光學(xué)微重測(cè)量報(bào)告

光學(xué)微重測(cè)量摘要本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)組成光照強(qiáng)度測(cè)量顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)的測(cè)量和顯示，因?yàn)楣鈱W(xué)測(cè)量微重的關(guān)鍵是測(cè)量變化的光強(qiáng)。光強(qiáng)傳感器采用硅光電池，隨著所稱重量的改變，光強(qiáng)發(fā)生相應(yīng)改變，則對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并轉(zhuǎn)換成電壓變化。將采集的信號(hào)接入差分放大器實(shí)現(xiàn)放大，再輸入到ADC轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)中處理，通過LCD1602液晶屏顯示出在不同光照強(qiáng)度下電路電壓的變化值。關(guān)鍵詞：激光，89C52單片機(jī),A/D轉(zhuǎn)換器,LCD顯示屏AbstractInthispaper,theauthorusesthe

STC89C52SCM

lightintensitymeasurementdisplaysystemtorealizethemeasurementofthe

lightintensityandanddisplay,Asthekeyoftheopticalmeasurementofmicroheavy

ishowtomeasuresthechangesofthelightintension.Lightintensitysensor

usingsiliconphotocell,whichsamplesthe

lightintensitythatinresultofthechangesofwhatweweighinareal-timeandthentransformthelightintensionintothechangesofvoltage.

Thevoltagesignalshouldbeinputtotheoperationalamplifiertomagnifyit,andthenimporttheA/Dconverterthatcantransformtheanalogdigitalintodigitalsignalwhich52mcucandealwith.Finally,theweightchangecanbesawontheLCD1602.Keywords:laser,89C52MCU,

A/Dconverters,

LiquidCrystalDisplay

第一章 緒論 11.1 背景 11.2研究目標(biāo)及實(shí)現(xiàn)功能 1第二章 設(shè)計(jì)要求與方案論證 32.1設(shè)計(jì)要求 32.2方案選擇 32.2.1單片機(jī)芯片的選擇 32.2.2顯示模塊選擇 52.2.4AD芯片選擇 62.2.5光電轉(zhuǎn)換器的選擇 72.2.6設(shè)計(jì)原理 82.3電路設(shè)計(jì)方案最終確立 8第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 93.1電路設(shè)計(jì)框圖 93.2主要單元電路的設(shè)計(jì) 103.2.1單片機(jī)主控模塊設(shè)計(jì) 103.2.2LM741運(yùn)放電路設(shè)計(jì) 103.2.3AD轉(zhuǎn)換電路 113.2.4顯示器件設(shè)計(jì) 123.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體硬件結(jié)構(gòu) 13第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試 144.1程序流程框圖 144.2A/D轉(zhuǎn)換流程圖 154.3軟件程序 15結(jié)論 23參考文獻(xiàn) 24

緒論背景在現(xiàn)實(shí)生活中，很多貴重物品都是比較細(xì)小且價(jià)值昂貴的，我們需要知道它們重量才能知道它的價(jià)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(jiān)測(cè)。同樣的，在工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于一些原材料也需要測(cè)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(cè)量微小物品的重量呢，下面我們就以光纖傳輸原理，設(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)方法測(cè)量微重的系統(tǒng)。1.2研究目標(biāo)及實(shí)現(xiàn)功能本文所設(shè)計(jì)的微重測(cè)量系統(tǒng)是以單片機(jī)STC89C52為主控制中樞，其工作穩(wěn)定，使用方便。本設(shè)計(jì)主要是測(cè)試因?yàn)橘|(zhì)量變化使托盤反射的光強(qiáng)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(jī)中進(jìn)行分析，并通過LCD1602液晶進(jìn)行顯示。本設(shè)計(jì)以STC89C5單片機(jī)為控制中樞來設(shè)計(jì)光學(xué)方法微重測(cè)量。實(shí)現(xiàn)首先掌握系列傳感器的工作原理應(yīng)用硅光電池測(cè)量重量導(dǎo)致的光強(qiáng)變化；使系統(tǒng)的各個(gè)模塊穩(wěn)定的工作；完成單片機(jī)的程序語言的設(shè)計(jì)及編程并在系統(tǒng)中運(yùn)行；掌握單片機(jī)各外部引腳的作用及功能；完成重量測(cè)量值顯示整體的設(shè)計(jì)工作以及器件的運(yùn)行。 設(shè)計(jì)要求與方案論證2.1設(shè)計(jì)要求A．具有顯示當(dāng)前測(cè)量物品重量功能；2.2方案選擇2.2.1單片機(jī)芯片的選擇 STC89C52單片機(jī)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(chǔ)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(jī)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(shí)器功能，內(nèi)置4KBEEPROM，內(nèi)置MAX810復(fù)位電路，三個(gè)16位的定時(shí)器計(jì)數(shù)器一個(gè)6向量2級(jí)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。空閑模式下，CPU可以單獨(dú)停止工作，允許RAM、定時(shí)器計(jì)數(shù)器、串口和中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止，本設(shè)計(jì)中使用的單片機(jī)型號(hào)是STC89C52RC。STC89C52主要特性如下：1.增強(qiáng)型8052單片機(jī)，可以在6時(shí)鐘機(jī)器周期和12時(shí)鐘機(jī)器周期中任意選擇，程序指令完全兼容8051傳統(tǒng)舉片機(jī)2.工作電壓：3.3V—5.5V(5V單片機(jī)）,2.0V—3.8V(3V單片機(jī)）3.工作頻率范圍：0—40MHz，相當(dāng)于普通8051單片機(jī)的0—80MHz，實(shí)際的工作頻率可達(dá)48MHz4.用戶實(shí)際應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)5.單片機(jī)上集成512字節(jié)RAM6.通用I/O端口為32個(gè)，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(kuò)展用時(shí)，可以不加上拉電阻；作為I/O端口時(shí)，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(jī)的程序燒錄8.具有EEPROM功能9.具有看門狗功能。10.共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，即定時(shí)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，PowerDown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(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多UART。13.工作溫度范圍：-40——+85°C工業(yè)級(jí)）/075°C（商業(yè)級(jí)）STC89C52的封裝如圖2-1所示 圖2-1STC89C52引腳圖

由于STC89C52單片機(jī)片內(nèi)有4K字節(jié)的在線編程Flash存儲(chǔ)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(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)非常實(shí)用。所以選用STC89C52單片機(jī)作為光學(xué)微重測(cè)量系統(tǒng)的控制單片機(jī)。2.2.2顯示模塊選擇在本設(shè)計(jì)當(dāng)中使用1602液晶進(jìn)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(diǎn)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(gè)5X7或者是5X11的點(diǎn)陣型字符組成的，每個(gè)字符都是由一些點(diǎn)陣字符組成來進(jìn)行顯示的，顯示的每個(gè)字符都用一個(gè)點(diǎn)進(jìn)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?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@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(chǔ)器。?8個(gè)可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM。?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(diǎn)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2-2LCD引腳圖

2.2.3運(yùn)放芯片選擇LM741是一種應(yīng)用非常廣泛的通用型\o"運(yùn)算放大器"運(yùn)算放大器集成電路。由于采用了\o"有源負(fù)載"有源負(fù)載，所以只要兩級(jí)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(bǔ)償，電路比較簡(jiǎn)單不易自激，工作點(diǎn)穩(wěn)定，使用方便，而且設(shè)計(jì)了完善的保護(hù)電路，不易損壞。LM741可應(yīng)用于各種\o"數(shù)字儀表"數(shù)字儀表及工業(yè)自動(dòng)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(yùn)放，其不僅可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)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2-3LM741引腳圖2.2.4AD芯片選擇TLC549可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、DATAOUT三條口線進(jìn)行串行接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)17μs，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(hào)的采樣。TLC549的引腳名稱如下圖所示。

圖2-4TLC549AD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(shí)質(zhì)上是一個(gè)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(kuò)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(duì)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(shí),會(huì)在半導(dǎo)體中激發(fā)出光生電子空穴對(duì).PN結(jié)兩邊的光生電子空穴對(duì),在內(nèi)電場(chǎng)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(jìn)入N區(qū),N區(qū)的光生空穴進(jìn)入P區(qū),使每個(gè)區(qū)中的光生電子一空穴對(duì)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(dòng)勢(shì).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(shí)時(shí)將光強(qiáng)變化輸出方便后續(xù)處理。

2.2.6設(shè)計(jì)原理2.3電路設(shè)計(jì)方案最終確立綜上各方案所述,對(duì)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(cè)量光強(qiáng)；LM741作為運(yùn)放模塊核心；TLC549實(shí)現(xiàn)AD裝換；液晶1602作為顯示。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1電路設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)接收的光發(fā)生改變從而改變電壓，STC89C52單片機(jī)通過TLC549對(duì)電壓值進(jìn)行讀取，繼而控制1602液晶作出對(duì)應(yīng)的顯示。 稱重設(shè)備 硅光電池 LM741運(yùn)放 TLC549AD轉(zhuǎn)換STC89C52 LCD1602顯示 圖3-1測(cè)微重系統(tǒng)框圖

3.2主要單元電路的設(shè)計(jì)3.2.1單片機(jī)主控模塊設(shè)計(jì) 圖3-2STC89C52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)。3.2.2LM741運(yùn)放電路設(shè)計(jì) LM741能夠很好地將微弱的電壓信號(hào)放大。741放大器為運(yùn)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流或電壓信號(hào)，經(jīng)放大后由輸出端輸出。放大器作動(dòng)時(shí)的最大特點(diǎn)為需要一對(duì)同樣大小的正負(fù)電源，其值由±12Vdc至±18Vdc不等，而一般使用±15Vdc的電壓。在本設(shè)計(jì)中我們外接±12Vdc的電壓驅(qū)動(dòng)LM741。

圖3-3運(yùn)放電路設(shè)計(jì)3.2.3AD轉(zhuǎn)換電路圖3-4AD轉(zhuǎn)換電路TLC549均有片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘，該時(shí)鐘與I/OCLOCK是獨(dú)立工作的，無須特殊的速度或相位匹配。當(dāng)CS為高時(shí)，數(shù)據(jù)輸出(DATAOUT)端處于高阻狀態(tài)，此時(shí)I/OCLOCK不起作用。這種CS控制作用允許在同時(shí)使用多片TLC549時(shí)，共用I/OCLOCK，以減少多路(片)A/D并用時(shí)的I/O控制端口。一組通常的控制時(shí)序?yàn)椋?/p>

(1)將CS置低。內(nèi)部電路在測(cè)得CS下降沿后，再等待兩個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘上升沿和一個(gè)下降沿后，然后確認(rèn)這一變化，最后自動(dòng)將前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位(D7)位

輸出到DATAOUT端上。

(2)前四個(gè)I/OCLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5個(gè)位(D6、D5、D4、D3)，片上采樣保持電路在第4個(gè)I/OCLOCK下降沿開始采樣模擬輸入。

(3)接下來的3個(gè)I/OCLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)個(gè)轉(zhuǎn)換位，

(4)片上采樣保持電路在第8個(gè)I/OCLOCK周期的下降沿將移出第6、7、8(D2、D1、D0)個(gè)轉(zhuǎn)換位。保持功能將持續(xù)4個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期，然后開始進(jìn)行32個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期的A/D轉(zhuǎn)換。第8個(gè)I/OCLOCK后，CS必須為高，或I/OCLOCK保持低電平，這種狀態(tài)需要維持36個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘周期以等待保持和轉(zhuǎn)換工作的完成。如果CS為低時(shí)I/OCLOCK上出現(xiàn)一個(gè)有效干擾脈沖，則微處理器/控制器將與器件的I/O時(shí)序失去同步；若CS為高時(shí)出現(xiàn)一次有效低電平，若要在特定的時(shí)刻采樣模擬信號(hào)，應(yīng)使第8個(gè)I/OCLOCK時(shí)鐘的下降沿與該時(shí)刻對(duì)應(yīng)，因?yàn)樾酒m在第4個(gè)I/OCLOCK時(shí)鐘下降沿開始采樣，卻在第8個(gè)I/OCLOCK的下降沿開始保存。3.2.4顯示器件設(shè)計(jì)圖3-5LCD1602電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)用1602液晶顯示屏進(jìn)行顯示，1602液晶也叫1602顯示字符型液晶，此種液晶是一種點(diǎn)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(hào)等形式。該液晶由多個(gè)5X7或者是5X11的點(diǎn)陣型字符位組成的，而且每一個(gè)字符都由每個(gè)點(diǎn)陣字符進(jìn)行確定和顯示的，各個(gè)位之間都有有一個(gè)個(gè)點(diǎn)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?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD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(gè)不同字母以及阿拉伯?dāng)?shù)字和符號(hào)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(duì)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(chǔ)器。?內(nèi)部含有CGROM為192個(gè)5X7點(diǎn)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(jì)的整體硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示。包括STC89C52控制器、TLC549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(jì)及調(diào)試4.1程序流程框圖開始開始初始化初始化重新設(shè)置判斷初始電壓是否過大重新設(shè)置判斷初始電壓是否過大運(yùn)放放大電壓值運(yùn)放放大電壓值A(chǔ)D轉(zhuǎn)換子程序AD轉(zhuǎn)換子程序數(shù)值顯示子程序 數(shù)值顯示子程序返回 返回 4.2A/D轉(zhuǎn)換流程圖A/D轉(zhuǎn)換時(shí)首先進(jìn)行端口初始化，然后進(jìn)行通道的選擇，然后單片機(jī)讀取A/D端口的數(shù)據(jù)，讀取完成后，延遲，等待下一個(gè)A/D數(shù)據(jù)的讀取。讀取A/D端口數(shù)據(jù)A/D端口初始化讀取A/D端口數(shù)據(jù)A/D端口初始化開始選擇進(jìn)行轉(zhuǎn)選擇進(jìn)行轉(zhuǎn)換的通道 4.3軟件程序#include<REG51.H>#include"intrins.h"#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint//ad的端口sbitdata_temp=P1^4; //數(shù)據(jù)線sbitcs=P1^3; //片選sbitsclk=P1^6; //io口時(shí)鐘ucharqian,bai,shi,ge;uintj;//lcd的端口sbitRS=P2^6;sbitRW=P2^5;sbitE=P2^7;voidchuli(uintynum) //顯示程序{ uintnum=0;uintvalue=200; uintnum=ynum-value; num=(num*4)/5; //電壓與重量轉(zhuǎn)換公式 qian=num/1000; //千，百，十，個(gè)處理 bai=num/100%10; shi=num/10%10; ge=num%10;}uintad_549() //TLC549處理{uchari;uintdata_ad=0;cs=1; //初始化，啟動(dòng)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);}voidtimer0_isr(void)interrupt1 //timer0中斷服務(wù)函數(shù){ //數(shù)碼管的位選變量 TR0=0; //停止計(jì)數(shù) TL0=(65536-10000)%256; TH0=(65536-10000)/256; j++; //位循環(huán)變量加1 if(j>=4) j=0; //循環(huán)顯示1次，j清零 TR0=1;}voidtimer0_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; EA=1; TR0=1;}voiddelay(unsignedintn){unsignedintj=0;for(;n>0;n--){ for(j=0;j<125;j++);}}voidwrite_command(ucharcommand){ RW=0; RS=0; E=1; P0=command; delay(20); E=0; RW=1;}voidwrite_data(uchardate){ RW=0; RS=1; E=1; P0=date; delay(20); E=0; RW=1;}voiddisplay_string(uchar*p){ while(*p) { write_data(*p); p++; }}voidgotoxy(unsignedy,u