扩散硅压阻式压力传感器的压力测量

1、扩散硅压阻式压力传感器的差压测量传感器课程设计报告传感器课程设计报告题目：扩散硅压阻式压力传感器的差压测量任务分配仿真模型设计软件设计传感器原理硬件设计学号101001010321101001010322101001010324101001010325姓名马腾君桑海波沈长鑫沈卿专业班级： BG1003 姓名： 桑海波 时 间： 2013.06.172013.06.21 指导教师： 胥飞 2013 年 6 月 21 日扩散硅压阻式压力传感器的差压测量1摘 要本文介绍一种以 AT89S52单片机为核心，包括 ADC0809类型转换器的扩散硅压阻式压力传感器的差压测量系统。简要介绍了扩散硅压阻式压力

2、传感器电路的工作原理以及 A/D 变换电路的工作原理，完成了整个实验对于压力的采样和显示。与其它类型传感器相比，扩散硅压阻式电阻应变式传感器有以下特点：测量范围广，精度高，输出特性的线性好，工作性能稳定、可靠，能在恶劣的化境条件下工作。由于扩散硅压阻式压力传感器具有以上优点，所以它在测试技术中获得十分广泛的应用。关键字：关键字：扩散硅压阻式压力传感器，AT89S52 单片机，ADC0809，数码管扩散硅压阻式压力传感器的差压测量2目目 录录1.引言引言.11.1 课题开发的背景和现状.11.2 课题开发的目的和意义.12.设计方案设计方案.22.1 设计要求.22.2 设计思路.23.硬件设计

3、硬件设计.33. 1 电路总框图 .33. 2 传感器电路模块 .33. 3 A/D 变换电路模块.43. 4 八段数码管显示 .83. 5 AT89S52 单片机.93. 6 硬件实物 .124.实验数据采集及仿真实验数据采集及仿真.134.1 数据采集及显示.134.2 实验数据分析.135.程序设计程序设计.165.1 编程软件调试.165.2 软件流程图.175.3 程序段.186.结果分析结果分析.197.参考文献参考文献.20扩散硅压阻式压力传感器的差压测量11.引言引言1.1 课题开发的背景和现状传感器是一种能够感受规定的被测量的信息，并按照一定规律转换成可用输出信号的的器件或装

4、置，通常由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成。传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一，其应用的数量和质量已被国际社会作为为衡量一个国家智能化、数字化、网络化的重要标志。近年来，随着国家资金投入大的增加，我国压阻式传感器有了较快的发展，某些传感器如矩形双岛膜结构的 6KPa 微压传感器的性能甚至优于国外，其非线性滞后、重复性均小于 510-4FS，分辨率优于 20Pa，具有较高的过压保护范围以及可靠性。但是就总体而言，我国压阻式传感器的研究，在产量和批量封装等方面还存在不足，精度、可靠性、重复性尚待提高，离市场需求级国际水平还有较大差距。1.2 课题开发的目的和意义日常生活和生产中，我们常常

5、想了解温度、流量、压力、位移、角度等一系列参数，压力传感器技术在诸多领域中相对而言最为成熟。根据工作原理的不同，压力传感器通常可以分为机械膜片、硅膜片电容性、压电性、应变性、光纤、霍尔效应、压阻式压力传感器等。压阻式传感器又包括扩散硅型和应变片型传感器，扩散硅压阻式传感器由于具有结构简单、可微型化、输出信号大、精度高、分辨率高、频响高、低功耗、体积小、工作可靠等突出特点而在压阻式压力传感器市场中占据更大的份额。扩散硅压阻式压力传感器的差压测量22.设计方案设计方案2.1 设计要求1了解扩散硅压阻式压力传感器的工作原理；2掌握扩散硅压阻式压力传感器调理电路和 AD 转换；3了解非线性特性和其校正

6、方式； 4使用单片机读取转换值并显示。2.2 设计思路利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准压强的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量的变化改为压力的变化，即可以测出一定范围内的压力值。其中测量电路中最主要的元器件就是扩散硅压阻式压力传感器。本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而运算放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D 转换器对输入信号电平的进行各种转换处理的要求。ADC0809 的 A/D 转换作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，由六位八段数码管显示出测量结果。扩散硅压阻式

7、压力传感器的差压测量33.硬件设计硬件设计3.1 电路总框图该扩散硅压阻式压力传感器实验，采用筒式压力传感器，输出信号通过 AD转换器实现模拟到数字的转换，再经过 89C51 芯片，在 LED 数码管显示所要的结果。总的电路构建框图如下。图图 3.13.1 基于基于 MCS-51MCS-51 单片机为核心压力传感器实验构建框图单片机为核心压力传感器实验构建框图表 3-1 元器件清单名称名称型号型号数量数量单片机AT89S521交流、全桥、测量、差动、放大实验模块1扩散硅压阻式压力传感器实验模块2模数转换ADC08091导线若干3. 2 传感器电路模块扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出

8、 P 型或 N 型电阻条，接成电桥。在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，我们把这一变化引入测量电路，输出电压的变化即反映了其所受到的压力变化。扩散硅压阻式压力传感器的差压测量4图图 3.23.2 扩散硅压阻式压力传感器扩散硅压阻式压力传感器扩散硅压力传感器工作原理：被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷） ，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。扩散硅压力传感器内部结构简图如下：1-低压腔2-高压腔3-硅杯4-引线5-硅膜片图图 3

9、.33.3 结构简图结构简图3. 3 A/D 变换电路模块 ADC 芯片型号很多，在精度、速度和价格方面千差万别、 ，较为常见的 ADC主要有逐次逼近型、双积分型和电压频率变换型三种。这里我们选用逐次逼近型，即 ADC0809。它由5V 电源供电，片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，片内具有多路开关的地址译码器和锁存电路、高阻抗斩波器、稳定的比较器，256 电阻 T 型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。输出具有 TTL 三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总线上。通过适当的外接电路，ADC0809可对0V5V 的双极性模拟信号进行转换。ADC0809是28脚双列直插式封装，引脚图如图3-3

10、 所示。各引脚功能说明如下：2-1 2-8：8位数字量输出引脚，由最低引脚到最高引脚。扩散硅压阻式压力传感器的差压测量5IN0IN7:8 路模拟量输入引脚。：+5V 工作电压。CCVGND：地。REF（+）：参考电压正端。REF（）：参考电压负端。START：A/D 转换启动信号输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。以上两个信号用于启动 A/D 转换。EOC：转换结束信号输出引脚。开始转换时为低电平，转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端。用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端。ADDA、ADDB、ADDC：地址输入线。经译码后可选通 IN0IN7 8 个通道的一个通道进行转换

11、。图图 3.43.4 ADC0809ADC0809 引脚图引脚图 扩散硅压阻式压力传感器的差压测量6ADC0809的内部逻辑结构图如下图所示：图图3.53.5 ADC0809ADC0809的内部逻辑结构图的内部逻辑结构图图中多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用一个A/D 转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法地址锁存与译码电路完成对 ABC 3 个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放输出，因此可以直接与系统数据总线相连， 传感器桥路输出的电压经过比例变换后转换成二进制码的形式送入 P0 口。其程序框图如下： 扩散硅压

12、阻式压力传感器的差压测量7 图图 3.63.6 A/DA/D 转换电路程序框图转换电路程序框图 扩散硅压阻式压力传感器的差压测量83. 4 八段数码管显示 图图 3.73.7 显示电路图显示电路图经过单片机P0输出的八位二进制码，变换成BCD码，在数码管上显示。经过段选信号和位选信号的控制，最后在相应数码管上显示出相应的压力值。程序框图如下：扩散硅压阻式压力传感器的差压测量93. 5 AT89S52 单片机本实验采用 AT89S52 单片机，其管脚图如下： 图图 3.93.9 AT89S52AT89S52 管脚图管脚图 其管脚功能如下：VCC：AT89S52电源正端输入，接+5V。VSS：电源

13、地端。XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。RESET：AT89S52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H 处开始读入程序代码而执行程序。EA/Vpp：EA为英文External Access的缩写，表示

14、存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部 EPROM 中）来执行程序。因此在8031及8032中，EA 引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部 EPROM 时，可以利用此扩散硅压阻式压力传感器的差压测量10引脚来输入21V 的烧录高压（Vpp） 。ALE/PROG：ALE 是英文Address Latch Enable的缩写，表示地址锁存器启用信号。AT89S52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373） ，将端口0的地址

15、总线（A0A7）锁进锁存器中，因为 AT89S52是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时 ALE 引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。PSEN：此为Program Store Enable的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0） ，会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到 EPROM 的 OE 脚。AT89S52可以利用 PSEN 及 RD 引脚分别启用存在外部的 RAM 与 EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在

16、一起而共用64K 的定址范围。PORT0（P0.0P0.7）：端口0是一个8位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O 端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做 I/O 用时可以推动8个 LS 的 TTL 负载。如果当 EA 引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器） ，P0就以多工方式提供地址总线（A0A7）及数据总线（D0D7） 。设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0A7，再配合端口2所送出的 A8A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K

17、的外部存储器空间。PORT2（P2.0P2.7）：端口2是具有内部提升电路的双向 I/O 端口，每一个引脚可以推动4个 LS 的 TTL 负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当做一般 I/O 端口使用外，若是在 AT89S52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节 A8A15，这个时候 P2便不能当做 I/O 来使用了。PORT1（P1.0P1.7）：端口1也是具有内部提升电路的双向 I/O 端口，其输出缓冲器可以推动4个 LS TTL 负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P

18、1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而 P1.1可以有 T2EX 功能，可以做外部中断输入的触发脚位。PORT3（P3.0P3.7）：端口3也具有内部提升电路的双向 I/O 端口，其输出缓冲器可以推动4个 TTL 负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。其引脚分配如下：扩散硅压阻式压力传感器的差压测量11P3.0：RXD，串行通信输入。P3.1：TXD，串行通信输出。P3.2：INT0，外部中断0输入。P3.3：INT1，外部中断1输入。P3.4：T0，计时计数器0输入。P3.5：T1，计时计数器1输入。P3

19、.6：WR：外部数据存储器的写入信号。P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 A

20、LE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA 将内部锁定为RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V 编程电源（VPP） 。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输

21、入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。扩散硅压阻式压力传感器的差压测量123. 6 硬件实物图图 3.103.10图3.10是整个系统的测量部分，在此模块中有传感器和压力计组成，传感器有四个端口，分别是电源端和输出电压端 VO+和 VO-端。图图 3.113.11图 3-11 所示是整个系统的信号处理部分，将传感器送来的信号进行处理，利用差动放大器，把信号进行放大处理，之后信号进行调零处理，之后输出。扩散硅压阻式压力传感器的差压测量134.实验数据采集及仿真实验数据采集及仿真4.1 数据采集及显示数据处理子程序是整个程序的核心。主要用来调整输入值系数，使输出满足量程要求。另外完成 A/D 的采

22、样结果从十六进制数向十进制数形式转化。系数转换在 IN0 输入的数最大为 5V，要求压力 80N 对应的是 5V，为十六进制向十进制转换方便，将系数进行一定倍数的变换，并用小数点位置的变化体现这一过程。数制之间的转换：在二进制数制中，每向左移一位表示数增加两倍。要求压力 80N 对应的是 5V，而压力与电压的变换是线性关系，对应 AD 转换器的输出为八个 1，当有一定的压力值输入时，对应这个关系转化成相应的二进制代码送入 P0 口。然后再反过来应用这个变化关系，经最终得到的数值进行二进制到 BCD 码转化，然后逐位在 LED 数码管上显示。数据采集用 A/D0809 芯片来完成，主要分为启动、

23、读取数据、延时等待转换结束、读出转换结果、存入指定内存单元、继续转换（退出）几个步骤。ADC0809 初始化后，就具有了将某一通道输入的 05 模拟信号转换成对应的数字量 00HFFH，然后再存入存储器的指定单元中。在控制方面有所区别。可以采用程序查询方式，延时等待方式和中断方式。显示子程序是字符显示，首先调用事先编好数码管显示子程序。初始化命令，然后输出显示命令。在显示过程中一定要调用延时子程序。当输入通道采集了一个新的过程参数，当有压力信号输入时，调用显示子程序在数码管上显示。4.2 实验数据分析4.2.14.2.1 数据统计数据统计把 2 号模块 VS 端连接+5V 电压。V0+、V0-

24、输出连到 14 号模块仪器输入端的 VIN+、VIN-，接通电源。b、将 2 号模块的 P1、P2 加压旋钮旋出，使压力表均指示为 O。c、放大器输出 VO2 和 GND 分别接到实验台直流电压表表的 IN、COM 孔。将电压表量程选择开关拨到 20V 档，调节 W5、W6 使数显表显示为零（若调不到零请旋 W3、W4 改变放大倍数） 。d、旋 P1 旋钮加压，记下输出电压值，反之旋出 P1 使压力表为 0，旋 P2旋钮加压，记下输出电压值。e、将实验测得数据填入表 4.2.1（实际压力上限根据压力模块） 。并有扩散硅压阻式压力传感器的差压测量14matlab 仿真得到的图如 4.1表表 4.

25、14.1 压力传感器输出电压与输入压力值压力传感器输出电压与输入压力值P（Kpa）0246810121416VO2（mV）01.51.852.63.43.74.24.85.0数码管显示02468101214164.2.24.2.2 数据数据 matlabmatlab 仿真分析仿真分析图图 4.14.1 压力传感器电压和压力的关系压力传感器电压和压力的关系从而扩散硅压阻式压力传感器电压和压力的关系式如下：U=0.2297K+0.3122 附：matlab 仿真时的操作x=0 2 4 6 8 10 12 14 16;y=0 1.5 1.85 2.6 3.4 3.7 4.2 4.8 5;xmean=

26、mean(x);ymean=mean(y);sumx2=(x-xmean)*(x-xmean);sumxy=(y-ymean)*(x-xmean);a=sumxy/sumx2; %解出直线斜率 ab=ymean-a*xmean;%解出直线截距 bm=(a*(x(1,9)+b-(y(1,9)/(y(1,9);%“9”是自变量的个数，z 为非线性误差(即线性度)figure %用红色绘制拟合出的直线扩散硅压阻式压力传感器的差压测量15px=linspace(0,16,150);%(linspace 语法(从横坐标负轴起点 0 画到横坐标正轴终点16，150 等分精度)py=a*px+b;plot(

27、px,py,r);hold on plot(x,y,b*)%hold on %plot(x,y,k-)title(扩散硅压阻式压力传感器数据分析)xlabel(压力（Kpa）);ylabel(电压（V）);a ba = 0.2297b =0.3122扩散硅压阻式压力传感器的差压测量165.程序设计程序设计5.1 编程软件调试打开软件后：（1）建立一个新工程单击 Project 菜单，在弹出的下拉菜单中选中 New Project 选项。（2）然后选择你要保存的路径,输入工程文件的名字,比如保存到 C51 目录里,工程文件的名字为 C51 。（3）这时会弹出一个对话框,要求你选择单片机的型号,你

28、可以根据你使用的单片机来选择,keil c51 几乎支持所有的 51 核的单片机,一般选用 Atmel 的89C51。选择 89C51 之后,右边栏是对这个单片机的基本的说明,然后点击确定.（4）单击“File”菜单，再在下拉菜单中单击“New”选项单击菜单上的“File” ，在下拉菜单中选中“Save As”选项单击，在“文件名”栏右侧的编辑框中，键入欲使用的文件名，同时，必须键入正确的扩展名。注意，如果用语言编写程序，则扩展名为(.c)；如果用汇编语言编写程序，则扩展名必须为(.asm)。然后，单击“保存”按钮 （5）回到编辑界面后，单击“Target 1”前面的“”号，然后在“Sourc

29、e Group 1”上单击右键，然后单击“Add File to Group Source Group 1 ” ， 选中 Test.c，然后单击“Add?”（6）开始编程（7）单击“Project”菜单，再在下拉菜单中单击“Built Target”选项（或者使用快捷键 F7） ，编译成功后，再单击“Project”菜单，在下拉菜单中单击“Start/Stop Debug Session”（8）调试程序:单击“Debug”菜单，在下拉菜单中单击“Go”选项， （或者使用快捷键 F5） ，然后再单击“Debug”菜单，在下拉菜单中单击“Stop Running”选项（或者使用快捷键 Esc） ；再单击“View”菜单，再在下拉菜单中单击“Serial Windows #1”选项，就可以看到程序运行后的结果，（9）单击“Project”菜单，再在下拉菜单中单击“ ” 在下图中，单击“Output”中单击“Create HEX File” 选项，使程序编译后产生 HEX 代码，供下载器软件使用。把程序下载到