电子式拉力计的设计(毕业设计

电子式拉力计的设计(毕业设计内容摘要：

图像型液晶显示器，在便携式智能仪器仪表中普遍选用字符型液晶显示器来代替原来的数码管，以提高显示器的分辨率、反应时间以及可靠性，并降低显示功耗、硬件复杂度和生产成本，延长仪器仪表使用寿命。 由于本课题设计中的拉力计只需要显示量程、测量值这两个变量，因此采用普通的字符型液晶显示器就足够了，在此次设计中拉力计选用是字符型液晶显示器 LCD1602。 该型号液晶显示器为 16 2型单色字符型串行液晶显示模块，可用于显示字母、数字、简单符号。 LCD1602 由 LCD液晶显示器、驱动电路和 8位 CPU 数字接口电路构成，由于采用了数字接口，使其与单片机的连接更加简单，编程更加容易。 LCD1602 采用串行数据输入，单片机 I/O 可与其连接，对其进行数据写入显示。 在显示器方面，它与七段数码管一样具每位有七段（ a、 b、 c、 d、 e、 f、 g）、一个小数点位 dp 和一个公共极。 LCD1602 的外形尺寸如图 所示 图 引脚分布如图 所示 第 10 页 共 47 页 LCD_ELCD_RWLCD_RSLCD_DB[7..0]LCD_LIGHT2 x 16 Liquid Crystal DisplayLCD1602 图 LCD1602引脚原理图 引脚说明 [13]： LCD_LIGHT：背光源，通常接高电平 +5V； LCD_E：使能端； LCD_RW：读 /写选择 (H/L)； LCD_RS：数据 /命令选择 (H/L)； LCD_DB[7...0]：数据输入端； LCD1602 主要技术参数； 显示容量： 16 2个字符； 字符尺寸： (W H)mm； 工作电压： ~，推荐使用 ； 工作电流：。 LCD1602 液晶模块内部控制器共有 11条控制指令，如表 21所示。 表 21 控制命令表 序号 指令 RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光标复位 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 光标和显示模式设置 I/D 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 显示开 /关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光标或显示移位 S/C 0 0 0 0 0 1 R/C R/L * * 6 功能设置命令 D/L 0 0 0 0 1 DL N F * * 7 字符发生器 RAM地址设置 0 0 0 1 字符发生存储器地址 8 数据存储器地址设置 0 0 1 显示数据存储器地址 9 读忙 标志和光标地址 BF 0 1 BF 计数器地址 第 11 页 共 47 页 续表 21 10 写数据到 CGRAM或 DDRAM 1 0 要写的数据内容 11 从 DGRAM或 DDRAM读数 1 1 计数器地址 LCD1602 液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。 （说明： 1 为高电平、 0为低电平） 指令 1：清除显示。 指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置。 指令 2：光标复位。 光标返回到地址 00H。 指令 3：光标和显示模式设置 I/D。 光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。 高电 平表示有效，低电平则无效。 指令 4：显示开 /关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令 5：光标或显示移位 S/C。 高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令 6：功能设置命令 D/L：高电平时为 4位总线，低电平时为 8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示 5x7 的点阵字符，高电平时显示 5x10 的点阵字符。 指令 7：字符发生器 RAM 地址设置。 指令 8：数据存储器地址设置。 指令 9：读忙标志和光标地址 BF。 为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令 10： 写数据到 CGRAM 或 DDRAM。 指令 11： 从 DGRAM 或 DDRAM 读数。 第 12 页 共 47 页 3 硬件设计及电路实现 信号采集电路的设计 在此次课题设计中拉力信号首先通过拉力传感器转换为模拟电信号，然后经过适当的放大后送入 ATmega16AVR 芯片的 A/D 转换器转换为数字信号。 由于采集到的拉力信号在传输过程中会受到外界干扰，因此在将信号放大之前必须采用滤 波电路消除干扰。 然后再送入 AD623 进行放大。 传感器 本课题设计采用的是应变式拉力传感器，拉力传感器主要采用的是桥电路，其电路原理图如 ： 图 传感器电路原理图 其中输入是直流电流，输出是模拟电压信号。 传感器由统一的系统供电模块供电。 其中传感器负激励信号连接到终端 X11，正激励信号连接到终端 X14，由ATmega16AVR 的电源统一供电。 传感器的电桥电阻为 200(典型值 )，电源电压为 5V，在激励状态下耗电 5mA。 就功耗来讲，传感器在整个系统中占用的功耗是比较大的。 滤波电路 电源线 EMI 滤波器是由电容、电感等集总参数元件组成的无源双向多端口网络，它实际上等效于两个低通滤波器，一个衰减共模干扰，一个衰减差模干扰。 它能在阻带 第 13 页 共 47 页 (10KHZ)范围内衰减射频能量而让工频信号无衰减或很少衰减地通过。 这种电源线滤波器对高频信号有很好的滤波效果，在本系统起了很大作用。 传感器信号出来后经过了滤波电路才把信号送入放大电路。 这个滤波电路有两个电阻 R的阻值为 ，上下两个电容的容值为 102PF 即是 103μ F，中间电容容值为 F。 放大电路 此次课题设计采用通过外接电阻的控制来实现增益变换的放大器 AD623（电路原理图如图 ）。 AD623 是美国 ADI 公司推出的一种低成本、单电源、输出摆幅能达到电源电压 (通常称之为电源限输出 )的仪表放大器，它能在单电源 (+3V 到 +12V)下提供满电源幅度的输出。 AD623 允许使用一个增益设置电阻进行增益编程，以便于用户更灵活的设置放大倍数，且符合 8引脚的工业标准引脚配置，在无外接电阻条件下， AD623 被设置为单位增益 ( G =1)，在接入外接电阻后， AD623 编程设置增益，其增益最高可达到 1000 倍。 [14] AD623 的增益由 RG电阻进行编程，或更准确的说，由 1 脚或 8脚之间的阻抗来决定。 AD623 被设计成使用 %— 1%容限的电阻提供精确的增益。 当 G=1 时， GR 端不相连（ RG=∞ ）。 对于任意的增益值， RG可由 RG=100KΩ /(G−1)计算。 对这个公式进行转化可得： G =1+100KΩ /RG 在本系统中 RG= ，所以 G≈ 84，即放大倍数为 84倍左右，满足系统的要求。 图 可编程放大器 AD623电路原理图 信号采集电路主要由传感器、滤波电路、放大电路组成，电路原理图如图 所示 ： 第 14 页 共 47 页 图 信号采集电路原理图 信号处理电路 ATmega16AVR 功能详述 单片机是整个系统的心脏，本系统选择并采用了 ATmega16AVR 型的单片机。 这款单片机详细的功能特性如下 [14]： • 高性能、低功耗的 8位 AVR 微处理器 • 先进的 RISC 结构 – 131 条指令（大多数指令执行时间为单个时钟周期） – 32个 8位通用工作寄存器 – 全静态工作 – 工作于 16MHz 时性能高达 16MIPS – 只需两个时钟周期的硬件乘法器 • 非易失性程序和数据存储器 – 16K 字节 的系统内可编程 Flash 擦写寿命： 10000 次 – 具有独立锁定位的可选 Boot 代码区 通过片上 Boot 程序实现系统内编程 第 15 页 共 47 页 真正的同时读写操作 – 512 字节的 EEPROM – 擦写寿命 : 100000 次 – 1K 字节的片内 SRAM – 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 • JTAG 接口 ( 与 IEEE 标准兼容 ) – 符合 JTAG 标准的边界扫描功能 – 支持扩展的片内调试功能 – 通过 JTAG 接口实现对 Flash、 EEPROM、熔丝位和锁定位的编程 • 外设特点 – 两个具有独立 预分频器和比较器功能的 8位定时器 /计数器 – 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16位定时器 /计数器 – 具有独立振荡器的实时计数器 RTC – 四通道 PWM – 8 路 10 位 A/D – 8 个单端通道 TQFP 封装的 7 个差分通道 2个具有可编程增益（ 1x, 10x, 或 200x）的差分通道 – 面向字节的两线接口 – 两个可编程的串行 USART – 可工作于主机 /从机模式的 SPI 串行接口 – 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 – 片内模拟比较器 • 特殊的处理器特点 – 上电复位以及可编程的掉电检测 – 片内经过标定的 RC振荡器 – 片内 /片外中断源 第 16 页 共 47 页 – 6 种睡眠模式：空闲模式、 A/D 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、 Standby 模式以及扩展的 Standby 模式 • I/O 和封装 – 32个可编程的 I/O 口 – 40引脚 PDIP 封装 ,44 引脚 TQFP 封装 ,与 44 引脚 MLF 封装 (如图所示 ) • 工作电压： ~ • 速度等级： 0~16MHz • 在 1 MHz,3V, 25176。 C时的功耗 – 正常模式： – 空闲模式： – 掉电模式： 1181。 A AVR 单片机的快速存取寄存器由 32 个通用寄存器组成。 这 32 个寄存器全部直接与运算逻辑单元（ ALU）相连，每个寄存器都可以代替累加器工作。 这使得处理器可以在执行当前指令时取出将要执行的下一条指令，从而避免了传统的累加器结构造成的累加器和存储器之间的数据瓶颈效应，提高了系统性能。 在传统的 CISC 结构中，单片机外部振荡器的时钟被分频降低到内部执行周期，而AVR 却没有对外部时钟进行分频，直接用一个时钟周期来执行一条指令，提高了系统运行速度 ,具有比普通的 CISC 微控制器最高至少 10 倍的数据吞吐能力。 [10] AVR 单片机采用了哈佛 (Harvard)总线结构，程序存储器与数存储器是分开的。 微处理器能直接访问全部程序存储器和数据存储器。 第 17 页 共 47 页 图 AVR结构方框图 Atmel 公司将高密度、非易失性存储器技术运用在了 AVR 单片机上，使得 AVR 单片机都具有了 ISP(In System Programming,系统内编程 )的功能。 即使在程序运行时，也能对系统进行重新编码。 AVR 单片机除了支持汇编语言之外，还支持 C、 VC、 Basic 的等高级计算机语言编程。 采用高级语言对系统进行开发，是单片机应用发展的一个趋势。 采用高级语言编程能够搞笑的进行系统开发，并 能轻易的在不同平台上实现程序移植。 ATmega16 是基于增强的 RISC 结构的低功耗 8位 CMOS 微控制器。 由于其简洁的指令集以及单时钟周期指令执行时间， ATmega16 的数据吞吐率高达 1MIPS/MHz，从而能够缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。 片内 ISP Flash 允许程序存储器通过 ISP串行接口，或者使用通用编程器进行编程，也可以通过运行于 AVR内核之中的引导程序进行编程。 引导程序能够使用任意接口将应用程序下载到 Flash 存储区(Application Flash Memory)。 在更新应用 Flash 存储区时引导 Flash 区 (Boot Flash Memory)的程序继续运行，从而实现了 RWW操作。 通过将 8位 RISC 式 CPU 与系统内可 第 18 页 共 47 页 编程 Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式应用提供了灵活且低成本的解决方案。 [11] ATmega16 引脚分布如图 所示 图 ATmega16引脚分布图 A/D 转换模块介绍及参考电压 A/D 转换模块简介 ATmega16AVR集成了一个 8路 10位 的逐次逼近型 A/D 转换器。 A/D 与一个 8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口 A 的 8 路单端输入电压进行采样。 单端电压输入以 0V(GND)为基准。 器件还支持 16路差分电压输入组合。 两路差分输入 (A/D A/D0与 A/DA/D2)有可编程增益级，在 A/D 转换前给差分输入电压提供 0dB(1x)。