利用晶体的压电效应设计高压锅电控式安全阀-雨

1、目录摘要IIIAbstractIV第一章绪论 .11.1课题背景 .11.2研究的意义 .1第二章传统的高压锅的安全阀 .22.1高压锅的原理 .22.2高压锅的安全阀的工作原理 .3第三章压电式传感器 .63.1传感器的定义 .63.2传感器的原理 .63.3压电传感器的定义 .73.4压电效应分类 .73.4.1正压电效应 .73.4.2逆压电效应 .73.5无机压电材料 .83.6有机压电材料 .93.7压电传感器的应用 .103.8影响压电传感器工作性能的主要原因 .103.8.1横向灵敏度 .113.8.2环境温度和湿度 .113.8.3安装差异及基座应变 .113.8.4噪声 .1

2、2第四章整体方案设计 .134.1硬件介绍 .134.1.1压电传感器 .134.1.2前置放大器 .144.1.3单片机 .154.1.4电磁阀 .174.1.5蜂鸣器 .184.2电路的总体设计.184.2.1时钟电路调制 .204.2.2复位电路设计 .20第五章设计 .225.1Proteus简介 .225.2Proteus作用 .225.3主程序结构.24第六章系统设计总结 .25参考文献 .26附录一 .27附录二 .29致谢 .30利用晶体的压电效应设计高压锅的电控式安全阀摘要家庭用的高压锅普遍采用机械式安全阀，从设计上讲这种安全阀的安全系数还是很高的。但偶尔也有介绍高压锅在使用

3、中伤人的事故，究其原因显然是消费者在使用时未按说明书的规定认真核查安全阀的通气状况，一时疏忽大意后造成的。发现引起此类事故的消费者大多是老年人或者是低安全意识人群，为了有效避免这种由人为的安全事故，本课题模拟考虑在原有机械式安全阀的“式安全控制”基础上，利用晶体的压电效应设计一套“主动式”的电控安全阀。以提高高压锅的安全系数。本文通过先对高压锅的原理和安全阀的介绍，再对硬件的选择，写出总的电路图，再设计程序。硬件电路中单片机起控制作用，它相当于人的大脑；压电传感器进行压强，把到的压强放大送到单片机中，单片机进行判断，根据判断的结果控制相应引脚输出高电平或低电平。继电器用来放大单片机输送出来的信

4、号，驱动电磁阀的工作。蜂鸣器用来当压强过高时发出响声；当压强高于 170000pa，蜂鸣器发出声音并且断开电磁阀关闭煤气。：高压锅;压电传感器;主动式电控安全阀Using Crystal Piezoelectric Effects Of Electric Safety ValveDesign Prere CookerAbstractWidely used home with mechanical safety valve, prere cooker from design sense thesafety factor of the ref was very high. But occaally

5、 a media prere cooker in useexploroduced often accident, investigate its reason is obviously consumers when useaccording to the provis of the specification without verification of the ref valveearnestly, temporary careleess ventilatory sus after creates. The survey found mostcaused such accident is

6、the elderly or the consumer is low safety consciousness crowd, inorder to effectively avoid this caused by man-made factors, this topic simulation safe accidentof the ref valvehe original mechanical consider passive safety control basis, usingcrystal piezoelectric effect design a set of active elect

7、ric control valve. In order to improvethe safety factor of the prere cooker. This prly the principle and the ref valveprere cooker androduced the selection of hardware, then, write general diagram, againdesign program. Hardware circuit single-chipputer controlling role it playsequivalent peoples bra

8、ins; Piezoelectric sensors for gathering to prere collection, theprere of single-chip microcontroller to enlarge, judgement, according to the result ofcorresponding judgement control output pins high level or the low level. Relay used tolify the signal transmisout microcontroller solenoid valve, dri

9、ve. When prere ishigh buzzer to send out sound alarm; When prere is highern 150000pa buzzer soundalarm, and disconnecectromagnetic valve shut gas.Keywords: no-air glass; Piezoelectric sensors; Active control valve第一章绪论1.1课题背景高压锅亦称“压力锅”,是一种新型炊具,它具有省、省时间之特点.用高压锅蒸出来的米饭松软爽口,做出的鱼、肉菜肴肉烂骨酥。但也存在致命的缺陷长期使用有的性

10、，特别是那些还在“超龄服役”的老高压锅。偶尔也有介绍高压锅在使用中伤人的事故，究其原因显然是消费者在使用时未按说明书的规定认真核查安全阀的通气状况，一时疏忽大意后造成的。发现引起此类事故的消费者大多是老年人或者是低安全意识人群。有数据统计，压力锅的几率在万分之四点二，这在很大程度上影响了消费者和使用的信心。基于安全方面的考虑，人们迫切的需要更高效安全的产品。所以，高效安全的高压锅的研发已迫在眉睫。1.2研究的意义本课题拟在原有高压锅机械式安全阀的基础上，另外设计一套“主动式”的电控安全阀，以提高家庭用高压锅的安全系数。减少高压锅事故的发生，改变人们对高压锅安全观念。开拓高压锅的商机。传统高压锅

11、物美价廉，经济实用，再加一个一个安全装置，就更加的如虎添翅，一定能在市场上占有应有的份额。本课题的主要意义就在于随所学的知识进行很好的应用，并且使加深对压电效应的理解和学会利用高级语言在 Keil 下对单片机进行编程、使用 Protues 对原理图的设计及仿真应用等知识良好应用到毕业设计中，提高的的实际工作技能。第二章传统的高压锅的安全阀世界上第一只高压锅是在 1681 年发明的，发明人是法国的医生兼物理学家和机械师丹尼斯帕平。那时高压锅做得十分坚固，锅盖是铁制的，份量很重，紧紧地盖在锅上。锅的罩了一层金属网，以防意外。锅本身有两层，摆有内锅，要煮的食物就放在内锅里。加热以后，蒸汽跑不出来，锅

12、内气压升高，水的沸点也升高了，食物就熟得快了。帕平在英国的时候，曾用他的高压锅作了一次表演。据在场的人记载，在帕平的高压锅里，就是坚硬的骨头，也变得象乳酪一样柔软。 现今，在我国的许多家庭都用上了“高压锅”，用这种锅做饭熟得快，很省时间。特别是在海拔高度很高的地区生活，煮饭必须用“高压锅”。因为高度越高，气压越低，水的沸点也降低。据测定在海拔 6000 米的地方，水的沸点只有 80左右。在这里用普通锅是很难把饭煮，所以，必须用高压锅来提高水的沸点。2.1高压锅的原理高压锅1的原理很简单，因为水的沸点受气压影响，气压越高，沸点越高。在高山、高原上，气压不到 1 个大气压，不到 100水就能沸腾，

13、鸡蛋是用普通锅具是煮不。在气压大于 1 个大气压时，水就要在高于 100时才会沸腾。人们现在常用的高压锅就是利用这个原理设计的。高压锅把水相当紧密地封闭起来，水受热蒸发产生的水蒸气不能扩散到空气中，只能保留在高压锅内，就使高压锅的气压高于 1 个大气压，也使水要在高于 100时才沸腾，这样高压锅就形成高温高压的环境，饭就容易很快做熟了。当然高压锅内的压力不会没有限制，不然就会。图 2.1 压强与温度的关系图高压锅通常是在原有的大气压强下，增加 40-70kpa 的压强，所以就定出极限压强为 170kpa。超过这一个压强就可以认为是的压强，就要关闭煤气的输送和了。2.2高压锅的安全阀的工作原理大

14、家对压力是很熟悉的，每天都处在大气的重压之下。只是由于体内空气的平衡作用，所以对此没感觉。在的日常生活和工业生产中，压力给我们带来了很大的方便。例如大家熟悉的高压锅，它可以在很短的时间内，把喜欢吃的排骨炖烂；工业上常用的锅炉，利用锅炉中的压力可以使蒸汽输送到很远的地方。但是压力的大小对安全。如果没有合理的安全保护，压力过大就会发生类似、毒气等的事故。压力就会从一个天使变成了。为了防范压力的危害，人们在需要高压的设备上设计了很多自动安全装置。安全阀用在受压设备、容器或管，作为超压保护装置。当设备、容器或管路内的压力升高超过允许值时，阀门自动开启，继而全量排放，以防止设备、容器或管路内的压力继续升

15、高；当压力降低到规定值时，阀门应自动及时关闭，从而保护设备、容器或管路的安全运行。安全阀可以由阀门进口的系统压力直接驱动，在这种情况下是由弹簧或重锤提供的机械载荷来克服作用在阀瓣下方的介质压力。它们还可以由一个机构来先导驱动， 该机构通过或施加一个关闭力来使安全阀开启或关闭。因此按照上述驱动模式将安全阀分为直接作用式和先导式。安全阀可以在整个开启高度范围或在相当大的开启高度范围内比例开启，也可能仅在一个微小的开启高度范围内比例开启，然后突然开启到全开位置。因此，可以将安全阀分为比例式和全启式。 安全阀的结构、应用和公称通经的确定应受到规范的约束，或者应得到法定机关的同意。在不同的规范之间，其约

16、束条款以及有关定义可能不同。在应用安全阀时，必须遵循其适用规范的要求。在工业生产中，一般使用可调重锤式安全阀。它的重锤就像一个秤砣。可以改变重锤大小和改变力矩长度来改变压强的大小。把重锤挂在横杆上，杆的支点在最左端，中间是锅炉的排气孔。当压力过高的时候，蒸汽把横杆连同重锤顶起来，一时锅炉内的蒸汽排除压力下降。而且可以通过调节重锤离左端的距离来改变所限制的压力值。图2.2 可调重锤式安全阀在家用中，一般都是使用不可调重锤式安全阀。它的重锤是固定质量，也是不可以改变力矩的。大家一定在厨房里见到过这样的场景吧，从高压锅的一个小孔处，蒸汽不停地在向外冒。并且伴随着哨声。这个小孔就是排气孔。排气孔与一个

17、阀门配合使用。这个阀门就是为了控制压力而设计的，它的名字就叫重锤式安全阀。安全阀上有一个重锤，它平时压在高压锅的排气孔上，当高压锅内的压力达到一定的压力值，由于压力的作用，重锤被抬起。蒸汽从排气孔中排除，以使高压锅内的压力下降到安全值范围内。图2.3 高压锅的安全阀限压阀（限压装置）的作用：在烹调过程中，锅内压力达到工作压力时，限压阀通过排气孔排气工作，使锅内压力保持在一定的范围内，达到烹调的目的。安全阀的作用：在烹调过程中，由于限压阀排气管堵塞，造成锅内压力过高，这时通过安全阀排气，以保证压力锅的安全。仅仅有了安全阀，压力设备并不是就绝对安全了。如果在烹饪东西时，某一些东西不慎堵住限压阀排气

18、管，就会使压强增大，达到一定程度的话，就会。产生安全事故。了为了保证万无一失，人们采用了双保险。通常在压力设备上还安装有一个保险片。它是由易熔的金属片做成。当安全阀由于故障失灵的时候，过大的压力会把保险片冲开，防止事故的发生。如果锅内的水分被蒸干，锅内温度的升高，会把金属片熔化掉也可以起到安全作用。在很多压力容器上都安装有防爆片，它的作用类似于高压锅上的保险片。当压力超过一定值时，防爆片就会自毁而保证容器的安全。安全阀是可以重复使用的装置，每次压力超过一定值时起作用，当压力下降的时候，安全阀复位。但是保险片和防爆片起作用后就会毁坏，需要更换新的才可以，十分的麻烦。所以现在就利用晶体的压电效应设

19、计一套“主动式”的电控安全阀进一步提高高压锅的安全系数十分必要的。在高压锅盖内壁上装一个传感器，其工作不受限压阀排气管堵塞的影响。可以感受锅内压强的大小，把到的压强输送到放大器中，再放大输送都单片机中进行控制。从而提高了高压锅的安全系数。虽然有各种安全装置的保护，压力装置也并不是绝对安全的。在使用过程中，还是要求使用者有足够的安全意识，不能把安全问题完全留给自动装置来保证。只有人和自动装置共同防范事故的发生，才能够安全地使用压力装置。第三章压电式传感器3.1传感器的定义GB7665-87对传感器2下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元

20、件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、显示、和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。3.2传感器的原理传感器工作原理3的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。向传感器提供15V 电源，激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz 的方波，经过 TDA2030功率放大器即产生交流激磁

21、功率电源，通过能源环形变压器 T1从的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到5V 的直流电源，该电源做运算放大器 AD822的工作电源；由基准电源AD589与双运放 AD822组成的高精度稳压电源产生4.5V 的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及 V/F 转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的 mV 级的应变信号通过仪表放大器 AD620放大成1.5v1v 的强信号，再通过 V/F 转换器 LM131变换成频率信号，通过信号环形变压器 T2从旋转的初级线圈传递至次级线圈，再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即到与弹性轴承受的扭矩成正比

22、的频率信号，该信号为 TTL 电平,既可提供给二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动-静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的，因此具有很强的能力。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。3.3压电传感器的定义某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压

23、电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器4。3.4压电效应分类压电效应可分为正压电效应和逆压电效应5。3.4.1正压电效应当晶体受到某固定方向外力的作用时,就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。图 3.1 正压电效应在

24、这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的电荷 Q，且其电位移 D(在 MKS制中即电荷密度 )与外应力张量 T 成正比：或（3.4.1）式中d压电常数矩阵。当外力，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。3.4.2逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型 5 种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这 5 种状态下产生压电效应。例如石

25、英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。这里再介绍一下电致伸缩效应。电致伸缩效应，即电介质在电场的作用下，由于感应极化作用而产生应变，应变大小与电场平方成正比，与电场方向无关。压电效应仅存在于无对称中心的晶体中。而电致伸缩效应对所有的电介质均存在，不论是非晶体物质，还是晶体物质，不论是中心对称性的晶体，还是极性晶体。在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。图 3.2 正压电效应和逆压电效应在晶体两侧加以一定频率的高频

26、电压，晶体薄片就能准确而迅速地随着交变电场频率而周期性地改变其厚度（压缩与伸展）。由此形成超声振周围介质。3.5无机压电材料图3.3 压电材料分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电畴由自发极化方向反向平行的 180 畴和自发极化方向互相垂直的 90 畴组成，这些电畴在人工极化（施加强直流电场）条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤消外电场后保持剩余极化

27、强度，因此具有宏观压电性。如：钛酸钡 BT、锆钛酸铅 PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂 PBLN、改性钛酸铅 PT 等。这类材料的研制成功，促进了声换能器，压电传感器的各种压电器件性能的改善和提高。压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切

28、型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。近来由于铌镁酸铅 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3单晶体（Kp 90%, d3390010-3C/N, 20,000）性能特异，国内外上都开始这种材料的研究，但由于其居里点太低，离使用化尚有一段距离。3.6有机压电材料又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃等方面获得应用。之处是压电应变

29、常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。图3.4 换能器第三类是复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。3.7压电传感器的应用压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压

30、电式传感器也可以用来测量发燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。3.8影响压电传感器工作性能的主要原因压电传感器是以压电效应的压电器件为组成的传感器。由于压电效应具有自发电和可逆性， 因此压电器件是一种典型的双向有源传感器件。由于这种特性，压电器件已被广泛用于超声、通信、等领域，并与激光、红外等技术相结合，将成为发展新技术和

31、高科技的重要器件。基于压电效应的压电传感器，通常都需要接触测量，它的灵敏度、频率特性和重量，是衡量其工作性能的主要指标。影响压电传感器工作性能的很多，其中有系统，如传感器重量的负载影响，谐振频率、高低频响应相移的影响，以及横向灵敏度、安装差异和和某些温度影响等，也有随机的，如基座应变、声噪声、电磁场等。在此择其主要分析。3.8.1横向灵敏度横向灵敏度是衡量横向干扰效应的指标。一只理想的单轴压电传感器， 应该仅灵轴向的作用力，而对横向的作用力不敏感。如对压宿式压传感器轴线（受力向）完全一致。但实际的压电传感器由于压电切片、极化方向的偏差，压电片各作用面的粗糙度或各作用面的不平行，以及装配、安装不

32、精确等种种原因， 都会造成的压电传感器电轴 E 向与力轴 Z 向不重合。横向灵敏度用轴向灵敏度 Kz 的百分比表示，即定义为： 最大横向灵敏度= Ky/Kz100%=tan100% 和一般横向灵敏度 =Ky/Kz100%=tancos100%产生横向灵敏度的必要条件： 一是伴随轴向作用力的同时，存在横向力；二是压电元件本身具有横向压电效用消除横向灵敏度的技术途径一是从设计、工艺和使用诸方面确保力与电轴的一致；二是尽量采用剪切型力-电转换方式。一只较好的压电传感器，最大横向灵敏度不大于 5%。3.8.2环境温度和湿度环境温度对压电传感器工作性能的影响主要通过三个：压电材料的性能参数；某些压电材料

33、的热释点效应；传感器的结构。环境温度变化将使压电材料压电常数 d、介电常数 、电阻率 和弹性系数 k 等机电特性参数发生变化。d 和 k 的变化将影响传感器的输出灵敏度； 和 的变化导致时间常数 =RC 的变化，从而使传感器的低频响应变坏。在必须考虑温度尤其是高温对传感器低频特性影响的情况下， 采用电荷放大器将会得到满意的低频响应。环境湿度主要影响压电元件的绝缘电阻，使其绝缘电阻明显下降，造成传感器低频响应变坏。因此在高湿度环境工作的压电传感器， 必须采用高绝缘材料，并采取防潮湿的密封措施。3.8.3安装差异及基座应变在实际应用中， 压电传感器总是要通过一定的方式紧密安装在被测试件上进行接触测

34、量。由于传感器和试件都是质量-弹簧系统，通过安装连接后，两者都将互相影响原来固有的机械特性（固有频率）。因此，实际测量的频响上限，并不由传感器本身的固有频率 fn。而且，安装方式的不同，安装质量的差异，对传感器的频响特性影响很大。3.8.4噪声压电元件是高阻抗、小功率元件，极易受外界机、电振动引起的噪声干扰，其中主要有声场、电源和接地回路噪声等。压电传感器在强声中工作将受到声波激励而产生寄生电信号输出，谓噪声。例如，压电加速传感器常用声灵敏度（指 140dB 噪声引起的等效加速输出）ms-2/140dB 表示声噪声的大小。目前大多数压电传感器设计成基座和独立外科结构，声噪声影响极小。第四章整体

35、方案设计4.1 硬件介绍4.1.1压电传感器压电式力传感器型号:BHX1YFF5图 4.1 BHX1YFF5优点：传感器是利用石英晶体的纵向压电效应，将力转换成电荷的变换装置。传感器产生的电荷正比于被测外力，通过电荷放大器将电荷按比例转换成电压，用电压表或其他显示器读出其大小及变化。该类产品采用全密封结构，具有气密性好、强度高、刚性大、动态响应快等优点。最主要应用是动态力、准静态和冲击力的测量，也适用于振动设备的机械阻抗和力控振动试验，它还广泛用于劳保产品的检测、桩基的无损检测、地质勘部门电动力触探的测量等。参数：测量范围 KN:90尺 寸 D(mm):34分辨率 N:0.025d(mm):1

36、6灵敏度 PC/N:4H(mm):12非线性%F.S:1重 量 g: 60谐振频率 KHz:40材 料：不锈钢绝缘电阻 :1012使用温度：- 20200，工作压 06.4Mpa，完全能适应高压锅的环境需求4.1.2前置放大器增加信号幅度或功率的装置6，它是自动化技术工具中处理信号的重要元件。放大器的放大作用是用输入信号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供。由于传感器传输过来的信号过弱，需要对信号进行放大。ICL7650 是ersil 公司利用动态校零技术和 CMOS 工艺制作的斩波稳零式高精度运放,它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等

37、优点。ICL7650 采用 14 脚双列直插式和 8 脚金属壳两种封装形式，使用最常用的 14 脚双列直插式封装的引脚排列。图 4.2 放大器的前置放大电路图图4.3 引脚图系统中碳电极与信号调理器浮空地之间感应的自然地空电位Vi1 和Vi2 被分别加到ICL7650的两个输入端, 微弱信号Vi1 和Vi2 经放大后将从ICL7650 的第10 引脚输出, 放大后的信号经过一系列处理后输入到单片机中,以供单片机的识别与判断使用。为了防止输入信号幅度过大而导致ICL7650 损坏, 图九 电路在信号的输入端分别加入了起保护作用的四个二极管D1D4。由于电路正常工作时的输入信号Vi1 和Vi2 幅

38、度很小, 所以二极管不导通, 也就不会影响电路的正常工作。电路的增益较高, 为防止产生高频振荡, 设计时在电阻R4 上并接了电容C3 , 因其容量较小, 所以对信号放大倍数的影响也非常小。为了抬高运算放大器输出信号的直流分量, 可将箝位端接在运算放大器的反向输入端。4.1.3单片机单片机7是一种集成在电路，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的处理器 CPU 随机器 RAM、只读器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上的一个小而完善的计算机系统。AT89S52 简介： AT8

39、9S52是一个低功耗，高性能 CMOS 8位单片机，片内含8kBytesISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的 Flash 只读程序器，器件采用技术制造，兼容标准 MCS -51指令系统及80C51引ATMEL 公司的高密度、非易失性脚结构，内集成了通用8位处理器和 ISP Flash单元，功能强大的微型计算机的 AT89S52可为许多控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52特点：40个引脚，8kBytes Flash 片内程序器，256 bytes 的随机存取数据器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中

40、断，2个16位可编程定时计数器,2个 全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。图4.4 引脚图此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz 并可通过设置省电模式。空闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断 系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该还具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三 种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性 兼容 MCS-51指令系统 8k 可反复擦写(1000次）ISP Flash ROM32个双向 I/O 口3个16位可编程定时/计数器 4.5-5.

41、5V 工作电压时钟频率0-33MHz256x8bit全双工 UART 串行中断口线RAM2个外部中断源低功耗空闲和省电模式中断唤醒省电模式3级加密位看门狗（WDT）电路设置空闲和省电功能 灵活的 ISP 字节和分页编程双数据寄存器指针4.1.4电磁阀电磁阀8是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀是用电磁的效应进行控制，主要的控制方式由继电器控制。这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。电磁阀：用于

42、液体和气体管路的开关控制，是两位 DO 控制。一般用于小型管道的控制。电磁阀：只能用作开关量，是 DO 控制，只能用于小管道控制，常见于 DN50及以下管道，往上就很少了。W-160-15 电磁阀图4.5 电磁阀的侧面和正面阀体材质：黄铜;使用流体：空气、水、油;型式：常闭式;电压：AC220V（其它电压均有货）;管孔径：1/2(即:4分);流量孔径：16mm;油封材质：NBR（VITON);压力：0 1.0mpa;流体温度：-580;电流：0.1A;功率:14W该产品优点：二口二位式常闭型，阀体为铜锻造。 配管方式可任意角度安装，为增强最好是水平管线圈朝上。 产品为系列化生产，体积小，流量大

43、。4.1.5蜂鸣器蜂鸣器9是一种结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、复印机、器、电子玩具、设备、机、定时器等电子产品中作为器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。蜂鸣器 AD16-22SM/R图4.6AD16-22SM/R HYPERLINK http:/c/ http:/c/spc_192010006.html性能可靠、外观精美、规格齐全，适用于电力、电讯、机床、船舶、纺织、印刷、矿山机械等设备的线路中作指示信号、预告信号、事故信号及其他指示用信号。可制作闪光蜂鸣器，遇到故障

44、时，同时闪光，及时发现故障情况。4.2电路的总体设计总体设计：图4.7 设计图电磁阀继电器压强蜂鸣器单片机前置放大器硬件电路中单片机起控制作用，它相当于人的大脑；压电传感器进行压强，把到的压强放大送到单片机中，单片机进行判断，根据判断的结果控制相应引脚输出高电平或低电平。继电器用来放大单片机输送出来的信号，驱动电磁阀的工作。蜂鸣器用来当压强过高时发出响声；当压强高于170000pa，蜂鸣器发出声音并且断开电磁阀关闭煤气。图 4.8 总体电路图压电传感器 BRX1YFF5 装在高压锅内，对高压锅内压强进行采样，把采样信号送到ICL7650 放大器进行放大（ICL7650 前置放大器电路面，在这里

45、就不说了）输送到单片机的 p3.4 端，再经过单片机的处理和判断是否对器和控制继电器输送信号驱动他们工作。控制继电器的上端连接电源，保证继电器能正常的工作。下端连接电磁阀，控制电磁阀是否要切断煤气的输送。4.2.1时钟电路调制XTAL1 和 XTAL2 分别为振荡电路的输入端和输出端。时钟可以由方式产生或外部方式产生。时钟电路方式，在 XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接定时元件，振荡电路就产生自激振荡。定时元件经常采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。晶体可以在 1.2MHZ 至 12MHZ 之间选择，电容值在 50PF 至 30PF 之间选择，电容的大小可以起频率微调的作用。外部方式的时

46、钟电路，XTAL1 接地，XTAL2 接外部振荡器。对外部震荡信号无特殊要求，只要保证脉冲宽度，一般采用频率低于 12MHZ 的方波信号。图 4.9 时钟电路4.2.2复位电路设计单片机的复位电路10原理是在 RESET 输入端出现高电平来实现复位和初始化。在振荡器运行的情况下，要实现复位操作，必须使 RST 引脚至少保持两个机器周期（24 个振荡器周期）的高电平。CPU 在第二个机器周期内执行复位操作，以后每一个机器周期重复一次，直至 RST 端电平变低。当 RST 引脚返回低电平以后，CPU 从 0 地址开始执行程序。本系统设计的复位电路如下图所示。加电瞬间，RST 端的电平与 VCC 相

47、同，随着RC 电路充电电流的减小，RST 端的电位逐渐下降。只要 RST 端保持两个机器周期的高电平，单片机就能有效复位。本方案中，电容的的大小是 11uF，电阻的大小是 1k。所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的 0.7 倍（单片机的电源是 5V，所以充电到0.7 倍即为 3.5V），需要的时间是 1K*11 uF =11ms。也就是说在电脑启动的 11ms 内，电容两端的电压时在 0 至 3.5V 增加。这个时候 1K 电阻两端的电压为从 5 至 1.5V 减少（串联电路各处电压之和为总电压）。所以在 11ms 内，RST 引脚所接收到的电压是 5V至 1.5V。在 5V 正常工作的

48、 51 单片机中小于 1.5V 的电压信号为低电平信号，而大于 1.5V的电压信号为高电平信号。所以在开机 0.1S 内，单片机系统自动复位（RST 引脚接收到的高电平信号时间为 11ms 左右）。在单片机启动 11ms 后，电容 C 两端的电压持续充电为 5V，这是时候 1K 电阻两端的电压接近于 0V，RST 处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在 11ms 内，从 5V开始到变为了 1.5V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候 1K 电阻两端

49、的电压为3.5V，甚至更大，所以 RST 引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。图 4.10 复位电路第五章设计先利用Proteus和Keil进行仿真，设计印制板，加工好后选取器件进行焊接，编写程序通过上述程序，向传感器发送合适的指令，即可实现传感器初始化、压强转换，压强转换数值，写入压强界限值，保存压强界限值等功能在实际运行过程中，微型计算机使用28H单元同传感器进行调试成功后通过线到单片机中，组装整个系统，进行整体调试。5.1 ProteusProteus简介是英国Labcenter electronics公司的EDA工具（该中国总代理为广州风标电子技术）。它不仅具有其它EDA工具的仿真

50、功能，还能仿真单片机及器件。它是目前最好的仿真单片机及器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真)，从原理图布图、代码调试到单片机与电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真、PCB设计虚拟模型仿真三合一的设计，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

51、在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。5.2 Proteus作用Proteus 是单片机课堂教学的先进助手。Proteus 不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学生就业的重要实践环节。由于 PROTEUS 提供了无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了在数

52、量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计。它具有设计灵活，结果、过程的的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中 Proteus 也能茯得愈来愈广泛的应用。使用 Proteus进行单片机系统仿真设计, 是虚拟仿真技术和计算机多技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真的操作能力；在单片机课程设计和大学生电子设计竞赛中，使用 Proteus 开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用 Proteus 进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，Proteus 有较高的推广利用价值。5.3主程序结构图5.1设计逻辑图程序开始，对数据的初始化，从放大器中数据，判断是否符合条件，符合条件就匹配并切断煤气的输送。不匹配则继续数据，循环执行。第六章系统设计总结本系统主要是针对高压锅内压强监测而设计的。本系统具有硬件体积小、简单灵活、可靠性高，反映时间短等特点，并且具有可编程、可