光學(xué)微重測量報告

1、光學(xué)微重測量摘要本設(shè)計采用STC89C52單片機組成光照強度測量顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)對光強的測量和顯示，因為光學(xué)測量微重的關(guān)鍵是測量變化的光強。光強傳感器采用硅光電池硅光電池，隨著所稱重量的改變，光強發(fā)生相應(yīng)改變，則對光照強度進行實時采樣，并轉(zhuǎn)換成電壓變化。將采集的信號接入差分放大器實現(xiàn)放大，再輸入到ADC轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入單片機中處理，通過LCD1602液晶屏顯示出在不同光照強度下電路電壓的變化值。關(guān)鍵詞： 激光，89C52單片機 ,A/D轉(zhuǎn)換器, LCD顯示屏AbstractIn this paper,the author uses the STC89C52 SCM&

2、#160;light intensity measurement display system to realize the measurement of the light intensityand and display,As the key of the optical measurement of micro heavy is how to measures the changes of the light intension. Light intensity sensor using silicon photocell, which samples th

3、e light intensity that in result of the changes of what we weigh in a real-time and then transform the light intension into the changes of voltage. The voltage signal should be input to the operational amplifier to magnify it, and then import the A/D converter that can transform the analog

4、 digital into digital signal which 52mcu can deal with.Finally,the weight change can be saw on the LCD1602.Keywords: laser, 89C52 MCU, A/D converters, Liquid Crystal Display第一章緒論11.1背景11.2研究目標(biāo)及實現(xiàn)功能1第二章設(shè)計要求與方案論證32.1設(shè)計要求32.2方案選擇32.2.1 單片機芯片的選擇32.2.2顯示模塊選擇52.2.4 AD芯片選擇62.2.5光電轉(zhuǎn)換器的選擇72.2.6設(shè)計原理

5、82.3 電路設(shè)計方案最終確立8第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)93.1 電路設(shè)計框圖93.2主要單元電路的設(shè)計103.2.1 單片機主控模塊設(shè)計103.2.2 LM741運放電路設(shè)計103.2.3 AD轉(zhuǎn)換電路113.2.4顯示器件設(shè)計123.3系統(tǒng)設(shè)計的整體硬件結(jié)構(gòu)13第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計及調(diào)試144.1 程序流程框圖144.2 A/D轉(zhuǎn)換流程圖154.3 軟件程序15結(jié)論23參考文獻(xiàn)24第一章 緒論1.1 背景在現(xiàn)實生活中，很多貴重物品都是比較細(xì)小且價值昂貴的，我們需要知道它們重量才能知道它的價值，如多少克藥品，多少克黃金。但是這些微小的物品顯然比較難以堅測。同樣的，在工業(yè)生產(chǎn)中，對于一些原材

6、料也需要測量其質(zhì)量以確定需要的用量，方能生產(chǎn)出符合要求的產(chǎn)品。那么我們應(yīng)該怎樣測量微小物品的重量呢，下面我們就以光纖傳輸原理，設(shè)計一個光學(xué)方法測量微重的系統(tǒng)。1.2研究目標(biāo)及實現(xiàn)功能本文所設(shè)計的微重測量系統(tǒng)是以單片機 STC89C52為主控制中樞，其工作穩(wěn)定，使用方便。本設(shè)計主要是測試因為質(zhì)量變化使托盤反射的光強變化，利用傳感器將所采集的光信息轉(zhuǎn)換為電壓輸出，并通過 A/D 轉(zhuǎn)換器將所得到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入單片機中進行分析，并通過 LCD1602液晶進行顯示。本設(shè)計以 STC89C5單片機為控制中樞來設(shè)計光學(xué)方法微重測量。實現(xiàn)首先掌握系列傳感器的工作原理應(yīng)用硅光電池測量重量導(dǎo)致的光強變化

7、；使系統(tǒng)的各個模塊穩(wěn)定的工作；完成單片機的程序語言的設(shè)計及編程并在系統(tǒng)中運行；掌握單片機各外部引腳的作用及功能；完成重量測量值顯示整體的設(shè)計工作以及器件的運行。第二章 設(shè)計要求與方案論證2.1設(shè)計要求A具有顯示當(dāng)前測量物品重量功能；2.2方案選擇2.2.1 單片機芯片的選擇 STC89C52單片機是STC公司生產(chǎn)的一種功耗低、性能高的CMOS8位微控制器，具有8K系統(tǒng)內(nèi)可編程存儲器。在一塊芯片上，包含有8位CPU和在系統(tǒng)可編程flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制系統(tǒng)提供靈活、高效的解決方案。該單片機包含以下功能：8k字節(jié)字Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O端口線，看門狗定時

8、器功能，內(nèi)置4KB EEPROM，內(nèi)置MAX810復(fù)位電路，三個16位的定時器計數(shù)器一個6向量2級中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)全雙工串行口。另外STC89C52可降至0HZ靜態(tài)邏輯操作，并且支持2種可選擇的節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU可以單獨停止工作，允許RAM、定時器計數(shù)器、串口和中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止，本設(shè)計中使用的單片機型號是STC89C52RC。STC89C52主要特性如下：1.增強型8052單片機，可以在6時鐘機器周期和12時鐘機器周期中任意選擇，程序指令完全兼容8051傳統(tǒng)舉片機2.工作電壓：3.3V5.5V(

9、5V單片機）, 2.0V3.8V(3V單片機）3.工作頻率范圍：040MHz，相當(dāng)于普通8051單片機的080MHz，實際的工作頻率可達(dá)48MHz4.用戶實際應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)5.單片機上集成512字節(jié)RAM6.通用I/O端口為32個，P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向端口弱上拉，P0端口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，可以不加上拉電阻；作為I/O端口時，需加上拉電阻7.具有ISP(在系統(tǒng)可編程）/IAP(在應(yīng)用可編程），不需要專用編程器以及專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TXD/P3.0）直接下載應(yīng)用程序，數(shù)秒即可完成一片單片機的程序燒錄8.具有EEPROM功能9.具有看門狗功能

10、。10.共3個16位定時器/計數(shù)器，即定時器T0,T1,T2。11.外部中斷共4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式來喚醒。12.具有通用異步串行口（UART），還可以用定時器軟件實現(xiàn)多UART。13.工作溫度范圍：-40+85°C工業(yè)級）/0-75°C（商業(yè)級）STC89C52的封裝如圖2-1所示圖2-1 STC89C52引腳圖由于STC89C52 單片機片內(nèi)有4K 字節(jié)的在線編程 Flash 存儲器，可以擦寫1000次，不但具有掉電模式，而且具有掉電狀態(tài)下的中斷恢復(fù)功能，對設(shè)計開發(fā)非常實用。所以選用 STC89C52 單

11、片機作為光學(xué)微重測量系統(tǒng)的控制單片機。2.2.2顯示模塊選擇在本設(shè)計當(dāng)中使用 1602 液晶進行顯示，1602 液晶顯示屏也被稱為 1602 字符型液晶顯示屏，這種液晶是一種點陣型的字符液晶模塊，用來顯示不同字母、阿拉伯?dāng)?shù)字以及特殊的字符。該液晶由多個 5X7 或者是 5X11 的點陣型字符組成的，每個字符都是由一些點陣字符組成來進行顯示的，顯示的每個字符都用一個點進行間隔，每行之間也可以有間隔。這樣就可以當(dāng)做行列間距來使用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義 CGRAM，顯示效果也不好）。 內(nèi)部含有 80 字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器。 8 個可由用戶自定義的 5X7 的字符發(fā)生器 CGRA

12、M。 其工作電壓為 3.3V 或 5V，顯示亮度可以調(diào)節(jié)。 內(nèi)部含有 5X7 點陣的字型的字符發(fā)生器 CGROM。 內(nèi)部含有各種位控制命令,如：清屏、閃爍、左右移位等特殊功能。 圖2-2 LCD引腳圖2.2.3 運放芯片選擇LM741是一種應(yīng)用非常廣泛的通用型運算放大器集成電路。由于采用了有源負(fù)載，所以只要兩級放大就可以達(dá)到很高的電壓增益和很寬的共模及差模輸入電壓范圍。本電路采用內(nèi)部補償，電路比較簡單不易自激，工作點穩(wěn)定，使用方便，而且設(shè)計了完善的保護電路，不易損壞。LM741可應(yīng)用于各種數(shù)字儀表及工業(yè)自動控制設(shè)備中。由于硅光電池板將光轉(zhuǎn)換成電壓后，所得電壓量較小，所以選用LM741單運放，其

13、不僅可以實現(xiàn)信號放大，而且能用于緩沖隔離，阻抗匹配，以及將電壓轉(zhuǎn)換為電流或者將電流裝換成電壓等用途。圖2-3 LM741引腳圖2.2.4 AD芯片選擇TLC549可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、DATA OUT三條口線進行串行接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時間最長17s，TLC549允許的最高轉(zhuǎn)換速率為45500次/s，TLC549為40000次/s?？偸д{(diào)誤差最大為±0.5LSB，典型功耗值為6mW。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于較小信號的采樣。TLC549的引腳名稱如下

14、圖所示。 圖2-4 TLC549AD轉(zhuǎn)換器引腳圖2.2.5光電轉(zhuǎn)換器的選擇硅光電池是一種能將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件,其結(jié)構(gòu)圖所示.它實質(zhì)上是一個大面積的半導(dǎo)體PN結(jié).硅光電池的基體材料為一薄片P型單晶硅,其厚度在0.44mm以下,在它的表面上利用熱擴散法生成一層N型受光層,基體和受光層的交接處形成PN結(jié).在N型層受光層上制作有柵狀負(fù)電極,另外在受光面上還均勻覆蓋有抗反射膜,它是一層很薄的天藍(lán)色一氧化硅膜,可以使電池對有效入射光的吸收率達(dá)到90%以上,并使硅光電池的短路電流增加25%-30%.硅光電池的工作原理是光生伏特效應(yīng).當(dāng)光照射在硅光電池的PN結(jié)區(qū)時,會在半導(dǎo)體中激發(fā)出光生電子空穴

15、對.PN結(jié)兩邊的光生電子空穴對,在內(nèi)電場的作用下,屬于多數(shù)載流子的不能穿越阻擋層,而少數(shù)載流子卻能穿越阻擋層.結(jié)果,P區(qū)的光生電子進入N區(qū),N區(qū)的光生空穴進入P區(qū),使每個區(qū)中的光生電子一空穴對分割開來.光生電子在N區(qū)的集結(jié)使N區(qū)帶負(fù)電,光生電子在P區(qū)的集結(jié)使P區(qū)帶正電.P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生光生電動勢.當(dāng)硅光電池接入負(fù)載后,光電流從P區(qū)經(jīng)負(fù)載流至N區(qū),負(fù)載中即得到功率輸出。因此，硅光電池可以實時將光強變化輸出方便后續(xù)處理。2.2.6設(shè)計原理2.3 電路設(shè)計方案最終確立綜上各方案所述,對此次作品的方案選定：采用 STC89C52 作為主控制系統(tǒng)；硅光電池測量光強；LM741作為運放模塊核心；TLC5

16、49實現(xiàn)AD裝換；液晶 1602 作為顯示。第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)3.1 電路設(shè)計框圖本系統(tǒng)的電路系統(tǒng)框圖如圖 3-1 所示。稱重設(shè)備承重以改變其高度從而改變激光的反射角，使得硅光電池實時接收的光發(fā)生改變從而改變電壓，STC89C52 單片機通過 TLC549對電壓值進行讀取，繼而控制 1602 液晶作出對應(yīng)的顯示。稱重設(shè)備硅光電池LM741運放TLC549AD轉(zhuǎn)換STC89C52LCD1602顯示圖3-1 測微重系統(tǒng)框圖3.2主要單元電路的設(shè)計3.2.1 單片機主控模塊設(shè)計圖3-2 STC89C52系統(tǒng)框圖使用STC89C52的P1.3，P1.4，P1.6接收AD轉(zhuǎn)換得到三位數(shù)據(jù)。3.

17、2.2 LM741運放電路設(shè)計LM741能夠很好地將微弱的電壓信號放大。741 放大器為運算放大器中最常被使用的一種，擁有反相向與非反相兩輸入端，由輸入端輸入 欲被放大的電或電壓信號，經(jīng)放大后由輸出端輸出。放大器作動時的最大特點為需要一對同樣大 小的正負(fù)電源，其值由±12Vdc至±18Vdc等，而一般使用±15Vdc的電壓。在本設(shè)計中我們外接±12Vdc的電壓驅(qū)動LM741。圖3-3 運放電路設(shè)計3.2.3 AD轉(zhuǎn)換電路圖3-4 AD轉(zhuǎn)換電路TLC549均有片內(nèi)系統(tǒng)時鐘，該時鐘與I/O CLOCK是獨立工作的，無須特殊的速度或相位匹配。當(dāng)CS為高時，數(shù)據(jù)

18、輸出(DATA OUT)端處于高阻狀態(tài)，此時I/O CLOCK不起作用。這種CS控制作用允許在同時使用多片TLC549時，共用I/O CLOCK，以減少多路(片)A/D并用時的I/O控制端口。一組通常的控制時序為： (1)將CS置低。內(nèi)部電路在測得CS下降沿后，再等待兩個內(nèi)部時鐘上升沿和一個下降沿后，然后確認(rèn)這一變化，最后自動將前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位(D7)位輸出到DATA OUT端上。(2) 前四個I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5個位(D6、D5、D4、D3)，片上采樣保持電路在第4個I/O CLOCK下降沿開始采樣模擬輸入。 (3)接下來的3個I/O CLOCK周期

19、的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)個轉(zhuǎn)換位，(4)片上采樣保持電路在第8個I/O CLOCK周期的下降沿將移出第6、7、8(D2、D1、D0)個轉(zhuǎn)換位。保持功能將持續(xù)4個內(nèi)部時鐘周期，然后開始進行32個內(nèi)部時鐘周期的A/D轉(zhuǎn)換。第8個I/O CLOCK后，CS必須為高，或I/O CLOCK保持低電平，這種狀態(tài)需要維持36個內(nèi)部系統(tǒng)時鐘周期以等待保持和轉(zhuǎn)換工作的完成。如果CS為低時I/O CLOCK上出現(xiàn)一個有效干擾脈沖，則微處理器/控制器將與器件的I/O時序失去同步；若CS為高時出現(xiàn)一次有效低電平，若要在特定的時刻采樣模擬信號，應(yīng)使第8個I/O CLOCK時鐘的下降沿與該時刻對應(yīng)，因

20、為芯片雖在第4個I/O CLOCK時鐘下降沿開始采樣，卻在第8個I/O CLOCK的下降沿開始保存。3.2.4顯示器件設(shè)計圖3-5 LCD1602電路設(shè)計本設(shè)計用 1602 液晶顯示屏進行顯示，1602 液晶也叫 1602 顯示字符型液晶，此種液晶是一種點陣型的液晶模塊用來顯示不同字母以及阿拉伯?dāng)?shù)字和符號等形式。該液晶由多個 5X7 或者是 5X11 的點陣型字符位組成的，而且每一個字符都由每個點陣字符進行確定和顯示的，各個位之間都有有一個個點作為間隔，每行之間也可以有間隔。這樣就可以當(dāng)做行列間距來使用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義 CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD

21、 液晶顯示屏是指顯示的內(nèi)容為 16X2,其意義也就是說可以顯示的行數(shù)為兩行，每行可以顯示 16 個不同字母以及阿拉伯?dāng)?shù)字和符號等形式。 1602LCD 液晶具有如下的特性： 工作電壓為 3.3V 或 5V，可以清晰的調(diào)節(jié)對比度。 其內(nèi)部含有多種控制命令,如：清屏、換行、左右移位等多種功能。 其中 DDRAM 為顯示內(nèi)部 80 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器。 內(nèi)部含有 CGROM 為 192 個 5X7 點陣字型的字符發(fā)生器 內(nèi)部含有 8 可供用戶自己定義的 5X7 的字符發(fā)生器 CGRAM。3.3系統(tǒng)設(shè)計的整體硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計的整體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 3-6 所示。包括 STC89C52 控制器、TLC549

22、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。圖3-6 系統(tǒng)整體硬件圖第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計及調(diào)試4.1 程序流程框圖開始初始化重新設(shè)置判斷初始電壓是否過大運放放大電壓值A(chǔ)D轉(zhuǎn)換子程序數(shù)值顯示子程序返回4.2 A/D轉(zhuǎn)換流程圖A/D轉(zhuǎn)換時首先進行端口初始化，然后進行通道的選擇，然后單片機讀取A/D端口的數(shù)據(jù)，讀取完成后，延遲，等待下一個A/D數(shù)據(jù)的讀取。讀取A/D端口數(shù)據(jù)A/D端口初始化開始選擇進行轉(zhuǎn)換的通道4.3 軟件程序#include <REG51.H>#include "intrins.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned

23、int/ad的端口sbit data_temp = P14; /數(shù)據(jù)線sbit cs = P13; /片選sbit sclk = P16; /io口時鐘uchar qian,bai,shi,ge;uint j;/lcd的端口sbit RS = P26;sbit RW = P25;sbit E = P27; void chuli(uint ynum) /顯示程序uint num=0; uint value=200;uint num=ynum-value;num =( num*4)/5;/電壓與重量轉(zhuǎn)換公式qian=num/1000; /千，百，十，個處理bai=num/100%10;shi=nu

24、m/10%10;ge=num%10; uint ad_549() /TLC549處理 uchar i; uint data_ad = 0; cs = 1;/初始化，啟動 sclk = 0; cs = 0; _nop_(); for(i = 0;i < 8;i+)/讀取采集數(shù)據(jù)，讀取的是上一次采集數(shù)據(jù) sclk = 1; if(data_temp)data_ad |= 0x01; sclk = 0; data_ad = data_ad << 1; cs = 1; data_ad = data_ad * (500/ 256); return(data_ad); void time

25、r0_isr(void) interrupt 1 / timer0中斷服務(wù)函數(shù)/數(shù)碼管的位選變量TR0 = 0; /停止計數(shù)TL0 = (65536-10000)%256;TH0 = (65536-10000)/256; j+; /位循環(huán)變量加1if(j >= 4) j = 0; /循環(huán)顯示1次，j清零TR0 = 1;void timer0_init (void) / timer0中斷初始化函數(shù)EA = 0; TMOD = 0x01; TR0 = 0; TL0 = (65536-10000)%256;TH0 = (65536-10000)/256; PT0 = 1; ET0 = 1; E

26、A = 1; TR0 = 1; void delay(unsigned int n) unsigned int j=0; for(;n>0;n-) for(j=0;j<125;j+); void write_command(uchar command)RW = 0;RS = 0;E = 1;P0 = command;delay(20);E = 0;RW = 1;void write_data(uchar date)RW = 0;RS = 1;E = 1;P0 = date;delay(20);E = 0;RW = 1;void display_string(uchar *p)while(*p)write_data(*p);p+;void gotoxy(unsigned y,unsigned x)if(y = 1) write_command(0x80+x);else if(y = 2) write_command(0x80+0x40+x); void F1602_init(void)write_command(0x38); / 兩行，每行16字符，每個字符5*7點陣write_command(0x0C);/ CURSOR_OFFwrite_com