【正文】 ...................32 警報(bào)程序 ......................................................32 5 結(jié)論 ..............................................................34 參考文獻(xiàn) ...........................................................35 致謝 ...............................................................36 附錄 ...............................................................37 附錄 A 電子式拉力計(jì)硬件原理圖 ...................................37 附錄 B 電子式拉力計(jì)軟件源程序 .......................................38 附件 1 開題報(bào)告 附件 2 外文翻譯 第 1 頁(yè) 共 47 頁(yè) 1 緒論 課題研究的背景及意義 通常電子儀表可以分為模擬式和數(shù)字式兩種類型。 第 1 頁(yè) 共 2 頁(yè) 電子式拉力計(jì)的設(shè)計(jì) 摘要 隨著嵌入式設(shè)備的廣泛運(yùn)用，目前電子儀表也越來越趨近于數(shù)字化和智能化。Strain Sensor?？梢?，軟件系統(tǒng)是虛擬儀表的核心，“軟件就是儀表”。最后處理結(jié)果在 LCD 液晶顯示 模塊上顯示其拉力大小。常見的有根據(jù)金屬應(yīng)變片電容原理制成的壓力傳感器，它主要以手工生產(chǎn)為主，體積大，對(duì)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)要求高，所以，一致性，互換性較差。 MTTS 應(yīng)變式拉壓傳感器采用全密封、全補(bǔ)償?shù)牟綉?yīng)變片，通過專門設(shè)備將應(yīng)變片粘貼在應(yīng)變梁的應(yīng)力集中點(diǎn)上。在小型智能儀器中，普通 第 8 頁(yè) 共 47 頁(yè) 的 7段 LED 數(shù)碼管只能用來顯示數(shù)字。 [12] 常見液晶類型 (1) TN（ Twist Nematic） 即扭曲向列型液晶。 LCD1602 采用串行數(shù)據(jù)輸入，單片機(jī) I/O 可與其連接，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入顯示。 指令 6：功能設(shè)置命令 D/L：高電平時(shí)為 4位總線，低電平時(shí)為 8位總線 N：低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示 F: 低電平時(shí)顯示 5x7 的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示 5x10 的點(diǎn)陣字符。它能在阻帶 第 13 頁(yè) 共 47 頁(yè) (10KHZ)范圍內(nèi)衰減射頻能量而讓工頻信號(hào)無衰減或很少衰減地通過。這 32 個(gè)寄存器全部直接與運(yùn)算邏輯單元（ ALU）相連，每個(gè)寄存器都可以代替累加器工作。 通過將 8位 RISC 式 CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可 第 18 頁(yè) 共 47 頁(yè) 編程 Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)， ATmega16 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式應(yīng)用提供了靈活且低成本的解決方案。 主要技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)： ? 10 位精度； ? 的非線性度； ? 177。本系統(tǒng)采用 8MHz晶振。如果設(shè)置了上拉電阻，當(dāng)管腳被拉低時(shí)，管腳會(huì)輸出電流。 ADMUX=0x00。 ADCMUX 可讀可寫，初始值為 0x00。如果全局中斷位 I和 ADC 中斷使能位 ADIE 置位，則 ADIF 置位時(shí)將執(zhí)行中斷服務(wù)程序。在對(duì)液晶進(jìn)行初始化時(shí)要先設(shè)置其顯示模 式，在液晶顯示字符時(shí)光標(biāo)是自動(dòng)右移的，無需人工干預(yù)。//*****顯示量程 50N,R： 50N*****； void display50(float a)。 void displayrst(void)。 //讀狀態(tài)； void LCMInit(void)。 LCD 顯示程序 LCD1602 為 16x2 液晶顯示器，可以顯示 2行 16 列字符。 ADC 將不斷對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣并將最近一次的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入 ADC數(shù)據(jù)寄存器。 ADC 的時(shí)鐘分頻器的機(jī)構(gòu)如圖 所示。 PORTD=0xff。表 41列出了 ATmega16AVR 單片 機(jī)的 I/O 口的組合控制設(shè)置 [22]。 圖中的報(bào)警器件為無源的蜂鳴器，報(bào)警信號(hào)通過三極管放大后驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。 AVCC 與 VCC之間的偏差不能超過177。 本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。 圖 可編程放大器 AD623電路原理圖 信號(hào)采集電路主要由傳感器、濾波電路、放大電路組成，電路原理圖如圖 所示 ： 第 14 頁(yè) 共 47 頁(yè) 圖 信號(hào)采集電路原理圖 信號(hào)處理電路 ATmega16AVR 功能詳述 單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，本系統(tǒng)選擇并采用了 ATmega16AVR 型的單片機(jī)。 其中傳感器負(fù)激勵(lì)信號(hào)連接到終端 X11，正激勵(lì)信號(hào)連接到終端 X14，由ATmega16AVR 的電源統(tǒng)一供電。 指令 4：顯示開 /關(guān)控制。 LCD 1602 液 晶顯示器 根據(jù)顯示的內(nèi)容，可將液晶顯示器可分為字符型液晶顯示器和圖像型液晶顯示器，在便攜式智能儀器儀表中普遍選用字符型液晶顯示器來代替原來的數(shù)碼管，以提高顯示器的分辨率、反應(yīng)時(shí)間以及可靠性，并降低顯示功耗、硬件復(fù)雜度和生產(chǎn)成本，延長(zhǎng)儀器儀表使用壽命。當(dāng)光線通過這層液晶時(shí) , 液晶本身會(huì)按序排列或扭轉(zhuǎn)呈不規(guī)則狀 , 因而阻隔或者使光束順利通過。采用 RISC 結(jié)構(gòu)，使得 AVR 系列單片機(jī)具備 1MIPS/MHz 的高速處理能力。其具有靈敏度高，機(jī)械滯后小，橫向效應(yīng)小，體積小等特點(diǎn)。敏感元件是傳感器中感受被測(cè)量的變化并轉(zhuǎn)換為可用信號(hào)的元件，它將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或其它非電信號(hào)。 本課題要求完成一個(gè)基于 單片機(jī)的電子式拉力計(jì)的設(shè)計(jì)，通過對(duì)信號(hào)的采集，放大，A/D 轉(zhuǎn)換自動(dòng)的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，達(dá)到對(duì)拉力的測(cè)試功能；本系統(tǒng)以 ATmega16AVR單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心部件，以鍵盤輸入實(shí)現(xiàn)兩檔測(cè)量量程（ 0~50N, 50~500N）的轉(zhuǎn)換，測(cè)量精度為 1％，采用液晶顯示器顯示結(jié)果。在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)顯示和分析完全用上位機(jī)的軟件來完成。操作十分簡(jiǎn)便，測(cè)量結(jié)果使用液晶顯示器顯示，便于使用者讀取。因此數(shù)字儀表已成為儀器儀表領(lǐng)域中一個(gè)重要的分支。數(shù)字式儀表具有響應(yīng)快、精確度高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，便于數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。傳統(tǒng)的機(jī)械式拉壓力計(jì) 因?yàn)?在機(jī)械方面固有的誤差和耐久度 方面 的缺陷，在現(xiàn)代高精度 的 測(cè)量 要求 下，已經(jīng)不能 滿足 人們的 需求 。 本設(shè)計(jì)要求以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心部件，以鍵盤輸入實(shí)現(xiàn)兩檔測(cè)量量程（ 0~50N, 50~500N）的轉(zhuǎn)換，測(cè)量精度為 1％，采用 LCD 液晶顯示屏顯示，從而實(shí)現(xiàn)拉力的測(cè)試和顯示。它通過改變電位計(jì)接觸位置，將位移的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，并在外加電源的作用下輸出電流或電壓信號(hào)。 ATmega16AVR 系列單片機(jī) 近幾年來，隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，世界上很多芯片制造商 紛紛推出自己的新一代產(chǎn)品，品種極為豐富。液晶顯示器是以液晶材料作為基本元件?；?270176。（說明： 1 為高電平、 0為低電平） 指令 1：清除顯示。 指令 10： 寫數(shù)據(jù)到 CGRAM 或 DDRAM。 AD623 是美國(guó) ADI 公司推出的一種低成本、單電源、輸出擺幅能達(dá)到電源電壓 (通常稱之為電源限輸出 )的儀表放大器，它能在單電源 (+3V 到 +12V)下提供滿電源幅度的輸出。 第 17 頁(yè) 共 47 頁(yè) 圖 AVR結(jié)構(gòu)方框圖 Atmel 公司將高密度、非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)運(yùn)用在了 AVR 單片機(jī)上，使得 AVR 單片機(jī)都具有了 ISP(In System Programming,系統(tǒng)內(nèi)編程 )的功能。兩路差分輸入 (A/D A/D0與 A/DA/D2)有可編程增益級(jí)，在 A/D 轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供 0dB(1x)、 20dB(10x)或46dB(200x)的放大級(jí)。 LCD 顯示電路原理圖如圖所示： 第 20 頁(yè) 共 47 頁(yè) PB0 (T0)1PB1 (T1)2PB2 (AIN0)3PB3 (AIN1)4PB4 (SS)5PB5 (MOSI)6PB6 (MISO)7PB7 (SCK)8RESET9PD0 (RXD)14PD1 (TXD)15PD2 (INT0)16PD3 (INT1)17PD4 (OC1B)18PD5 (OC1A)19PD6 (ICP)20PD7 (OC2)21XTAL212XTAL113GND11PC022PC123PC224PC325PC426PC527PC6 (TOSC1)28PC7 (TOSC2)29AREF32AVCC30AGND31PA7 (ADC7)33PA6 (ADC6)34PA5 (ADC5)35PA4 (ADC4)36PA3 (ADC3)37PA2 (ADC2)38PA1 (ADC1)39PA0 (ADC0)40VCC10U1ATmega16560R210uFC110uFC2104C3D2D1Vin VoutGNDVR1VCCJ1S1R110KR10100R9C410uFS4VCC12128MY130pFC730pFC5123MTTS1R3VCCS2S310KR810KR71KR5Q1NPNLS1Bell1KR41KR6VCCVCCC6R1150kLCD_ELCD_RWLCD_RSLCD_DB[7..0]LCD_LIGHT2 x 16 Liquid Crystal DisplayLCD1602拉力計(jì)硬件圖ATmega16 圖 LCD1602與 ATmega16的連接 如圖 LCD_LIGHT 為背光源，所以應(yīng)當(dāng)保持 PD3 為高電平； LCD_RW 為讀數(shù)據(jù)端口，又由于 LCD1602 只用于顯示，因此需保持 PD1 為低電平，單片機(jī)只用向 LCD1602寫入數(shù)據(jù)即可。這樣降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高軟件系統(tǒng)或硬件系統(tǒng)的可靠性，縮短了開發(fā)周期，能避免程序開發(fā)的重復(fù)勞動(dòng)，易于維護(hù)和功能擴(kuò)充。在寫操作時(shí)，從 PORTX 寫入的數(shù)據(jù)將存入內(nèi)部鎖存器，以確定端口的工作狀態(tài) (端口設(shè)定 )或者將寫入的數(shù)據(jù)送到外部數(shù)據(jù)總線(數(shù)據(jù)傳輸 )。在單次轉(zhuǎn)換方式下，由程序啟動(dòng)每一次轉(zhuǎn)換；而在自由轉(zhuǎn)換方式下， ADC 會(huì)連續(xù)采樣并更新 ADC數(shù)據(jù)寄存器，以保持最近一次的采樣值。 位 7： ADEN 位為 ADCSR 的使能位。 表 48 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘選擇 (3) ADC 數(shù)據(jù)寄存器 ADCH($05)、 ADCL($04)（表 49） 表 49 ADCH和 ADCL Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 — — — — — — ADC9 ADC8 Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 ADC7 ADC6 ADC5 ADC4 ADC3 ADC2 ADC1 ADC0 ADC 數(shù)據(jù)寄存器 ADCH 和 ADCL 用于存放 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，作為 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果，ADCL 必須被先讀，然后再讀取 ADCH 的數(shù)據(jù)。 第 31 頁(yè) 共 47 頁(yè) 開 始初 始 化設(shè) 置 第 二 行 顯 示 初 始 位 置延 時(shí)顯 示 拉 力 值結(jié) 束設(shè) 置 第 一 行 顯 示 初 始 位 置顯 示 ERROR、量 程 、 RST 圖 液晶顯示程序 正如流程圖所示，對(duì)于液晶的啟動(dòng)和初始化由主函數(shù)調(diào)用相應(yīng)的子程序完成。 是 否 有 鍵 按 下開 始消 抖LCD1602顯 示 量 程讀 取 鍵 值 (量 程 選 取 )結(jié) 束掃 描 鍵 盤N Y 圖 鍵盤程序流程圖 如流程圖所示，首先對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，當(dāng)單片機(jī)鍵盤端口 PC1 和 PC2 檢測(cè)到電平由高點(diǎn)平跳變時(shí)，系統(tǒng)通過一定時(shí)間的延時(shí)，以消除可能 因?yàn)槠渌蛞鸬陌存I抖動(dòng)，后再次對(duì)按鍵進(jìn)行掃面確定確實(shí)有鍵按下，單片機(jī)通過對(duì)端口的判斷確定當(dāng)前所選擇的量程，并將量程通過 LCD1602 顯示出來。當(dāng)測(cè)量值超過當(dāng)前量程時(shí)，蜂鳴器將鳴響，同時(shí) LCD1602 會(huì)顯示 ERROR。第一行用于顯示 ERROR、量程、 RST，第二行用于顯示當(dāng)前測(cè)得的拉力值。 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理程序流程 A/D 轉(zhuǎn)換的程序流程圖如圖 所示。如果 ADC 使能，置位 ADSC 位將啟動(dòng)一次 A/D 轉(zhuǎn)換。每一次 A/D轉(zhuǎn)換需要 13個(gè)時(shí)鐘周期。 (3) PINX(表 44) 表 44 PINX Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit