智能压力变送器的研制 济南大学毕业设计

济南大学毕业设计济南大学毕业设计2-1-毕业设计题目智能压力变送器的研制学院自动化与电气工程学院专业流程工业及其自动化班级学生学号指导教师二〇一四年五月三十日济南大学毕业设计摘要随着工业应用对信号检测与处理的要求不断提高，新型智能仪表将在生产过程中占有越来越重要的地位。压力，作为工业生产过程中重要参数之一，实现对其精确的检测和控制是保证生产过程运行和设备安全必不可少的条件。高精度的压力测量和变送更是保证产品质量、提高效益的有力保障。因此，实现智能化的压力检测系统对工业过程具有非常重要的意义。本设计主要是以ATC8951单片机为核心的信号测量、数据处理显示。是通过压力传感器将压力信号转换成电压信号，经过运算放大器进行放大，送至8位A/D转换器，从而将模拟信号转换为单片机能够处理的数字信号，再经单片机转换成LED显示器可以识别的信息，最后由LED数码管显示，并输出4-20mA的电流信号。在测量的过程中通过独立键盘进行设置测量的上下限，当输入的压力超出上下限时，蜂鸣器启动报警。本设计的最终结果是，利用Proteus仿真软件进行模拟仿真，将软件下载至硬件上调试出需要显示的数据，当输入的模拟信号发生变化的时候，通过A/D转换，单片机数据处理后，LED数码管将显示不同的数值。关键词：压力；ATC89C51；A/D转换，压力传感器；LED显示ABSTRACTWiththerequirementofsignaldetectionandprocessinginindustrialapplicationincreasing,thenewintelligentinstrumentwillplayanincreasinglyimportantpositionintheproductionprocess.Pressure,asoneoftheimportantindustrialprocessparameters,toachieveaccuratedetectionandcontroloftheirproductionprocessisthenecessaryconditiontoensurethesafetyofoperationandtheequipment.Precisepressuremeasurementandtransmissionensureproductquality,enhanceeffectiveprotectionbenefits.Therefore,intelligentpressuredetectionsystemhasaveryimportantsignificanceinindustrialprocesses.ThedesignisbasedonmeasurementanddisplayofAT89C51single-chip.Thisisthepressuresensorswillconvertthepressureintoelectricalsignals.Afterusingoperationalamplifier,thesignalisamplified,andtransferredtothe8-bitA/Dconverter.Thentheanalogsignalisconvertedintodigitalsignalswhichcanbeidentifiedbysingle-chipandthenconvertedbysingle-chipintotheinformationwhichcanbedisplayedonLEDmonitor,andfinallydisplayoutput.Inthecourseofshow,throughthekeyboardtoinputallkindsofdataandcommandsintothecomputer,thesingle-chipwilllocateinapredeterminedfunctionsteptodisplayrequiredvalues.Theendresultofthisdesignisthatbydownloadingsoftwaretothehardware,itwillgetthedatawhichisrequiredtodisplaybydebugging.Whentheinputanalogsignalschange,theLEDmonitorwilldisplaydifferentvaluesthroughtheA/Dconverting.Keywords:pressure;ATC89C51;A/Dconverter;pressuresensor;LEDmonitor;

目录摘要 IABSTRACT II1前言 11.1相关背景和应用简介 11.2智能压力传感器的发展方向 11.3该设计研究的内容 22系统总体设计 32.1系统设计要求 32.2总体设计方案 32.3智能压力变送器原理组成图 43智能压力变送器的硬件设计 53.1压力传感器 53.1.1压力传感器的选择 53.1.2压阻式压力传感器的工作原理 53.1.3压阻式压力传感器的结构组成 73.2电阻信号的测量桥路 73.2.1测量电路的工作原理 73.3信号放大电路 103.3.1放大器的选择 103.3.2OP07双极性运算放大器 103.3.3三运放差分放大电路 113.4A/D转换模块 113.4.1ADC0809简介 123.4.2ADC0809与单片机连接 133.5单片机 143.5.1AT89C51单片机简介 143.5.2单片机复位电路与自激振荡电路 153.6键盘接口输入 163.6.1键盘分类简介及选择 163.6.2键盘抖动及消除 173.7LED显示接口电路 183.7.1LED数码管显示器 183.7.2LED数码管的静态显示与动态显示 193.7.3LED数码管静态显示接口电路 203.8D/A转换模拟输出及信号放大 213.8.1DAC0832简介 213.8.2ISOEM系列直流信号隔离适配器简介 223.8.3D/A转换输出与放大电路 243.9报警电路 254智能压力变送器软件设计 264.1A/D转换器软件设计 264.2单片机与键盘接口程序设计 274.3LED数码管静态显示程序设计 284.4D/A转换器程序设计 294.5智能压力变送器程序设计 305智能压力变送器PCB板设计 31结论 34参考文献 35致谢 36附录 371前言1.1相关背景和应用简介随着工业应用对信号检测与处理的要求不断提高，新型智能仪表将在生产过程中占有越来越重要的地位。对于在工业生产中起着举足轻重作用的压力测量，实现对其高精度的测量和变送更是保证产品质量、提高效益的有力保障。压力传感器作为工业活动中最为常见的传感器之一，其广泛运用于交通运输、石油化工、军事工业等各种工业自动控制的领域中。压力变送器的工作原理是将压力信号转变成某种可测量的电信号，如日常生活中常见的应变式压力传感器，其工作原理是通过施加压力使弹性元件变形从而产生电阻的变化，通过测量电阻的变化量，利用一定的标度变换，从而得出压力的大小。在日常生活和工业生产中，人们可利用监测压力的变化和实现对压力的控制进行多种生产活动。例如，在地理环境中海拔高度可以通过测量大气压力的变化来获得；在化工厂中，利用压力参数来判断化学反应的过程；在气象预测中，测量大气压力可以判断阴雨天气状况。因此，压力变送器的设计拥有广阔的市场前景。自上世纪80年代，基于微处理器的智能压力传感器能比较精确和快速的测量，特别是对动态压力的测量，实现多点信号转换、长距变送、与计算机实时信息交换处理等，因而在农业、工业、国防、科技等领域获得了迅速发展和广泛运用。世界上多个国家一直把传感器技术的发展视为现代科技提升的关键。因为只有好的传感器技术，才能实现对工业过程更完美和智能的控制，从而得以大幅度提升科技水平乃至综合国力。美国、日本、欧洲等国的传感器技术一直在引领着世界潮流，我国对智能传感器的研究最近几十年来虽然取得了很大成就，但由于起步较晚，缺乏对该方面的高精尖人才，因此与世界顶尖水平还有不小的差距，因此，要想实现我国科学技术的长足发展，传感器技术必须要有质的突破。1.2智能压力传感器的发展方向（1）人性化:由于大规模或超大规模的集成电路的出现，在传感器中可集成一些微处理器，以实现自我检测、自我诊断、逻辑判断等功能，使压力传感器朝着人性化趋势发展。（2）微型化：在较为复杂或高精尖系统中存在大规模的传感器，这就要求这些传感器实现微型化、模块化功能。在某些特殊环境中，例如人体内，可以将传感器放置在某器官中，以收集人体资料。（3）高可靠性能：随着人类活动对某些极端环境的深入研究，这就伴随着必须存在高可靠性能的传感器来应对可能出现的高温、深寒、强酸、电磁等状况，以保证电子设备的抗干扰性能。因此高可靠性能是传感器技术发展的重要趋势。1.3该设计研究的内容研究设计一个智能压力变送器，要实现的主要目标是：（1）：系统地运用单片机的原理及开发技术，相关的控制仪表和传感器技术等，进行任务设计、功能描述、可行性分析与研究；（2）：进行系统的总体设计方案论证、总体结构设，生成总体设计方案；（3）：依据设计方案，分别完成系统的软、硬件模块化设计；（4）：硬件、软件调试和软硬件的联调，仪器结构设计，仪器总成。2系统总体设计2.1系统设计要求该系统要求能够满足以下几点设计要求：（1）可测范围：0～1MPa—2.5MPa（表压），且量程可选；（2）显示：3位数码显示（2.50MPa），4～20mADC输出；（3）附加要求：上、下限报警；（4）测量精度：±1%。2.2总体设计方案为了实现更高精度的测量，获得更加智能的人机交互，本次设计为基于单片机的智能压力测量系统。该智能压力变送器基本原理是通过压力传感器把压力信号转换成电压信号，该电压信号经放大后，送至模/数转换电路，将其转换为数字信号以便单片机处理，最后由LED数码管进行显示，并以工业生产中标准的4-20mA的电流信号输出。在测量的过程中可以人为地通过独立键盘进行设置测量的上下限，当输入的压力超出上下限时，蜂鸣器启动报警。该智能压力变送器，选用的的单片机为常见的AT89C51单片机，将压力经过压力传感器变为电信号，在三运放差分放大电路下，对电压信号进行放大，通过A/D转换器将电压信号转换为单片机可以处理的数字量。在该系统中，用于电压信号采样的A/D转换器为ADC0809。ADC0809是8位分辨率的CMOS型逐次逼近式A/D转换器，它可实现8路多路模拟开关以及与单片机直接相连。转换输出的数字量最高分辨可达256级，可以适应一般单片机应用系统的模拟量转换要求，同时也满足本设计的精度测量需要：±1%。为了提高单片机系统I/O口线的利用效率，设计采用了74LS164进行数据移位至数码管显示。74LS164是CMOS型8位边沿触发式移位寄存器，可以实现串行输入数据，然后并行输出的功能，它通过限流电阻直接与8位数码显示管相连，然后通过数据移位功能将压力值在数码管上显示出。为了获得4～20mA标准输出电流，设计采用了DAC0832标准8位D/A转换器进行数模转换输出电流信号，由于经过D/A转换的电流输出量十分微弱，因此可先将电流信号通过运算放大器转换为电压信号，再利用ISOEM直流（电压/电流）信号隔离器，把电压信号转化为4-20mA标准电流输出。2.3智能压力变送器原理组成图本次设计是以单片机为核心的压力测量变送器，首先，外部施加给应变片一个压力信号，然后应变片将信号转换成易测量的电信号作为输出，通过测量桥路，多级放大电路将该电信号进行放大，将通过A/D模数转换的数字信号输入至单片机进行数据处理，最后数据送给LED数码管显示，并实现键盘输入控制、4～20mADC输出、上下限报警等功能。其原理图如图1所示。图1原理组成图3智能压力变送器的硬件设计3.1压力传感器3.1.1压力传感器的选择压力传感器的作为智能压力变送器的重要环节，它实现的功能是通过压力敏感元件引起电量变化的压力信号转换成易测量的电信号，为测试压力信号的大小提供数据原理基础，亦可实现工业生产中的报警和控制作用。日常生活和工业生产中常见的电阻应变式传感器具有较为久远的使用历史。由于它具有易于微型化、灵敏度高、构造简单等优点，可以广泛应用于静态压力或是动态压力的测量，对各种环境都有高度的适用性。常用的电阻式传感器有金属应变片和半导体硅杯，这一类传感器的工作原理是应变效应或压阻效应，即金属或半导体材料的电阻在受到外力作用时会引起金属外形产生应变或者半导体材料的电阻率产生变化，导致电阻发生变化，因而可以产生电压信号的变化。因此，我们可以利用电阻式压力传感器通过测量电阻值的变化，间接的测出压力值。压阻式压力传感器是电阻式压力传感器的一种，它的特点是易于微小型化；灵敏度高，它的灵敏系数比金属应变的灵敏系数高50~100倍；它具有很宽的测量范围，通常可达到10Pa-60MPa，并且，测量精度可达到1/1000，具有高度的可靠性，使用寿命很长。因此，压阻式压力传感器已被广泛的应用于石油、化工、核电、交通运输、航空制造等重点领域。3.1.2压阻式压力传感器的工作原理我们知道半导体的电阻可以表示为：（3-1）式中———电导率；———半导体长度；———半导体横截面积；图2半导体电阻变化示意图对于一根圆截面的半导体电阻丝，如图2所示。当电阻丝受到轴向牵引力后，假设其长度增长了，截面积减小了，电阻率的变化为，经计算电阻的相对变化量为：（3-2）对于半导体材料来说，由半导体材料的几何尺寸的变化对电阻变化率影响很小，因此式（3-2）的与两项可以忽略不计，因此半导体电阻的变化率主要是由电阻率的变化率引起的，我们把这一现象称为半导体的压阻效应。当半导体单晶在沿纵向应力时，电阻的变化率为：（3-3）式中———半导体材料的压阻系数；———纵向应力，；———半导体材料的弹性模量；———纵向应变。综上，半导体单晶电阻的产生的变化率为：（3-4）在式（3-4）中，，称之为半导体灵敏系数，对于不同的半导体材料，它们的灵敏系数是不同的。通常为60～200，半导体的灵敏系数比金属导体的大得多，但也同时受温度影响，引起的测量误差比金属材料也大得多，且线性度较差，因此在使用时应该考虑补偿和修正。3.1.3压阻式压力传感器的结构组成压阻式压力传感器主要是由压阻芯片和保护外壳组成，其内部主要是由一块N型的硅膜片组成。在该N型膜片上对称的集成上了四个完全一样的P型电阻，称之为扩散电阻。如图3所示的为压阻式压力传感器的结构组成图。图3压阻式压力传感器结构3.2电阻信号的测量桥路对于压阻式压力传感器，产生的电阻信号需要进一步转化为电压或者电路信号，以便进行测量信号的远传和处理。最常用的的方法是采用电桥的方法，电桥的准确度高、稳定信高、使用方便，可以准确的将扩散电阻变化量转换成电压信号的变化量，减少了环境因素带来的测量误差。3.2.1测量电路的工作原理在工业控制系统中，常选用电桥电路来对压力传感器产生的电阻信号进行处理。电桥电路有直流电桥与交流电桥两种类型。由于交流电桥在信号传输过程中易受电路本身的影响，调节平衡困难，稳定性较差等缺点，因此该设计采用直流电桥作为电压信号的测量电路。桥路电源电压,4个桥臂阻值分别为、、、，当===时，称之为等臂电桥。由于扩散电阻的电桥电路输出信号比较微弱，故目前大部分电阻式压力变送器桥路输出端都会与直流放大器相连接。测量桥路如图4所示。图4压力变送器测量桥路对于图4，由于整个电桥的阻抗比IC直流放大器的输入阻抗小很多，故桥路的输出可以表示为：（3-5）当时，称为电桥平衡，此时（3-6）上式称为直流电桥的平衡条件，其中，为桥臂阻值比。经过计算，输出信号的电压灵敏度为：（3-7）当时，有最大值，故有（3-8）故当=1时，这时有===，即电桥为等臂电桥，由式（3-8）知，此时电桥具有最高的灵敏度。因此电阻式压力传感器中常采用全等臂电桥这种形式。全等臂直流电桥在工作时存在单臂、半桥、全桥三种形式。对于单臂电桥，在桥路中有一个桥臂是电阻值可变化的扩散电阻，另外三个固定电阻值，且，当传感器接收到压力信号时，该桥臂上的扩散电阻值会发生变化。即，其他电阻不发生变化，此时（3-9）当时，令，则有（3-10）由此可见，电桥的输出信号与应变片的电阻变化率成正比，根据该关系，可将压力信号转换为可以远传的电信号。在单臂电桥的转换中，存在两个因素会对测量准确度产生影响。其一是近似线性化带来的非线性误差，其二是受环境温度影响产生的附加电阻的变化。同理，可以得到双臂电桥电路和全桥电路的输出状态：半桥电桥输出为：（3-11）全桥电路输出为：（3-12）从中可以看出，由于差动电桥的补偿作用，使引起非线性误差的因素互相抵消并且具有温度补偿功能，而且半桥的输出信号灵敏度是单臂电桥的2倍，同时全桥电路的灵敏度是半桥的2倍，因此该设计采用全桥电路。电路如图5所示。图5全桥电路3.3信号放大电路3.3.1放大器的选择由于被测压力经过应变片和全桥电路转变后得到的电信号十分微弱，所以在对其进行A/D转换之前要对这些模拟电信号进行放大。本设计采用OP07双极性运算放大器组成的三运放差分放大电路，能够保证在具有较大共模电压的条件下，获得对微弱的差分电压信号进行放大的显著效果，并且具有很高的输入阻抗。因此，这些特性使得三运放差分放大电路得到广泛应用。3.3.2OP07双极性运算放大器OP07芯片是一款常见的高精度、超稳定、宽输入范围运算放大器，其具有高共模抑制比、高阻抗、高开环增益的特点。引脚图如图6所示。其主要特性如下：超低偏移：

150μV最大；低输入偏置电流：

1.8nA；低失调电压漂移：

25μV/℃最大；高电源电压范围：

±3V～±22V。图6OP07引脚图3.3.3三运放差分放大电路该设计采用了由OP07运算放大器组成的同向并联三运放结构，由OP07-1和OP07-2组成第一级运放电路，OP07-3组成第二级运放电路。这种结构可以很好地满足高输入阻抗、高共模抑制比、高增益、低漂移等电路要求。结构组成如图7所示。图7三运放差分放大电路在上图中，电路中的有关电阻保持严格对称，即、、的条件下，OP07-1和OP07-2提高了共模抑制比,即整个电路提高了信噪比；在电路中存在内阻，该种接受具有较高的输入阻抗，因此减少了内阻对整个电路精确度的影响。在上电路中，、、，可以推导出该电路总增益为：（3-13）3.4A/D转换模块A/D模数转换器的作用是将模拟量信号转换成为数字量信号，从而实现单片机对信号的运算与处理。在本次设计中采用的ADC0809模数转换器的任务是将经差分放大电路放大后的电压模拟信号转换成为数字量进行输出。3.4.1ADC0809简介ADC0809的内部结构图与管脚图分别如图8和图9所示。图8ADC0809内部结构图9ADC0809管脚图ADC0809各脚功能如下：

D0-D7——8位二进制数字量输出引脚；

IN0-IN7——8位模拟量电压信号输入引脚；

VCC——单一+5V工作电压；

GND——接地端口；

REF（+）——参考电压正端；

REF（-）——参考电压负端；

START——启动A/D转换选通信号输入端口，高电平有效；

ALE——地址锁存允许信号输入端，ALE的下降沿把寻址地址输入锁存器进行锁存；

EOC——A/D转换结束信号输出端口，高电平有效；

OE——转换完成后，信号输出允许控制端，打开锁存器，数字信号传入单片机高电平有效；

CLK——时钟信号输入端（一般为500KHz）；

A、B、C——三位寻址地址码输入端口，这三位地址码经3-8译码器的输出，寻址并控制8路模拟量的输入电子开关选通，以实现对IN0-IN7八位模拟量输入的寻址。A、B、C三位地址码的选择与8路模拟通道的对应关系如图10所示。CBA选通通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7图10通道选择表3.4.2ADC0809与单片机连接经过差分放大电路后放大的电压模拟量信号从IN口输入，由于A、B、C三位地址选通端子接地，根据通道选择表，信号从IN0输入，经过A/D转换之后由数据输出端口D0-D7输入至51单片机的P0口，时钟脉冲输入端CLK与P2.0相连，同时，由于转换器的START和ALE端口工作时序一样，因此把两个端口连接在一起，再与P2.1连接，由一个单片机I/O口控制，节省了I/O资源。OE端口和EOC端口分别由单片机P2.2和P2.3控制。连接图如图11所示。图11ADC0809与AT89C51单片机连接图3.5单片机3.5.1AT89C51单片机简介图12AT89C51单片机引脚符号图该设计选用的数据处理核心器件是AT89C51型高性能8位单片机，它内部集成了4K字节的闪存，128字节的内部RAM，以及32个双向I/O端口，一个全双工串行通信口，一个两级中断结构，两个16位定时/计数器，片内振荡器及时钟电路等。AT89C51的引脚图如图12所示。3.5.2单片机复位电路与自激振荡电路单片机的复位电路可分为上电复位、定时器复位、电平开关与上电复位等，在该设计中采取了电平开关与上电复位电路。在上电启动系统时，由上电复位电路提供一个正脉冲触发系统并启动系统运行。当需要人工干预时则按下电平式按键，由VCC直接向RST提供一个+5V电平触发复位电路，产生复位信号，强制系统复位到初始状态。单片机的自激振荡电路由端口XTAL1和XTAL2外接一个晶振，而后在晶振两端并联两个微调电容，如下图13所示，其中C1和C2为微调电容，电容的大小会影响该震荡电路的起振频率，进一步决定该单片机的运算数度，当起振频率越高时，单片机的运算速度会越快。单片机的复位电路与自激振荡电路如图13所示；图13单片机复位电路与自激振荡电路3.6键盘接口输入3.6.1键盘分类简介及选择键盘在单片机应用系统中，可以实现外界的模拟输入、数据传输、参数调整、传送命令等功能，是人机对话中的常用输入设备。在本设计中，键盘实现的功能是设置测量上下限。键盘，在电路连接原理上可以分为两大类：编码键盘与非编码键盘。编码键盘使用较为方便，但硬件电路设计复杂，而且其编程任务繁重。相对于编码键盘，非编码键盘仅利用简单的电路原理排列键盘，然后键盘的功能依靠程序设计来实现，因此易于实现。其中非编码键盘又可以分为矩阵式键盘和独立式键盘两种类型。其接口电路分别为图14和图15所示。在本设计中，由于系统较为简单，所需按键较少，因此采用独立式键盘接口电路。当键盘按下时，连接该按键的单片机会立即检测到一个低电平。其中，S1按键用于设置上限值，实现计数加一的功能；S2按键设置下限值，实现计数减一的功能；S3为确认键，将设置好的上下限进行锁存，以便于被测压力相比较。图14矩阵式键盘接口电路图15独立式键盘接口电路3.6.2键盘抖动及消除当前日常生活中常用的键盘都是利用机械触点的开、合作用来实现的，当键盘按下时，会产生一个高低电平的变化会输入到微处理器。但是由于机械触点本身的弹性作用，在按键按下或释放时，在接触点会产生抖动，这些抖动同样会产生高低电平的变化输入至微处理器，这时，CPU就会产生误读，将这些电平变化进行处理，从而对输入结果产生很大的影响，因此必须设法对这些键盘抖动进行消除。图16所示的为按键信号产生的实际波形。图16键闭合与断开时电压抖动波形实现对键盘抖动效应的消除，通常存在硬件消抖和软件消抖两种方法。硬件消抖电路如图17所示，当按键按下或释放时，产生的抖动信号会经过并联电容接地得以消除，当按键闭合或释放一段时间后，电平信号稳定则会直接被CPU检测到，因此这时CPU会做出正确的判断。硬件消抖构造简单，但键盘过多时会占用单片机I/O口资源，因此常适用于简单的单片机应用系统。软件消抖的原理是，当按键按下或释放时，CPU并不立即判断按键电平的变化，而是首先执行10ms左右的延时程序，跳过按键抖动的过程，待按键稳定后，再重新判断该按键的电平信号是否发生变化，从而消除了抖动影响。当按键松开时，也是一样，利用延时程序进行消抖。图17硬件防抖电路本设计在在节省硬件资源的条件下，采取了软件键盘防抖。3.7LED显示接口电路本次设计是利用89C51单片机串行口输入输出和74LS164寄存器移位寄存功能从而实现多个LED数码管显示的一种方法,这种显示系统具有软件编程容易、硬件结构简单和价格低廉等特点.3.7.1LED数码管显示器LED数码管显示器中的发光二极管连接存在共阴极和共阳极共有两种方法：（1）共阳极接法：将8个发光二极管的阳极端连接在一起并接上+5V电源，显示器的各个端口引脚通过限流电阻与发光二极管的阴极端连接。这样，当端口引脚接入低电平时，发光二极管会被点亮。（2）共阴极接法：8个发光二极管的阴极端连接在一起并接地端，显示器的各个端口引脚通过限流电阻与发光二极管的阳极端连接。这样，当端口引脚接入高电平时，发光二极管会被点亮。LED数码管显示如图18所示。在该设计中，LED数码管显示器采用了共阴极接法，即端口引脚输入高电平时，二极管被点亮。图18LED显示3.7.2LED数码管的静态显示与动态显示数码管的连接方式有共阴极与共阳极之分，当输入高电平，共阴极数码管被点亮；输入低电平，共阴极数码管被点亮。同时，数码管显示接口电路分为静态显示与动态显示两种方式。（1）静态显示静态显示的特点是当单片机发送该给数码管一次字形显示信息后，数码管会一直显示该字形信息不会发生变化，此时CPU不再控制数码管的工作，直到单片机给数码管发送新的字形信息，此时数码管显示数据得以刷新。这种连接方式的好处是，占用单片机时间少，只需要单片机两个I/O接口负责数据和时钟脉冲的传送，利用移位寄存器进行移位显示即可。数码管可一直持续稳定的显示，便于数据的检测与控制，缺点是电路复杂，如果有几路显示，一般就会需要几个移位寄存器，因此成本偏高。静态显示电路如图19所示。图19静态显示电路动态显示动态显示的特点是把所有的数码管8位段选输入端全部连接在一起然后由单片机的I/O控制，同时，再把数码管的位选输入端口连接在一起，通过另外的I/O端口控制。因此，如果单片机要想让某一路数码管点亮，首先要通过位选信号选中某路数码管，然后经过段选的字形信息使其显示。优点是，当要显示的数码管位数过多时，动态显示较静态显示会节省I/O资源，硬件电路也较简单；缺点是因为是动态显示，占用CPU过多的工作时间，同时数据显示也不稳定。动态显示电路如图20所示图20动态显示电路3.7.3LED数码管静态显示接口电路在本设计中，通过以上比较静态显示与动态显示的优缺点，再结合本设计要求三位数码显示，显示位数较少，硬件电路设计较为简单，编程也较为容易，故决定采用静态显示。静态显示接口电路如图21所示。图21静态显示电路3.8D/A转换模拟输出及信号放大在控制系统中，D/A转换器的作用是将经过单片机处理的数字量信号转换成电压或电流模拟信号以便进行外部控制。在本设计中，D/A的任务是将AT89C51单片机输出的数字量信号转换并放大成为4-20mA标准电流信号输出。经过比较各种D/A模数转换器，采取了DAC0832模数转换器和ISOEM-A2-P2-O1直流信号隔离适配器。3.8.1DAC0832简介DAC0832是8位分辨率、低功耗、高速CMOS型工艺集成芯片，其主要特点是内部集成了2个独立的寄存器，因此具有双缓冲器功能。DAC0832具有单极性输出和双极性输出两种形式，可以根据实际需要可快速的修改数据的转换输出，大大提高了数模转换速度。DAC0832内部结构以及引脚图分别如图22、图23所示。图22DAC0832内部结构图23DAC0832引脚图3.8.2ISOEM系列直流信号隔离适配器简介数字信号经过ADC0832转换成电流模拟量后过于微弱，电流仅有几个毫安大，故可以在DAC0832后接一个运算放大器将电流量输出转换为电压，当DAC0832的参考点女牙医端口（VREF）接+10V标准电压时，则经运算放大器的输出电压为0-10V。后将该输出电压接入ISOEM系列隔离配电放大器将电压信号转换称为电流信号并将其放大为标准电流4-20mA输出。在本设计中，采用的是ISOEM系列中的ISOEM-U2-P3-O1芯片。在该命名中，U2指输入电压信号值0-10V；P3指芯片辅助电源DC5V，O1指输出4-20mA标准电流信号。该芯片引脚图如图24所示。图24ISOEM-A2-P2-O1引脚图ISOEM系列直流信号隔离配电器的技术参数：参数名称测试条件最小典型值最大单位隔离电压AC,50Hz,1Min3000VDC增益1V/V增益温漂25ppm/℃非线性度0.10.2%FSR信号输入电压015V电流030mA输入失调电压25mV输入阻抗电压1M电流50Ω配电电源输出电压524V电流20mA纹度50mV精度2%信号输出电压015V电流020mA负载能力电压Vout=10V2KΩ电流0500750Ω频率响应信号输出纹波不滤波1020mVRMS信号电压温漂mV/℃辅助电源电压用户自定义3.31224VDC功耗0.51W工作环境温度-4585℃贮存温度-55105℃图25产品技术参数ISOEM型信号隔离适配器具有免零点、增益调节信号远传无失真等特点，可实现电压信号或电流信号之间的相互隔离、放大与转换功能。本设计采用的电流输出型ISOEM-U2-P3-O1引脚描述：如图26所示。引脚功能引脚功能引脚功能1信号输入SIN+5辅助电源PW+9空脚2信号输入GND6辅助电源PW-10空脚3配电电源输出P0+7信号输出IO+11空脚4空脚8空脚12信号输出IO-图26引脚功能图图27调节型电压输入/电流输出电路图3.8.3D/A转换输出与放大电路在该电路中，51单片机的P1口与DAC0832的数字量输入端相连，用来接收单片机输出的数字量信号。DAC0832的CS、WR1两个引脚端口同时控制数字量的输入选通数据寄存器且均为低电平有效，因此可直接将WR1与CS两个端口相连，然后再与单片机的P3.6口连接，由一个单片机IO口来控制DAC0832工作，XFER为转换寄存器控制信号端口，WR2为写信号输入端口，当XFER和WR2两信号同时低电平有效时将选通DAC转换寄存器，进行数模准换，因此可直接将两引脚接地，VCC与ILE同时接+5V电源。因为DAC0832的输出转换电流十分微弱，仅有几微安，因此须先利用一个运算放大器把电流变换成电压Vout输出,当DAC0832的VREF引脚接+10V时，转换电压Vout输出为0-10V。后再将电压信号送至ISOEM-U2-P3-O1直流信号隔离器将该电压信号转换成为4-20mA标准电流信号输出。D/A转换输出与放大电路如图28所示。图28D/A转换输出与放大电路3.9报警电路在工业生产中，检测系统能够实时监控整个生产过程，当某一生产环节出现紧急状态时，会启动报警装置来提醒操作人员。同样，在单片机应用系统中，为了实时反映整个系统的工作状态，报警电路的设计必不可少。通常报警电路的设计存在闪光报警、蜂鸣报警和语音报警。因为蜂鸣报警设计结构简单，程序量小，比闪光报警更能引起人们注意，又比语音报警成本低，更易操作，因而在本设计中，采用了蜂鸣报警。其电路设计如图29所示。图29报警电路在本设计中，该电路完成的工作是上下限报警，即通过键盘电路设置该压力变送器的上限值与下限值，当被测压力超出上下限时，将会启动报警电路以提醒操作员，其中电阻起限流作用，防止VCC过大损坏芯片。该电路与单片机只有一个接口，结构设计极其简单，当单片机检测到压力超出上下限时，P3.7口将会输出一个低电平，从而蜂鸣器启动报警。4智能压力变送器软件设计4.1A/D转换器软件设计本设计采用的ADC0809芯片是8位分辨率、低功耗逐次逼近式模/数转换器件。它可以根据地址端编码后的信号，选通8路模拟输入信号中的一路进行A/D转换。根据电路图设计中，单片机P0口与ADC0809的数据输出端D0-D7相连接，接受其输出的数字信号；ADC0809的启动端START与地址锁存端ALE相连，然后与单片机的P2.1连接；EOC转换结束信号、OE数据输出允许信号、CLK时钟脉冲端分别与单片机的P2.3、P2.2、P2.0相连接。将ADC0809的三个数据输入地址选择端Ａ、Ｂ、Ｃ均接地，故其地址为000Ｈ，因此，模拟量从IN0输入。在该程序设计中，采用查询方式进行模数转换。该芯片启动方式为脉冲启动，START端口置1即启动转换，此时EOC一枝花保持为0，转换完成后，EOC输出高电平，再由数据输出允许信号端OE变为高电平来输出转换数据到单片机的P0口。在启动转换到转换结束这段时间里，ＣＰＵ可以不再进行其他的工作，运行延时等待程序；或者运行其他的程序。如图30所示的ADC0809运行程序流程图。图30ADC0809程序流程图4.2单片机与键盘接口程序设计在本设计中采取了独立式键盘的设计。51单片机P0、P1、P2都可以做为准双向I/O口，故将单片机P3.7、P3.2、P3.3分别于按键S1、S2、S3相连接，并配置有上拉电阻。当按键按下时，按键会给单片机输入低电平。其中S1、S2分别实现上、下限的值，S3按下后，将上下限值锁存，以便进行与输入信号的比较。按键按下或松开时，会存在抖动效应，会对测量结果产生很大的影响，因此必须要设法消除抖动。消除抖动存在硬件消抖和软件消抖两种方法，在本设计中，采取的是软件消抖。当按键按下时，按键抖动的时间一般小于5ms，因此先运行延时自程序10ms左右，在这一过程中，单片机先不读取按键的电平变化，10ms之后，再进行读取，判断按键是否真的按下，若是的话，再进行下面的工作，这样便消除了按键抖动效应的影响。按键松开时，也是如此。设计流程图如图31所示。图31键盘接口程序设计流程图4.3LED数码管静态显示程序设计本设计利用单片机的串行输入、74LS164的移位寄存方式采用了数码管的静态显示方式。静态显示的特点是当单片机发送该给数码管一次字形显示信息后，数码管会一直显示该字形信息不会发生变化，此时CPU不再控制数码管的工作，直到单片机给数码管发送新的字形信息，此时数码管显示数据得以刷新。这种连接方式的好处是，占用单片机时间少，只需要单片机两个I/O接口负责数据和时钟脉冲的传送，利用移位寄存器进行移位显示即可。数码管可一直持续稳定的显示，并且便于数据的检测与控制。在设计中，由单片机的P3.0（RXD）端口负责数据的输入输出，与74LS164移位寄存器的数据输入端A、B相连，接收数据信息，同时P3.1（TXD）发出移位脉冲至74LS164的CLK端口。当移位寄存器向数码管发送信息时，数码管的最后一位QH会向下一个数码管的数据输入端A、B发送一位信息，从而实现数据的显示。程序流程图如图32所示。图32LED数码显示程序流程图

4.4D/A转换器程序设计完成D/A转换功能的器件是DAC0832，它是美国资料公司研制的8位双缓冲器D/A转换器。DAC0832转换电路连接简单，且编程容易。DAC0832主要特点是内部集成了2个独立的寄存器，因此具有双缓冲器功能。DAC0832具有单极性输出和双极性输出两种形式，可以根据实际需要可快速的修改数据的转换输出，大大提高了数模转换速度。该转换器的ILE、CS、WR1三端口的逻辑组合可产生IL1信号，且CS、WR1均为低电平有效，因此不妨将该两端口接在一起，然后与单片机的P3.6相连。8路数字量数据由P1口发送。而WR2和XFER均为低电平有效，故将它们接地。因此通过控制CS端口的高低电平就可以控制D/A转换的进行。其程序设计流程图如图33所示。图33D/A转换程序流程图4.5智能压力变送器程序设计图34智能压力变送器程序流程图5智能压力变送器PCB板设计本PCB板设计是利用AltiumDesigner软件完成，依次完成原理图设计，元器件设计与封装，自动生成PCB板，排版布线的等流程。PCB板生成结果如下图所示。图35二维——总布局图36二维——板顶层图37二维——板底层图38二维——机械层图39三维——板背面图40三维——板正面结论该毕业设计的题目是智能压力变送器的研制，刚接触到时，确实觉得是无处下手，虽然设计中涉及专业课知识都接触过，但毕竟学习的不深入，而且更需要系统化专业知识素养。经过一段时间的查阅资料以及对曾经学习知识回顾以后才对整个系统有了一定的认识，也慢慢的掌握了一定的方法。在该设计中，主要糅合了测量仪表、数字电子技术、单片机等知识，都曾经系统的学习过，系统的总体设计就是将这几门学科知识综合起来，就要求我将知识系统化。在本设计中，采取了常用的几款芯片，如ADC0809、DAC0832、74LS164、ISOEM等,在深入的额学习了它们各自的工作原理之后，原理图设计进行的一直很顺利。不过在软件编写方面，特别是对软件的调试花费了较长的时间，但是通过老师和同学的帮助，最终得到了理想的结果。在此期间，我还学会了Visio、AltiumDesigner等绘图软件，从而完成了原理图和PCB板的出图。在这次的毕业设计中，我收获颇多。参考文献[1]孙育才,孙华芳.MCS-51系列单片机及其应用[M].南京：东南大学出版社,2012.6:220-330[2]潘新民,王燕芳.微型计算机与传感器[M].北京：人民邮电出版社，1998：55-90[3]徐爱卿，孙涵芳.MCS-51单片机原理及应用[M].北京：北京航天航空大学出版社，1993:30-60[4]陈忧先,左锋,董爱华.化工测量及仪表[M].北京：化学工业出版社,2011.8:30-55[5]李华主.MCS-51系列单片机及实用接口技术[M].北京：北京航天航空大学出版社，1993:70-110[6]柯愈龙,邓鸿英,张生昌,连加俤.基于单片机的油井自动加药装置研究[J].机械制造,2011.10.20[7]阎石.数字电子技术基础[M],第五版.北京：高等教育出版社，2006:95-135[8]张国雄.测控电路[M].天津:天津大学出版社，1996:100-120[9]王幸之.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，2004:78-100[10]刘东红.利用89C52单片机的一个并行I/O口实现多个LED显示的一种方法[J].国外电子元器件,2002,8(4)[11]常萌,石芳.基于AltiumDesigner的数码管显示电路的PCB板设计[J].煤炭设计,2011,30(9):1-3[12]王雪文.传感器原理及应用[M].北京:北京航空航天出版社,2004:27-67[13]李正浩,姜宝钧,邓兴成.51单片机在数码管显示中的应用[J].实验科学与技术,2006,12(3):1-4[14]H.M.Hashemiana,JinJiang.Apracticalreviewofmethodsformeasuringthedynamiccharacteristicsofindustrialpressuretransmitters[J].ISATransactions,2010.2,49(3):1-8[15]王幸之,钟爱琴,王雷.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004:345-346.[16]H.M.Hashemian,JinJiang.Pressuretransmitteraccuracy[J].ISATransactions,2009,48(2009):1-6[17]朱定华,单片机及接口技术[M].北京：电子工业出版社,2001.6,:78-120致谢随着毕业设计的完成，我的大学生活也将结束。在这短短的几个月的时间里，让我学到了以前在书本上学不到的知识。让我度过了大学生活最为充实的一段时期，而且收获了理论和实践上的第一桶金。

在做毕业设计的这段时间，我要感谢我的指导老师徐刘希民老师，他经常抽出宝贵的时间来询问毕业设计的情况。在这次毕业设计中他还，老师深厚的学术造诣、严谨的治学态度和忘我的工作作风永远是我学习的榜样和追求的目标。导了很多学生，任务非常繁重，但是他对每一项工作还是那么负责，对我耐心指导。从他负责指导我的毕业设计开始，就对我设计中的每一个环节都不遗余力的给于我帮助。在毕业设计的这段时间，他深厚的学术修养，严禁的治学态度，强烈的责任心和对学生的无私关怀，将令我收益终身。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后由衷感谢我的母校济南大学四年来对我的栽培。附录智能压力变送器C语言程序#include<reg51.h>#include<stdio.h>#include<math.h>#include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar//*****************************定义变量区*********************************sbitS1=P3^2;//定义各个控制引脚，S表示键盘sbitS2=P1^3;sbitS3=P1^4;sbitLED0=P2^4;//定义数码管控制引脚sbitLED1=P2^5;sbitLED2=P2^6;sbitspeaker=P3^7;//控制蜂鸣器sbitEOC=P2^3;//为0809控制管脚sbitALE=P2^1;sbitST=P2^