压力测试系统课程设计

1、目录摘要2第一章 设计背景压力测试系统的相关背景3总体设计方案论证3压力测试系统设计框图3压力测试系统设计框图分析3总体设计方案分析4第二章 硬件设计AT89C51 单片机简介5主要特性5管脚说明6AT89C51 单片机在电路图中连接751 单片机最小系统的设计8单片机组成851 单片机最小系统电路介绍8压力传感器9压力传感器的选择9压力传感器工作原理9电阻应变片9模数转换电路的设计10模数转换10ADC0808 芯片10接口电路的设计13驱动与显示电路1474LS245 的原理1474LS245 驱动电路15电源电路的设计16原理图16第三章 软件设计总体流程图17子程序17A/D 转换子程

2、序 17 显示子程序 17 第四章 调试及仿真程序代码18仿真结果20数据分析20附录一课程设计总结21附录二参考文献22摘要此次设计是基于单片机的压力检测系统，选择的单片机是基于AT89C51单片 机的测量与显示， 将压力经过压力传感器转变为电信号， 经过放大器放大， 然后 进入A/D转换器将模拟量转换为数字量显示，我们所采样的A/D转换器为ADC0808。第一章设计背景压力测试系统的相关冃景近年来，随着微型计算机的发展，传感器在人们的工作和日常生活中应用越 来越普遍。压力是工业生产过程中的重要参数之一。 压力的检测或控制是保证生 产和设备安全运行必不可少的条件。实现智能化压力检测系统对工业

3、过程的控制 具有非常重要的意义。压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种 传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、 航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。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。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，再经过运算放大器进行信号放大， 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

4、转换成LED显示器可以识别的信息，最后显示输出。总体设计方案论证压力测试系统设计框图压力检桂路E力测试系统设计框图分析一路主要分成两个模块：A/I 是ADC0808单片机为AT89C51 调试出来并显示结果。ADC0808 最小系图1-1系统原理9C51方框图54真块和显示模块，我们选用的94位数码管显示。根据硬件LE转 显示电路Qan总体设计方案分析本次设计是基于AT89C51单片机的测量与显示。电路采用ADC0808模数转换 电路，ADC0808是 CMO工艺，采用逐次逼近法的8位A/D转换芯片，片内有带 锁存功能的8路模拟电子开关，先用ADC0808的转换器对各路电压值进行采样， 然后将

5、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。本次设计是以单片机组成的压力测量， 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，再经放大并经A/D转换为数字量 后才能由计算机进行有效处理。然后用LED进行显示。本设计的最终结果是，将 软件下载到硬件上调试出来了需要显示的数据，当输入的模拟信号发生变化的时 候，通过A/D转换后，LED将显示不同的数值。第二章硬件设计AT89C51单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储(FPEROFalsh Pr

6、ogrammable and Erasable Read Only Memory )的低电压，高性能 CMOS位微 处理器，俗称单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。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CPI和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的AT89C51是一种高效微控制器。如图2-1 :图 2-1 AT89C51 外部引脚图主要特性全静态工作: 0Hz-24KHz1000写/擦循环 )128*8 位内部 RAM两个16位定时器/计数器可编程串行通道片内振荡器和时钟电路8031 C

7、PU 与 MCS-51 兼容-4K字节可编程FLASH存储器(寿命:三级程序存储器保密锁定32 条可编程 I/O 线6 个中断源低功耗的闲置和掉电模式管脚说明VCC供电电压。GND接地。P0 口： P0 口为一个8位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8TTL门电流。当 P1 口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储 器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入 口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向I/O 口，P1 口缓冲器能接 收输出4TTL门电流。

8、P1 口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收。P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8位双向I/O 口，P2 口缓冲器可接收， 输出4个TTL门电流，当P2 口被写“T时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作 为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于 内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行 存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势， 当对外部八位地址数据存储器进行读写

9、时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在FLASHS程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口 ： P3 口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3 口写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输 入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流(ILL )这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51的一些特殊功能口：P3 口管脚 备选功能RXD （串行输入口）TXD （串行输出口）/INT0 （外部中断 0）/INT1 （外部中断 1）T0 （记时器0外部输入）T1 （记时器1外部输入）/WR （外部数据存储器写选通）

10、/RD （外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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SFR8Ehfe址上置0。此时，ALE只 有在执行MOV，MOV指令是ALE才起作用。另外，该引脚

11、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: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 FLASHS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入。XTAL2来自反向振荡器的输出。AT89C51 单

12、片机在电路图中连接连接如下图 2-2 所示：图 2-2 AT89C51 单片机在电路图中的连接51 单片机最小系统的设计单片机组成单片机的最小系统由RAM ROM晶振电路，复位电路，电源，地线组成。 电路设计如图 2-3 所示：图 2-3 单片机最小系统随着电子技术的发展， 单片机的功能将更加完善， 因而单片机的应用将更加 普及。它们将在智能化仪器、 家电产品、工业过程控制等方面得到更广泛的应用。 单片机将是智能化仪器和中、小型控制系统中应用最多的有种微型计算机。51 单片机最小系统电路介绍51 单片机最小系统复位电路的极性电容 C1 的大小直接影响单片机的复位 时间，一般采用 1030uF，

13、51 单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者，在正常工作的情况下 可以采用更高频率的晶振， 51 单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机 的处理速度，频率越大处理速度越快。51单片机最小系统起振电容 C2 C3一般采用1533pF,并且电容离晶振 越近越好，晶振离单片机越近越好口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻， 阻值一般为 10k。设置为定时器模式时，加 1 计数器是对内部机器周期计数（ 1 个机器周期 等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12 ）。计数值N乘以机器周期 Tcy 就是定时时间 t 。设置为计数器模式时，外部

14、事件计数脉冲由 T0 或 T1 引脚输入到计数器。 在每个机器周期的S5P2期间采样TO、T1引脚电平。当某周期采样到一高电平输 入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加 1，更新的计数值在下一个机 器周期的S3P1期间装入计数器。由于检测一个从 1到0的下降沿需要2个机器 周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。当晶振频率为 12MHz 时，最高计数频率不超过1/2MHz即计数脉冲的周期要大于2 ms。压力传感器压力传感器的选择压力传感器是将压力转换为电信号输出的传感器。 通常把压力测量仪表中的 电测式仪表称为压力传感器。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件 （或应变计）

15、 组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换 为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。 有时把这两种元件的功能集于一体。压力传感器广泛应用于各种工业自控环境， 涉及水利水电、 铁路交通、 智能建筑、 生产自控、 航空航天、 军工、石化、油井、 电力、船舶、机床、管道等众多行业。力学传感器的种类繁多， 但常用的压力有应变片压力传感器、 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， 光纤压力传感器等。 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。压力传

16、感器是使用最为广泛的一种传感器。 传统的压力传感器以机械结构型 的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量轻，不能提 供电学输出。 随着半导体技术的发展， 半导体压力传感器也应运而生。 其特点是 体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着 MEM技术的发展，半导 体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。压力传感器工作原理压阻式应变压力传感器的主要由电阻应变片按照电桥原理组成电阻应变片一种将被测件上的应变变化转换成为一种的敏感器件。 它是压阻式应变传感 器的主要组成部分之一。 电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和应变片两种。 金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔

17、状应变片两种。 通常是将应变片通过特 殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上， 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， 从而使加在上的发生变化。 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， 并通过后续的仪表 放大器进行放大，再传输给（通常是 A/D转换和CPU显示或执行机构。金属电阻应变片的内部结构如图 2-4 ：图 2-4 金属电阻应变丝的结构如图所示， 是电阻应变片的结构示意图， 它由基体材料、 金属应变丝或应变 箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。 根据不同的用途， 电阻应变片的阻值可以 由设计者设计，但电阻的取

18、值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同 时应变片的发热致使本身的温度过高， 不同的环境中使用， 使应变片的阻值变化 太大，输出明显，过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较 差。一般均为几十欧至几十千欧左右。模数转换电路的设计模数转换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 转换器的任务是将放大 器输出的模拟信号转换位数字量进行输出。A/D转换电路的核心元件是ADC0808E片ADC0808 芯片ADC 0808和 ADC 0809除精度略有差别外 （前者精度为 8位、后者精度为

19、7 位），其余各方面完全相同。它们都是CMO器件，不仅包括一个8位的逐次逼近 型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑， 因而有 理由把它作为简单的“数据采集系统” 。利用它可直接输入 8个单端的模拟信号 分时进行 A/D 转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。1）主要技术指标和特性（ 1）分辨率： 8 位。（2）总的不可调误差： ADC0808为土 1/2LSB,ADC 0809 为土 1LSB（3）转换时间： 取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHZ寸，TCONV=12j8s。（ 4）单一电源： +5V。（5）模拟输入电压范围： 单极性05V;双

20、极性土 5V, ± 10V（需外加一定 电路）。（ 6）具有可控三态输出缓存器。（7）启动转换控制为脉冲式 （正脉冲），上升沿使所有内部寄存器清零，下 降沿使 A/D 转换开始。（ 8）使用时不需进行零点和满刻度调节。2）内部结构和外部引脚ADC0808/0809的内部结构和外部引脚分别如图 2-5和图2-6所示。内部各 部分的作用和工作原理在内部结构图中已一目了然， 在此就不再赘述， 下面仅对 各引脚定义分述如下：图2-5 ADC0808/0809内部结构框图（1） IN0来选通一路。HN7 8路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA ADDB ADDC（2） D7D0A/D转换后的

21、数据输出端，为三态可控输出，故可直接和 微处理器数据线连接。8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位。（3）ADDA ADDB ADD模拟通道选择地址信号， ADDA为低位，ADDC为高位。地址信号与选中通道对应关系如表1所示。（4） VR（+）、VR（-）正、负参考电压输入端，用于提供片内 DAC电阻网 络的基准电压。在单极性输入时，VR（+）=5V, VR（-）=0V；双极性输入时，VR（+）、 VR（-）分别接正、负极性的参考电压。表1地址信号与选中通道的关系选中通道ADDADDADD000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7图2-6

22、 ADC0808/0809外部引脚图（5） ALE地址锁存允许信号，高电平有效。当此信号有效时， A、B、C 三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。在使用时，该信号常和 START 信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动 A/D转换。（6）STAR A/D转换启动信号，正脉冲有效。加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿开始A/D转换。如正在进行转换时又接到新的启 动脉冲，则原来的转换进程被中止，重新从头开始转换。（7） EOC转换结束信号，高电平有效。该信号在A/D转换过程中为低电 平，其余时间为高电平。该信号可作为被 CPU查询的状态信号，也可作为对 CPU 的中断请求信号

23、。在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC也可作为 启动信号反馈接到START端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。（8） 0输出允许信号，高电平有效。当微处理器送出该信号时， ADC0808/0809的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。在中断 工作方式下，该信号往往是 CPU发出的中断请求响应信号。3）工作时序与使用说明ADC 0808/0809的工作时序如图2-7所示。当通道选择地址有效时， ALE信 号一出现，地址便马上被锁存，这时转换启动信号紧随 ALE之后（或与ALE同时） 出现。START勺上升沿将逐次逼近寄存器 SAR复位，在该上升沿之后的2卩s加8个时钟周

24、期内（不定），EOC信号将变低电平，以指示转换操作正在进行中，直到 转换完成后EOCS变高电平。微处理器收到变为高电平的EOC言号后，便立即送 出OE信号，打开三态门，读取转换结果。图2-7 ADC 0808/0809工作时序模拟输入通道的选择可以相对于转换开始操作独立地进行（当然，不能在转 换过程中进行），然而通常是把通道选择和启动转换结合起来完成 （因为 ADC0808/0809的时间特性允许这样做）。这样可以用一条写指令既选择模拟通道 又启动转换。在与微机接口时，输入通道的选择可有两种方法， 一种是通过地址 总线选择，一种是通过数据总线选择。如用EOC言号去产生中断请求，要特别注意EOC

25、勺变低相对于启动信号有2 卩s+8个时钟周期的延迟，要设法使它不致产生虚假的中断请求。为此，最好利 用EOC上升沿产生中断请求，而不是靠高电平产生中断请求接口电路的设计ADC0808f AT89C51采用中断方式。由于ADC0808片内有三态输出锁存器， 因此可以直接与AT89C51接口。这里将ADC0808作为一个外部扩展并行I/O 口， 采用先选法寻址。由控制启动转换信号端（START，三位地址线加到ADC0808 的ADDA ADDB ADDC端。当启动 ADC0808寸，先送通道号地址至U ADDA ADDB 和ADDC锁存通道号并启动A/D转换。A/D转换完毕，EOC端置1,然后使O

26、E 端有效，打开输出锁存器三态门，8位数据便读入到单片机中。接口电路原理图2-8所示：图2-8 ADC0806接口电路原理图驱动与显示电路74LS245的原理74LS245为8路通向三态双向总线收发器，可双向传输数据。16个三态门每 两个三态门组成一路双向驱动。驱动方向由'，DIR两个控制端控制，控制端 控制驱动器有效或高阻态，在一；控制端有效（'=0）时，DIR控制端控制驱动器 的驱动方向即：DIR=0信号由B A; DIR=1信号由 LB传输。在；=1时，A、B为高阻状态。74LS245的管脚图如图2-9所示：图2-9 74LS245 引脚图74LS245驱动电路当数码管显

27、示时，由于单片机的驱动能力达不到数码管的驱动电流， 有时工 作不稳定，因此需要一个驱动电路，使数码管显示电路，如下图 2-10所示。本 电路用74LS24516个三态门每两个三态门组成一路双向驱动。通过单片机输送过来的信号 有74LS245进行驱动，由数码管进行显示。图2-10 74LS245驱动电路与数码管连接图电源电路的设计电源电路设计图如所示：图2-11 电源电路的设计图原理图图 2-12 原理图第三章软件设计总体流程图主程序模块主程序主要完成定时器初始化和 A/D转换模拟值通道口选定，调用显示子程 序等。主程序的流程图如图3-1所示：初 始化子程序A/D转换子程序ADC080I8的输入

28、模拟电压进行 A/D转换，并将转换的A/D转换子程序用于对数值存入8个相应的存入单元中换模拟值通转口选定程序每隔一定时间调用一次，即每 隔一段时间对输入电压采木显示子程序逹数码管的数值显示。LED数码管采用软多路显示子程序采用动态扫件译码动态扫描方式。在显示子程序中包含多路循环显示和单路显示程序。 循环显示把8个存储单元的数值依次取出送到 4位数码管上显示。每一路显示1秒，单路显示程序只对当前选中的一路数据进行显示。 每路数据显示时需经过转 换变成十进制BCD码，放于4个数码管的显示缓冲中。单路显示或多路显示通过 标志位控制。在显示控制程序中加入了对单路或多路循环按键和通道选择按键判 断。第四

29、章 调试及仿真程序代码#include<>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int unsigned char code tab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uchar code tab1=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;uchar dis_buf4;sbit ST=P3A0;sbit 0E=P3A1；sbit EOC=P3A2;sbit CLK=P3A3；sbit P20=P2A0；sbit P21=P2A1；sbit P22=P2A2；

30、sbit P23=P2A3；sbit AA=P3A5；sbit BB=P3A6；sbit CC=P3A7；void delay()/ 延时函数uchar t； for(t=0；t<250；t+)；void display() uchar j； for(j=0；j<4；j+)P1=tabdis_bufj；P2=tab1j；delay()；P2=0xff；void t1() interrupt 1 /定时器中断服务函数；作用：产生CLK信号TH0=(65536-200)/256； TL0=(65536-200)%256；CLK=CLK；void main()/ 主函数uchar sj=

31、0,ge=0,shi=0,bai=0,qian=0;uint temp;TMOD=0x01;TH0=(65536-200)/256; 定时时间为,亦即CLK周期为 TL0=(65536-200)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;while(1)AA=0;/ 选择通道 0 BB=0;CC=0;ST=0;/ 关闭转换OE=0;关闭输出ST=1;/ 开启转换ST=0;/ 关闭转换while(EOC=0);/ 判断是否转换结束 :是则执行以下语句 ,否则等待 O E =1 ; /开启数据输出允许 sj=P0;/ 将数据取走 , 存放在变量 sj 中OE=0;/关闭输出temp=sj;/ 电压

32、值转换 ,5V 作为参考电压 , 分成 256份 qian=temp/1000; / 个位 bai=(temp-qian*1000)/100;/ 十位 shi=(temp-qian*1000-bai*100)/10;/ 百位 ge=temp-qian*1000-bai*100-shi*10;/ 千位 dis_buf0=ge;dis_buf1=shi;dis_buf2=bai; dis_buf3=qian; display();OE=0; 仿真结果图 4-1 仿真结果图数据分析由外部传感器检测压力， 数码显示管显示范围为 0255, 本次课程设计用滑动 变阻器代替外部传感器， 将滑动变阻器平均分成 266份，通过上调或下调压力同 步改变压力值，得到仿真结果。例如测05V电压：当外部传感器检测到压力，为显示相应电压（电压显示范围为05V）,因数码管显示范围为 0255，根据数码管显示的值可以求得相应电压的变化，结合压 力检测传感器的参数可得到