基于c51压力传感系统的设计与研究

1、摘要1关键词1abstract1key words 1前言21传感器相关概述21. 1什么是传感器21.2压力传感器31.2.1压力传感器的分类31.2.2压力传感器的原理31.3实际应用中压力传感器的选取原则41.3. 1根据测量对彖与测量环境41.3.2线性失真41.3.3灵敏度41.3.4 精度41.3.5其它因素41.4本系统采用的传感器52放大电路62.1放大电路的作用62. 2常见的放大电路方案62. 3该系统使用的放大电路73模数传换73. 1常见的模数转换器73.1.1并行比较模数转换器73.1.2逐次逼近型模数转换器83. 1.3积分型模数转换器83. 1.4压频变换型模数传

2、换器83.2并行比较模数转换器adc0809相关原理及性能83. 3 adc0809与上位机的连接93. 3. 1微机原理实验扩展板上的adc0809接线93. 3. 2 adc0809与单片机的连接94基于微机原理实验扩展板的压力检测104.1微机原理实验扩展板简介104. 2压力检测环境简介104.3测试程序的编写114.3压力检测125 8051单片机125. 1 8051单片机简介135. 1. 1 8051单片机的发展135. 1. 2 8051单片机的基本组成135.2 8051单片机最小系统165.3单片机与其他部件的连接176 led数码显示模块186.1 led数码管显示原理

3、及结构186.2 7段led数码管断码186. 3 led显示器方式196. 3. 1 led数码管静态显示方式196. 3. 2 led动态显示方式197压力检测系统的仿真设计207. 1仿真的软件基础207. 1. 1 proteus 简介207. 1.2 keil c51 简介207.2仿真的输入217.3仿真电路图的连接217.3仿真流程简介227.4仿真测试237.5仿真核心代码分析248压力传感系统的应用扩展258.1应用扩展可行性分析258.2基于单片机的电子秤258.3脉搏计数器269 pc串口通信279. 1串行通信可行性分析279. 1. 1 proteus仿真串行通信的可

4、行性分析279.1.2 pc上实现串行通信的可行性分析289. 1.3实物电路的可行性分析289.2 proteus的串行通信的仿真实现289.3 pc上串行通信软件的实现299.4 pc串行通信软件+proteus联合调试实现3010设计总结31参考文献32致 谢33附录34基于c51压力传感系统的设计与研究摘要压力传感器在人们的日常生活屮正在被广泛的使用。虽然因为用途的不同，压力传 感器的类型也不大一样，但基木原理确是一样的。而木设计的主要任务就是探讨压力传 感器的一种基本应用原理，制作出-个简单却精准的压力测量系统。这种测量系统的主 要流程是压力作用于传感器，产生相应的电信号变化，电信号

5、通过放大和模数转换变成 数字信号，最后再用单片机处理，并将结果送到led数码管进行显示或者与pc通过串 口进行通信。这种应用原理不仅可以根据不同的传感器，应用到不同的领域。而且基于 嵌入式原理，采用了单片机作为处理屮心，使其应用范围扩大，测量过程变得精简，还 能比较容易进行功能的扩展。关键词压力传感器；模数转换；单片机；led数码管；串行通信the design and research of pressure sensor system based onc51abstract：in people's daily lives,pressure sensors are being wid

6、ely used. although for different purposes, the type of pressure sensor is not quite the same, but the basic principle is really the same.the main task of this design is to investigate a basic application principles of the pressure sensor,and make a simple but accurate pressure measurement system. th

7、e main process of this measurement system is this: the pressure acting on the sensor, producing a corresponding electrical signal changes,the electrical signal through the amplification and analog-digital conversion into digital signals, finally used the single chip processing, and sent to the led d

8、igital tube to display ,or transport data to pc by serial port. this principle not only applied depending on the sensor, but also could use to different areas.and because it is based on the embedded principles,with the scm as a processing center, it is easy to expand its' applications, the measu

9、rement process be streamlined and simplified, but also relatively easy to expand functionality development.key wordspressure sensor； adc； mcu； led digital tube； serial communication-1-z-1刖吞本设计的口的是获取一种压力传感器的基本使用原理，并制作一个压力传感器的压 力检测系统。根据实际情况，系统的实现主要是分为两个部分。第一部分是利用传感器实验扩展板上而的压力传感器，将压力传感器感受到的压力 信号转换成电压信号

10、。由于压力传感器电压输出一般是依据传感器上而电阻值对压力敏 感，而产生电压的变化，这些电压的变化是极为弱小的，无法直接用模数转换器进行转 换后来体现，所以，需要对输出电压进行放大。放大后的电压最大的输出为5vo对于 放大后的电压，就可以进行模数转换的处理了，这里采用的模数转换芯片为adc0809, 将05v的输入电压转换成0-255 z间的整数。这个部分的检测主要通过与实验箱配套 的tpc-usb汇编集成软件开发环境进行测试。第二部分是采用的是proteus+keil c51联合仿真测试。其依据的是第一阶段实验箱 上而经过放大电路处理z后的05v的输出电压。这部分需要依赖两个软件，proteu

11、s和 keil c5k proteus是一个优秀的单片机仿真软件，可以十分逼真的对单片机系统，以及 外围电路进行相关的仿真。keil c51则是如今被广泛使用的单片机编程软件。在仿真过 程屮，所依据的放大电路的输出电压首先进入模数转换器，转换成数字信号之后，通过 八根数据线输入到单片机的p1端口，单片机对数据进行处理z后，再将数据输出显示, 显示系统为一块四位的共阴led数码管芯片。当然，对模数转换器的控制也由单片机 完成。单片机所执行的程序由keil c51进行编写。keil c51支持汇编和c语言编程。为 了增加代码的可读性，以及降低编程的难度，在系统开发的过程屮，选用c语言作为编 程语言

12、。编写的程序生成了.hex文件z后，再把这个.hex文件加载到单片机上而，单片 机就可以根据程序，进行相关的处理操作。另外，根据不同的需求，在led数码管可以显示数据z后，在尝试着用虚拟串口 来模仿单片机与pc的通信，并设计一个串行通信软件来接受单片机所发送的数据，把 数据转换成压力值后通过多种方式来进行显示。该系统的第一部分的开发过程以实物进行实验操作，具冇实际应用性。第二部分虽 然采用的是仿真手段，但也是具有很高的真实性。仿真过程小单片机加载.hex文件就相 当于再实际应用z屮将.hex文件烧录到单片机屮的flash中。单片机和模数转换器，以 及led数码管都是一些比较精准的硬件，仿真效果

13、与实物连接效果不会有什么差距。 所以，这个开发思路具冇较高的真实性。1传感器相关概述1.1什么是传感器传感器是一种比较特殊的物理装置，或者说是一种物理器官，它能探知外界的温度, 压力和湿度等一些物理条件，甚至某些物质的化学组成，并将感受到的相关信息通过电压等方式表示岀来，再传递给其他装置（楚宏，1991）。通常根据其基本的感知功能， 传感器可以分为热敏元件、气敏元件、磁敏元件、色敏元件、湿敏元件、力敏元件、声 敏元件、光敏元件、放射线敏感元件和味敏元件等十大类。1.2压力传感器压力传感器，也就是上而介绍的力敏传感器，是在工业实践之屮，应用得最为广泛 的一大类传感器。口前，它被广泛的应用于各种工

14、业自控环境，包括水利水电、智能建 筑、铁路交通、自动控制、航天、军事、石油化工、电力、管道、船舶、机床等众多行 业之中。1.2.1压力传感器的分类压力传感器根据其构成的不同，可以分为压阻式压力传感器、电感式压力传感器、 电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是 压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。另外，陶瓷 压力传感器，蓝宝石压力传感器，压电压力传感器等传感器也因为其某些特殊的物理特 性，应用得也比较的广泛。陶瓷压力传感器有良好的抗腐蚀，抗高温性；蓝宝石压力传 感器，具有较高的弹性个绝缘特性，对温度的变化不敏感；压电压力传感器可

15、以承受高 温和相当高的湿度（方敏等，2008）o1.2.2压力传感器的原理对于压力传感器的原理，不同的压力传感器原理也不大相同。对于应用得最为广泛 的压阻式压力传感器，其核心元件是一种电阻应变片。电阻应变片是一种可将被测件上 的应变变化转换成为电信号的敏感器件。通常是将应变片通过某些特殊的粘和剂紧密的 粘合在产生力学应变的基体z上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生 形变，使应变片的阻值发生改变，从而使电阻上的电压发生变化（土瑞升，1991）。这 种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过 后续的电压放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是a/d转

16、换和cpu ）显示或执 行机构。陶瓷压力传感器，压力直接是作用在一个陶瓷膜片上面，使陶瓷膜片产生微小的形 变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敬电阻 的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信 号（li c and mehran m. 2008 ）。蓝宝石压力传感器由由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异 质外延性应变灵敬电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上（张哓群和吕慧 明，2001）。被测压力传送到接收膜片上，在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变, 该形变被硅蓝宝石敬感元件感知后，其电桥输出会发

17、生变化，变化的幅度与被测压力成正比。压电传感器主要的工作是依据压电效应，压屯传感器不能用于静态测量，因为经过 外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗吋才得到保存。然实际情况并非 如此，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。1.3实际应用中压力传感器的选取原则1.3.1根据测量对象与测量环境在实际应用中，首先要根据测量对象与测量环境确定压力传感器的类型。要进行一 个具体的测量工作，首先要考虑采用何种压力传感器，这需要分析多方面的因素之后才 能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的压力传感器可供选用，哪一种 原理的压力传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和压力传感器的使

18、用条件等多个 方面的因素综合考虑z后，选取最合适的压力传感器（厚达桥，2008）o1.3.2线性失真传感器的线性是指传感器输入与输出z间关系是否是线性关系。线性失真就是指输 入与输出相对于线性关系所呈现出來的偏移。在应用领域中，我们主要是通过获取输出, 来求知输入，而我们又不可能根据其输入值建立一个数据库以实现输入与输出的一一对 应。而所采取的是根据输入与输出的线性系数，來求得输入。i大i此，良好的线性，较小 的线性失真，也是我们选用传感器所必须考虑的一个因素。1.3.3灵敏度灵敏度也是一个必须加以考虑的方面。通常，在传感器的线性范围内，希槊传感器 的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测

19、量变化对应的输出信号的值才比较大, 有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易 混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。1.3.4精度精度是传感器的一个重耍的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重 要环节。传感器的精度越高，具价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系 统的精度耍求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中 选择比较便宜和简单的传感器。1.3.5其它因素另外，频率响应特性，线性范围特性，稳定性等方面也是我们在选取传感器的过程 屮，所必要的考虑因素。1.4本系统采用的传感器本系统釆用的是上面所介绍的压阻式传感

20、器屮的一种硅压阻式压力传感器，具 体的型号名称是：mpxm2053o它是一种对气压敏感的压力传感器，内置温度补偿和校 准，具有一个高精度的与所施加的压力成正比的线性电压输岀。该传感器采用单个硅芯 片，在硅芯片上集成有应力测量和薄膜电阻网络，具冇高精度的测量范围。硅压阻式压 力传感器是口前使用最广泛、用量最大的压力传感器么一,广泛应用于航天、航空、舰船 等军事工程和武器装备中，成为当今发展高新技术装备不可缺少的电子产品。该传感器的内部原理图见图1：相关的性能参数如表1：表1 mpxm2053相关参数+vou1-vouttable 1 parameters about mpxm2053项目温度补偿

21、范围压力测量范围满量程输出传感器使用温度典型激励电压参数085 °c050kpa40mv-40-+125°c8-10v图1 mpxm2053内部原理图fig. 1 mpxm2053's internal schematic diagrammpxm2053各个引脚的功能如表2o表2 mpxm引脚功能table 2 mpxm pin function引脚号符号功能1gxd接地2+vout接正输出电压3vcc接传感器激励电压4-vout接负输出电压2放大电路2.1放大电路的作用根据上面的介绍可以获知，传感器输出的电压为0-40mv,而adc转换的电压范围 为0-5vo a

22、dc为8位的模数转换器，8位能够表示的值为0-255,所以，模数转换每相 并一个单位，其阶跃电压约为20mv,所以输出的电压如果不做处理，就无法用模数转换 获取较好的精度。故需要用放大电路对电压进行放大，最大电压放大到5v即可，这就 需要对输入电压放大125倍。而且，为了获取较好的转换准确度，需要尽可能的减小零 点漂移。对于放大电路，关键部件则是放大器。现代技术屮，集成放大器已经比较成熟, 并可以大规模生产和使用，所以，木系统也采用了集成了多个运放器的集成芯片。2.2常见的放大电路方案常见的放大电路可以采用以下几种方式。(1) 利用一般常用的低温漂运算放大器來构成放人电路，这样组成的放人电路结

23、构 简单，而且造价便宜，但是如果用一般的低温漂运算放大器构成两级，或者两级以上的 放人电路，则会引入大量的噪声。因为传感器输入的电压本來就很小，较人的噪声会把 传感器的输入给遮盖掉，这就无法正确的获得测量电压，所以，在木仿真系统中，不宜 选用该方案。(2) 用高精度低温漂运算放大器组成的差动放大电路。差动放大电路不仅可以放大 宜流信号，而口还可以减小由于温度以及器件等原因引发的零点漂移。另外，他还兼具 高输入阻抗，高增益等优点，在现实生活中，这类放大器得到了广泛的应用。由于差动 放人电路具备上述优点，所以在本仿真系统中这类放大电路也是最佳选择。图2则是利 用集成运放器制作的差动放大电路图。图2

24、差动放大电路图fig. 2 differential amplifier circuit2.3该系统使用的放大电路本仿真系统使用的放大芯片为lm33274芯片，该芯片集成了四个运放器。共冇14 个引脚，其屮两个引脚为电源，线分别是4号引脚和11号引脚，四个集成运放器共用 这两根电源线，另外12根线平均分配给了四个集成运放。本系统的放大电路电路图与传感器的连接如图3,其mc78l08c为一个电源，它 可以将将12v的电压转换成8v, mpxm2053为一个传感器，与传感器想连接得两个放 大器就是由集成运放组成的差动放大电路。图3传感器与放大电路连接fig. 3 the connection be

25、tween sensor and amplifier circuit3模数转换放大电路输出的为0-5v的模拟信号,cpu对模拟信号的处理比较为难，需要将模拟 信号转换成数字信号，而这个转换就需要模数转换器。模数转换是这个系统的关键部分, 模数转换处理得好，对于后面的处理也是一个较好的支持。3.1常见的模数转换器目前，世界上有多种类型的模数转换器，有传统的并行、逐次逼近型、枳分型，也 冇近年來新发展起來的工型和流水线型，多种类型的模数转换器各冇其优缺点并能 满足不同的具体应用耍求（周明德和蒋木珊，2006）o模数转换器主耍有以下几种类型:3.1.1并行比较模数转换器常见的并行比较模数转换器有ad

26、9012, ad9002等。并行比较模数转换器是现今速度最快的模/数转换器，采样速率在1gsps以上，通常称为“闪烁式”模数转换器。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。这种结构的模数转换器所有位的 转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。3.1.2逐次逼近型模数转换器常见的逐次逼近型模数转换器有ads7805、ads7804等。逐次逼近型模数转换器是 应用非常广泛的模/数转换方法，这一类型模数转换器的优点：高速，采样速率可达 1msps；与其它模数转换器相比，功耗相当低；在分辨率低于12位时，价格较低。缺点: 在高于14位分辨率情况卜，价格较高；

27、传感器产生的信号在进行模/数转换2而需耍进 行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。3.1.3积分型模数转换器常见的积分型模数转换器icl7135. icl7109. icl1549. mc14433等。积分型模数 转换器又称为双斜率或多斜率模数转换器，是应用比较广泛的一类转换器。它的基本原 理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此同时， 在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现模数转换。积分型模数转换 器两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的表达式与 时钟频率无关，其转换精度只取决丁参考电压vr。此外，由于输入端采用

28、了积分器，所 以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力。若把积分器定时积分的时间取为工频信号的整 数倍，可把由工频噪声引起的误差减小到最小，从而冇效地抑制电路的工频干扰。这类 模数转换器主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表。其优点是：分辨率高， 可达22位;功耗低、成本低。缺点是:转换速率低，转换速率在12位时为100300sps。3.1.4压频变换型模数转换器压频变换型模数转换器其优点是：精度高、价格较低、功耗较低。缺点是：类似于 积分型模数转换器，其转换速率受到限制，12位吋为100300spso考虑到系统的采样要求，测量的精度，以及成木等原因，木系统的开发选用并行比 较模数转换器adc

29、0809o3. 2并行比较模数转换器adc0809相关原理及性能adc0809是美国国家半导体公司生产的逐次逼近型8位模数转换器芯片。 adc0809将05v的电压分为多个电压阶跃，每个电压阶跃段使用一个比较器和一组 电阻。内有8路模拟开关，可输入八个模拟量。单极性，量程输入为0t5v。片内带 有三态输出缓冲器，数输出端可与数据总线直接相连（周明德和蒋木珊,2006）°adc0809 的逻辑结构框图4所示。3. 3 adc0809与上位机的连接将模拟信号转换成数字信号z后，0809需要将相关数据传送到上位机屮进行处理。3. 3.1微机原理实验扩展板上的adc0809接线木设计的实物连

30、接部分，需要将扩展板与实验箱相连。微机原理实验箱提供50芯扁平电缆总线，而这个电缆总线乂通过一个usb接口模 块，将这50芯扁平电缆总线和usb总线连接起来。50芯扁平电缆总线在实验板上提供 了大量的信号接入端口。对于0809芯片，微机原理实验箱已经将其引脚的d0-d7与 总线的dod7连接好。其他的弓i脚屮，adda, addb, addc已经接地，clock 也已经与imhz的脉冲信号连接，vcc与vref ( + )与止5v连接。gnd与vref ()也j j»+- istart clk0e图4 adc0809的逻辑结构图fig.4 adc0809,s logical stru

31、cture接地。所以，我们需要的连接这样几根线：将扩展板上的0809cs与地址线298h连接; 将eoc与irq连接,然后将aout与in0引脚连接;再将用20芯排线将总线的jp5连 接到扩展板的j1芯插座上；最后将12v电压接入扩展板上面的12v电压输入。3. 3. 2 adc0809与单片机的连接adc0809与单片机的连接比较简单。所需要的连接线路有：将adc0809的d0 d7与单片机的p1 口的八根数据线相连接；将vcc与vref ( + )与正5v连接，gnd 与vref (-)也接地；因为使用0号模拟量端口，所以端口选择引脚adda, addb, add c均接地；in0接入模拟

32、量输入；通道号锁存控制器接入p3.0号端口，p3号端 口与start端口相连，eoc与p3.2相连，这三线都是对0809进行控制。具体的连接 电路途如图5所示。4基于微机原理实验扩展板的压力检测4.1微机原理实验扩展板简介传感器实验扩展板由清华大学科教仪器厂开发和制作，可以作为微机原理实验箱的 i个功能扩展模块。上面包括了压力传感器，温度传感器，湿度传感器，以及三种传感 器的放大电路。实验板上还包括adc0809模数转换电路和对外连接的插座、插线孔。 它可以与任何一种微机接口或单片机试验箱相连，连接方式有三种：（1）利用口锁紧插孔连接：扩展板上有28个口锁紧插孔，每个插孔标有信号名 称，可以与

33、试验台上的数据总线、地址线、控制线、电源线、模拟量输入输出信号连接。2223psenale ea药222726vref(-)0evref(*)aleaddcaddbaddac3 .10uf <text> 與一 31_142153841851962072187617vcc8 7 6 5 4 3 2 1 c outoutoutoutoutoutoutouteoq12.345e7p1.p1p1p1p1p1p1p1rz.u/jop2.1/a9 p22/a10 p23/a11 p2 4/a12 p2 5/a13 p2 6/a14 p2.7/a15p3.0/rxdp3.1/rxdp3.2/in

34、t0p3.3)intip3.4/t0p3.5/t1p3.6 殛p3.7 丽11101210<text><text> v u <u1 (clock) 7 ult at89c51adc0809startclock图5 adc0809与单片机的连接fig. 5 the connection between adc0809 and mcu（2）利用20芯双排插座（ji）与试验台连接：扩展版的20芯双排插座信号与 tpc-2003a. tpc2003a+、tpcusb、tpc-up 的 20 芯扩展插座兼容，包括 d0d7、 ior、iow、1mhz时钟等，可以直接连接。（

35、3）利用两个8芯单排插座（j2 j3）连接：两个8芯插座信号合起来与20芯双排插座 信号相同，这样增加了实验板与主实验台连接的灵活性。4. 2压力检测环境简介基于传感器实验扩展板的压力检测的依赖的软件平台是清华大学科教仪器厂制作 的与实验箱配套的开发软件tpc-usb集成开发环境。该软件自带汇编语言编辑器 以及编译连接软件，在上面可以方便的编写汇编程序。tpc-usb集成开发环境提供的史加强人的功能在丁它支持程序的单步调试，而冃 还可以同步的跟踪寄存器内部的值和内存里的相关内容，以便于对程序进行分析，纠正 程序的错误。4.3测试程序的编写测试程序采用的是汇编语言编写。在编写过程小，首先要驱动a

36、dc0809开始转换 工作。然后连续十次获取adc0809的输出，并对十次的输入结呆求岀其平均值。第三 步就是检查是否与上一次的输出相同，如果不同，则显示，如果相同，则不进行显示。显示主要显示两个部分：第一部分是显示adc0809的输出数据，这个显示主要是 以16进制的方式进行显示。第二部分是将输出转换成相关的大气压进行显示。当然， 在实际测量的过程屮，发现放大电路处理后的电压冇一个零点漂移，大小为0.4v,模数 转换后，值大概是21,所以处理时应该减去这个漂移值。当加上人工压力时，由于该传 感器具备良好的线性，故施加的压力与adc0809的输出也满足这个关系。由于汇编显 示数据只能一位一位的

37、显示，故小数部分的显示将会变得i分的困难，所以显示时只显 示整数部分，小数部分将予以省略，相关的主程序流程图如图6所示，显示程序流程图如图7所示。读取i/o端口数据否，继续j获取刼扁用十六进制 显示0809输 出的高四位暂存数据继续获” j取数据"是丢是获敢的、第丈个数叮"是求取均值用十六进制 显示0809输 出的低四位处理金据 并显示7扌c结束j转换成压力数据图6主程序流程图fig.6 main program flowchartj显示结束丿图7显示程序流程图fig.7 display program flowchart4.3压力检测按3.3.1节所述，连接好电路图以后，

38、将usb 口与电脑相连，给实验箱以及扩展板 加电。然后开始运行汇编程序生成的.exe可执行文件。通过开发环境运行软件，不挤压 压力橡皮球时，我们可以查看到如图8所示的运行结果。当挤压压力橡皮球时，程序的 显示结果如图9所示。5 8051单片机8051单片机是现代应用领域的中一款非常典型的单片机。和对于现代功能结构更加 完善的微型控制器，它已经显得非常的老i口，但对于功能较为简单的控制系统，它还是 可以完全胜任的。图8未输入压力时的运行效果图fig.8 results chart when have no pressure exert onad0809e.exep:exec>. load

39、ing file load & execthe0809inputis :15thepressureis：o0kpa?the0809inputis :18thepressureis：o0kpa?the0809inputis :5fthepressureis：14kpa!the0809inputis :e9thepressureis：4zkpa?the0809inputis :ffthepressureis:46kpa ?the0809inputis :fethepressureis:46kpa ?the0809inputis :ffthepressureis:46kpa ?the0809

40、inputis :fethepressureis：46kpa?图9挤压压力橡皮球时程序运行效果图bochs for yindovs displayusersnapshotp:exec>de1tree /y .de let ing .exe taconfigfig.9 results chart when have pressure exert on5.1 8051单片机简介5.1.1 8051单片机的发展单片微型计算机简称为单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重耍分支。 8051单片机属于第三代单片机，它是上个世纪80年代发展起來的一种犬规模集成电路 芯片，是集成cpu、ram、

41、rom、i/o接口和中断系统于同一硅片的器件。作为8位 单片机发展成熟阶段的产品，在现在它仍旧被广泛的使用（王乐，2009）o最早推出的mcs51单片机吋美国inter公司于20世纪80年代推出的产品。现在 的8051已经发展成为了一个mcs51系列，并出现了大量的类似产品，例如8031,8052 等等。后来，rtl t inter公司忙于开发pc以及高端微处理器而无力再发展其8051系 列，所以，很多其他厂商就开发出了性能更加优秀的8051系列单片机。最典型的就是 philips公司和atmel公司。本系统设计选用的单片机就是rtl atmel公司生产的，归属于 8051系列的at89c51

42、型单片机。5. 1.2 8051单片机的基本组成以mcs51为例，它是在一块大规模的集成电路时集成额功能强大的8为小央处 理器,rom, ram,两个16位定时器/计数器，32位可编程并行i/o接口，20多个特 殊功能寄存器，5个小断源，两个优先级嵌套小断系统，其内部结构图如图10所示。mcs51单片机最核心的部件是cpu,它由运算器，控制器，和布尔处理器组成。 运算器是用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件，以算术逻辑单兀（alu）为 核心，包括累加器（acc）,程序状态字（psw）,暂存器，b寄存器等部件。控制器是 cpu的犬脑，它包括定时控制逻辑，指令寄存器，数据指针（dptr）,程

43、序计数器（pc）, 堆栈指针（sp,）地址寄存器，地址缓冲器等（刘昆山，2010）omcs-51单片机的存储结构比较简单，从物理上来说，可以分为4个存储空间：片 内程序存储器，片外程序存储器，片内数据存储器和片外数据存储器。这里的程序存储 器就是存放单片机执行程序的部件，片内的利用单片机本身自带的flash,片外的指单片 机扩展的片外存储器。数据存储器也称为随机存取数据存储器。mcs-51 片机的数据 存储器在物理上和逻辑上多分为两个地址空间，即内部数据存储区和外部数据存储区。 内部冇128b的ram用户数据存储，他们用于存放执行的中间结果及过程数据omcs-51 的数据存储器均可读写，部分单

44、元还可以进行位寻址。mcs-51共冇4组8位i/o端口，每个端口都是八位双向并行输入输出口，共占32 个引脚。每个端口都包括一个锁存器（即专用寄存器p0-p3）, 一个输出驱动器和输入 缓冲器。通常把4个端口称为p0-p3o在无片扩展外存储器的系统中，这4个端口的每 一位都可以称作为双向通用i/o端口使用。在具有片外扩展的存储器的系统中，p2作为 高8位地址线，p0 口分时作为低8位地址线和双向数据总线。p1端口只具有一种功能, 即作为通用的输入输出端口。p3端口除了作为通用的i/o接口以外，每一根引脚还具有 第二功能。p3.0作为rxd输入，p3作为txd输出，p3.2作为into中断输入，

45、p3.3 作为int1中断输入。p3.4作为to定吋器/计数器0的外部输入，p3.5作为to定时器/ 计数器1的外部输入，p3.6片外存储器写选通，p3.7片外存储器读选通（岂兴明，2008）ohocrak地址寄存詩旖存嚣acctmp2tmp1pefdm很序抱址报務黔jpswk 4lini 僦存中新、串行锚口与定时貉单元嘏仔计毅野o询口1驱动谓口3呕动7o7图10 mcs-51内部结构图fig.10 mcs-51fs internal logical structure101trt.o pi.l pl.2 ri.3 ri.4 pi.5 pl.g fl. 7r<；tp3.0(rxd) p3

46、.1(txd> p3.2(1nt0p3.3(inti)p3.4(t0p3.5ct1)p3xcwr)p3.7(rdr>xtal2 xtalignd(ado)r>v.o(ad2)ixi.2 (ao3)|>fj.3(ad7ini.7eaampsefj(ali>p2,7 (a1-4>p2.6 ca13>pz. (ai2；hz.4 (a11)k2,3 aiojpz.zla9) p2.1(a8) p2.g3523鱼21图11 8051单片机引脚图fig< 11 8051 pin diagram在图11中，各引脚的功能分别如下所述：电源引脚为vcc和vssvc

47、c：电源端，接+ 5vovss：接地端。时钟电路引脚xtal1和xtal2xtal1：接外部品振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若 使用外部ttl时钟时，该引脚必须接地。xtal2：接外部品振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放人器的输出， 若使用外部ttl时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。地址锁存允许ale系统扩展时，ale用于控制地址锁存器锁存p0 口输出的低8位地址，从而实现数 据与低位地址的复用。外部程序存储器读选通信号psen,psen是外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。程序存储器地址允许输入端ea /vpp当ea为高电平时，cpu执行片内程序存储器指

48、令，但当pc中的値超过0fffh吋, 将自动转向执行片外程序存储器指令。当ea为低电平时，cpu只执行片外程序存储器 指令。复位信号rst该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高屯平后，就可以完成复位操作。 输入/输出端口引脚p0, pl, p2和p3p0 口（p0.0p0.7）：该端口为漏极开路的8位准双向口，它为外部低8位地址线 和8位数据线复用端口，驱动能力为8个lsttl负载。p1 口（p1.0p1.7）：它是一个内部带上拉电阻的8位准双向i/o 口，p1 口的驱动 能力为4个lsttl负载。p2 口 （p2.0-p2.7）：它为一个内部带上拉电阻的8位准双向i/o 口，p2 口

49、的驱动 能力也为4个lsttl负载。在访问外部程序存储器吋，作为高8位地址线。p3 口（p3.0p3.7）：为内部带上拉电阻的8位准双向i/o 口，p3 口除了作为一般 的i/o 口使用之外，每个引脚都具冇第二功能。5. 2 8051单片机最小系统单片机的最小系统是指以单片机为核心，组成的最小的，能够单独运行的系统，如 图12所示at89c51单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机构成（如 图12所示）。单片机的时钟信号用来捉供单片机片内各种操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行。2 c.1-1x1 crystal -<txt

50、> vvccc3：:10uf <text>fa. 1 aixtal2rstru.u/uup0.1/ad1p0.2/ad2p0.3/ad3p0.4/ad4p0.5/ad5p0.6/ad6p0.7/ad7p2.0/a8p2.1/a9p2.2/a10psen ale eaod cp2.3/a11p2.4/a12p2.5/a13p2.6/a14p2.7/a15pi .p o.u/kxdm. i nd rro.1 xupi .2ko.2/1n 1 upi .3cv ap3.3/1nt1 p3.4/t0pi .4cv cpi .5p3.5/t1ro o a a jopi .6.7p3.7

51、/rd3938373635343332212223242526272810111213141617u219189at89c51 <text> 1234567829303?图12单片机最小系统图fig. 12 mcu's minimum system makeup单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引 脚xtal1和xtal2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。 由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了门激振荡器并产生 振荡时钟脉冲。系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件

52、状态ko51单片机的复位是由reset引脚來控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到reset引脚转为低电平后，才检查ea引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。单片机的复位部件可以根据情况的不同划分为门动复位和手动复位，手动复位只是在自动复位的电路上的电源端安装一个开关。在本系统的设计中，采取的是白动复位。使其在给电后，电路即能启动，内部程序即能运行。5.3单片机与其他部件的连接单片机的连接主要是主要包括功能性引脚的连接，以及i/o端口的连接。功能性引 脚的连接方法因为系统应用

53、的情况的不同而不同，具体的连接按照5.1.3节所述。i/o端 口的引脚的连接主要是输入输出的信号的连接，或者只有输出的连接。本系统的连接见后面的7.3节6 led数码显示模块led （light emiting diode）是发光二极管的英文简称，它是一种固态的半导体器件, 基本原理是将电转换成光。单片机cpu处理完数据后，需要将数据进行显示。在基于 单片的嵌入式系统屮，常用的显示方式主要是led数码管显示和led液品屏显示。6.1 led数码管显示原理及结构常见的led数码管分为7段led数码管和“米”字段led数码管。两者在显示 原理上基本一致。7段led数码管是利用7个led （发光二极

54、管）外加一个小数点的 led组合而成的显示设备，可以显示09等10个数字和小数点，也可以显示某些字母, 其使用非常广泛。这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阳极就是把所有led 的阳极连接到共同接点com,而每个led的阴极分别为a、b> c、d、e、f、g及dp （小 数点）的阴极；共阴极则是把所有led的阴极连接到共同接点com,而每个led的阳 极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp （小数点）的阳极，如图13所示。图中的8个led 分别与上面那个图屮的adp各段相对应，通过控制各个led的亮灭来显示数字。图13数码管原理图fig. 13 digital tube schematic6.2 7段led数码管断码让led显示