本課題所研究的智能厚度計是基于單片機的成套解決方案，由主控制器、測量傳感器、AD轉換模塊、液晶顯示模塊以及相應配套硬件組成。通過對測量傳感器的運用，對厚度參數進行精確地數據采集，然后通過AD轉換模塊將測量傳感器采集到的模擬信號轉換成數字信號，再通過主控制器對AD轉換模塊輸出的數字信號進行相應的數據分析處理，最后通過液晶顯示模塊對厚度參數進行直觀地顯示，以完成整個系統的功能需求。



1 主控制器電路設計
STC89C52單片機最小系統具有體積小、質量輕、功能強、功耗低、性價比高等特點。STC89C52單片機最小系統由芯片、系統時鐘、I/O端口設備及復位電路等構成。

STC89C52芯片內部結構框圖

單片機最小系統電路

2 電阻式位移傳感器電路設計  
電阻式位移傳感器的功能是將線性機械位移轉換為電信號。傳感器滑軌連接直流電壓，可流過極小的電流，滑片觸頭起始端電壓與滑片觸頭位移存在一定比例關系。使用傳感器作為分壓器可以使滑軌的總電阻精度要求最大限度降低，溫度變化引起的電阻變化不會影響測量結果。通過對電阻式位移傳感器的利用以測量位移的方式間接對紙張厚度進行測量。

電阻式位移傳感器電路圖

電阻式位移傳感器的工作原理如下，根據歐姆定律：E = I R，其中E為電源電壓值，R為滑軌電阻的總阻值。因為E，R是常數，所以電流值I也是常數。根據電阻分壓器的原理：V = I r，其中r是滑塊觸點與滑軌一端之間的阻值。根據V = I r，其中I是常數，V和r是線性相關的。如果把滑塊觸頭固定在測量桿上，則測量桿的位移S也與分壓V或電阻r呈線性關系，即V = I r或者S = K'r，其中K 和K'是要確定的轉換因子。從E = I R，V = I r可以看出，電阻式位移傳感器的測量范圍可以非常大，其位移S與電壓V或電阻r之間的關系均呈線性關系。

電阻式位移傳感器

3 模數轉換電路設計
AD7705是AD公司的一款新型16位AD轉換器。該器件包括由放大器（PGA）和緩沖器組成的前端模擬調節電路、可編程數字濾波器、調制器?？梢酝ㄟ^傳感器直接測量多通道小信號進行AD轉換，適用于直流和低頻交流信號測量應用。它具有低功耗特性（3V時最大1mW），可用于環路供電、本地供電或電池供電的應用。片上具有可提供從1到128增益設置的可編程增益放大器，允許高低電平模擬輸入，而無需外部信號對硬件進行調節。AD7705采用SPI和SPIQ兼容三線串行口，可以方便地連接各種微控制器或DSP，而且還可以大大節省并行接口模式CPU的 I/O口。 AD7705的CS需置低電平。DRDY狀態通過使用數字濾波器和其他組件監視DRDY線。可以通過傳感器直接測量多通道小信號AD轉換。該器件具有高分辨率、自校準能力、優異的抗噪聲性能以及低功耗等特點，適合儀器儀表領域的應用。

如果外部連接晶振、精密參考源和去耦電容，可以進行連續AD轉換。它使用低成本、高分辨率的轉換技術來實現16位無錯誤數據輸出。這符合對分辨率要求高，但對數字轉換要求并不高的應用，如智能儀表產品和數字音頻產品。以下對芯片的幾個重要部分以及特性進行簡要的說明。

AD7705片上增益可編程放大器有8種增益可以選擇，分別為1、2、4、8、16、32、64以及128，允許各種輸入信號放大至接近AD轉換芯片的滿刻度電壓，然后進行AD轉換，這將有助于提高轉換質量。當電源電壓為5V，參考電壓為21V時，芯片可接受20mV至215V范圍內的單極信號，±20mV至±215V的雙極信號。必須注意的是，這里的負電壓是相對于AIN（-）的，這兩個引腳應該被偏置到適當的正電位。輸入模擬信號由AD連續轉換。采樣頻率fs由主頻率clk和增益決定。增益（16至128）通過多次樣本并使用參考電容與輸入電容的比值來獲得。

ADC7705內部結構圖

AD7705包括五個串行數據接口，其中數據輸入端D_IN，串行時鐘輸入端S_CLK，轉換數據輸出端D_OUT，芯片選擇輸入端CS用于傳輸數據，狀態信號輸出DRDY端用于指示輸出數據寄存器數據是否準備就緒。當DRDY 端電平置低時，轉換的數據可用; 當DRDY端電平置高時，輸出更新數據，無法讀取。根據設定的數據輸出進行速率更新A / D轉換處理。任何操作都必須向對應的片上寄存器添加新的編程指令。

AD7705包括通過器件串行端口訪問的8個寄存器。第1個為通信寄存器，它確定下一個操作是讀還是寫到哪個寄存器，并控制對哪個輸入通道采樣。與設備的所有通信必須首先寫入通信寄存器。其寄存器選擇位RS2?RS0確定哪個寄存器訪問下一個操作，輸入通道選擇位CH0，CH1決定轉換或訪問校準數據的輸入通道。第2個為設置寄存器，它是一個8位寄存器，用于設置校準方法、工作模式等。第3個位時鐘寄存器，它也是可讀可寫的8位寄存器，主要用于設置ad芯片工作頻率參數和AD轉換的輸出速率。第4個為數據寄存器，它是16位只讀寄存器，用于存儲AD芯片的轉換結果。

ADC7705芯片電路原理圖

4 液晶顯示電路設計
本設計中采用的是LCD1602。LCD1602顧名思義可以有效地顯示16*2個字符，液晶芯片的工作電壓范圍應控制在4.5～5.5V之間。LCD1602液晶顯示器的字符存儲器存有160個不同的字符點陣，其中包括英文字母、阿拉伯數字及一些常用符號等，固定的代碼對應著固定的字符。液晶的顯示對比度可通過VL端進行調整，當此引腳接電源正極時，液晶的對比度最弱，當此引腳接地時，液晶的對比度最高；液晶的RS腳為寄存器的選擇端，當此引腳電平置高時，液晶對應選擇數據寄存器、當此引腳電平置低時，液晶相應選擇指令寄存器；液晶的RW端為讀寫信號控制端，當此引腳電平置高時，液晶將進行讀操作，當此引腳電平置低時液晶進行寫操作；液晶的E腳為使能端，當使能端E的電平從高變低時，液晶才會開始執行命令；D0～D7為8位雙向數據端。

LCD1602模塊的命令操作端有RS、RW和EN，單片機的P2^5、P2^6、P2^7腳分別與之相連。數據端口DB0～DB7分別接在單片機的P0^0～P0^7。為了保持LCD1602液晶具有較高的亮度，一般電路設計中都會將VL端串聯一個2K的電阻接地。

LCD1602液晶顯示電路原理圖

5 系統程序流程設計

主程序流程圖

6 模數轉換程序設計
本設計中模數轉換芯片的作用是將直線位移傳感器檢測輸出的模擬電壓信號轉換處理為數字信號，再輸出給單片機做進一步處理。因為直線位移傳感器是從工作開始0.75ms之后開始檢測數據的，因此A/D轉換工作也同樣在傳感器工作0.75ms之后開始進行。A/D模數轉換開始之后，選擇數據轉換通道，進行四通道數據轉換。

模數轉換程序流程圖

7 液晶顯示程序設計
LCD1602液晶顯示程序的設計流程為先調用定義字符庫，然后將DDRAM地址設置在第一行顯示位置上，再根據系統數據對顯示數據首地址及程序循環量進行設置，在循環顯示程序中，要不斷地提取相關字符代碼直至第一行數據顯示任務完成，同理，第二行數據顯示任務與第一行完成過程是一樣的，當兩行數據全部顯示完畢即可結束顯示子程序。

液晶顯示程序流程圖