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逢 甲 大 學 自 動 控 制 工 程 學 系 專 題 製 作 專 題 論 文 數 位 式 電 子 秤 之 研 製 Design Study of Digital Electronic Weighing Sensor 指 導 教 授 : 賴 啟 智 學 生 : 劉 人 豪 俞 仲 維 中 華 民 國 九 十 八 年 四 月 二 十 二 日 ii

. 誌 謝 本 文 承 蒙 賴 啟 智 老 師 指 導, 排 解 疑 惑, 始 臻 於 成, 師 恩 浩 翰, 在 此 致 最 深 之 敬 意 在 製 作 期 間 系 上 學 長 給 予 諸 多 提 點 及 諸 位 好 友 俊 翰, 世 昕, 澤 鈞, 中 鉉 等 的 幫 忙, 不 時 與 我 討 論 給 我 許 多 建 議, 在 此 致 萬 分 的 謝 意 3

中 文 摘 要 本 文 首 先 對 懸 臂 樑 式 數 位 電 子 秤 之 特 殊 結 構 設 計, 作 一 分 析, 以 期 對 量 度 設 備 之 原 理 與 設 計 方 式 作 一 番 了 解 其 次 將 此 數 位 式 電 子 秤, 配 合 8051 微 處 理 器, 組 合 成 一 具 有 計 重 自 動 秤 重 及 重 量 偵 測 功 能 之 系 統 本 系 統 適 用 於 無 人 化 工 廠 無 人 化 倉 儲 系 統 等 之 物 料 管 制 品 質 管 制 生 產 管 理 的 應 用 4

Abstract In this thesis, we study the structural analysis of a canti-lever type digital electronic steelyard, in order to understand its structural characteristics and design principles. The digital electronic steelyard can be connected to a microprocessor to perform automatic weighing, quantity control and etc. A 8051 microprocessor based system is designed and implemented to demonstrate these applications. The system is very useful in areas such as inventory control, quality and production management in unmanned-factories or unmanned-warehouses 5

目 錄 誌 謝 i 中 文 摘 要 ii 英 文 摘 要 iii 目 錄 iv 圖 目 錄 v 表 目 錄 vi 6

第 一 章 前 言... 1 1-1 研 究 動 機...1 1-2 研 究 目 的...1 1-3 文 獻 探 討...1 第 二 章 應 變 計 理 論... 2 2-1 應 變 計...2 2-1.1 簡 史...2 2-1.2 電 阻 應 變 計 測 量...2 2-1.3 應 變 計 原 理...3 2-1.4 壓 阻 效 應...4 第 三 章 理 論 分 析... 6 3-1 單 晶 片 8051...6 3-1.1 單 晶 片 8051 介 紹...6 3.1.2 8051 功 能 介 紹...9 3-1.3 8051 接 腳 說 明...10 3-2 LCD 顯 示 器...13 3-2.1 LCD 顯 示 器...13 3-2.2 LCD 模 組 工 作 時 序 圖...14 3-2.3 LCD 顯 示 原 理...15 3-2.4 LCD 功 能 說 明...15 3-3 類 比 數 位 轉 換 器 ADC0804...16 3-3.1 基 本 概 述...16 3-3.2 ADC0804 之 功 能...16 3-3.3 ADC0804 之 基 本 應 用...17 3-3.4 ADC0804 與 微 處 理 機 之 應 用...17 3-3.5 ADC0804 接 腳 說 明...18 第 四 章 系 統 設 計... 19 4-1 電 路 圖...19 4-1.1 系 統 電 路 圖...19 4-1.2 硬 體 架 構 圖...20 4-2 各 電 路 方 塊 原 理 說 明...20 4-2.1 電 源 開 關 變 壓 穩 壓 電 源 燈 電 路...20 4-2.2 8051CPU 電 路...21 4-2.3 LCD16X2 電 路...22 4-2.4 應 變 計 感 應 /ADC 轉 換 電 路...22 4-3 流 程 圖...23 4-3.1 系 統 流 程 圖...23 7

4-3.2 2 掃 描 ADC0804 讀 取 壓 力 並 作 處 理 副 程 式 流 程 圖...24 第 五 章 實 驗 結 果 與 討 論... 25 5-1 實 驗 結 果...25 5-1.1 待 測 物 實 際 値...25 5-1.2 不 同 待 測 物 實 際 測 量 值...25 5-1.3 重 量 與 電 壓 輸 出 之 關 係...26 5-2 問 題 檢 討...27 5-2.1 誤 差 討 論...27 5-2.2 實 驗 結 果 討 論...27 5-2.3 結 論...27 參 考 文 獻... 附 錄 A 程 式 碼... 附 錄 B 懸 臂 樑 結 構 ANSYS 模 擬 圖... 8

圖 目 錄 圖 2-1 應 變 計 尺 寸... 3 圖 2-2 應 變 計 之 訊 號 放 大 電 路... 4 圖 3-1 89C51 微 電 腦 邏 輯... 8 圖 3-2 89C51 接 腳 圖... 8 圖 3-3 LCD 內 部 架 構... 13 圖 3-4 LCD 模 組 寫 入 時 序 圖... 14 圖 3-5 LCD 模 組 讀 取 時 序 圖... 14 圖 3-6 八 位 元 介 面 忙 碌 旗 標 檢 查 時 序 圖... 14 圖 3-7 LCM 與 CPU 的 連 接 方 塊 圖... 15 圖 3-8 ADC 0804 基 本 應 用 電 路 圖... 17 圖 3-9 ADC0804 與 微 處 理 機 之 電 路 應 用 意 示 圖... 17 圖 3-10 ADC0804 接 腳 圖... 18 圖 4-1 系 統 電 路 圖... 19 圖 4-2 硬 體 架 構 圖... 20 圖 4-3 電 源 電 路... 21 圖 4-4 8051CPU 電 路... 18 圖 4-5 LCD16X2... 22 圖 4-6 應 變 計 感 應 /ADC 轉 換 電 路... 23 圖 5-1 重 量 與 電 子 秤 輸 出 電 壓 之 關 係... 26 9

表 目 錄 表 1 待 測 物 實 際 測 量 表... 25 表 2 實 驗 數 據 測 量 表... 25 表 3 重 量 與 電 子 秤 之 電 壓 輸 出... 26 10

第 一 章 前 言 1-1 研 究 動 機 自 動 化 工 業 以 及 工 業 自 動 化 向 來 是 政 府 大 力 推 廣 的 一 環, 大 大 的 改 變 了 我 們 科 技 產 業 的 生 產 結 構, 不 但 使 製 程 標 準 化 也 更 好 的 節 省 了 許 多 生 產 成 本 想 要 控 制 一 個 系 統 首 要 的 條 件 是, 必 須 能 先 量 度 的 到 系 統 的 輸 出 信 號, 有 輸 出 才 能 做 回 授 (Feedback), 才 能 達 到 控 制 系 統 的 目 的 因 此 沒 有 ㄧ 套 能 夠 精 準 量 測 的 度 量 儀 器, 想 要 能 夠 達 到 控 制 系 統 的 目 的, 無 異 癡 人 說 夢 所 以 量 度 感 測 器 在 自 動 化 工 業 中 佔 有 不 可 或 缺 的 重 要 性 1-2 研 究 目 的 為 此 本 次 實 驗 以 現 有 的 懸 壁 樑 式 重 量 感 測 器, 為 將 來 的 後 起 者 提 供 一 個 構 思 的 方 向 此 設 計 的 優 點 在 於 : 對 於 待 測 物 在 秤 盤 上 任 何 位 置, 所 引 起 之 彎 曲 應 力 皆 不 影 響 重 量 讀 數 總 而 言 之, 本 次 實 驗 以 重 量 感 測 器 取 得 輸 出 信 號, 經 儀 表 放 大 器 放 大 後 使 用 A/D 轉 換 晶 片 (A/D converter) 將 類 比 信 號 (Analog signal) 轉 成 數 位 信 號 (Digital signal), 通 過 微 處 理 機 (8051 單 晶 片 ) 中 做 計 重 單 位 之 轉 換, 再 由 LCD 液 晶 顯 示 器 顯 示 出 讀 數, 並 可 做 自 動 秤 重 自 動 重 量 感 測 之 功 能, 可 以 廣 泛 的 應 用 於 物 料 管 制 品 質 管 制 之 用 1-3 文 獻 探 討 綜 觀 目 前 市 售 之 產 品 大 多 以 槓 桿 原 理, 彈 簧 壓 縮, 齒 輪 選 轉 的 方 式 來 做 為 重 量 的 轉 換 準 確 度 差, 故 障 率 高, 讀 數 不 易 識 別 此 次 實 驗 採 用 應 變 計 做 為 重 量 的 感 測, 將 重 量 轉 換 為 電 壓 信 號, 可 以 有 較 高 的 準 確 率 不 易 故 障, 另 以 LCD 液 晶 顯 示 器 顯 示 電 路 簡 潔, 不 同 於 一 般 都 以 七 段 顯 示 器 顯 示 電 路 繁 雜 如 果 發 生 錯 誤 的 話 維 修 不 易 11

第 二 章 應 變 計 理 論 2-1 應 變 計 (Strain Gage ) 2-1.1 簡 史 1678 年, 英 國 R. 胡 克 建 立 了 彈 性 體 的 應 變 在 一 定 範 圍 內 與 應 力 成 正 比 的 胡 克 定 律 1807 年, 英 國 T. 楊 提 出 了 彈 性 模 量 的 概 念, 於 是 人 們 想 到 測 取 彈 性 體 的 應 變, 以 算 出 它 的 應 力 1852 年, 英 國 J.C. 麥 克 斯 韋 提 出 光 彈 性 的 應 力 - 光 學 定 律 1856 年 英 國 W. 湯 姆 森 發 現 金 屬 絲 的 應 變 引 起 它 的 電 阻 發 生 變 化, 其 電 阻 率 變 化 與 應 變 之 間 有 一 定 的 函 數 關 係 這 些 發 現 是 現 代 光 彈 性 和 電 阻 應 變 計 測 量 技 術 的 基 礎 1913 年 前 後, 英 國 E.G. 科 克 爾 和 法 國 A.C.M. 梅 斯 納 熱 等 用 光 彈 性 模 型 實 驗, 先 後 研 究 了 車 輪 齒 輪 滾 動 軸 承 和 橋 梁 等 應 力, 開 創 了 現 代 實 驗 應 力 分 析 的 基 礎 1938 年, 美 國 M.M. 弗 羅 赫 特 和 德 國 G. 奧 佩 爾 等 確 立 了 光 彈 性 應 力 凍 結 法, 將 光 彈 性 模 型 實 驗 從 平 面 ( 二 維 的 ) 應 力 分 析 發 展 到 立 體 ( 三 維 的 ) 應 力 分 析 30 年 代 後 期, 美 國 E. 西 蒙 斯 和 A. 魯 奇 等 研 製 出 黏 貼 式 電 阻 應 變 計, 使 實 驗 從 測 量 模 型 的 應 力 發 展 到 測 量 實 物 的 應 力, 從 測 量 靜 態 應 力 發 展 到 測 量 動 態 應 力 1943 年 美 國 成 立 了 實 驗 應 力 分 析 學 會 (SESA) 1953 年, 法 國 F. 贊 德 曼 完 善 了 光 彈 性 貼 片 法, 使 光 彈 性 實 驗 也 擴 展 到 實 物 測 量 60 年 代 後 期 又 相 繼 發 展 了 全 息 干 涉 法 和 散 斑 干 涉 法, 實 驗 應 力 分 析 的 應 用 範 圍 不 斷 擴 大, 測 量 和 分 析 精 度 不 斷 提 高 2-1.2 電 阻 應 變 計 測 量 以 電 阻 應 變 片 作 為 傳 感 元 件, 黏 貼 在 零 件 被 測 點 的 表 面 當 零 件 在 載 荷 作 用 下 產 生 應 變 時, 電 阻 應 變 計 發 生 相 應 的 電 阻 變 化, 用 應 變 儀 測 出 這 個 變 化, 可 據 以 計 算 被 測 點 的 應 變 和 應 力 它 是 一 種 常 用 的 逐 點 測 量 表 面 應 力 的 方 法 這 種 方 法 使 用 方 便, 測 量 精 度 高 ( 最 高 可 達 2~3%), 易 於 自 動 顯 示 和 記 錄 它 可 用 於 模 型 實 驗, 也 可 在 機 器 運 行 情 況 下 對 零 件 進 行 動 態 應 力 測 量 ; 不 僅 可 用 於 通 常 工 況, 還 可 用 於 特 殊 工 況 如 高 溫 ( 至 1000 ) 深 冷 (-270 ) 變 溫 度 高 壓 力 (1000 12

兆 帕 ) 高 真 空 高 頻 率 (50 萬 赫 以 上 ) 高 重 力 加 速 度 (60 萬 g), 以 及 腐 蝕 強 磁 場 核 輻 射 等 特 殊 環 境 ; 不 僅 可 用 於 近 距 離 測 量, 還 可 用 於 遠 距 離 遙 測 電 阻 應 變 計 的 柵 長 最 短 可 達 0.18 毫 米 用 電 阻 應 變 計 測 得 的 應 變 是 柵 長 內 的 平 均 值 2-1.3 應 變 計 原 理 應 變 計 是 利 用 電 導 體 之 壓 縮 或 伸 長, 使 其 電 阻 值 改 變 之 原 理 來 做 為 量 度 之 工 具 其 主 要 之 結 構 是 以 應 變 線 貼 於 應 變 基 座 上 而 成 此 應 變 線 之 材 料 可 為 金 屬 箔 或 半 導 體 在 使 用 應 變 計 量 度 時, 將 絕 緣 基 座 緊 密 的 貼 於 量 度 目 標 上, 當 量 度 目 標 發 生 變 形 時, 黏 貼 其 上 之 應 變 計 亦 變 形, 而 使 應 變 線 伸 長 或 縮 短, 產 生 電 阻 值 之 改 變, 量 測 此 電 阻 值 之 改 變, 及 可 求 之 量 度 所 受 之 外 力 圖 2-1 應 變 計 尺 寸 13

GAGE LENGTH OVERALL GRID OVERALL WIDTH 英 吋 規 格 ( inch ) 公 釐 規 格 ( millimeter ) MATRIX 英 吋 公 釐 應 變 計 規 格 辨 識 表 表 2-1 應 變 計 規 格 2-1.4 壓 阻 效 應 所 謂 壓 阻 效 應 是 指 當 材 料 受 到 應 力 作 用 時, 材 料 的 電 阻 值 會 改 變 的 一 種 現 象 這 種 現 象 普 遍 地 存 在 各 種 材 料 中, 其 中 以 某 些 半 導 體 的 效 應 特 別 顯 著 感 測 壓 力 的 電 阻 以 惠 斯 登 電 橋 (Wheatstone bridge) 的 方 式 來 連 接, 如 圖 1 所 示, 其 中 電 阻 R1 即 為 矽 質 壓 力 感 測 元 件 R1 R3 + - 惠 氏 電 橋 + - R2 +15V -15V R4 + - 圖 2-2 應 變 計 之 訊 號 放 大 電 路 惠 斯 登 電 橋 之 電 阻 與 電 壓 關 係 滿 足 下 式 : V out = R R R R V ( R + R )( R + R ) in 1 1 4 2 3 2 3 4 (1) 若 假 設 R1 R2 R3 R4 均 相 等 且 都 等 於 R, 當 壓 力 感 測 元 件 因 壓 力 之 變 化 產 生 ΔR 之 微 小 變 化, 則 (2) 式 可 化 簡 如 下 : V out = R 2 + R R R 2 V R V εv in in in ( 2R + R) 2R 4R (2) 14

由 於 壓 力 感 測 元 件 之 壓 阻 變 化 極 小, 因 此 必 需 再 利 用 放 大 器 將 訊 號 放 大, 圖 1 為 應 變 計 訊 號 放 大 電 路, 其 中 惠 氏 電 橋 的 輸 出 電 壓 與 外 加 壓 力 P 滿 足 以 下 的 關 係 式 V out KP (3) 其 中 K 是 一 個 應 變 係 數, 其 隨 設 計 和 製 程 而 變 15

第 三 章 理 論 分 析 3-1 單 晶 片 8051 3-1.1 單 晶 片 8051 特 性 介 紹 本 專 題 是 利 用 8051 單 晶 片 之 特 性, 感 測 應 變 計 應 力 變 化 OP 放 大 及 類 比 數 位 (ADC) 轉 換, 並 將 感 測 代 表 值 顯 示 在 LCD 其 中 應 用 電 源 處 理 電 路 單 晶 片 控 制 應 變 計 感 應 OP 放 大 電 路 類 比 轉 數 位 (ADC) 電 路 LCD 顯 示 程 式 多 工 邏 輯 判 斷 等 自 動 控 制 技 術 單 晶 片 8051 在 微 處 理 機 應 用 之 廣, 尤 其 是 在 工 業 上 已 是 相 當 普 及, 由 於 8051 單 晶 片 微 處 理 機 有 許 多 的 優 點, 如 指 令 功 能 強 記 憶 體 容 量 大 串 列 通 訊 布 林 代 數 等, 它 可 以 讓 我 們 隨 心 所 欲 的 設 計, 開 發 新 產 品 及 產 品 的 改 良 8051 單 晶 片 能 在 通 信 工 程 可 程 式 控 制 器 儀 測 工 程 量 測 工 程 中, 扮 演 著 重 要 角 色 之 一 ; 隨 著 個 人 電 腦 的 普 及, 軟 體 開 發 工 具 支 援 齊 全, 在 PC 上, 我 們 可 以 容 易 以 高 階 C 語 言, 來 設 計 一 般 工 程 應 用 控 制 程 式, 直 接 來 控 制 硬 體 的 動 作, 只 是 在 真 正 應 用 上, 往 往 會 覺 得 利 用 一 部 PC, 卻 只 做 小 小 的 控 制, 實 在 有 點 大 材 小 用, 似 乎 用 8051 單 晶 片, 便 可 解 決, 而 且 單 晶 片 體 積 小 使 用 簡 單 硬 體 接 線 容 易 況 充 性 僅 價 格 低 廉 又 省 電, 反 而 是 一 個 不 錯 的 選 擇 選 用 微 電 腦 不 但 要 考 慮 價 格 的 高 低, 還 要 兼 顧 其 工 作 能 力 及 是 否 容 易 駕 駛, 使 一 部 微 電 腦 的 功 能 完 全 發 揮 才 能 獲 得 最 經 濟 有 效 的 應 用 微 電 腦 的 應 用 漸 漸 地 走 出 兩 條 主 要 的 路 線, 一 為 自 動 控 制, 一 為 資 料 處 理 在 現 今 軟 體 開 發 工 具 支 援 齊 全, 在 PC 上 我 們 可 以 很 容 易 以 高 階 C 語 言 來 設 計 一 般 的 工 程 應 用 控 制 程 式, 直 接 來 控 制 硬 體 的 動 作, 只 是 在 真 正 應 用 往 往 會 覺 得 利 用 一 部 PC 卻 做 些 小 小 的 控 制, 實 在 有 一 點 大 材 小 用, 似 乎 單 晶 片 便 可 解 決, 體 積 小, 又 省 電, 但 又 要 面 臨 回 到 設 計 * 單 晶 片 微 電 腦 的 特 點 : (1) 體 積 小, 成 本 低, 可 信 賴 度 高 (2) 連 接 線 路 簡 單, 配 合 週 邊 元 件 少, 使 用 簡 單 方 便 (3) 可 利 用 線 路 實 體 模 擬 器 (ICE) 或 ROM 模 擬 器, 測 試 程 式, 並 可 持 程 式 燒 錄 於 EPROM, 研 究 發 展 容 易 16

(4) 有 充 足 的 輸 出 / 輸 入 埠 及 資 料 線, 故 發 展 擴 充 性 高 (5) 指 令 精 簡, 定 址 方 式 簡 單, 程 式 撰 寫 容 易 基 本 上, 我 們 可 以 使 用 C 語 言 編 譯 器 做 程 式 設 計, 用 C 語 言 編 譯 器 寫 程 式 有 以 下 幾 個 好 處 : 1. 程 式 好 寫 具 結 構 化 2. 程 式 具 自 我 註 解 功 能, 修 改 容 易 3. 除 錯 方 便 4. 移 植 性 高, 可 在 PC 上 測 試 過, 在 移 值 到 8051 編 譯 器 上 編 譯 而 執 行 * 單 晶 片 微 電 腦 與 多 晶 片 微 電 腦 的 比 較 : (1) 單 晶 片 微 電 腦 將 電 腦 五 大 單 元 均 做 在 同 一 晶 片 內 而 多 晶 片 微 電 腦 必 須 由 多 個 IC 晶 片 組 合 而 成, 如 8085 是 做 8Bit CPU 以 8255 當 I/0, 以 2732 或 2764 當 ROM, 以 6116 當 RAM, 以 8253 當 控 制 單 元 等 (2) 單 晶 片 微 電 腦 記 憶 容 量 非 常 小, 如 8051 單 晶 片 微 電 腦 RAM 有 128Byte,ROM 有 4kByte 而 一 般 多 晶 片 微 電 腦 均 必 須 能 處 理 大 量 資 料 及 多 功 能, 此 記 憶 容 量 大, 一 般 RAM 有 lmbyte,rom 有 64K Byte (3) 單 晶 片 微 電 腦 的 程 式 資 料 都 儲 存 在 ROM( 程 式 記 憶 體 ),RAM ( 資 料 記 憶 體 ) 只 作 為 資 料 暫 存 器 或 緩 衝 區 之 用 而 多 晶 片 微 電 腦 是 把 使 用 者 的 程 式 資 料 儲 存 在 RAM, 而 ROM 只 儲 存 系 統 程 式 (4) 單 晶 片 微 電 腦 主 要 應 用 在 控 制 方 面 的 單 一 功 能 如 微 電 腦 冷 氣 溫 度 控 制, 自 助 販 賣 機, 微 電 腦 微 波 爐, 個 人 電 腦 的 鍵 盤 控 制 等 而 多 晶 片 微 電 腦 主 要 應 用 在 大 量 資 料 處 理 的 多 種 功 能, 如 文 書 處 理, 數 學 運 算, 繪 圖, 通 訊 等 17

圖 3-1 89C51 微 電 腦 邏 輯 圖 3-2 8051 接 腳 圖 我 們 都 知 道, 電 腦 的 最 基 本 組 成 單 位 是 中 央 處 理 單 元 (CPU) 記 憶 體 以 及 I/O, 各 有 其 專 司 職 責 及 用 途 例 如,CPU 負 責 將 程 式 解 碼 及 執 行 記 憶 體 負 責 儲 存 程 式 及 資 料, 而 I/O 則 負 責 提 供 電 腦 系 統 與 外 界 週 邊 設 備 的 溝 通 管 18

道 在 微 電 腦 術 語 中, 通 常 我 們 所 稱 的 微 電 腦 指 的 是 通 用 型 (General Purpose) 微 處 理 機 晶 片, 例 如 Z80 6502 8085 80386 晶 片 等, 也 就 是 說 這 些 晶 片 只 具 有 CPU 的 功 能, 若 想 要 構 成 一 部 完 整 的 電 腦 系 統 ( 如 PC/AT 個 人 電 腦 等 ), 則 必 須 要 搭 配 其 它 的 記 憶 體 晶 片 I/O 介 面 晶 片 以 及 相 關 的 支 援 晶 片, 這 些 CPU 晶 片 才 能 動 作 單 晶 片 微 電 腦 (Single Chip Microcomputer) 則 是 將 CPU 記 憶 體 I/O 這 些 單 元 組 合 在 同 一 晶 片 之 內, 這 些 晶 片 只 需 要 少 量 的 支 援 電 路 即 可 獨 立 工 作, 如 此 就 可 以 大 量 地 減 少 電 路 板 面 積 及 降 低 成 本, 因 此 頗 為 適 合 家 電 汽 車 工 業 控 制 等 產 品 及 用 途 上, 所 以 單 晶 片 微 電 腦 又 稱 之 為 微 控 制 器 (Microcontroller) 一 般 而 言, 單 晶 片 微 電 腦 只 含 有 少 量 的 記 憶 體 及 I/O 點, 以 在 此 所 介 紹 的 8 位 元 8051 晶 片 為 例, 它 有 4Kbyte 的 ROM 128byte 的 RAM 以 及 32 條 I/O 點, 雖 然 這 麼 少 量 的 記 憶 體 及 I/O 是 不 能 與 一 般 的 電 腦 系 統 相 比, 但 在 控 制 用 途 上 卻 是 綽 綽 有 餘 3-1.2 8051 功 能 介 紹 : 1. 專 為 控 制 應 用 所 設 計 之 八 位 元 CPU 2. 加 強 了 布 林 代 數 ( 單 一 位 元 的 邏 輯 ) 之 運 算 功 能 3. 32 條 雙 向 且 可 被 獨 立 定 址 之 I/O 4. 晶 片 內 部 有 128 位 元 組 可 供 儲 存 資 料 的 RAM 5. 內 部 有 兩 個 16 位 元 計 時 器 (8052 有 三 個 ) 6. 具 全 雙 工 UART 7. 5 個 中 斷 源, 且 具 有 兩 層 ( 高 / 低 ) 優 先 權 順 序 之 中 斷 結 構 8. 晶 片 內 有 時 脈 (Clock) 振 盪 器 線 路 9. 晶 片 內 有 4K(8K/8052) 位 元 組 的 程 式 記 憶 體 (ROM) 10. 程 式 記 憶 空 間 可 達 64K 位 元 組 11. 資 料 記 憶 體 空 間 可 定 址 到 64K 位 元 組 19

3-1.3 8051 接 腳 說 明 : 接 腳 圖 1 為 8051/8751/8031 晶 片 的 40 支 接 腳 DIP 包 裝 的 接 腳 圖 一 如 INTEL 公 司 其 它 的 CPU 晶 片 一 樣,8051 晶 片 也 有 許 多 接 腳 是 多 用 途 的 在 此 將 說 明 每 一 支 接 腳 的 信 號 名 稱 及 其 功 能 用 途 信 號 名 稱 後 面 括 號 中 的 數 字 代 表 其 接 腳 號 碼 Vss(20): 接 地 (GND) 電 源 信 號 Vcc(40) : +5V 電 源 輸 入 端 XTAL1(19), XTAL2(18) 工 作 頻 率 輸 入 信 號 若 使 用 石 英 振 盪 晶 體 時, 則 應 將 石 英 晶 體 的 兩 支 接 腳 接 到 XTAL1 與 XTAL2 接 腳 上 若 使 用 外 部 的 脈 波 信 號 源 時 波 信 號 應 接 至 XTALl 接 腳 上, 而 XTAL2 則 必 須 接 地 可 使 用 的 工 作 頻 率 範 圍 為 :1.2 ~ l2 MHz RST/VST(9) : 硬 體 重 置 (Reset) 輸 入 信 號 當 本 接 腳 收 到 一 個 由 low 上 升 為 high 的 轉 態 信 號 時,8051 將 被 重 置, 此 時 8051 將 其 內 部 的 特 殊 功 能 暫 存 器 (Special Function Register, SFR) 設 定 為 預 設 值, 並 由 位 址 0000H 開 始 執 行 程 式 本 接 腳 (VPD) 亦 可 用 於 8051 的 功 率 下 降 (Power Down) 模 式, 當 VPD 維 持 約 +5V 而 Vcc 低 於 規 定 的 +5V+5% 時,VPD 將 供 應 電 源 ( 稱 之 為 Standby Power) 給 其 內 部 的 RAM 使 用, 以 保 存 其 資 料 /EA(31): 外 部 存 取 致 能 (External Access Enable) 輸 入 信 號 決 定 程 式 記 憶 體 最 前 面 bytes (0000H - 0FFFH) 是 來 自 晶 片 內 部 的 ROM/EPROM (/EA=L), 或 來 自 外 部 的 ROM/EPROM (/EA=H) 注 意 : 由 於 8031 晶 片 無 內 部 的 ROM/EPROM, 故 803l 的 /EA 必 須 接 地 ( 即 低 電 位 信 號 ) P0.0~P0.7(39~32) 20

埠 0 本 接 腳 有 兩 種 用 途 : 當 作 I/O 埠 時 為 埠 0, 為 8 位 元 雙 向 開 吸 極 (Open Drain) 的 I/O 埠 將 信 號 l 寫 入 埠 0 時, 可 使 其 接 腳 進 入 高 阻 抗 狀 態, 此 時 可 當 作 I/O 輸 入 接 腳 每 支 接 腳 可 驅 動 8 個 LS TTL 負 載 本 接 腳 亦 當 作 多 工 式 的 低 階 位 址 (A0 - A7) 及 資 料 (DO - D7) 匯 流 排, 可 供 存 取 外 部 的 記 憶 體 通 常 在 每 一 個 指 令 週 期 中 先 送 出 低 階 位 址 信 號 ( 此 時 亦 伴 隨 著 送 出 ALE 信 號 ), 然 後 再 送 出 資 料 信 號, 故 這 8 支 接 腳 又 稱 之 為 AD0 - AD7 P1.0~P1.7(1~8): 埠 1 為 8 位 元 雙 方 向 性 的 I/O 埠 將 信 號 l 寫 入 埠 l 時, 可 使 其 接 腳 由 其 內 部 提 升 為 高 電 位 狀 態, 此 時 可 當 作 I/O 輸 入 接 腳 每 支 接 腳 可 驅 動 4 個 LS TTL 負 載 在 8052 系 列 晶 片 中,P1.0 及 P1.1 可 做 如 下 之 用 途 : T2(P1.0): 計 時 器 / 計 數 器 2 外 部 信 號 輸 入 端 T2EX(P1.1): 計 時 器 / 計 數 器 2 在 捕 捉 (Capture) 模 式 時 的 觸 發 / 重 新 載 入 信 號 輸 入 端 P2.0~P2.7(21~28): 埠 2 本 接 腳 有 兩 種 用 途 : 當 作 I/O 埠 時 為 8 位 元 雙 向 I/O 埠 將 信 號 1 寫 入 埠 2 時, 可 使 其 接 腳 由 其 內 部 提 升 為 高 電 位 狀 態, 此 時 可 當 作 I/O 輸 入 接 腳 每 支 接 腳 可 驅 動 4 個 LS TTL 負 載 本 接 腳 亦 當 作 高 階 位 址 (A8-A15) 匯 流 排, 以 存 取 外 部 記 憶 體 P3.0~P3.7(10~17): 埠 3 為 8 位 元 雙 方 向 性 的 I/O 埠 將 信 號 1 寫 入 埠 3 時, 可 使 其 接 腳 由 其 內 部 提 升 為 高 電 位 狀 態, 此 時 可 當 作 I/O 輸 入 接 腳 每 支 接 腳 可 驅 動 4 個 LS TTL 負 載 本 接 腳 亦 可 使 用 於 下 列 之 用 途 : RXD(P3.0): 串 列 埠 信 號 輸 入 端 TXD(P3.1): 串 列 埠 信 號 輸 出 端 /INT0(P3.2): 外 部 中 斷 0 信 號 輸 入 端 /INT1(P3.3): 外 部 中 斷 l 信 號 輸 入 端 21

T0(P3.4): 計 時 器 / 計 數 器 0 外 部 信 號 輸 入 端 T1(P3.5): 計 時 器 / 計 數 器 l 外 部 信 號 輸 入 端 /WR(P3.6): 外 部 資 料 記 憶 體 寫 入 閃 控 (Strobe) 信 號 輸 出 /RD(P3.7): 外 部 資 料 記 憶 體 讀 取 閃 控 (Strobe) 信 號 輸 出 /PSEN(29): 程 式 儲 存 致 能 (Program Store ENable) 閃 控 輸 出 信 號 在 外 部 程 式 記 憶 體 的 指 令 碼 擷 取 週 期 時, /PSEN 將 送 出 一 個 閃 控 信 號, 以 表 示 CPU 正 自 外 部 的 程 式 記 憶 體 中 讀 取 指 令 碼 ALE(30): 位 址 閂 鎖 致 能 (Address Latch Enable) 輸 出 信 號 當 CPU 自 外 界 記 憶 體 中 擷 取 指 令 碼 或 存 取 資 料 時,ALE 將 會 在 一 個 匯 流 排 週 期 (Bus Cycle) 開 始 時 送 出 H 的 信 號, 表 示 P0.0 - P0.7 (AD0 - AD7) 正 送 出 低 階 位 址 A0 - A7 信 號, 以 供 外 界 電 路 鎖 定 這 些 低 階 位 址 信 號 由 於 ALE 信 號 頻 率 固 定 為 振 盪 器 工 作 頻 率 的 1/6, 故 ALE 信 號 也 可 當 作 脈 波 信 號 源 三 89C51CPU 之 部 份 : 然 而 我 們 這 組 採 用 89C51 單 晶 片 INPUT 與 OUPUT 的 判 斷 因 此 89C51 有 RAM128bytes ROM4bytes 這 樣 大 記 憶 空 間, 的 CPU 足 夠 讓 我 們 這 一 小 組 作 這 一 學 年 的 專 題 實 驗 使 用 22

3-2 LCD 顯 示 器 3-2.1 LCD 顯 示 器 一 項 產 品, 或 某 些 應 用 上, 需 顯 示 英 文 字 母 阿 拉 伯 數 或 特 殊 符 號 時, 採 用 文 字 型 LCD 顯 示 模 組 是 一 種 既 簡 便 又 省 電 的 方 法 文 字 型 LCD 顯 示 模 組 已 被 廣 泛 的 應 用 於 事 務 機 電 子 儀 表 及 相 關 高 級 產 品 上 常 見 文 字 型 LCD 模 組 有 16 字 x1 行 16 字 x2 行 20 字 x1 行 20 字 x2 行 20 字 x4 行 等 多 種 規 格 可 供 選 擇 於 是 我 們 這 次 專 題 就 採 用 LCD 圖 3-3 LCD 內 部 架 構 LCD 外 部 接 腳 的 功 能 也 都 相 同, 如 下 說 明 表 3-1 LCD 外 部 接 腳 23

3-2.2 LCD 模 組 工 作 時 序 圖 圖 3-4 LCD 模 組 寫 入 時 序 圖 圖 3-5 LCD 模 組 讀 取 時 序 圖 圖 3-6 八 位 元 介 面 忙 碌 旗 標 檢 查 時 序 圖 24

3-2.3 LCD 顯 示 原 理 LCD 點 矩 陣 模 組 式 顯 示 器 (LCM), 內 部 已 有 字 元 產 生 器, 因 此 接 收 CPU 想 顯 示 的 (ASCII code), 然 後 其 存 到 資 料 RAM, 由 LCD 控 制 並 將 字 元 逐 一 掃 瞄 到 LCD 上 顯 示, 模 組 內 含 有 一 顆 專 門 控 制 點 矩 陣 式 的 液 晶 控 制 器 HD 44780, 其 特 性 如 下 : 1. 直 接 使 用 在 4bit 或 8bit 的 CPU 上 2. 資 料 顯 示 RAM(DDRAM) 有 80 個 byte, 即 最 多 顯 示 80 個 字 元 3. 字 元 產 生 器 ROM(CG RAM), 可 規 劃 8 個 5x7 點 矩 陣 字 形 4. DDRAM CGROM 的 資 料 都 可 被 CPU 讀 出 5. 內 含 許 多 控 制 LCD 顯 示 方 式 的 指 令 圖 3-7 LCM 與 CPU 的 連 接 方 塊 圖 3-2.4 LCD 功 能 說 明 : 1. 暫 存 器 : LCD 模 組 內 部 只 有 兩 個 8 位 元 暫 存 器, 稱 為 指 令 暫 存 器 (Instruction Regiest, IR) 和 資 料 暫 存 器 (Data Register,DR) 它 們 都 是 8 位 元 暫 存 器, 並 且 由 RS 腳 來 選 用 出 來 2. 忙 碌 旗 號 (Busy Flag 簡 稱 BF) BF 旗 號 是 LCD 用 來 告 訴 CPU 它 內 部 是 否 忙 碌 的 一 個 旗 號, 若 BF=1 表 示 LCD 25

正 在 處 理 內 部 工 作, 因 此 這 時 候 不 可 以 寫 入 資 料 給 LCD 當 BF=0 時, 表 示 CPU 可 以 寫 資 料 給 LCD 3. 位 址 計 數 器 (AC) 指 定 寫 入 DDRAM 或 CGRAM 的 位 址, 而 位 置 設 定 指 令 寫 入 IR 後, 位 址 的 信 號 就 會 從 IR 傳 送 到 AC 當 資 料 從 DDRAM 或 CGROM 讀 出 後,AC 的 內 容 就 會 被 加 1(I/D=1) 或 減 (I/D=0), 其 中 I/D 是 進 入 模 式 所 被 設 定 4. 資 料 顯 示 RAM(DD RAM) 16X2 的 文 字 輸 出 顯 示 5. 字 元 產 生 器 ROM(CG ROM) 和 RAM(CG RAM)ROM 為 字 型 的 資 料 庫 和 RAM 為 設 定 字 型 的 資 料 庫 利 用 由 8051 程 式 對 LCD 下 顯 示 控 制 命 令, 以 顯 示 各 設 定 值 及 測 量 值 3-3 類 比 數 位 轉 換 器 ADC0804 3-3.1 3.1 基 本 概 述 ADC 0804 是 一 種 CMOS 之 8 位 元 連 續 近 似 之 類 比 數 位 轉 換 器 ADC0804 使 用 了 獨 特 的 電 位 階 梯 - 主 要 結 構 是 由 256 個 電 阻 組 成 的 分 壓 器 電 路 類 比 開 關 控 制 開 關 8 位 元 閂 鎖 及 類 比 比 較 器 所 組 成 的 連 續 近 以 法 A/D C(Successive Approximation Technique A/D C) 此 種 轉 換 器 是 設 計 允 許 操 作 於 NSC800 和 INS8080A 所 引 導 出 的 控 制 匯 流 排, 使 得 TRI-STATE 之 輸 出 能 直 接 的 驅 動 資 料 匯 流 排 所 以 A/D 轉 換 器 對 於 微 處 理 和 零 介 面 邏 輯 需 求 可 近 似 於 一 記 憶 位 址 或 I/OPorts 不 同 的 類 比 電 壓 輸 入, 可 改 變 共 同 參 考 點 之 值 和 類 比 零 輸 入 電 壓 值 之 偏 差 抵 補 對 於 飽 和 值 (8 位 元 ), 電 壓 之 參 考 點 的 輸 入 可 改 變 對 於 任 何 微 小 類 比 電 壓 變 化 之 範 圍, 而 得 到 想 要 的 類 比 轉 換 成 數 位 之 值 3-3.2 3.2 ADC0804 之 功 能 1. 可 使 用 於 不 同 的 類 比 電 壓 差 動 輸 入 2. 當 ADC0804 之 電 源 提 供 5V 時, 類 比 電 壓 輸 入 之 範 圍 為 0 ~ 5V 3. 可 操 作 之 電 壓 範 圍, 可 由 參 考 電 壓 端 之 調 整 而 不 同 26

4. 轉 換 時 間 約 100μs 3-3.3 3.3 ADC0804 之 基 本 應 用 圖 3-8 ADC 0804 基 本 應 用 電 路 圖 Note:Pin 6 和 Pin 7 所 接 為 Transducer( 類 比 差 動 輸 入 電 壓 值 之 調 整 轉 換 ) Note:Pin 19 和 Pin 4 為 ADC0804 內 部 所 建 之 時 脈 產 生 電 路 3-3.4 3.4 ADC0804 與 微 處 理 機 之 應 用 圖 3-9 ADC0804 與 微 處 理 機 之 電 路 應 用 意 示 圖 27

圖 3-10 ADC0804 接 腳 圖 3-3.5 3.5 ADC080 接 腳 說 明 : 1. Pin 1(CS): 該 腳 為 晶 片 選 擇 腳, 想 該 ADC0804 動 作, 並 完 成 類 比 對 數 位 的 轉 換 或 讓 數 值 能 夠 從 三 態 閂 鎖 輸, 出 都 必 須 在 CS= 0 的 情 況 才 能 完 成 2. Pin 3(WR): 在 CS= 0 的 期 間, 若 WR = 0, 則 代 表 已 經 下 了 一 道 命 令, 要 ADC 0804 開 始 做 類 對 數 位 轉 換 的 工 作 經 過 時 脈 (Clock) 後, 才 完 成 轉 換 工 作 ; 所 以 WR 是 啟 始 命 令 3. Pin 5( INTR): 當 WR = 0 時, 都 會 使 INTR = 1 而 完 成 轉 換 時,INTR 會 從 邏 輯 1 降 為 邏 輯 0 也 就 是 說 當 INTR = 0 時, 表 示 上 一 次 的 轉 換 工 作 已 完 成, 所 以 我 們 可 以 用 ADC0804 上 的 INTR 做 為 微 處 理 機 的 中 斷 要 求 ; 告 訴 微 處 理 機, ADC0804 已 將 轉 換 好 之 數 值 放 在 閂 鎖 裡, 微 處 理 機 可 以 取 得 ADC0804 之 轉 換 值 4. Pin 2(RD): 當 完 成 轉 換 時 INTR = 0, 則 向 微 處 理 機 提 出 中 斷 要 求, 若 中 斷 被 認 可 後, 便 送 出 一 CS= 0, 及 RD = 0, 此 時 輸 出 閂 鎖 便 把 資 送 進 匯 流 排, 傳 給 微 處 理 機, 即 為 RD 輸 出 閂 鎖 的 28

第 四 章 系 統 設 計 4-1 電 路 圖 4-1.1 系 統 電 路 圖 圖 4-1 系 統 電 路 圖 29

4-1.2 硬 體 架 構 圖 : (C)16x1 LCD (D) 應 變 計 感 應 / OP 放 大 電 路 /ADC 轉 換 (B) 8051 CPU 110Vac (A) 電 源 處 理 電 路 變 壓 / 穩 壓 / 電 源 燈 -12V +12V 圖 4-2 硬 體 架 構 圖 功 能 : 利 用 8051 單 晶 片 之 特 性, 對 應 變 計 施 加 應 力, 將 產 生 之 電 阻 變 化 經 轉 換 成 電 壓 變 化 並 放 大, 再 經 ADC 轉 換 再 輸 入 給 8051 計 算, 並 將 感 測 代 表 值 顯 示 在 LCD 1. 一 組 8051 單 晶 片 電 路 負 責 程 式 控 制 及 ADC 數 值 處 理 2. 一 組 應 變 計 感 應 / OP 放 大 電 路 3. 一 組 類 比 轉 數 位 (ADC) 電 路 4. 一 組 4 位 元 Dip Switch 可 設 16 段 溫 度 設 定 值 5. 一 組 16x1 LCD 顯 示 應 變 計 感 測 代 表 值 6. 一 組 電 源 處 理 電 路 產 生 DC5V DC-12V DC12V 電 源 4-2 各 電 路 方 塊 原 理 說 明 : 4-2.1 電 源 開 關 變 壓 穩 壓 電 源 燈 電 路 : AC110V AC110VIN AC110VIN AC110V to AC15V AC1 AC2 OUT1 O1 COM COM OUT2 O2 IN4004 1000U/16V + IN4004-12V 2 IN 7912 OUT 3 1000U/16V + 1 7812 3 I O + 2 G 1000U/16V +12V 1 I 7805 O 3 2 G +5V(VCC) 1 LED 1K 2 1 GND 圖 4-3 電 源 電 路 由 市 電 提 供 AC110V 輸 入, 經 由 開 關, 再 經 110Vac To 15Vac 變 壓 器, 再 經 3 30

組 整 流 穩 壓,7812 穩 壓 IC 得 DC12V 之 直 流 電,7805 穩 壓 IC 得 DC5V(VCC) 之 直 流 電,7912 穩 壓 IC 得 DC-12V 之 直 流 電,DC5V(VCC) 供 IC 及 LCD 使 用,DC12V/-12V 供 應 變 計 感 測 及 A/D D/A 轉 換 放 大 器 OP IC 使 用, 此 外 當 DC5V 供 電 時 LED 電 源 燈 即 亮 4-2.2 8051CPU 電 路 : 5V + 10U/16V 20pF 1 2 3 4 5 6 7 8 12 13 14 15 9 18 11.059MHz Crystal 20pF 19 AT89C51 P1.0/T2 P1.1/T2EX P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 INT0 INT1 T0 T1 RESET XTAL2 XTAL1/OSC P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 EA 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 29 PSEN 30 ALE 17 RD 16 WR 11 TXD 10 RXD 31 40 20 VCC VSS D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 VCC 2K VCC 0.1u 圖 4-4 8051CPU 電 路 8051 為 一 40PIN 之 CPU, 其 I/O 腳 有 32 PIN 1. 第 40PIN 為 VCC 電 源 輸 入,20PIN 為 接 地 腳 RST 腳 (PIN9), 接 一 10uF/16V 電 容 及 2K 電 阻, 即 可 得 10ux2K=20Ms 之 Reset 時 間, 此 時 間 可 避 免 剛 開 機 時 電 源 尚 不 穩 導 致 程 式 錯 亂 之 情 形 2. 第 18,19 PIN 為 石 英 振 盪 器 接 腳, 提 供 程 式 執 行 時 所 須 之 時 間 脈 波 3. RST 腳 (PIN9), 接 一 10uF/16V 電 容 及 2K 電 阻, 即 可 得 10ux2K=20Ms 之 Reset 時 間, 此 時 間 可 避 免 剛 開 機 時 電 源 尚 不 穩 導 致 程 式 錯 亂 之 情 形 4. 第 29.30.31PIN 為 外 部 記 憶 體 控 制 腳, 本 專 題 使 用 8051 內 部 記 憶 體, 故 此 3PIN 均 未 使 用, 且 31PIN 拉 至 5V 5. 第 10,16,17 PIN 為 ADC0804 控 制 輸 出 腳 6. 第 32-39 PIN 為 ADC0804 及 LCD 資 料 匯 流 排 腳 7. 第 20,21,22 PIN 為 LCD 控 制 輸 出 腳 31

4-2.3 LCD16X2 電 路 : D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 7 8 9 10 11 12 13 14 LCD16X1 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 E R/W- RS VCC VC GNG 6 5 4 2 3 1 VCC 0.1u 由 8051 程 式 對 LCD 下 顯 示 控 制 命 令, 以 顯 示 各 設 定 值 及 測 量 值 圖 4-5 LCD16X2 4-2.4 應 變 計 感 應 /ADC 轉 換 電 路 : 圖 4-6 應 變 計 感 應 /ADC 轉 換 電 路 當 對 應 變 計 施 加 應 力, 將 產 生 之 電 阻 變 化 經 轉 換 成 電 壓 變 化, 再 經 OP 放 大 訊 號, 最 後 由 ADC0804A/D 轉 換 成 數 位 值, 提 供 給 8051 計 算 OP 放 大 電 路 公 式 為 Vo=(V2-V1)x(Rf/R1), 當 不 施 加 應 力 時 其 電 阻 值 為 120Ω, 此 時 V2 電 壓 為 120/(120+120)x5V=2.5V, 調 整 VR5K(V1), 令 此 時 Vo 電 壓 為 1V, 當 對 應 變 計 施 加 應 力 時, Vo 電 壓 會 依 應 力 大 小 升 高, 32

4-3 流 程 圖 4-3.1 系 統 流 程 圖 START 8951 記 憶 體 及 腳 位 定 義 8951 ROM 程 式 碼 區 中 斷 向 量 表 定 義 系 統 初 始 化 設 定 堆 疊 清 除 RAM 位 址 01 -- 60H 主 流 程 掃 描 壓 力 ADC LCD 顯 示 33

4-3.2 掃 描 ADC0804 讀 取 壓 力 並 作 處 理 副 程 式 流 程 圖 : SCANADC 驅 動 ADC0804 並 x 倍 率 換 算 實 測 值 結 束 掃 描 ADC0804 副 程 式 4-3.3 LCD 副 程 式 流 程 圖 : SHOW LCD 顯 示 第 一 行 "VALUE:xxx " 結 束 LCD 副 程 式 34

第 五 章 實 驗 結 果 與 討 論 5-1 實 驗 結 果 5-1.1 待 測 物 實 際 值 量 測 重 量 650g 1300g 1950g 2600g 3200g 3800g 實 際 值 表 1 待 測 物 實 際 量 測 表 5-1.2 不 同 待 測 物 實 驗 量 測 值 放 置 待 測 物 第 一 次 第 二 次 第 三 次 第 四 次 第 五 次 第 六 次 平 均 2 實 際 重 量 0.7 0.5 0.6 0.8 0.6 0.7 0.65 0.65kg 實 際 重 量 1.5 1.2 1.6 1.1 1.1 1.3 1.3 1.3kg 實 際 重 量 2.2 2.3 2.2 1.9 2.1 2.1 2.1 1.95kg 實 際 重 量 3.1 3.0 3.3 2.8 2.5 3.3 3 2.6kg 實 際 重 量 3.5 3.3 3.4 3.4 3.2 3.1 3.3 3.2kg 實 際 重 量 3.9 3.8 3.8 4.2 4.0 4.2 3.9 3.8kg 表 2 實 驗 數 據 量 測 表 35

5-1.4 重 量 與 輸 出 電 壓 之 關 係 我 們 先 在 ADC0804 的 訊 號 輸 入 端 加 定 電 壓, 測 試 由 1V~5V 觀 察 LCD 顯 示 出 來 的 讀 數, 檢 查 程 式 是 否 有 錯 誤 與 假 設 是 否 相 同, 之 後 在 放 上 待 測 物 然 後 將 訊 號 輸 出 端 接 上 示 波 器 因 為 我 們 沒 有 標 準 重 量 的 砝 碼 所 以 我 們 先 放 上 較 重 的 物 體 用 手 支 撐 銅 板 當 LCD 公 斤 數 顯 示 為 整 數 時 記 錄 下 當 時 的 電 壓 voltage 6 5 4 3 2 1 0 0 1.5 2.3 2.9 3.7 4.9 kg 圖 5-1 重 量 與 電 子 秤 輸 出 電 壓 之 關 係 標 準 重 量 V 單 位 :V ( 經 放 大 約 900 倍 ) 單 位 :kg 第 一 次 第 二 次 第 三 次 第 四 次 第 五 次 第 六 次 0 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1 0.926 1.000 1.103 0.986 1.001 1.053 2 1.941 2.008 2.023 2.128 2.089 1.963 3 2.912 2.987 3.001 3.027 3.082 3.005 4 3.927 4.108 4.153 4.078 4.089 3.972 表 3 重 量 與 電 子 秤 之 電 壓 輸 出 36

5-2 問 題 檢 討 5-2.1 誤 差 討 論 我 們 在 這 次 實 驗 中 遇 到 的 最 大 問 題 莫 過 於 應 變 計 的 使 用, 因 為 對 應 變 計 的 用 法 不 了 解 導 致 前 幾 次 實 驗 失 敗 以 下 探 討 誤 差 原 因 及 不 精 密 原 因 A: 應 變 計 部 分 由 於 應 變 計 的 接 點 裸 露 添 增 數 據 的 不 穩 定 B: 測 量 使 用 的 懸 臂 樑 每 次 使 用 都 必 須 使 用 C 型 夾 夾 在 桌 面 上, 當 不 同 桌 面 時 就 需 要 重 新 校 正 銅 板 力 臂 的 長 短 亦 對 實 驗 結 果 有 所 影 響, 雖 然 我 們 有 做 上 記 號 但 是 每 次 實 驗 仍 舊 有 一 定 的 誤 差 C: 儀 表 放 大 器 部 份 Ad620 雖 然 性 能 良 好, 但 仍 有 微 小 飄 移, 對 測 量 的 精 密 度 略 有 影 響 D: 雜 訊 溫 度, 都 會 對 應 變 計 及 放 大 器 產 生 影 響, 使 量 測 上 產 生 誤 差 5-2.2 實 驗 結 果 討 論 由 上 面 圖 表 可 以 觀 察 得 到, 在 量 測 比 較 輕 的 物 體 的 時 候 誤 差 比 較 小, 當 待 測 物 較 重 的 時 候 誤 差 就 變 大, 重 量 適 中 的 時 候 最 為 準 確 因 為 我 們 用 塑 膠 袋 來 裝 待 測 物, 有 時 候 會 產 生 搖 晃 也 有 可 能 加 大 我 們 的 誤 差 值, 另 外 我 們 還 發 現 實 驗 所 挑 選 的 銅 板 似 乎 太 軟, 所 以 量 測 較 重 的 物 體 銅 板 會 彎 曲 十 分 明 顯, 彎 曲 明 顯 訊 號 就 比 較 大, 雖 然 對 量 測 來 說 訊 號 大 是 一 件 好 事, 但 是 還 產 生 另 一 個 問 題 銅 板 復 歸 不 容 易, 如 果 銅 板 沒 有 復 歸 的 話 那 我 們 的 零 基 準 點 就 不 見 了 5-2.3 結 論 這 次 專 題 實 驗 分 析 懸 臂 樑 式 數 位 電 子 秤 結 構, 使 我 們 對 這 種 感 測 器 有 初 步 的 了 解 是 此 次 實 驗 對 大 的 目 標 我 們 可 以 成 功 的 量 測 到 數 據, 但 是 準 確 度 還 有 待 加 37

強 過 重 的 物 體 可 能 會 對 實 驗 數 據 造 成 極 大 的 影 響 對, 太 輕 的 物 體 因 為 程 式 關 係 當 初 設 計 沒 有 考 慮 到 所 以 也 比 較 難 量 到 非 常 精 確 的 結 果, 所 以 這 些 問 題 是 有 待 改 善 的 另 外 我 們 在 附 錄 A 及 附 錄 B 分 別 附 上 程 式 碼 及 懸 臂 樑 的 應 力 負 載 模 擬 圖 方 便 與 實 體 做 對 照 之 用 本 專 題 還 有 許 多 可 以 改 進 的 地 方, 如 改 善 訊 號 穩 定 增 加 量 測 準 確 度, 設 計 成 一 體 成 型 的 完 整 系 統, 就 不 需 要 每 次 量 測 都 需 要 校 正 另 外 可 以 繼 續 擴 充 使 具 有 累 積 功 能 及 重 量 資 料 處 理 功 能, 以 配 合 工 業 上 使 用 雖 然 實 驗 最 後 的 結 果 跟 我 們 一 開 始 設 定 的 目 標 還 有 一 段 差 距, 但 是 未 來 只 要 改 進 缺 點 並 將 其 微 小 化 相 信 就 能 達 到 當 初 把 這 個 電 子 秤 廣 泛 的 運 用 在 物 料 管 理 的 目 的 38

參 考 文 獻 [1] 8051 單 晶 片 實 作 - 使 用 C 語 言, 林 振 漢, 博 碩 文 化 公 司 [2] 感 測 器 原 理 與 應 用, 許 桂 樹, 陳 克 群, 李 怡 銘, 全 華 科 技 圖 書 公 司,2007 [3] 單 晶 片 8051 實 作 入 門, 陳 明 熒, 松 崗 公 司,2007 [4] 8051/8052 原 理 與 應 用, 李 鴻 鵬, 全 華 科 技 圖 書 公 司,1986 [5] 8051 單 晶 片 設 計 實 務, 楊 明 豐, 碁 峰 公 司,1998 [6] 單 晶 片 微 電 脳 8051/8951 原 理 與 應 用, 蔡 朝 洋, 全 華 科 技 圖 書 公 司,2003 [7] 數 位 邏 輯 設 計 : 含 數 位 邏 輯 實 習, 陳 文 伎, 新 文 京 開 發,2007 [8] 數 位 邏 輯 設 計 : Digital logic design eng, 黄 慶 璋, 全 華 科 技 圖 書 公 司,2003 [9] 應 用 微 電 腦 於 懸 臂 樑 式 計 重 系 統 之 設 計 研 究, 溫 佳 文, 民 77 年 [10]AD620 儀 表 放 大 器 使 用 說 明, 黃 凱,2005 39

附 錄 A ----------------------------------------------------------------- ; 常 數 定 義 ---------------- OFFSETC EQU 5 ; 基 準 扣 除 值 RATEC EQU 6553 ; 倍 率 ((6553/65535)x4) ;================================================= ;8951 記 憶 體 及 腳 位 定 義 ;================================================= ; 腳 位 定 義 ADCBUS reg P0 ;A/D D0-D7 ADCWR REG P3.6 ;A/D WRITE ADCRD REG P3.7 ;A/D READ ADCCS REG P3.0 ;A/D CS LCD_BUS reg P0 LCD_RS reg P2.0 LCD_ReadWrite reg P2.1 LCD_Enable reg p2.2 ; 8951 記 憶 體 定 義 OverMl REG 20H.1 ONESECFLAG REG 20H.2 ONESEC EQU 30H WTVL EQU 31H WTVH EQU 32H SGV EQU 33H 40

;================================================= ; 8951 ROM 程 式 碼 區 ;=================================================.CODE.ORG 0 LJMP START.ORG 0bH jmp TIMEISR ;T0.ORG 100H ; 初 始 化 START: MOV SP,#61h ; 設 定 堆 疊 CLR A MOV R0,#01 ; 清 除 記 憶 體 RAM 01 -- 60H $10 MOV @R0,A INC R0 CJNE R0,#60H,$10 ; 設 定 T0 16 位 元 計 時 器 MOV TMOD,#01010001B ; 設 定 timer0 50ms 中 斷 mov tl0, #<(65535-50000) ;12M Hz mov th0, #>(65535-50000) MOV ONESEC,#20 ;50msx20=1 秒 call call call InitialLCD LCDCLR CURSOROFF 41

CALL DELAY5 MOVX @R0,A ;SET P0 TO HIGH IMPEDANCE CALL DELAY5 ;Enable T0 MOV IE,#10000010b ; 啟 動 T0 系 統 時 鐘 SETB TR0 ;start t0 SETB ONESECFLAG ; 主 流 程 MAINLOOP: JBC ONESECFLAG,$05 JMP $1000 $05 $1000 CALL SCANADC ; 掃 描 應 變 計 ADC CALL SHOW ;LCD 顯 示 SJMP MAINLOOP ; 跳 回 主 迴 路 ; 系 統 時 間 Timer0 中 斷 副 程 式 (50 ms interrupt.) TIMEISR: ;T0 系 統 時 間 push a ; Save Acc. push b push psw clr rs1 ; Select Bank 1 setb rs0 42

CLR TR0 mov th0, #>(65535-50000) mov tl0, #<(65535-50000) djnz ONESEC,$10 ;Check over 1 sec. mov ONESEC,#20 ;reset counter SETB ONESECFLAG $10 SETB TR0 pop psw pop a pop b reti ;SCANADC: 掃 描 ADC0804 並 作 處 理 SCANADC: CALL RUNADC SUBB A,#OFFSETC ;SGV=A-OFFSETC JNC $100 MOV A,#0 $100 MOV SGV,A 值 = 應 變 值 x4x 倍 率 MOV B,#4 ;SGVx4 MUL AB MOV WTVL,A MOV WTVH,B ;WTV=SGVx4xRATEC, 重 量 MOV R2,WTVL MOV R3,WTVH MOV R0,#<(RATEC) ;x RATEC/65535 MOV R1,#>(RATEC) CALL Mul16 43

MOV MOV RET WTVL,R6 WTVH,R7 --------------------- ; 驅 動 ADC0804 --------------------- RUNADC: CLR ADCCS MOV A,ADCBUS ;SET BUS INPUT CALL DELAY5 CLR ADCWR NOP ; 寫 0 至 ADCWR 以 啟 動 A/D 轉 換 NOP SETB CALL CLR CALL NOP NOP ADCWR DELAY5 ADCRD DELAY5 MOV A,ADCBUS ; 讀 取 A/D 值 NOP NOP NOP SETB CALL SETB ADCRD DELAY5 ADCCS CALL DELAY5 MOVX @R0,A ;SET P0 TO HIGH IMPEDANCE CALL DELAY5 RET 44

--------------------- ; DELAYADC: DELAY 5 MS (5000 cycles=5000 x 1 us = 5ms) --------------------- DELAYADC: MOV R6,#50 ;2 cycles 10 $10 MOV R7,#50 ;2 cycles 5 $20 DJNZ R7,$20 ;2 cycles DJNZ R6,$10 ;2 cycles RET ; DELAY 1 MS (1000 cycles=1000 x 1 us = 1ms) DELAY5: MOV R6,#10 ;2 cycles 10 $10 MOV R7,#50 ;2 cycles 5 $20 DJNZ R7,$20 ;2 cycles DJNZ R6,$10 ;2 cycles RET ;--------------------------------------------- ;16 位 元 乘 法 副 程 式 (R7654 = R10 * R32) ;--------------------------------------------- Mul16: MOV R6,#00 MOV R7,#00 MOV A,R2 MOV B,R0 MUL AB MOV R4,A ;R5-4 = R2 * R0 MOV R5,B MOV A,R0 MOV B,R3 CALL R65MAB ;R6-5 += R0*R3 MOV A,R1 MOV B,R2 45

CALL R65MAB ;R6-5 += R1*R2 CLR OverMl ;check R6 carry? JC $20 $10 MOV A,R1 MOV B,R3 MUL AB ADD A,R6 MOV R6,A MOV A,B ADDC A,R7 JB OverMl,$30 $15 MOV R7,A ;R7-6 += R1*R3 RET $20 SETB OverMl ;setting carry argument SJMP $10 $30 INC A ;advancing carry to R7 CLR OverMl ;clear carry argument SJMP $15 R65MAB: MUL AB ;R65 = A*B+R65 ADD A,R5 MOV R5,A MOV A,B ADDC A,R6 MOV R6,A RET ;================================================ ; LCD 副 程 式 ;================================================ ; DELAY 10 MS (10000 cycles=10000 x 1 us = 10ms) DELAY2: MOV R6,#100 ;2 cycles 10 $10 MOV R7,#50 ;2 cycles 5 46

$20 DJNZ R7,$20 ;2 cycles DJNZ R6,$10 ;2 cycles RET ; DELAY 0.1MS(100 cycles=100 x 1 us = 100ns) DelayLCD: ;DELAY 1000ns MOV R6,#2 ;2 cycles 10 $10 MOV R7,#25 ;2 cycles 5 $20 DJNZ R7,$20 ;2 cycles DJNZ R6,$10 ;2 cycles RET ; LCD 初 始 化 InitialLCD: CALL DELAY2 mov a,#38h call PutCmd mov a,#0eh call PutCmd mov a,#06h call PutCmd mov a,#01h call PutCmd MOV R0,#10 $10 CALL DELAY2 DJNZ R0,$10 ret ; LCD 清 除 47

LCDCLR: mov a,#01h call PutCmd ret ; LCD 游 標 隱 藏 CURSOROFF: mov a,#0ch call PutCmd ret ; LCD 字 元 資 料 寫 入 PutCh: SETB LCD_RS CLR LCD_ReadWrite MOV LCD_BUS,A SETB LCD_Enable CALL DelayLCD CLR LCD_Enable CALL DELAY2 RET ; LCD 命 令 寫 入 PutCmd: CLR LCD_RS CLR LCD_ReadWrite MOV LCD_BUS,A SETB LCD_Enable CALL DelayLCD 48

CLR LCD_Enable CALL DELAY2 RET ; 顯 示 主 畫 面 SHOW: 址 mov a,#80h ;LCD 第 一 行 第 0 位 call PutCmd MOV A,#'S' ; 顯 示 "SG:xxx Wt:xx.xKg" CALL PutCh MOV A,#'G' CALL PutCh MOV A,#':' CALL PutCh CALL SHOWSG ;LCD 第 一 行 第 3 位 址 MOV A,#' ' CALL PutCh MOV A,#'W' CALL PutCh mov a,#c0h ; LCD 第 一 行 第 8 位 址 call PutCmd MOV A,#'t' CALL PutCh MOV A,#':' 49

CALL PutCh CALL SHOWWT ;LCD 第 一 行 第 10 位 址 MOV A,#'K' CALL PutCh MOV A,#'g' CALL PutCh CALL DELAY5 MOVX @R0,A ;SET P0 TO HIGH IMPEDANCE CALL DELAY5 RET ; 顯 示 應 變 計 感 應 值 SHOWSG: mov a,#83h ;LCD 第 一 行 第 3 位 址 call PutCmd MOV A,SGV MOV B,#100 DIV AB ORL A,#30H CALL PutCh ; 百 位 數 MOV MOV DIV ORL A,B B,#10 AB A,#30H CALL PutCh ; 十 位 數 50

MOV ORL A,B A,#30H CALL PutCh ; 個 位 數 RET ; 顯 示 轉 換 重 量 值 SHOWWT: mov a,#c2h ;LCD 第 一 行 第 10 位 址 call PutCmd MOV R1,WTVL MOV R0,WTVH CALL Bin2BCD MOV A,R3 ANL A,#0FH ORL A,#30H CALL PutCh ; 百 位 數 MOV SWAP ANL ORL A,R4 A A,#0FH A,#30H CALL PutCh ; 十 位 數 MOV A,#'.' ; 小 數 點 CALL PutCh MOV ANL A,R4 A,#0FH 51

ORL A,#30H CALL PutCh ; 個 位 數 RET ---------------- ;binary to BCD(R01 --> R234) ;I.D. R1=#<10240,R0=#>10240-->R2=#01H,R3=#02,R4=#40H ---------------- Bin2BCD: CLR A MOV R4,A MOV R3,A MOV R2,A ANL PSW,#3FH ;clear CY, AC MOV R5,#10H $10 MOV A,R4 ADD A,R4 DA A ;decimal adjust MOV R4,A MOV A,R3 ADDC A,R3 DA A MOV R3,A MOV A,R2 ADDC A,R2 DA A MOV R2,A CLR C MOV A,R1 RLC A MOV R1,A MOV A,R0 RLC A MOV R0,A CLR A ADDC A,R4 52

MOV DJNZ RET R4,A R5,$10 ; 程 式 結 束 ;================================================= END 53

附 錄 B 施 加 負 載 形 變 情 形 1 公 斤 負 載 X 方 向 之 形 變 54

懸 臂 樑 受 力 分 布 懸 臂 樑 與 感 測 器 接 面 應 變 分 析 55