称LCD(LiquidCrystalDisplay)。
液晶显示器是以液晶材料作为基本元件。
液晶是一种能同时呈现出固体和液体特征的物质。
液晶从其形状和外观上来看比较像是一种液体。
但它的水晶式的分子结构却又使它表现出固体的形态。
所以液晶同时具备了液态流动的特性和固态晶体的光学特性。
当通电时导通,按序列排列,
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