压力机的设计报告

1、电气与自动化工程学院 传感器课程设计1、概述1.1 摘要：本文介绍了一种基于单片机的简易数字压力计的设计。该设计主要由三个模块组成：A/D转换模块，数据处理模块及显示模块。A/D转换主要由芯片ADC0808 来完成，它负责把压力计（该设计中以滑阻代替）的模拟量转换为相应的数字量 在传送到数据处理模块。数据处理则由芯片 AT89C5俅完成，其负责把ADC0808 传送来的数字量经 过一定的 数据处理，产生相应 的显示 码送到显示 模块（7SEG-MPX4-CA-BLU进行显示；止匕外，它还控制着ADC0808E片工作。该系统 的压力计电路设计简单，所用的元件较少，成本低，且测量精度和可靠性较高。

2、此压力计可以通过电压和压力的关系通过测量 0-5V的1路模拟直流输入电压值， 按一定关系转化成对应的压力值，并通过一个四位一体的7段数码管（7SEG-MPX4-CA-BLU E1 示出来。1.2 背景和简介:近年来，随着微型计算机的发展，他的应用在人们的工作和日常生活中越来 越普遍。工业过程控制是计算机的一个重要应用领域。 其中由单片机构成的嵌入 式系统已经越来越受到人们的关注。 现在可以毫不夸张的说，没有微型计算机的 仪器不能称为先进的仪器，没有微型计算机的控制系统不能称其为现代控制系统 的时代已经到来。压力测量对实时监测和安全生产具有重要的意义。 在工业生产中，为了高效、 安全生产，必须有

3、效控制生产过程中的诸如压力、流量、温度等主要参数。由于 压力控制在生产过程中起着决定性的安全作用，因此有必要准确测量压力。为了 测到不同位置的压力值，本次设计为基于单片机的压力测量系统。通过压力传感 器将需要测量的位置的压力信号转化为电信号，送至8位A/D转换器，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号， 再经单片机转换成LED显示器可以 识别的信息，最后显示输出。基于单片机的压力检测系统，选择的单片机是基于 AT89C5俾片机的测量与显示，将压力经过压力传感器（该设计以滑阻替代）变为电信号，然后进入A/D转换器（ADC0808将模拟量转换为数字量。1.3 整体设计方案：本次设计是以单片机

4、为主组成的压力测量，系统中必须有前向通道作为电信 号的输入通道，用来采集输入信息。压力的测量，需要传感器，利用传感器将压 力转换成电信号后，再经 A/D转换（ADC0808为数字量后才能由计算机进行有 效处理。然后用LED进行显示。它的原理图如图1.1所示。图1.1压力计原理方框图我们这次主要做的是压力计的设计（A/D转换ADC0808,传感器，单片机AT89C51,显示器）根据硬件电路编程，调试出来并显示结果。2、硬件电路的设计:2.1 硬件设计框图图2.1 硬件设计框图2.2 复位电路：在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死 机（停止运行）时，就需要进行复位。

5、MCS-51系列单片机的复位引脚RST（第 9管脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。复位完 成后，如果RST端继续保持高电平，MCS-51就一直处于复位状态，只要 RST恢 复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。单片机的复位方式有上电自动复位 和手动复位两种。2.3 数据处理：（单片机系统）AT89C51是美国ATME公司生产的低电压，高性能CMOS8单片机，片内含有4KB 的可反复擦写的只读程序存储器和 128字节的随机存储器。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，由于将多功能8位CPUf口闪烁存储器组

6、合在单个芯片中，ATMEL勺AT89C51 是一种高效微控制器，它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方 案。AT89C51功能性能：与MCS-51成品指令系统完全兼容；4KB可编程闪速存储 器;寿命：1000次写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0-24MH4 三级程序存储器锁定；128*8B内部RAM 32个可编程I/O 口线；2个16位定时/计数器；5个中断源；可编程串行UARTS道；片内震荡器和掉电模式。P1JO t pl .1 c P12C Pi J c Pl .4 IE MO SI PI JS E (MISOI Pl JG C (9CKJP1.7C ASTC (

7、RKD P3J0 匚 (TXD P3.1 C (INTO) P32 匚 fFNTI pjj 匚 (T4 P3.4 C (Tl) P3£ 匚 (WR P3j6 C (RD P3.7 C KTAL2 C XTALl C GNDCJ114023&3堂4375336笛734&*d阻1031113012困1328142715黯16之5172418制19N制空1 VGC FX) Q (ADO) W.l (AD1) 困三伊叫 P03 (AD3) P0.4 (AD4) POJS (AM) 加田(ADfiJ F*a.7 (AD7) EA/VFP口 A1.E/PROG PSEN P2 7

8、 (AIS) 3 PSjS (A14> P2£> (An) P2.4 (A12) P2J (All) P2J 伊KJ P2.1 g Pfijfl lAfij图 2.2 AT89C51的引脚图AT89C51E片的各弓I脚功能为：P0 口：这组引脚共有8条，P0.0为最低位。这8个引脚有两种不同的功能, 分别适用于不同的情况，第一种情况是 AT89C51不带外存储器，P0 口可以为通 用I/O 口使用，P0.0-P0.7用于传送CPUffi输入/输出数据，这时输出数据可以 得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的 可靠性；第二种情况是AT89C5

9、1t片外存储器，P0.0-P0.7在CPU®问片外存储 器时先传送片外存储器的低8位地址，然后彳专达CPUM片外存储器的读/写数据。 P0 口为开漏输出，在作为通用I/O使用时，需要在外部用电阻上拉。P1 口：这8个引脚和P0 口的8个引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低 位，当P1 口作为通用I/O 口使用时，P1.0-P1.7的功能和P0 口的第一功能相同， 也用于传送用户的输入和输出数据。P2 口：这组引脚的第一功能与上述两组引脚的第一功能相同即它可以作为 通用I/O 口使用，它的第一功能和P0 口引脚的第二功能相配合，用于输出片外 存储器的高8位地址，共同选中片外存储器

10、单元，但并不是像P0 口那样传送存储器的读/写数据。P3 口：这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同，第二功能为控制功能，每个引脚并不完全相同，如下表 1所示：P3 口各位第二功能P3.0RXT （用行口输入）P3.1TXD（用行口输出）P3.2/INTO （外部中断0输入）P3.3/INT1（外部中断1输入）P3.4T0 （定时器/计数器0的外部输入）P3.5T1 （定时器/计数器1的外部输入）P3.6/WR （片外数据存储器写允许）P3.7/RD （片外数据存储器读允许）表2.1 P3口各位的第二功能Vcc为+5V电源线，Vss接地。ALE地址锁存允许线，配合P0 口的第二功能使用

11、，在访问外部存储器时，AT89C51的CPUS P0.0-P0.7引脚线去传送随后而来的片外存储器读/写数据。在不访问片外存储器时，AT89C51自动在ALE线上输出频率为1/6震荡器频率的 脉冲序列。该脉冲序列可以作为外部时钟源或定时脉冲使用。/EA:片外存储器访问选择线，可以控制 AT89C51使用片内ROM®使用片外ROM,若/EA=1,则允许使用片，在访问片外ROM寸，AT89C51自动在/PSEN线上产生一个负脉冲，作为片外 R内ROM,若/EA=0,则只使用片外ROM/PSEN片外ROM勺选通线OME片的读选通信号。RST复位线，可以使AT89C5处于复位（即初始化）工作

12、状态。通常AT89C51 复位有自动上电复位和人工按键复位两种。XTAL1和XTAL2片内震荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接AT89C51片内OSC宸荡器）的定时反馈回路。2.4 显示系统：在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此就生 产了位数，尺寸，型号不同的LED显示器供选择，在本设计中，选择4位一体的 数码型 LED显示器（7SEG-MPX4-CC-BLUE）7SEG-MPX4-CC-BL昵示器弓唧如图9所示，是一个共阴极接法的 4位LED 数码显示管，其中a, b, c, e, f, g为4位LED各段的公共输出端，1、2、3、 4

13、分别是每一位的位数选端，dp是小数点引出端，4位一体LED数码显示管的内 部结构是由4个单独的LED组成，每个LED的段输出引脚在内部都并联后，引出 到器件的外部。图2.3（七段数码管-4位-共阴）数码管引脚接线图对于这种结构的LED显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于 4位LED阴极的各段已经在内部连接在一起，所以必须使用动态扫描方式（将所有数 码管的段选线并联在一起，用一个I/O接口控制P2 口）显示。LED译码方式译码方式是指由显示字符转换得到对应的字段码的方式，对于LED数码管显 示器，通常的译码方式有硬件译码和软件译码方式两种。硬件译码是指利用专门的硬件电路来实现显示字符码的转

14、换。软件译码就是编写软件译码程序，通过译码程序来得到要显示的字符的字段 码，译码程序通常为查表程序。本设计系统中为了简化硬件线路设计，LED译码采用软件编程来实现。由于 本设计采用的是共阴极LER其对应的字符和字段码如下表 2所示。显示字符共阴极字段码03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH表2.2共阴极字段码表引脚功能A、B、C、D、E、F、G、DP数据输入端1千位位选（本设计未使用）2百位位选3十位位选4个位位选图2.4 七段四位数码管引脚功能2.5 A/D转换电路：逐次逼近型A/D转换既照顾了转换速度，又具有一定的精度，这里选用的 是逐次逼近型的A

15、/D转换芯片ADC08082.6 压力传感器的选择（本设计采用滑阻代替压力传感器）压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分，由各种压力敏感元件将被测 压力信号转换成容易测量的电信号作输出， 给显示仪表显示压力值，或供控制和报警使用。力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压 力传感器、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。而电阻应变式传感器具有悠久的历史。由于它具有结构简单、体积小、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高动态响应快、 适合静态及动态测量、测量精度高等诸多优点，因此是目前应用最广泛的传感器 之一。电阻应变式传感

16、器由弹性元件和电阻应变片构成，当弹性元件感受到物理量时，其表面产生应变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片的电阻值将随着弹性 元件的应变而相应变化。通过测量电阻应变片的电阻值变化， 可以用来测量位移 加速度、力、力矩、压力等各种参数。2.7 单片机最小系统设计单片机最小系统或者称最小应用系统，是指用最少的原件组成的单片机可以 工作的系统。该设计的最小系统包括单片机（AT89C51、晶振电路、复位电路图2.6复位电路2.8 模数转换电路设计模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量。能够完成这一任务的器件 称之为模数转换器，简称 A/D转换器。本次设计的中A/D转换器（ADC0808的 任务是将压力

17、传感器输出的模拟信号转换位数字量进行输出。ADC080配采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D转换。（备注：ADC0808 ADC0809勺简化版 本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808a彳T A/D转换，实际使用时 采用ADC0809!彳T A/D转换。）2.8.1 内部结构ADC0808t CMOSt片型逐次逼近式A/D转换器，它有8路模拟开关、地址 锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器。逐次逼近型寄存器，定时和 控制电路和三态输出锁存器等组

18、成，其内部结构如图 2.7所示。START CLOCKD 123 4 5 67A4横出开*Tr控制嚏晾DA网被黔t3e222222 22 c地址便存23图2.7 ADC0808的内部结构地址码对应的输入通道23 (ADDA24(ADDB)25(ADDC)000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表2.3通道选择2.8.2 ADC0808弓I脚功能(外部特性)ADC08085片有28条引脚，采用双列直插式封装，如右图所示。各引脚功能如下：15和2628 (IN0IN7) : 8路模拟量输入端。8、14、15和1721: 8位数字量输出端。22

19、 (AL6 :地址锁存允许信号，输入高电平有效。6 (START : A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲(至少 100ns宽)使 其启动(脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换)。7 (EOC : A/D转换结束信号，输出当 A/D转换结束时，此端输出一个高电平 (转换期间一直为低电平)。9 (OE3 :数据输出允许信号，输入高电平有效。当 A/D转换结束时，此端输入 一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。10 (CLK :时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHz12 (VREF(+)和16 (VREF(-):参考电压输入端。11 (Vcc):主电源输入端。13 (

20、GND :地。2325 (ADDA ADDB ADDC : 3位地址输入线，用于选通 8路模拟输入中的一路2.8.3输出端注意:Out8为最低位out1为最高位，out8-out1分别接单片机的P0.0到P0.7端图2.9设计接线图2.9显示电路设计由于单片机的并行口不能直接驱动 LED显示器，所以，在一般情况下，必须采用 专用的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作。如果驱动 电路能力差，即负载能力不够时，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷 下运行容易损坏，因此，LED显示器的驱动电路设计是一个非常重要的问题。为 了简化数字式压力计的电路设计，在 LED驱动电路的设计上

21、，可以利用单片机 P0 口上外接的上拉电阻来实现， 即将LED的A-G段显示引脚和DP小数点显示引 脚并联到P0 口与上拉电阻之间，这样，就可以加大P0 口作为输出口的驱动能力， 使得LED能按照正常的亮度显示出数字。图2.9.1显示电路设计3、软件部分的设计:3.1主程序框图开始初始化调用A/D转换子程调用显示子程结束图3.1 主程序框图3.2 总体流程图图3.2总体流程图3.3 软件设计（程序代码）#include<reg51.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charucharcode table=0x3f,0

22、x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/七段共阴数码管编码表sbit START=P3A0;sbit EOC=P3A1;sbit OE=P3A2;void delay(uint m) /LED显示延时子程序while(m-);delay1(uint c) /uchar a,b;for( ;c>0;c-)for(b=142;b>0;b-) for(a=2;a>0;a-);void fun1(uint i) /ADuint P;extern uint PP; /START=1;START=0;while(i>0) /fun1

23、if(i>0)OE=1;/P=P0;/AD循环间隔延时C毫秒子程序转换及数据处理子程序定义全局变量PP只执行i次转换结束输出使能转换结果赋给PP=P*1.0/255*207; /完成对应关系的电压一一压力的转换OE=0;/P2=0xfe; /P1=tableP%10; /delay(500);/P2=0xfd; /停止输出个位位选个位段选个位显示延时约1ms十位位选P1=tableP/10%10; /delay(500);/P2=0xfb; /十位段选十位显示延时约1ms百位位选P1=tableP/100%10; / 百位段选delay(500);/百位显示延时约1msvoid main

24、() / 主程序START=0; /初始时不进行AD转换OE=0;while(1)/死循环fun1(1);/调用一次转换子程序4、仿真及数据分析4.1仿真界面图图4.1仿真界面图002 0 8 显示器示数6*a2404.2数据分析电压表小数(V)日二 二65.667.373.476.881.185.689.9103.1显 力、命 力、数(kpa)6667737781869010320065.6 67.373.4 76.881.185.6 92.2 98.7 103.1电压表示数（V）5、小结经过一段时间的努力，课程设计一一压力机的设计终于完成了。 但设计中的 不足之处仍然存在。这次设计是我第一次设计电路，并用 Proteus实现了仿真。 在这过程中，我对电路设计，单片机的使用等都有了新的认识。通过这次设计学 会了 Proteu