51单片机的压力传感器毕业设计

1、学习数学是为了探索宇宙的奥秘。如所知，星球和地层、热和电、变异和存在的规律，无不涉及数学真理。如果说语言反映和揭示了造物主的心声，那么数学就反映和揭示了造物主的智慧，并且反复地重复着事物如何变异为存在地故事。数学集中并引导我们地精力、自尊和愿望去认识真理，并由此而生活在上帝地大家庭中。正如文学诱导人们地情感和了解一样，数学则启发人们地想象和推理。毕业任务书一、题目智能压力传感器系统设计二、指导思想和目的要求培养学生综合运用所学职业基础知识、职业专业知识和职业技能提高解决实际问题的能力从而达到巩固、深化所学的知识和技能；培养学生建立正确的科学思想培养学生认真负责、实事求是的科学态度和严谨求实作风

2、；培养学生调查研究收集资料熟悉有关技术文件锻炼学生的科研工作能力和培养学生的团结合作攻关能力三、主要技术指标培养学生综合运用所学职业基础知识、职业专业知识和职业技能提高解决实际问题的能力从而达到巩固、深化所学的知识和技能；培养学生建立正确的科学思想培养学生认真负责、实事求是的科学态度和严谨求实作风；培养学生调查研究收集资料熟悉有关技术文件锻炼学生的科研工作能力和培养学生的团结合作攻关能力三、主要技术指标本设计主要设计一个智能压力传感器的设计要求如下：被测介质：气体、液体及蒸气量程：OPa?500pa综合精度：土0.25%FS供电：24VDe（12?36VDC介质温度：-20?150C环境温度：

3、-20?85C过载能力：150%FS响应时间：w10mS稳定性：疝0.15%FS/年能实时显示目标压力值和保存参数并能和上位机进行通信并具有较强的抗干扰能力所需要完成的工作：1?系统地掌握控制器的开发设计过程相关的电子技术和传感器技术等进行设计任务和功能的描述；进行系统设计方案的论证和总体设计；从全局考虑完成硬件和软件资源分配和规划分别进行系统的硬件设计和软件设计；进行硬件调试软件调试和软硬件的联调；查阅到15篇以上和题目相关的文献按要求格式独立撰写不少于15000字的设计说明书及1.5万（或翻译成3000中文后至少在字以上）字符以上的英文翻译四、进度和要求第01周-第02周：查阅相关资料并完

4、成英文翻译；第03周-第04周：进行市场调查给出系统详细的设计任务和功能进行系统设计方案的论证和总体设计；第05周-第07周：完成硬件电路设计并用PROTE画出硬件电路图；第08周-第10周：完成软件模块设计和调试；第11周-第12周：进行硬件调试软件调试和软硬件的联调；第13周-第14周：撰写毕业设计论文；五、主要参考书及参考资料单片机原理及使用张鑫等电子工业出版社MCS51单片机使用设计张毅刚等哈尔滨工业大学MCS51系列单片机实用接口技术北京航天航空大学PROTEL2004电路原理图及PCB设计清源科技机械工业出版社基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究曹卫芳山东科技大学2005

5、.5单片机使用技术选编何立民北京航空航天大学出版社2000检测技术和系统设计张靖等中国电力出版社2001摘要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过程的控制具有非常重要的意义本设计主要通过单片机及专用芯片对传感器所测得的模拟信号进行处理使其完成智能化功能介绍了智能压力传感器外围电路的硬件设计并根据硬件进行了软件编程本次设计是基于AT89C51单片机的测量和显示是通过压力传感器将压力转换成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转换成LED显示器可以识

6、别的信息最后显示输出而在显示的过程中通过键盘向计算机系统输入各种数据和命令让单片机系统处于预定的功能状态显示需要的值本论文根据压力传感器零点补偿和非线性补偿原理设计出了测量压力传感器的硬件使用单片机技术测量电路简单成本低使用面广但是由于自身的稳定性其测量结果仍存在误差关键词：压力；AT89C51单片机；压力传感器；A/D转换器；LCD显示；AbstractPressureisoneoftheimportantparametersintheprocessofindustrialproduction.Pressuredetectionorcontrolisanessentialcondiprodu

7、ctionandtheequipmenttosafelyoperatingwhichisofgreatsignificanee.Thesingle-chipisinfiltratingintourlivessoitisverydifficulttofindtheareainwhichthereisnotracesofsingle-chipmicrocomputer.Inthisgraduationdesignprimarilythroughbyusingsingle-chipanddedicatedchiphandlingofanalogsignalmeasuredbythesensortoc

8、ompleteintelligentfunction.Thisdesignillustratesexternalhardwarecircuitdesignofintelligentpressuresensorandconductsoftwaredevelopmenttothehardware.ThedesignisbasedonmeasurementanddisplayofAT89C51single-chip.Thisisthepressuresensorswillconvertthepressureintoelectricalsignoperationalamplifierthesignal

9、isamplifiedandtransferredtothe8-bitA/Dconverter.Thentheanalogsignalisconvertedintodigitalsignalswhichcanbeidentifiedbysingle-chipandthenconvertedbysingle-chipintotheinformationwhichcanbedisplayedonLEDmonitorandfinallydisplayoutput.Inthecourseofshowthroughthekeyboardtoinputallkindsofdataandcommandsin

10、tothecomputerthesingle-chipwilllocateinapredeterminedfunctionsteptodisplayrequiredvalues.InadditionbasedsensorthermaldriftandnonlinearityprinciplethispaperhasdesignedIntelligentsensorhardwarecircuitandeditedaC51Program.Thecircuitwithmicro-Processissimpleandcheapthoughtheresulthasstillalittleerror.Ke

11、ywords:pressure;AT89C51single-chip;A/Dconverter;LCDmonitor;目录第一章绪论11.1前言11.2选题的背景和意义11.3智能压力传感器的发展方向21.4本文研究的内容3第二章系统总体方案设计42.1系统任务描述42.1.1控制系统要求42.1.2主要仪器的选择42.2系统总体设计62.2.1系统组成62.2.2基于单片机的智能压力检测的原理6第三章压力传感系统硬件设计73.1压力传感器73.1.1金属应变片的工作原理73.1.2电阻应变片的基本结构83.1.3电阻应变片的测量电路83.1.4电桥电路的工作原理93.1.5非线性误差及温度补

12、偿103.2信号放大电路113.2.1三运放放大电路113.3A/D转换器12A/D转换器的简介12pressuresensor;3.3.2配置位说明13333工作时序图1415334单片机对ADC0832的控制原理3.4单片机17AT89C51单片机简介173.4.2主要特性173.4.3管脚说明183.4.4振荡器特性193.4.5芯片擦除203.5液晶屏LCD简介203.5.1液晶显示器原理203.5.2液晶显示器分类203.5.3字符的显示213.5.4LM016L引脚功能说明213.6报警模块22第四章软件设计234.1系统的主程序23A/D转换器的软件设计25ADC0832芯片接口

13、程序的编写25LCD数码管显示程序设计27LM016LCD的RAM地址映射及标准字库表27第五章PROTEUS仿真调试295.1仿真软件了解295.1.1proteus软件介绍295.1.2protuse功能和特点295.2本次设计仿真过程30创建原理图305.2.2绘制仿真原理图305.2.3系统调试31开始仿真31第六章总结336.1设计总结336.2展望和不足34致谢35参考文献36附录一PROTEL图37附录二源程序38第一章绪论1.1前言在信息高速发展的今天传感器检测系统的智能化和集成化成为其发展的两个重要方向而传感器检测系统智能化和集成化的程度主要取决于和之相结合的微处理器的性能具

14、有数据处理能力能够进行自动检测、自动校准、自动误差补偿、自动抽样、以及标度变换功能的智能压力传感器检测系统已成为国内外开发和研究的热点传感器技术是现代测量和自动化技术的重要技术之一从宇宙探索到海洋开发从生产过程的控制到现代文明生活几乎每一项现代科学技术都离不开传感器在工业、农业、国防、科技等各个领域传感器技术都得到了广泛的使用并展现出极其广阔的前景因此许多国家对传感器技术的发展十分重视例如在日本传感器技术被列为六大核心技术（传感器、通信、激光、半导体、超导和计算机）之一并且是将传感器列为十大技术之首；美国将90年代看作是传感器时代将传感器技术列为90年代22项关键技术之一我国对传感器的研究也有

15、二十多年的历史并取得了很大的成就目前在"科学技术就是第一生产力”的思想指引下各项科学技术取得了突飞猛进的发展传感器技术也越来越受到各方面的重视虽然在某些方面已赶上或者接近世界先进水平但是从总体来看和国外传感器技术的发展相比我国对传感器技术的研究和生产还比较落后现正处于方兴未艾的阶段由于智能传感器系统的研究起步较晚其理论和实践远未成熟离实际使用需求差距很大尤其是用于压力测量的高性能、小体积、低成本智能压力传感器系统更是有待于进一步开发因此研究开发高性能的智能压力传感器系统对于促进信息技术及自动化技术的发展、提高设备的性能及自动化水平具有不可低估的意义1.2选题的背景和意义近年来随着微型

16、计算机的发展他的使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使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是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智能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再经过运算放大器进行信号放大送至8

17、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LCD显示器可以识别的信息最后显示输出基于单片机的智能压力检测系统选择的单片机是基于AT89C51单片机的测量和显示将压力经过压力传感器变为电信号再通过三运放放将电信号放大为标准信号为0-5V的电压信号然后进入A/D转换器将模拟量转换为数字量我们所采样的A/D转换器为ADC0832ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片其最高分辨可达256级可以适应一般的模拟量转换要求其内部电源输入和参考电压的复用使得芯片的模拟电压输入在05V之间芯片转换时间仅为32PS据有双数据输出可作为数据校验以减少数据误差转换速度快且稳定性能强独

18、立的芯片使能输入使多器件挂接和处理器控制变的更加方便通过DI数据输入端可以轻易的实现通道功能的选择正常情况下ADC0832和单片机的接口应为4条数据线分别是CSCLKDODI但由于DO端和DI端在通信时并未同时有效并和单片机的接口是双向的所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用为了提高单片机系统I/O口线的利用效率利用单片机AT87C51的串行口和液晶显示屏LM016L来显示.1.3智能压力传感器的发展方向1）向高智能高精度发展：随着自动化生产程度的不断提高对传感器的要求也在不断提高必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性目前能生产

19、精度在万分之一以上的传感器的厂家为数很少其产最也远远不能满足要求向高可靠性、宽温度范围发展：传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向提高温度范围历来是大课题大部分传感器其工作范围都在一20C70C在军用系统中要求工作温度在一40OC85OC范围而汽车锅炉等场合要求传感器工作在一20OC1200C在冶炼、焦化等方面对传感器的温度要求更高因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途向微型化发展：各种控制仪器设备的功能越来越人要求各个部件体积能占位置越小越好因而传感器本身体积也是越小越好这就要求发展新的材料及加工技术目前利用硅材料制作的传感器体积

20、己经很小如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的体积较大、稳定性差、寿命也短而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好高智能化：将压力传感器和单片机联系在一起使其能够在实际使用中能更好地实现人机互换交流增加仪器的数字化和智能化1.4本文研究的内容研究开发一个智能压力传感器要实现的主要目标是：系统地掌握单片机的开发设计过程相关的电子技术和传感器技术等进行设计任务和功能的描述进行系统设计方案的论证和总体设计从全局考虑完成硬件和软件资源分配和规划分别进行系统的硬件设计和软件设计进行硬件调试软件调试和软硬件的联调第二章系统总体方案设计2.1系统任务描述该系统的任

21、务是能够测量出被测物的压力并能实时显示目标压力值和保存参数并能和上位机进行通信并具有较强的抗干扰能力2.1.1控制系统要求该控制系统要求满足以下几点要求：被测介质：气体、液体及蒸气量程：OPa?500pa综合精度：土0.25%FS供电：24VDe(12?36VDC介质温度：-20?150C环境温度：-20?85C当压力超过一定范围是可以报警能实时显示目标压力值和保存参数并能和上位机进行通信并具有较强的抗干扰能力2.1.2主要仪器的比较选择1、压力传感器的选择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

22、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、容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使用最广泛的传感器之一电阻应变式传感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各种参数2、放大器的选择被测的非电量经传感器得到的电信号幅度很小无法进行A

23、/D转换必须对这些模拟电信号进行放大处理为使电路简单便于调试本设计采用三运算放大器因为在具有较大共模电压的条件下仪表放大器能够对很微弱的差分电压信号进行放大并且具有很高的输入阻抗这些特性使其受到众多使用的欢迎广泛用于测量压力和温度的应变仪电桥接口、热电耦温度检测和各种低边、高边电流检测3、A/D转换器的选择目前单片机在电子产品中已得到广泛使用许多类型的单片机内部已带有A/D转换电路但此类单片机会比无A/D转换功能的单片机在价格上高几元甚至很多我们采用一个普通的单片机加上一个A/D转换器实现A/D转换的功能这里A/D转换器可选ADC0832ADC0809等；串行和并行接口模式是A/D转换器诸多分

24、类中的一种但却是使用中器件选择的一个重要指标在同样的转换分辨率及转换速度的前提下不同的接口方式会对电路结构及采用周期产生影响对A/D转换器的选择我们通过比较ADC0809和ADC0832来决定这两个转换器都是常见的A/D转换器其中ADC0809的并行接口A/D转换器ADC0832是串行接口A/D转换器我们所做的设计选择ADC0832A/D转换在单片机接口中使用广泛串行A/D转换器具有功耗低、性价比较高、芯片引脚少等特点4、主控制器的选择单片机是一种在线式实时控制计算机在线式就是现场控制需要的是有较强的抗干扰能力较低的成本这也是和离线式计算机的（比如家用PC的主要区别它拥有基于复杂指令集（CIS

25、C）的单片机内核虽然其速度不快12个振荡周期才执行一个单周期指令但其端口结构为准双向并行口可兼有外部并行总线故使其扩展性能非常强大51的内部硬件预设可用特殊功能寄存器对其进行编辑2.1.3总体方案的选择经过上述总结本设计采用89C51单片机作为控制芯片采用电阻应变片压力传感器采集压力信号通过压力传感器将采集的压力信号转换成和之对应的电信号经过ADC0832放大处理通过89C51在LCD屏幕上显示压力数据在超过压力限制时由蜂鸣器报警2.2系统总体设计2.2.1系统组成图2.1智能压力传感器原理方框图2.2.2基于单片机的智能压力检测的原理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

26、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LCD进行显示我们这次主要做的是A/D转换单片机和显示我们选用的A/D转换器是ADC0832单片机为AT89C51显示为液晶显示LCD根据硬件电路编程调试出来并显示结果第三章压力传感系统硬件设计3.1压力传感器3.1.1金属应变片的工作原理应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号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使用最多的是金属电

27、阻应变片和半导体应变片两种金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔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电阻上的电压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处理电路(通常是A/D转换和CPU显示或执行机构其阻值随压力所产生的应变而变化金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象俗称为电阻应变效应对于金属导体一段圆截面的导线的金属丝设其长为L截面积为A(直径为D)原始电阻为R金属导体的电阻值可用下式表示：R=pL/A(3.1)式中：p-金属导体的电阻率(Q?cm2/m)S-导体的截面积(cm2)L-导体的长度(m当金属丝受到轴向力F而被拉伸或压缩产生形变其电阻值会随之变化通过对(3.1)式两边取对数后再取全微分得：(3.2)式中为材料轴向线应变且跟据材料力学在金属丝单向受力状态下有(3.3)式中