基于單片機(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究

1、 學(xué)學(xué) 士士 學(xué)學(xué) 位位 論論 文文基于單片機(jī)的彈簧勁度系數(shù) 測(cè)量方法的研究姓姓 名：名：王在波學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)：200905120340指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師：李建全學(xué)學(xué) 院院：光電工程學(xué)院專(zhuān)專(zhuān) 業(yè)：業(yè)：電子信息工程完完成成日日期期：2013 年 5 月 25 日 學(xué)學(xué) 士士 學(xué)學(xué) 位位 論論 文文基于單片機(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究姓姓 名：名：王在波學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)：200905120340指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師：李建全學(xué)學(xué) 院院：光電工程學(xué)院專(zhuān)專(zhuān) 業(yè)：業(yè)：電子信息工程完完成成日日期期：2013 年 5 月 25 日摘摘 要要 在教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中常常需要測(cè)量彈簧的勁度系數(shù)，彈簧勁度系數(shù)的測(cè)量以胡克定律為測(cè)量原

2、理，傳統(tǒng)的測(cè)量方法是一般通過(guò)人工手動(dòng)測(cè)量彈簧的受力和受力后的形變量而計(jì)算得到。手工測(cè)量數(shù)據(jù)讀取粗糙，操作處理繁瑣。為了提高物理實(shí)驗(yàn)室對(duì)彈簧進(jìn)度系數(shù)的測(cè)量方便及精確，本文采用基于單片機(jī)技術(shù)使其測(cè)量實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，可以快捷準(zhǔn)確地測(cè)量彈簧勁度系數(shù)。單片機(jī)技術(shù)是利用傳感器實(shí)時(shí)采集測(cè)量過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)接口傳入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后再將數(shù)字量送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析與顯示。關(guān)鍵詞：彈簧勁度系數(shù)；傳感器；AD轉(zhuǎn)換器；單片機(jī)；LED顯示器AbstractAbstract In the teaching laboratory often need to measure the sprin

3、g stiffness coefficient, measuring the coefficient of stiffness of the spring to the Hooke law as the measuring principle, the traditional measurement method is generally through the manual measurements of the spring force and the stress deformation calculated. The manual measurement data is read fr

4、om the rough, operation cumbersome. In order to improve the physical laboratory measurement of spring schedule coefficients convenience and accuracy, this paper adopts single-chip microcomputer technology to make the measurement based on digital, can rapidly and accurately measure the length of spri

5、ng. SCM technology is the use of sensor to collect experiment data of the process, and through the interface into the analog-to-digital converter, the analog to digital conversion, and then the data processing, analysis and display chip into the digital quantity.Key words: spring stiffness coefficie

6、nt; sensor; AD converter; SCM; LED display目 錄第 1 章 緒論.11.1 概述.11.2 傳統(tǒng)測(cè)量方法.11.3 改進(jìn)后測(cè)量方法 .2第 2 章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu).32.1 系統(tǒng)組成.32.2 系統(tǒng)工作原理.3第 3 章 傳感器的數(shù)據(jù)處理.43.1 測(cè)力傳感器.43.2 測(cè)距傳感器.5第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).74.1 LED 顯示器.74.1.1 LED 顯示器簡(jiǎn)介.74.1.2 LED 顯示器的特點(diǎn).74.1.3 LED 顯示方式.84.2 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 .94.2.1 ADC0809 簡(jiǎn)介.94.2.2 主要特性.94.2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu).104.

7、2.4 工作過(guò)程.114.3 單片機(jī)模塊.11第 5 章 總結(jié).145.1 系統(tǒng)流程.145.2 系統(tǒng)仿真.145.3 結(jié)束語(yǔ).15參考文獻(xiàn).16附錄.18致謝.23基于單片機(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 1 頁(yè) 共 23 頁(yè)第 1 章 緒論1.1 概述彈簧勁度系數(shù)K與什么量有關(guān)？在彈性限度內(nèi)，彈簧的彈力大小可由F=KL得到。L為彈簧的伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度；K為勁度系數(shù)，表示彈簧的一種屬性，它的數(shù)值與彈簧的材料，彈簧絲的粗細(xì)，彈簧圈的直徑，單位長(zhǎng)度的匝數(shù)及彈簧的原長(zhǎng)有關(guān)。在其他條件一定時(shí)彈簧越長(zhǎng)，單位長(zhǎng)度的匝數(shù)越多，K值越小。K值還與溫度有關(guān)，其他條件一定時(shí)，溫度越低K值越大。目前，大

8、、中專(zhuān)院校及中小學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量輕質(zhì)彈簧勁度系數(shù)的方法主要有兩種：一是在氣墊導(dǎo)軌上測(cè)量，操作時(shí)在導(dǎo)軌一端通過(guò)滑輪懸掛砝碼，記錄輕質(zhì)彈簧在砝碼作用下的伸長(zhǎng)量和砝碼重量，由胡克定律求得彈簧進(jìn)度系數(shù)，其測(cè)量方法的不足是測(cè)量誤差大，主要是滑輪產(chǎn)生的摩擦、氣墊導(dǎo)軌與滑塊的摩擦以及彈簧橫向拉直產(chǎn)生的張力，且該方法需要對(duì)多個(gè)砝碼組合才能得到各種拉力，操作步驟繁瑣；另一種方法是利用焦利式秤測(cè)量，其缺點(diǎn)也是需要對(duì)多個(gè)砝碼組合才能得到各種拉力，且拉力不能連續(xù)變化，操作繁瑣，彈簧易損壞。每一種材料的彈簧，其勁度系數(shù)是不一樣的，即使材料相同材料，長(zhǎng)度與匝數(shù)的不同，也會(huì)導(dǎo)致勁度系數(shù)的不同。還有，勁度系數(shù)是測(cè)量出來(lái)

9、的數(shù)值。為了克服現(xiàn)有的測(cè)量輕質(zhì)彈簧勁度系數(shù)方法的不足，本設(shè)計(jì)提供一種彈簧進(jìn)度系數(shù)測(cè)量的數(shù)字化測(cè)量法，為了提高物理實(shí)驗(yàn)室對(duì)彈簧進(jìn)度系數(shù)的測(cè)量方便及精確，本文采用基于單片機(jī)技術(shù)使其測(cè)量實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，可以快捷準(zhǔn)確地測(cè)量彈簧勁度系數(shù)。1.2 傳統(tǒng)測(cè)量方法根據(jù)胡克定律，采用傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行彈簧勁度系數(shù)測(cè)量(如圖1-1)。該裝置由一個(gè)平臺(tái)(附帶精度為0001m精度的米尺)、一根輕質(zhì)彈簧、輕質(zhì)滑輪及不同質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)砝碼組成。在彈簧下端掛上不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，可得出不同的彈簧受力F，以及對(duì)應(yīng)的彈簧伸長(zhǎng)量x，伸長(zhǎng)量x可根據(jù)平臺(tái)上的米尺讀出?；趩纹瑱C(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 2 頁(yè) 共 23 頁(yè)

10、圖1-1 傳統(tǒng)測(cè)量方法裝置圖1.3 改進(jìn)后測(cè)量方法基于單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)振子法進(jìn)行彈簧勁度系數(shù)測(cè)量(如圖1-2)。振子法裝置中由一個(gè)輕質(zhì)彈簧和標(biāo)準(zhǔn)砝碼組成彈簧振子，壓力傳感器置于彈簧振子正上方，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)豎直方向上彈簧的拉力F的數(shù)據(jù)；運(yùn)動(dòng)傳感器置于彈簧振子正下方，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)豎直方向上彈簧形變量x的數(shù)據(jù)。在豎直方向上給彈簧添加砝碼，當(dāng)振動(dòng)穩(wěn)定后，彈簧振子在豎直方向上位移的變化數(shù)據(jù)由接口傳入單片機(jī)，后相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行分析處理，得到彈簧振子位移的變化周期和砝碼的重量。圖1-2 改進(jìn)后測(cè)量方法裝置圖基于單片機(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 3 頁(yè) 共 23 頁(yè)第 2 章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1

11、系統(tǒng)組成本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：FS20測(cè)力傳感器（用來(lái)測(cè)量砝碼質(zhì)量） 、PASCO運(yùn)動(dòng)傳感器PS-2103（用來(lái)測(cè)量輕質(zhì)彈簧拉伸量） 、ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器、AT89S51單片機(jī)、兩個(gè)四位LED顯示器、支架、輕質(zhì)彈簧、砝碼、5V電源等。通過(guò)FS20測(cè)力傳感器來(lái)測(cè)量作用于彈簧的拉力F，可經(jīng)過(guò)計(jì)算算出拉力的變化量F，通過(guò)PASCO運(yùn)動(dòng)傳感器PS-2103來(lái)測(cè)量輕質(zhì)彈簧的伸長(zhǎng)量L，可通過(guò)計(jì)算得出彈簧的身長(zhǎng)變化量L，由胡克定律即可求得彈簧勁度系數(shù)K=F/L，解決了現(xiàn)有測(cè)量輕質(zhì)彈簧勁度系數(shù)方法不能連續(xù)改變拉力、操作繁瑣、彈簧易損壞的問(wèn)題。測(cè)力傳感器測(cè)距傳感器AD轉(zhuǎn)換器單片機(jī)處理

12、器LED顯示器（測(cè)力）LED顯示器（測(cè)距）圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2 系統(tǒng)工作原理該系統(tǒng)通過(guò)測(cè)力傳感器（FS20力傳感器）和測(cè)距傳感器（PASCO運(yùn)動(dòng)傳感器PS-2103）實(shí)時(shí)采集彈簧的拉力和拉伸量?jī)山M數(shù)據(jù)將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成0-5V的電壓模擬量形式；然后將測(cè)得的0-5V的電壓模擬量送入ADC0908模數(shù)轉(zhuǎn)化器將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)；再將其送入AT89S51單片機(jī)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；最后將處理過(guò)的數(shù)字電信號(hào)送入LED顯示器顯示出來(lái)?；趩纹瑱C(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 4 頁(yè) 共 23 頁(yè)第 3 章 傳感器的數(shù)據(jù)處理3.1 測(cè)力傳感器選擇的測(cè)力傳感器要求實(shí)現(xiàn)測(cè)量在0-10N

13、的力信號(hào)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室用的小量程的測(cè)力計(jì)的傳感器對(duì)0-10N的力信號(hào)的識(shí)別；選用FS20測(cè)力傳感器是一種高性?xún)r(jià)比的微力傳感器，采用MICROFUSE技術(shù)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，超高分辨率，帶溫度補(bǔ)償?shù)膲毫鞲衅?。特點(diǎn)：成本低，超小外形，低噪聲，0-5V輸出，500-1500g量程，高穩(wěn)定性，低偏差，壽命長(zhǎng)，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝2。圖3-1 FS20測(cè)力傳感器量程的確定及數(shù)據(jù)計(jì)算：測(cè)力傳感器在調(diào)零的情況下（F+G=500g）測(cè)量拉力F的變化范圍0-10N，即測(cè)量的重量范圍是0-1000g傳感器輸出電壓U變化范圍0-5V轉(zhuǎn)換器的通道1轉(zhuǎn)換成數(shù)字的范圍是0-255所以當(dāng)取最小量程為1g時(shí)各個(gè)數(shù)據(jù)的最小變化為：數(shù)據(jù)量質(zhì)

14、量G壓力F電壓U數(shù)字量LED顯示量最小變化量1g0.01N0.005V0.2561各個(gè)數(shù)據(jù)隨拉力的變化表：數(shù)據(jù)量質(zhì)量G壓力F電壓U數(shù)字量LED顯示量零狀態(tài)00000工作中0-10N0-1000g0-5V0-2550-1000超載裝10N1000g無(wú)00基于單片機(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 5 頁(yè) 共 23 頁(yè)從傳感器到轉(zhuǎn)換器連接的簡(jiǎn)單描述：從傳感器的三根引線(xiàn)中，有一根（A）接地，一根(C)接5V電源，一根(B)是信號(hào)線(xiàn)經(jīng)過(guò)處理后接到0-5V的轉(zhuǎn)換器的通道0口處，然后轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成0-255的數(shù)字信號(hào)之后送到單片機(jī)進(jìn)行處理。把0-255的數(shù)字經(jīng)過(guò)處理得到0-1000的數(shù)

15、字后，通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。設(shè)計(jì)的測(cè)力計(jì)的最小量程為0.01N,所以得到的數(shù)字信號(hào)得按0.256的倍數(shù)進(jìn)行處理得到0-1000的數(shù)字信號(hào)3。圖3-2 FS20測(cè)力傳感器電路圖3.2 測(cè)距傳感器選用PASCO運(yùn)動(dòng)傳感器PS-2103作為測(cè)距傳感器是根據(jù)PASCO運(yùn)動(dòng)傳感器可以在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量位移、速度和加速度。其獨(dú)特的超聲脈沖測(cè)距技術(shù)具有標(biāo)準(zhǔn)波束和窄波束兩種選擇。窄波束可以避免接受錯(cuò)誤信號(hào)已得到更清晰的數(shù)據(jù)。該運(yùn)動(dòng)傳感器可以放在桌上，也可固定在桿架或動(dòng)力學(xué)導(dǎo)軌上4。特點(diǎn)：量程0.15m-8m，最小分辨率1mm，高穩(wěn)定性，低偏差，壽命長(zhǎng)5。 圖 3-3 PASCO 運(yùn)動(dòng)傳感器 PS-2103量程的確定及

16、數(shù)據(jù)計(jì)算：測(cè)距傳感器在調(diào)零的情況下測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)范圍0.15m-8m（即測(cè)量彈簧的拉伸長(zhǎng)度范圍是0-7850mm）基于單片機(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 6 頁(yè) 共 23 頁(yè)傳感器輸出電壓U變化范圍0-5V轉(zhuǎn)換器的通道1轉(zhuǎn)換成數(shù)字的范圍是0-7850實(shí)際應(yīng)用中我們只需要0-300mm的量程就可以6所以當(dāng)取最小量程為1mm時(shí)各個(gè)數(shù)據(jù)的最小變化為：各個(gè)數(shù)據(jù)隨彈簧拉伸長(zhǎng)度的變化表：數(shù)據(jù)量彈簧拉伸長(zhǎng)度L電壓U數(shù)字量LED顯示量最小變化量1mm0.00064V11數(shù)據(jù)量彈簧拉伸長(zhǎng)度L電壓U數(shù)字量LED顯示量零狀態(tài)0000工作中0-300mm0-0.19V0-3000-300基于單片機(jī)的

17、彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 7 頁(yè) 共 23 頁(yè)第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 LED 顯示器4.1.1 LED 顯示器簡(jiǎn)介發(fā)光二極管（英語(yǔ)：Light-Emitting Diode,簡(jiǎn)稱(chēng)LED）是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件。發(fā)光顯示器是單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品中常用的廉價(jià)輸出設(shè)備。它是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的 一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫(huà)發(fā)光，控制不同組合的二極管導(dǎo)通就能顯示出各種字符。LED晶片的一端附著在一個(gè)支架上，一端是正極，一端是連接電源的負(fù)極，使晶片被封裝起來(lái)。發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層

18、，稱(chēng)為PN結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱(chēng)LED。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)(即兩端加上正向電壓)，電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線(xiàn)，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。而我們知道的光的波長(zhǎng)決定光的顏色，這是由形成P-N結(jié)的材料決定的10。4.1.2 LED 顯示器的特點(diǎn)（1）耗電量低LED耗電相當(dāng)?shù)牡停艿偷墓?，它的效率很高，LED效率可達(dá)90%以上，幾乎不發(fā)熱，所以耗電小。（

19、2）體積小LED基本上就是一塊很小的晶片被封裝在一個(gè)環(huán)氧樹(shù)脂里面，因此它非常小，并且還非常輕。（3）低熱量、高亮度LED使用的是冷發(fā)光技術(shù)，它的發(fā)熱量比普通的照片明燈具低很多很多。（4）環(huán)保用過(guò)LED的材料是無(wú)毒的，并且它也可以回收利用。在它的光譜中沒(méi)有紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)，它沒(méi)有輻射，沒(méi)有熱量，眩光小，冷光源，是可以進(jìn)行觸摸的，基于單片機(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 8 頁(yè) 共 23 頁(yè)是屬于典型的綠色照明光源。（5）使用壽命長(zhǎng)它的燈絲不存在發(fā)光易燃、熱沉積等缺點(diǎn)，在很合適的電流跟電壓下，使用壽命可達(dá)6W-10W小時(shí)，這比起傳統(tǒng)的光源長(zhǎng)十倍以上。（6）很堅(jiān)固它被封裝在一個(gè)環(huán)氧樹(shù)脂

20、里面，比起熒光燈和燈泡都堅(jiān)固。燈泡內(nèi)也沒(méi)有松動(dòng)的部分，從而使LED不容易破壞11。4.1.3 LED 顯示方式點(diǎn)亮顯示器有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法。所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示某一個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止。所謂動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器，對(duì)每一位顯示器來(lái)說(shuō)，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次12。本設(shè)計(jì)通過(guò) AT89S51 單片機(jī)的 P0 口來(lái)控制斷碼的亮滅，P2 口來(lái)控制位碼的輪流點(diǎn)亮。在本文中引用了兩個(gè)四位的七段顯示數(shù)碼管LED,用來(lái)顯示實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)如圖4-1所示。P00P01P02P03P04P05P06P07P00P01P02P03P04P05P06P07圖4-1 LE

21、D顯示器4位LED顯示器有4根位選線(xiàn)和84段選線(xiàn)，段選線(xiàn)控制字符選擇，位元選線(xiàn)控制顯示位元的亮、暗。在此選用動(dòng)態(tài)顯示，LED動(dòng)態(tài)顯示電路單片機(jī)接口電路如圖4-2所示：基于單片機(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 9 頁(yè) 共 23 頁(yè)圖4-2 LED動(dòng)態(tài)顯示方式4.2 A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器4.2.1 ADC0809 簡(jiǎn)介在本設(shè)計(jì)中我們所用的是ADC0809芯片作為轉(zhuǎn)換核心，ADC0809是8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，下面主要介紹下ADC0809芯片的一些內(nèi)容。4.2.2 主要特性（1）8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分

22、辨率為8位。（2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂啤＃?）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130s（時(shí)鐘為500kHz時(shí)） 。（4）單個(gè)+5V電源供電。（5）模擬輸入電壓范圍0+5V，不需零點(diǎn)和滿(mǎn)刻度校準(zhǔn)。（6）工作溫度范圍為-40+85攝氏度。（7）低功耗，約15mW。4.2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器， ，它由8路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開(kāi)關(guān)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成15。基于單片機(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 10 頁(yè) 共 23 頁(yè)外部特性（引腳功能）ADC0809芯片有28條引腳，采用雙

23、列直插式封裝，如圖4-3所示。下面說(shuō)明各引腳功能。IN0IN7：8路模擬量輸入端。D0D7：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線(xiàn)，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。START： A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換） 。EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平） 。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門(mén)，輸出數(shù)字量。CLK：時(shí)鐘脈沖輸入

24、端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。REF（+） 、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。VCC：電源，單一+5V。GND：接地。OUT121ADD B24ADD A25ADD C23VREF(+)12VREF(-)16IN31IN42IN53IN64IN75START6OUT58EOC7OE9CLOCK10OUT220OUT714OUT615OUT817OUT418OUT319IN228IN127IN026ALE22U1ADC0809圖4-3 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖基于單片機(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 11 頁(yè) 共 23 頁(yè)4.2.4 工作過(guò)程首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址

25、存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門(mén)打開(kāi)，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線(xiàn)上。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問(wèn)題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式16。（1）定時(shí)傳送方式對(duì)于一種A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。

26、例如ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為128s，相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機(jī)共64個(gè)機(jī)器周期。可據(jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。（2）查詢(xún)方式A/D轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢(xún)方式，測(cè)試EOC的狀態(tài)，即可確認(rèn)轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。（3）中斷方式把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)（EOC）作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過(guò)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號(hào)有效時(shí)，OE信號(hào)即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線(xiàn)，供

27、單片機(jī)接受。 4.3 單片機(jī)模塊 本設(shè)計(jì)采用的AT89S51單片機(jī)為核心處理器, AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存基于單片機(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 12 頁(yè) 共 23 頁(yè)儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用17。主要性能特點(diǎn)：（1）4k Byt

28、es Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器；（2）128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM） ；（3）32 個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口；（4）2 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)、2 層中斷嵌套中斷；（5）6 個(gè)中斷源；（6）2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；（7）2 個(gè)全雙工串行通信口；（8）看門(mén)狗（WDT）電路；（9）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路；（10）與 MCS-51 兼容；（11）全靜態(tài)工作：0Hz-33MHz；（12）三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定；（13）可編程串行通道；（14）低功耗的閑置和掉電模式。引腳的說(shuō)明：（1）主電源引腳 VCC 和 GNDVCC：電源電壓輸入端。 GND：電源地。（2）時(shí)鐘電路引

29、腳XTAL1和XTAL2 XTAL1：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。（3）控制信號(hào)引腳RST、ALE/和/PROGEAppV RST：復(fù)位輸入端，高電平有效。 ALE/：地址鎖存允許/編程脈沖信號(hào)端。PROGPSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)，低電平有效。基于單片機(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 13 頁(yè) 共 23 頁(yè)/：外部程序存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)允許。EAppV（4）輸入/輸出端口引腳 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。 P1口：每一位都能作為可編程的輸入或輸出口，能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門(mén)電路P2

30、口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電路，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0

31、/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51圖4-4 89S51管腳89S51單片機(jī)的性能強(qiáng)大， 89S51具有完整的輸入輸出、控制端口、以及內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間。89S51系列單片機(jī)編寫(xiě)程序的基本流程。其語(yǔ)法結(jié)構(gòu)與我們常用的計(jì)算機(jī)C語(yǔ)言基本相同，不同之處在于增加了控制具體引腳工作的語(yǔ)句和命令，相對(duì)于計(jì)算機(jī)C語(yǔ)言，單片機(jī)C語(yǔ)

32、言更簡(jiǎn)練和明確?？梢钥刂泼總€(gè)引腳的輸入輸出狀態(tài)20。AT89S51單片機(jī)的管腳圖如圖4-4所示?；趩纹瑱C(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 14 頁(yè) 共 23 頁(yè)第 5 章 總結(jié)5.1 系統(tǒng)流程程序主要包括 ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集測(cè)力傳感器（FS20）和測(cè)距傳感器（PS-2103）從外界檢測(cè)到的兩組數(shù)據(jù)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入 AT89S51 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量所需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。程序開(kāi)始運(yùn)行后，先對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器、I/O、ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始化，待系統(tǒng)穩(wěn)定后對(duì)系統(tǒng)各個(gè)硬件進(jìn)行狀態(tài)初始化，接著進(jìn)入主循環(huán)，實(shí)時(shí)處理 I/O 口采集過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并顯示在 LED

33、顯示器上。系統(tǒng)流程圖如圖 5-1 所示：開(kāi)始AD轉(zhuǎn)換器初始化單片機(jī)初始化ADC0809采集傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換AT89S51經(jīng)P3口接收AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字信息進(jìn)行處理、控制并發(fā)送給LEDLED顯示測(cè)量數(shù)據(jù)圖5-1 系統(tǒng)流程圖5.2 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的仿真圖如圖5-2所示，此仿真圖是將兩個(gè)滑動(dòng)變阻器代替兩路傳感器分別與ADC0908模數(shù)轉(zhuǎn)換器的In0口和In7口相接，通過(guò)AT89S51單片機(jī)的P1口與ADC0908模數(shù)轉(zhuǎn)換器的三位地址輸入線(xiàn)相連來(lái)控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端口。將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)單片機(jī)的P3口輸入，輸入后單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行數(shù)字處理然后經(jīng)PO口輸出給兩個(gè)四位LED顯示器。P2口負(fù)責(zé)控制八位

34、的循環(huán)點(diǎn)亮?；趩纹瑱C(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 15 頁(yè) 共 23 頁(yè)D7D6D5D4D3D2D1D0p00p01p02p03p04p05p06p07D0D1D2D3D4D5D6D7C2OESTSTC3EOCC1C3C2C1STEOCCLKOECLKsoundP00P01P02P03P04P05P06P07P00P01P02P03P04P05P06P07in0in1in0IN1XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/A

35、D633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51OUT121ADD B24ADD A25ADD C23VREF(+)12VREF(-)16IN31IN42IN53IN64IN75START6OUT58EOC7O

36、E9CLOCK10OUT220OUT714OUT615OUT817OUT418OUT319IN228IN127IN026ALE22U3ADC080940%RV11kC122pFC222pFC310uFX112MR110k234567891RP160%RV21kC4100uF測(cè)測(cè)力力傳傳感感器器測(cè)測(cè)距距傳傳感感器器圖 5-2 系統(tǒng)仿真圖5.3 結(jié)束語(yǔ)本課題將傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中的非電學(xué)物理量裝換為電學(xué)物理量進(jìn)行測(cè)量，為測(cè)量彈簧勁度系數(shù)提供了一種直觀(guān)的測(cè)量方法，把一個(gè)純粹的力學(xué)實(shí)驗(yàn)變成了及力學(xué)、電子測(cè)量技術(shù)為一體的綜合實(shí)驗(yàn)，充分利用了大學(xué)所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)將其實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)字化?；趩纹瑱C(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法

37、的研究 作者：王在波 第 16 頁(yè) 共 23 頁(yè)參考文獻(xiàn)1彭軍.傳感器與檢測(cè)技術(shù)M.西安電子科技大學(xué)出版社, 2003.2王旭,陳紹英.測(cè)力傳感器的使用原理及發(fā)展J.呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報(bào),2005,3(1):39-41.3Mukai Koji,Yonezawa Yoshiharu,Ogawa Hidekuni,Maki Hiromichi,Caldwell W Morton. A remote monitor of bed patient cardiac vibration, respiration and movementJ. Conference proceedings : Annual In

38、ternational Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Conference,2009.4樂(lè)秀峰.應(yīng)變測(cè)力傳感器的數(shù)據(jù)處理J.計(jì)量技術(shù),1981,09(6):1-5.5楊兆建,王勤賢.測(cè)力傳感器研究發(fā)展綜述J.山西機(jī)械,2003,01(3):1-3.6Ogawa Hidekuni,Yonezawa Yoshiharu,Maki Hiromichi,Caldwell W.A new bed-ex

39、iting alarm system for welfare facility residentsJ.Conference proceedings:Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society.IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Conference,2009.7劉鵬飛.正確使用滑動(dòng)變阻器J.延安教育學(xué)院學(xué)報(bào),2000,03(3):75-90.8任恒鳳.在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中巧用滑動(dòng)變阻器J.安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自

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41、):97-99.14魏麗娜,管力銳.單片機(jī) LED 動(dòng)態(tài)顯示屏教學(xué)演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.大眾科技,2010,07(6):56-57.15Shebanova Olga,Hammer Daniel A. Biochemical and mechanical extracellular 基于單片機(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 17 頁(yè) 共 23 頁(yè)matrix properties dictate mammary epithelial cell motility and assemblyJ. Biotechnology journal,73.16胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技M.北京:清

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43、char unsigned char#include sbit OE = P10;sbit EOC = P11;sbit ST = P12;sbit CLK = P13;sbit c1 = P16;sbit c2 = P15;sbit c3 = P14;ucharflag_adc;ucharflag_w;ucharadc_buf0;ucharadc_buf1;uint adc0;void DelayMS(uint ms) uchar i;while(ms-) for(i=0;i120;i+);void main() TMOD = 0 x12;TH0 = 0 x14;TL0 = 0 x00;TH

44、1 = (65536-1000)/256;TL1 = (65536-1000)%256;EA = 1;ET0 = 1;TR0 = 1;ET1 = 1;TR1 = 1;P1 = 0 x3f;/0011 1111while(1)基于單片機(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 19 頁(yè) 共 23 頁(yè)if(flag_adc = 0)flag_w +;if(flag_w = 2)flag_w = 0;if(flag_w = 0)P1 = 0 x0f;/0000 1111if(flag_w = 1)P1 = 0 x7f; /0111 1111DelayMS(1); ST = 0;ST = 1;S

45、T = 0;flag_adc = 1;if(EOC = 1 & flag_adc = 1)flag_adc = 0;OE = 1;if(flag_w = 0)adc_buf0 = P3;if(flag_w = 1)adc_buf1 = P3;OE = 0;DelayMS(100);adc0 = adc_buf0 * 125 / 32 ;dat_0 = adc0 / 1000 ;dat_1 = adc0 /100 % 10;dat_2 = adc0 /10 % 10;dat_3 = adc0 % 10;dat_4 = 10;dat_5 = adc_buf1 /100;dat_6 = adc_buf1 /10 % 10;dat_7 = adc_buf1 % 10;基于單片機(jī)的彈簧勁度系數(shù)測(cè)量方法的研究 作者：王在波 第 20 頁(yè) 共 23 頁(yè)void Timer0_INT() interrupt 1 CLK = !CLK;void time1() interrupt 3TH1 = (65536-1000)/256;TL1 = (6