基于单片机的数显式智能压力开关的设计

PAGEPAGE54摘要随着传感器检测技术的发展，传感器集信号采集、信号处理输出功能于一身，精度高稳定性好的压力检测系统已成为生产实践发展的迫切需要。其中压阻式压力传感器以其灵敏度高、动态响应好、易于微型化等特点，而获得广泛应用。单片机是随着超大规模集成电路技术发展而诞生的，由于它体积小、功耗低，控制能力强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，以形式多样的控制系统和数据采集系统，广泛应用于工业检测和控制中。本设计从当前工业压力采集显示开关现状出发，设计一种基于AT89C51单片机的编程控制仪器，该系统集压力采集显示，过载报警并处理于一体。本设计对压力传感器的选型，信号放大和滤波，LCD液晶显示电路以及单片机的接口电路等技术进行了分析和设计，并用仿真软件Proteus对系统进行了整体调试，实现了预定功能。关键词：传感器单片机信号处理仿真ABSTRACTWiththedevelopmentofsensordetectiontechnology,itmakesthesignalacquisitionandsignalprocessingoutputin-one.Thepressuremonitoringsystemabouthighprecisionandstabilityhasbecometheurgentneedfortheproductionpractices.Thepressuresensorwithitshighsensitivity,dynamicresponse,miniaturizationandotherfeatures,iswidelyavailable.Withthedevelopmentofultra-large-scaleintegratedcircuittechnology,theMicrocontrollerwasborn.Duetoitssmallsize,lowpowerconsumption,controlability,flexibleexpansion,miniaturizationandeaseofuse,itisusedinindustrialinspectionandcontrolwidelyinthevariousformsofcontrolsystemsanddataacquisitionsystem.Accordingtothestatusaboutthepressuredisplayswitchinthecurrentcollectionindustrial,thedesignmakesaprogrammingcontrolinstrumentsbasedonAT89C51.Thesystemgatherspressureofdisplayandoverloadalarminone.Thedesignthatanalysestheselectionpressuresensor,thesignalamplifiedandfilter,theLCDdisplaycircuitandmicrocontrollerinterfacecircuit.ThedesignadoptsProteusasthesimulationplatformandachievestheintendedfunction.Keywords:transducerSCMsignalprocessingsimulation目录摘要 IABSTRACT II第1章绪论 11.1概述 11.2分类 21.3电子式压力开关原理 31.4国外压力检测的现状 4第2章方案设计 62.1设计结构框图 62.2控制器方案确定 62.3压力传感器选择 72.3.1压力检测的类型 72.3.2压阻式传感器的工作原理 92.3.3电阻应变片测量电路的电桥原理 112.3.4传感器最终方案 14第3章硬件电路设计 153.1总体设计框图 153.2压力传感器 153.2.1扩散型压阻式压力传感器特点 163.2.2压阻式传感器测量电路 163.2.3参数计算 173.3信号放大及调理电路 193.3.1电路基本结构 193.3.2有源滤波器参数计算 223.4A/D转换电路 233.4.1A/D转换模块TLC1543 233.4.2TLC1543的特点 243.4.3A/D采集时间计算 243.4.4TLC1543与单片机接口电路设计 243.5显示电路 253.5.1LM032L模块 253.5.2液晶显示模块与单片机连接 263.6键盘电路 273.6.1单片机与键盘电路接口设计 273.7继电器与报警装置 283.7.1固态继电器的工作原理 283.7.2继电器与单片机接口设计 293.7.3报警装置 303.8电源设计 303.8.1电源设计 313.9单片机与最小系统设计 323.9.1最小系统构成 32第4章软件设计 354.1系统的软件设计思路 354.2初始化子程序 364.3键盘子程序 364.4A/D子程序 374.5液晶显示子程序 38第5章仿真测试 405.1Proteus软件 405.2Proteus电路设计 415.2.1Proteus源文件设计和目标代码生成 425.2.2Proteus仿真 435.3仿真调试小结 46结论 48致谢 49参考文献 50附录1电源模块参数表 53附录2C语言程序 55ContentsABSTRACT(chinese) =1\*ROMANIABSTRACT =2\*ROMANIIChapter1Introduction 11.1Summari 11.2Classify 21.3Theprincipleoftheelectronicpressureswitch 31.4Theoverseasdevelopment 4Chapter2theprojectdesign 62.1Designstructurediagram 62.2Schemeinthecontroller 62.3Pressuresensorselection 72.3.1Typeofpressuretest 72.3.2Piezoresistivesensorprincipleofwork2.3.3Bridgeprinciple 112.3.4Sensorisfinalplan 14Chapter3thehardwarecircuitdesign 153.1Theoveralldesigndiagram 153.2Pressuresensor 153.2.1Thecharacteristicofthesensor 163.2.2Piezoresistivesensormeasurecircuit3.2.3Parametersarecalculated3.3Signalconditioningcircuitandamplification 193.3.1Circuitstructure 193.3.2Activefilterparametersarecalculated3.4A/Dconversioncircuit 233.4.1TLC1543A/Dconversionmodule 233.4.2Thecharacteristicsofthe 233.4.3A/Dacquisitiontimeiscalculated3.4.4TLC1543andSCMinterfacecircuitdesign 243.5Displaycircuit 253.5.1LM032Lmodule 253.5.2ConnectionmoduleandMCU 263.6Thekeyboardcircuit 273.6.1MCUandkeyboardinterfacecircuitdesign 273.7Relayandalarmdevice 283.7.1Theworkingprincipleofsolidstaterelay 283.7.2Therelayisconnectedcircuit 293.7.3Alarmdevice3.8Powersupplydesign 303.8.1Powersupplydesign 313.9Single-chipmicrocomputerandminimumsystemdesign 313.9.1Theminimumsystem 31Chapter4thesoftwaredesign 354.1Systemsoftwaredesignthinking 354.2Theinitial,anti-fuzzyprocess 364.3Keyboardsubroutines 364.4A/Dsubroutine 374.5Liquidcrystaldisplaysubroutine 38Chapter5thesimulationtest 405.1PROTEUSsoftware 405.2PROTEUScircuitdesign 415.2.1Proteusdesignsourcefileandtargetcodegeneration5.2.2Proteussimulation5.3Thesimulationdebuggingsummary 46Conclusion 48Acknowledgements 49References 50Appendix1powersupplymoduleparametertable 53Appendix2Clanguageprogram 55第1章绪论现代工业生产中为了检查，监督和控制某个生产过程或运动对象，并且使它们处于所选工况最佳状态，就必须对一些参数的大小，方向和变化速度等进行检测，并根据检测结果对生产设备或者生产过程进行控制。1.1概述在现代的自动检测系统中，各个组成部分一般分为信息的获得，信息的转换，信息的处理和信息的输出等几个部分。一个完整的自动检测系统，首先应该先获得被测量的信息，并通过信息的转换把获得的信息转换为电量，然而进行一系列的处理，再用指示仪或显示仪信息输出，或由计算机对数据进行处理。自动检测系统的基本组成框图如图1-1。图1-1自动检测系统组成框图传感器是获取信息的重要手段。它所获取信息的正确与否，关系到整个测量系统的精度，在非电量检测系统中占有重要的地位。压力测量和温度测量，即压力计量学和温度计量学是计量学的一个重要分支，它在国民经济各领域中占有一定的地位。人们的日常生活、工农业生产和科学实验等许多方面都与力和温度有着十分密切的关系。力、温度作为重要的物理量，是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。随着时代的进步、社会的发展、科学技术的不断更新，力的测量范围、温度的测量范围要求不断扩大，同时测量准确性要求不断提高。因此，检测技术的研究是一个重要的研究课题。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。工业生产中，电流、电压、温度、流量、转速和开关量是常用的主要被控参数。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。传统工业中对压力控制一般采用实时监测并控制继电器开关来实现，不利于系统的稳定，而且占用劳动资源多，生产效益大大降低。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。随着工业领域越来越智能化，各种大型智能控制设备的普及，工厂对各种参数的采集监视系统要去更加看重。采用电子式数显压力开关进行控制，不仅具有控制方便，电子显示屏直观，精度高，使用寿命长等优点，而且可以大幅度提高被控压力的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量，极大的减少了员工劳动的繁琐，增加了生产效益。1.2分类目前国内外此类产品的应用大体上分为两大类，“一种是机械式的压力开关，见图1-2（a），结构上主要友弹簧，波纹管，杠杆等机械零件组成，寿命短，可靠性差，设定极为不便，一般在零点到满度之间设定点都有15%~30%的死区；一种是全电子式的[1]。”见图1-2（b），其特点是有：图1-2(a)机械式压力开关图1-2(b)电子式压力开关1.采用高精度AD和高速微处理器，全数字化设计;2.4位数码管显示当前压力或液位值;3.压力或液位可以根据自己的需要设置;4.三个单位可以根据客户需要选择：Bar，PSI，Kpa;5.可以设置高低压力或液位报警点，并通过继电器或光耦输出给控制设备;6.输出双路继电器(单刀双掷)开关量;7.两路继电器/两路光耦/带4-20mA/0-10V输出可以选择;8.采用高精度压力传感器，比机械压力开关精度高，迟滞小，响应快，稳定可靠;调节无死区，可以在整个量程范围内任意设定继电器动作压力点;9.使用按键调节动作压力，使用简便，更加灵活;防护等级：IP65，可以用在环境恶劣的场合;1.3电子式压力开关原理数显压力开关通常称为电子式压力开关；数显压力控制器等；主要原理是当系统内压力高于或低于设定压力值时，通过传感器感应内部压力，触动微动开关断开和接通；主要形式是通过连接导杆推动。当压力降至或升至设定的值时，其内部微动开关自动切断，达到控制被测压力的目的。数显压力开关全为全电子结构，前端采用带隔离膜充油压阻式压力传感器，由高精度的A/D转换，经微处理器运算处理，现场显示，并输出一路模拟量和两路开关量压力开关，采用的弹性元件有单圈弹簧管、膜片、膜盒及波纹管等。开关元件有磁性开关、水银开关、微动开关等[2]。1.4国外压力检测的现状在国外压力检测和控制已经较为成熟，精度相对较高，已经实现规模化生产，目前我国，随着我国工业不断发展，智能化不断提高，员工密度不断减少，各种先进传感器和仪器设备将逐渐取代原有的老旧设备。每个工厂几乎对压力的监测和控制已经非常普遍，应用非常广泛。但是我国的传感器控制系统的研究和发展还落后于西方国家，致使我国先进仪表设备还需大量进口，造成了大量资金损失。目前使用的压力开关存在如下问题：1.工作不可靠，在对压力开关进行校验时多次发现，当给定压力低于设定值时，压力开关认不动作，当用物体敲击时又恢复正常。2.误动作，用户反映：曾多次发生当管线内压力产生轻微波动时造成误动作。3.精度低、校准难，在校验时反复进行试验才能确定设定值。随着节能降耗、低碳经济、民生产业、战略新兴产业的发展，调整结构和转型已成为国家的长期国策，并带动了风电、核电、物联网、智能电网、高铁和轨道交通等一批新兴产业的高速发展，这些行业的发展为仪器仪表行业带来了新的机遇和市场。我国仪器仪表行业也已经真正跨入数字化、智能化、网络化时代。此次方案设计研制的数码压力开关就是在电子式压力开关的基础上用按钮来设定零点到满度之间的报警点任意调整，设计方便且不存在死区，同时采用高集成度仪用放大器和高集成度控制芯片设计，传统电子式压力开关有许多有点，但也不乏数码显示内容太少，价格昂贵等缺点。本设计采用成本较为低廉的微型片构建出一个集压力采集，信号放大，AD转换，液晶显示，继电器动作的一款性价比较高的压力开关。第2章方案设计通过对数显开关的了解以及结合设计的要求，构建一个理想的系统结构框图来实现仪器的参数指标，并对其中的核心部分进行筛选和理论性分析。2.1设计结构框图根据压力开关的工作原理，我得出以下设计结构框图如下图2-1传感器测量的实际值与键盘设定的给定值经过控制器的处理后，将结果经控制器输出到继电器及报警装置[3]。图2-1设计结构框图2.2控制器方案确定控制器是整个方案设计的核心，这里我选择了51单片机，ARM以及DSP进行了比较：一般51单片机是8位的；ARM是32位的；DSP有16位的，也有更高的。所有说从运算能力上看，C51最弱，DSP最强，ARM居中。结构差别较大，单片机最简单。单片机一般芯片面积非常小，工作频率很低（一般是10多MHz，有的是24MHz），所以功耗低。DSP则频率很高(高的达到300MHz以上)，所以功耗大。ARM芯片面积也很小，ARM是集成程度高，面积小，功耗也比较小。频率大约在（几十到200MHz之间）[4]。单片机主要应用于不需要太多计算量的控制类系统。一般配有丰富的外围模块。DSP则主要应用于需要进行复杂计算的高端系统，例如图像处理，加密解密，导航系统等，外围模块一般较少。ARM是C51和DSP之间的一个折衷。C51的性能远不如ARM和DSP，但仍然占据重要的一席之地，原因就是性能价格比。因为它太成熟了，太小了，太便宜了。而在一些需要复杂计算的领域，DSP也不可或缺。ARM的成功就是他找到了一个折衷点，并且建立了一个非常灵活的商业模型。本次课题要求对压力的实时采集传输数据，控制器必须要有实时接收和处理数据的能力，选择性价比较高的单片机，在运行处理数据能力，一般可以达到每秒执行1百万条8位数的指令。配合高精度的AD采集模块，完全可以做到实时数据采集和运算。所以结合实际课题指标和成本的问题，选择更为经济适用的51单片机来实现压力开关的设计。2.3压力传感器选择2.3.1压力检测的类型力传感器是一种能将力、压力等物理量变为可测量的电信号（电压、电流）的器件或者装置[5]。其转换的基本原理如图2-2图2-2力学量传感器原理框图力学量的获得，一般不通过直接测量敏感元件，而是将敏感元件与刚性试件通过特定的工艺结合在一起，力学量变化先引起试件在弹性范围内的几何形变，进而引起敏感元件相应的参数变化（如应变片的电阻值、压电元件表面产生的电荷的多少等），并且这种变化与待测的力、压力应呈线性关系，此时敏感元件的参数变化就可以转化为标准的电压或电流信号。这种信号是一种随时间连续变化的模拟量信号，需要经过模数转换电路，进入单片机电路或者其他电路进行处理或显示。力传感器根据按转换的原理分为，有应变式、电容式、压电式、电感式、压磁式等。在力的测量中，比较常用的是应变式、电容式和压电式。电容式测力传感器在恶劣环境下对测量静态或低频变化的力有较好的优势，它不适合测量一定频率下（1~2Hz），有较大变化下的冲压力的大小[6]。应变式传感器所测的力从，不仅测力的范围宽，动态、静态的力都能测量，而且价格相对便宜，应用领域非常广泛。应变式传感器核心元件是电阻应变计。电阻应变计，也称应变计或应变片，是一种将机械构建上的弹性形变转化为电阻变化的敏感元件。根据应变片的质地，电阻应变有金属电阻应变片和半导体电阻应变片两大类[7]。与金属电阻应变片比较，半导体应变片具有灵敏度高，耗电省、机械滞后小，可测量的静态应变和低频应变等优点，但其温度系数大，应变时非线性严重。随着新材料、新工艺的发展，人们选用晶体（硅、锗、蓝宝石、石英等）材料，采用微电子技术和微细加工技术研制出新型的半导体应变式传感器——压阻式传感器。这种传感器测量精度高、工作可靠、工作温度范围宽、容易实现数字化，比普通应变式传感器体积小而输出信号大，并且克服了半导体应变片存在的问题。2.3.2压阻式传感器的工作原理压阻式传感器工作原理与传统的半导体应变式传感器的工作原理一样，是基于半导体的的压阻效应，即当半导体材料在某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，其电阻率会发生变化。电阻率变化将引起电阻的变化，通过测量阻值，就可以确定外界作用力的大小[8]。下面通过对半导体应变片压阻效应的分析来说明半导体应变片的工作原理。设有一根长度为、横截面积为、电阻率为的半导体应变片，其电阻值为（2-1）当受到轴向均匀应力作用时，沿轴向将伸长，横截面积将相应减少，电阻率变化，那么电阻微笑变化为（2-2）受力后前后尺寸的变化如图2-3图2-3半导体应变片的受力前后尺寸变化可以证明，当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变为（2-3）式中为表征横向限度相对缩小和纵向线度相对伸长固定比例的泊松系数；为半导体应变片的轴向应变；为应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应力关系为（2-4）式中：—为应变片所受的应力；—为半导体材料的压阻系数；—为材料的弹性模量；将前两个式子整理得（2-5）实验证明，对于半导体材料，，即因机械变形引起的电阻变化可以忽略，半导体电阻相对变化率取决于电阻率的相对变化率。（2-6）根据应力和应变的关系：。由此可知，应力值正比于应变，应变正比于电阻值的相对变化，所以应力正比于电阻值的，这就是利用应变片测量应变的基本原理[9]。2.3.3电阻应变片测量电路的电桥原理要把应变片的微小引起的微小电阻值的变化测出来，同时要把电阻相对变化转换为电压和电流的变化，需要有专门的测量电路。直流电桥电路是常用的测量电路。如图2-4为恒压源供电电桥[10]。图2-4恒压源电桥1.平衡条件当→时，电桥输出电压为（2-7）当电桥平衡时，,所以或（2-8）2.电桥灵敏度若由应变片代替，当电路开路时，不平衡电桥输出的电压(2-9)（2-10）设桥臂比,由于,可忽略，若将上式合并可以近似得到（2-11）故电桥灵敏度为（2-12）从上式中可以得出：电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压提高收到应变片允许功耗的限制；电桥电压灵敏度是桥臂比值的函数，当电桥电压一定时，取1时，最大。也就是说，在电桥电压一定时，当、时，电桥的电压灵敏度最高[11]。此时分别将（3-10）（3-11）和（3-12）简化，可得：(2-13)(2-14)（2-15）3.恒流源电桥要减少半导体应变电桥的非线性误差，可以通过提高桥臂比，采用差动电桥等措施。同时还要求各桥臂的电流稳定[12]。因此，半导体 应变片电桥的电源一般采用恒流源，如图所示2-5。图2-5恒流源电桥当供桥电流为I，测量电路输出阻抗高时,可得到输出电压为(2-16)若电桥初始平衡，且,当第一桥臂电阻变为时，电桥输出电压为(2-17)忽略,可近似得到(2-18)从（2-18）式可以得到：电桥的输出电压与电阻的变化量成正比。4.非线性误差使用恒压源时，将（2-13）、（2-14）带入，可得到非线性误差为：(2-19)而使用恒流源时，非线性误差为(2-20)可见，采用恒流源供电时的非线性误差比采用恒压源供电时的非线性误差减少一半。2.3.4传感器最终方案综合以上，由于本设计压力精度并不要求太高，选择的压阻式传感器，设计为恒流源供电的电桥结构，提高其灵敏度，这样检测已经能满足系统的要求。而且大大减少了成本。第3章硬件电路设计方案设计是真个宏观的设计，而硬件电路设计就是从宏观到微观，从笼统到具体的一个重要环节。3.1总体设计框图经过对控制器和传感器的选择，本设计基本思路明了，压阻式全桥传感器将现场的实时压力值转换为几十毫伏的电压力值。由于信号太微弱不能与AD模块匹配，要经过信号放大和抗干扰的电路。处理后的电压信号要经过模/数转换模块将电压信号转换为8位二进制码，这些数据最后送到单片机中进行数据的处理，分别在液晶屏显示压力值和继电器输出[13]。设计框图如下图3-1。图3-1总设计框图3.2压力传感器70年代，采用集成电路技术研制的扩散型压阻式传感器（或称固态压阻式传感器），克服了粘贴带来较大的机械滞后和蠕变以及固有频率较低的集成化困难的缺点。3.2.1扩散型压阻式压力传感器特点优点：体积小，结构比较简单，动态响应好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。缺点：测量准确度受到非线性和温度的影响[14]。3.2.2压阻式传感器测量电路传感器输出的非电量转换成具有一定幅值的电压量，如图3-2所示的压阻式传感器测量电路[15]。图3-2压阻式传感器的测量电路该电路由两部分组成，其中右边部分为四个应变片组成的电桥测量电路，（零点温度漂移是因为扩散电阻的阻值随温度变化引起的。扩散电阻的温度系数因扩散表面杂质浓度不同导致薄层电阻大小各异而不一样。但工艺上难于做到四个P型桥臂，电阻的温度系数不完全相同，则不可避免产生温度变化时，无外力作用仍有电阻值的变化。一般用串，并联电阻的方法进行补偿）通过调节R7的触点位置，保证在未受载时电桥保持平衡。左边部分为恒流源电路，恒流源电路由运算放大器LM324D、三极管（调整管）VT、稳压管VDz、限流电阻，和分压电阻，采样电阻。由运算放大器和三极管组成V/I转换电路，由于运算放大器失调电流极小，运算放大器的正，反相输入端近似等电位（虚短）。因此，输出电流可表示,由此可见输出电流可有和进行调节而不随负载电阻的变化而变化，从而达到恒流输出的目的。本电路将设定为定值，通过调节来实现输出电流全量程调节的目的[16]。3.2.3参数计算设计恒流源输出电流，得(3-1)由分压电路得限流电阻和稳压管的选择。图3-3稳压管限流电阻等效电路图已知电源在11.5～12.5V之间变动，，,选取限流电阻时，必须保证稳压管工作在反向击穿状态。太大可能使Iz太小，无法使稳压管反向击穿；太小可能使Iz太大，烧毁稳压管。所以在保证稳压管可靠击穿情况下，尽可能选择较大的R4阻值。根据图3-9，可得到限流电阻R1的关系式(3-2)考虑最坏情况，即当输入电压最小，负载电流最大，的最大值必须保证稳压管中的电流大于，即(3-3)一般稳压管的为几毫安到几十毫安。这里取，则R4的最大值为(3-4)(3-5)的取值将直接影响稳压管的最大电流，取电阻标称值.考虑最坏情况，当输入电压最大，负载电流最小,即负载开路，原本流过负载的电流将全部流经稳压管，此时的最大值为(3-6)稳压值，最大耗散功率。综合所示，稳压管选取为：稳压值等于6V，最小电流小于等于5mA，最大电流大于1.8A，最大耗散功率大于10.8W。选用2CW22C

硅稳压二极管

（Vz=6.2~7.5V,Pzm=3000mW）可以满足要求[17]。最终传感器电路图如图3-4。图3-4传感器原理图3.3信号放大及调理电路3.3.1电路基本结构被测压力经应变片电桥得到的电信号的幅度往往很小，很难进行A/D转换，且有噪声干扰（共模干扰），零点漂移等，因此需要对这些模拟信号进行放大和处理。为了使电路简单并且便于调试，一般都采用集成运算放大器搭建。通过放大电路，最后利用低通滤波器，滤除混杂在信号中的高频噪声。信号放大及调理电路的整体结构如图3-5。图3-5信号放大及调理电路的整体结构考虑到传感器产生的信号非常微弱，一般只有几十毫伏到几百毫伏，很容易受到噪声的干扰，所以放大电路用运算放大器构成差分结构，对共模噪声有很强的抑制作用，同时拥有较高的输入阻抗和较小的输出阻抗，非常适合对微弱信号的放大。另外为了使输出电压在高频段以更快的速度下降，调高低通滤波器滤除噪声的能力，这里选择了二阶低通滤波器。微弱信号检测放大电路原来图如图。压力传感器产生的电信号通常具有很大的动态范围，原理图中可以改变Rg为可变电阻，通过改变Rg的阻值，可以改变放大器的放大倍数，从而适应放大不同大小的微弱信号[18]。图3-6信号放大及滤波电路原理图图3-11为测量和调理放大电路。该电路前半部分为三运放仪器放大器，由两个运算放大器A1和A2构成第一级，运放A3构成第二级。把被放大信号的分别接到输入端。假设R1=R3，Ad是A1和A2对差模输入信号的增益，Ac是A1和A2对共模输入信号的增益。如果忽略输入偏置电流，则可列方程式。（3-7）（3-8）（3-9）（3-10）解上面的方程式可得到A1和A2组成的第一级放大器的差模增益为(3-11）第一级放大器的共模增益为（3-12）设,A1和A2的共模抑制比,由式（3-11）和（3-12）得(3-13)（3-14）由式（3.13）和（3.14）可知，第一级放大器对差模信号进行放大，而对共模信号有抑制作用。假设,,运放A3的差模增益和共模抑制比分别为和,于是（3-15）式中G是整个三运放仪器放大器对差模信号的增益（3-16）是整个仪器放大器对共模信号的增益（3-17）整个仪器放大器的共模抑制比为(3-18)在进行微弱信号检测过程中，为了减少集成运算放大器对电路的干扰，应选择接近理想运算放大器。主要参数的要求是具有较小的偏置电流、输入偏置电压和零点漂移。具有较大的共模抑制比和输入电阻。特别是电流电压转换级别对集成运放的要求较高，一般需要运放的输入偏置电流在pA级，目前市面上有很多满足条件的集成运算放大器。设计中选用运放算放大器OP07，具有低漂移，高精度，输入阻抗高，易于与各种信号源匹配，稳定性好，共模抑制高等特性，适用于高共模电压背景下对微小信号进行放大。图3-11的后半部分为调理滤波电路。考虑到AD采集频率为33KHz（A/D采集频率计算见3.4.3），设计一个二阶有源滤波电路来进行滤波。截止频率=35KHz，先选择电容C（C1=C2）等于0.33pF，计算电阻阻值。3.3.2有源滤波器参数计算由，，得：(3-19)选择标准电阻，这与计算值有一点误差，可能导致截止频率比额定值稍有升高。由，Q称为品质因数(3-20)设计电路中,已知,才能稳定工作。当时，电路将自激振荡[19] 。结合以上结论设计选择3.4A/D转换电路传感器采集的电信号分为两种：一种是模拟信号，他不能直接输送到单片机，首先进行A/D转换，然后才能送到单片机处理；一种是数字信号，它可以直接输送给单片机。无论是模拟传感器，还是数字传感器存在与单片机的硬件或软件的衔接问题。3.4.1A/D转换模块TLC1543压力传感器采集的现场信号经过前面差动运放放大和滤波后的电信号是模拟信号，需要将其转换为数字信号，以便单片机处理。TLC1543是美国TI公司生产的10通道、低价格的模/数（A/D）转换器。它采用串行通信接口，能够大大节省单片机I/O口使用，具有输入通道多，性价比高、易于和单片机接口的特点，克广泛应用于各种数据采集系统。TLC1543为采用CMOS工艺制作的20脚DIP封装10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器，引脚排列如图3-7[20]3.4.2TLC1543的特点1.10位A/D分辨率转换器；由得到（3.21）2.11个模拟输入通道；3.3路内置自光测试方式；4.总不可调整误差；5.固有的采样保持功能；6.片内系统时钟；7.转换结束输出；8.采用CMOS技术；低功耗；3.4.3A/D采集时间计算AD采集时间=AD采集时间+AD转换时间。完成一次采样时间为为12个I/OCLOCK所用时间，AD转换时间根据C语言程序18个指令周期，由于每个I/OCLOCK由C语言完成，单片机晶振采用12MHz，指令周期=，所以AD采集时间=，故:AD采集频率=(3.22)采样滤波短路截止频率应略高于此频率。3.4.4TLC1543与单片机接口电路设计TLC1543与AT89C51采用串行数据通信，这里将TLC1543作为外部扩展串行I/O口，由P1.3接DATAOUT引脚（A/D转换输出端）用来接收A/D转换结果，P1.4接ADDERSS引脚（数据输入端）用来控制转换地址选择，P1.5接引脚（片选端）控制片选信号，P1.6接I/OCLOCK引脚（脉冲端）来发送脉冲信号给TLC1543[21]。接口电路原路图3-7。图3-7TLC1543接口电路原理图3.5显示电路3.5.1LM032L模块显示电路采用液晶LCD芯片LM032L，是LCD单色液晶显示器，以其低功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。设计中要求实时显示当前压力值，以及设定的上下限值，例如：满量程1000KPa，设定上下限初值500Kpa与200Kpa，两边和中间留出间隔，一共是20个字符，结合实际选择LM032L显示40个字符完全可以满足要求。如图3-8为LM032L芯片引脚图图3-8LM032L引脚图3.5.2液晶显示模块与单片机连接LM032L与单片机连接如图3-9图3-9LM032L与单片机连接图LM032L采用标准的16脚接口，其中：VSS引脚为地电源线接滑动电位器地端；VDD引脚接+5V电源；VEE引脚为液晶显示器对比度调整端接电位器调整端；接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”；RS引脚为寄存器选择与P2.0连接，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；RW引脚为读写信号线，与单片机P2.1连接，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据；E引脚为使能端与P2.2连接，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令；第7～14引脚：D0～D7为8位双向数据线，分别通过上来电阻接到P0口的8个I/O口上。3.6键盘电路独立连接式非编码键盘，每个按键都是彼此独立的，均需占用CPU的一条I/O输入数据线。独立式非编码键盘的优点是硬件电路简单；缺点是每个按键要占用一条I/O端口线。考虑到AT89C51单片机的I/O充足，采用独立连接式键盘[22]。3.6.1单片机与键盘电路接口设计单片机与键盘接口如下图3-10，具体对应关系如表3.1。图3-10单片机与键盘接口电路表3.1按键对应表按键编号I/O口功能K1P2.3“系统功能”键K2P2.4“开始/暂停”键K3P2.5“确定”键K4P2.6“取消”键K5P2.7“+”键K6P3.0“-”键SWP3.7“上下限位选择”键3.7继电器与报警装置固态继电器（SSR）与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，它利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。3.7.1固态继电器的工作原理固态继电器（SolidStateRelaySSR）是利用现代微电子技术与电力电子技术相结合而发展起来的一种新型无触点电子开关器件。它可以实现用微弱的控制信号（几毫安到几十毫安）控制0.1A直至几百A电流负载，进行无触点接通或断开。固态继电器是一种四端器件，两个输入端，两个输出端。输入端接控制信号，输出端与负载、电源串联，SSR实际是一个受控的电力电子开关，其等效电路如图3-11[23]。图3-11固态继电器等效电路图由于固态继电器具有高稳定、高可靠、无触点及寿命长等优点，应用在电动机调速、正反转控制、调光、家用电器、烘箱烘道加温控温、变送电电网的建设与改造、电流拖动、印染、煤矿、钢铁、加工和军用等方面。3.7.2继电器与单片机接口设计采用G2RL-14B-CF-DC12型号小型固态继电器，工作电源+12V，输入为10mA电流，输出为一盏二极管。与单片机连接如图3-12。图3-12继电器与单片机接口电路继电器工作与否由P3.2来决定，当P3.2没输出时，三极管不导通线圈没电，二极管接常开触点不导通不亮；当P3.2有输出时，三极管导通，线圈得电，二极管姐常开触点导通并发光。3.7.3报警装置报警装置由一个I/O线控制一个二极管和蜂鸣器来实现。具体电路如图3-13。图3-13报警装置与单片机接口电路报警装置由P3.1来控制，当P3.1有信号时，输出为正5V电压，三极管不导通，蜂鸣器与二极管不工作。当P3.1无信号时，输出为正2V电压，三极管导通，蜂鸣器与二极管工作，表现为报警现象。3.8电源设计直流电源是电子设备中共给能量的单元，因此是不可缺少的单元。它包括干电池、光电池、直流发电机和交流电网经整流、滤波、稳压而形成的电源[24]。早期的直流电源的稳压部分是由分立元件组成的，所用元件件多，占空间大，接线多，所花的劳动量比较大。自从集成稳压电源问世后，较好地解决了上述问题，因此得到迅速普及。系统设计中有三个电压等级，即+5V，+12V，-12V，对应模块如表3.2。其中供电电源为（24±0.1）VDC；工作范围:-20℃～+50℃;表3.2元件电源清单电压等级对应模块+5VAT89C51TLC1543LM032L继电器报警装置+12V运放OP07LM324D-12V3.8.1电源设计如下图3-14所示，电源电路，其中Ci1=0.33uF，Ci2=2.2uF，Ci3=0.33uF，Co1=0.1uF，Co2=1uF，Co3=0.1uF,两个二极管(IN4001)作为箝位二极管，在启动或短路工作时防止输出反极性,IN4148作为7805反向保护二极管。图3-1412v电源电路本次设计采用Ateml公司生产的8位AT89C51系列单片机，内含Flash存储器，采用CMOS工艺。低功耗，高性能，性价比高，市场应用成熟度高。3.9单片机与最小系统设计3.9.1最小系统构成单片机的最小系统是指尽可能少的外部电路条件，形成一个可以独立工作的单片机系统，主要包括：时钟电路，复位电路以及片选EA和电源接法。1.时钟电路一般时钟电路分为了内部时钟和外部时钟接法，见图3-15（a）（b）。图3-15（a)内部时钟图3-15（b）外部时钟内部自激振荡，产生正弦波信号，其震荡波形可以通过单片机的XTAL2引脚观察到。电容C1和C2通常取15～33pF，对振荡频率有微调作用。晶振频率范围0MHz～33MHz。外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。外部时钟信号为高电平持续时间要大于20ns，且频率低于12MHz的方波。2.复位电路复位是单片机的初始化操作，复位功能是把PC初始化为0000H，使CPU从0000H单元开始执行程序；复位操作同时还对其他一些寄存器有影响，但内部RAM的数据是不变的。除了进入系统的正常初始化以外，当由于程序运行错误或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动。（1）复位信号在RST引脚持续加上2个机器周期（24个振荡周期）的高电平单片机即可发生复位。例如，若时钟频率为12MHz，每个机器周期为1us，则只需2us以上时间的高电平即可实现复位。（2）复位电路单片机常见的复位电路如图3-16（a）（b）所示。图3-16（a）上电复位图3-16（b）按键复位电路图3-16(a）为上电复位电路，其是利用电容的充放电来实现的，在接电瞬间，RST端的电位与VCC相同，随着充电电流减少，RST的电位逐渐下降。图3-16(b）为按键复位电路。该电路除了有上点自动复位外，若要复位，只需按图3-4，b）中的RESET键，此时电源Vcc经电阻R1和R2分压，在RST端产生一个复位高电平。最终单片机的最小系统原理图，如下3-18。图3-18最小系统原理图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，本设计采用10uF电容。单片机最小系统晶振也可以采用12MHz，单片机最小系统起振电容C1、C2选取22pF电容，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好第4章软件设计通过对系统的硬件电路的设计与搭建，电路基本完成，对51单片机进行编程，完成预定动作是本章的任务。4.1系统的软件设计思路本系统程序的设计思路是：首先对系统进行初始化，对压力上下限赋初值，接着调用LCD显示程序和AD转换程序对实际压力值，上下限不断进行实时显示。在显示的过程中不断检测压力值，判断是否超出上下限。如果超出上下限一定阈值，继电器闭合并报警。为了提高压力信号采集的精度，AD转换程序进行15次压力采集，将AD数据值排序后取中间5组AD数据值求平均值得到。图4-1主程序流程图因此，系统程序由主程序，显示子程序，AD转换子程序，键盘子程序，延时程序等组成，其主程序框图如图4-1所示。4.2初始化子程序初始化子程序中，首先进行了各个模块以及单片机的头文件声明，然后根据硬件连接图对I/O进行了定义，最后定义了初始值，暂停标志位，暂时标志寄存器，调零标志，还有存储A/D值的数组。[25]图4-2初始化子程序4.3键盘子程序按键键盘采用非编码独立键盘，通过功能键→确定键可以实现当前压力值调零，开始暂停键可以实现锁定当前压力值，通过“+”键“-”键与限位开关的组合使用可以实现设定值上下限随意调节。图4-3按键子程序流程图4.4A/D子程序TLC1543有6种基本的串行接口时序方式。这些方式取决于I/OCLOCK的速度与的工作，我采用第一种方式，如序如图4-4，在串行I/OCLOCK传送之间无效（高），并且每次传送10个时钟。的下降沿使DATAOUT引脚脱离高阻抗状态并启动一次I/OCLOCK传送之间的工作过程。的上升沿将终止这个过程并在规定的延迟时间内使DATAOUT回到高阻抗状态。同时，的上升沿经过一个设置时间加两上内部系统时钟的下降沿后禁止I/OCLOCK和ADDRESS端[26]。图4-4方式一时序图图4-5A/D转换子程序流程图4.5液晶显示子程序1602系列液晶显示，对头文件，宏定义声明与I/O配置后，然后编写读写函数，忙碌函数，延时函数，设定显示位置函数后，在显示的子程序中分别调用这些函数构成了液晶显示子函数。图4-6液晶显示子程序流程图第5章仿真测试仿真测试是在硬件和软件设计完成后，对整个系统进行模拟测试，是对前面的软件和硬件设计的一个验证，在一定程度上可以模拟实物。5.1Proteus软件Proteus是英国LabcenterElectronics公司开发的电路分析与实物仿真软件。该软件具有原理布图、PCB设计及自动布线和电路的分析与仿真功能，可以将电路仿真和微控制器仿真进行配合，直接在基于原理图的虚拟原型上进行处理器编程调试，并进行功能验证，通过动态外设模型如电机，LED/LCD、键盘、RS232等来对设计进行交互式仿真，实时看到运行后的输入、输出的效果，还可配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等进行分析。Proteus为我们建立了玩呗的电子设计开发环境。Proteus软件由ISIS和ARES两个软件构成，其中ISIS是原理图编辑于仿真软件，ARES是布线编辑软件。本设计主要通过ISIS软件进行编辑与仿真。Proteus强大的单片机系统设计和仿真功能，使它可成为单片机系统应用开发金和改进的手段之一。单片机系统的设计和仿真过程可在计算机上通过Proteus软件完成。其过程一般有下列五步：如图5-1。图5-1Proteus设计和仿真流程5.2Proteus电路设计在ISIS平台上进行单片机系统电路设计，包括选择元器件，放置元器件、电源和地，电路布线，元器件属性设置，以及电气检测等。如图5-2为Proteus所绘制的硬件电路图。图5-2Protues硬件仿真图5.2.1Proteus源文件设计和目标代码生成在Keil平台上进行单片机系统程序的设计、编辑、代码调试，生成源文件。图5-3Keil软件C语言程序编辑调试图5-4设置晶振频率为12MHz图5-5设置生成源文件（.H文件）5.2.2Proteus仿真在ISIS平台上将目标代码文件加载到单片机系统中，并实现单片机系统的实时交互、协同仿真。这在相当程度上反应了实际单片机系统的运行情况。图5-6Protues加载源文件（.hex文件）并设置晶振时钟为12MHz,点击全速仿真按钮，C语言编程默认上限500MPa，下限200MPa,压力传感器用滑动变阻器分压模拟。超出阈值5%继电器动作。图5-6加载源文件1.满量程校验将滑动变阻器调到100%即压力传感器最大输出得到满量程输出。如图5-7，可以看出满量程输出为999.02MPa.精度为，满足设计要求。图5-7满量程输出仿真图2.零点输出校验将滑动变阻器调到0%即压力传感器最小输出得到零点输出。如图5-8可以看出零点输出为0MPa。精度为：100%，满足设计要求。图5-8零点输出仿真图3.现场压力模拟仿真实验模拟现场压力波动情况，当压力值在默认值200～500KPa范围内时，继电器不动作，绿色二极管量，如图5-9。图5-9压力值为349.68KPa时仿真图图5-10压力值为749.02KPa时仿真图5.3仿真调试小结不论从液晶显示数据，模拟现场压力变化，还是键盘设置初始值，都能根据要求执行，程序设计是成功的。在仿真过程中，许多仿真数据与分析计算所得的结果非常吻合要求，这是因为仿真时很多情况都被理想化了。而在实际电路中，取信号时的误差、不稳定性、各个模块之间的相互影响等都会影响系统的测量结果。结论本设计是基于单片机设计的一个款压力采集显示并输出的小系统，本设计主要完成了以下工作：1.经过Protues仿真得出设计的系统量程0～1Mpa，最大误差不超过，满足设计参数指标；2.选用军品级运算放大器可以使工作温度达到-50℃～+70℃；3.液晶1602不仅可以动态显示压力值，而且还可以对设定的上下限以及系统工作状态实时显示；4.对系统的各个部分进行了分析，画出各模块的软件流程图；虽然利用Protues软件对系统进行了仿真，可以极大地简化51单片机程序在硬件上的调试工作，大幅度节省制作电路板的时间，对于提高产品的开发率、降低开发成本等有重要作用。然而这些都是理想情况下得出的结论，忽略了压阻式传感器温度漂移补偿问题，以及硬件电路实际搭建过程中的电磁干扰等环境因素。在实际生产过程中应该加入通讯模块，可以使目前工厂离散控制的现状，朝工厂数控化、自动化、集成化方向发展。本设计所针对的压力检测数显开关还可以在微型化、精度、稳定性以及成本方面进一步优化。另外，由于工业现场的环境比软件实验更为恶劣，干扰也比较严重，因此本系统在工业现场恶劣环境中是否能稳定运行以及测量精度是否能得到保证，还有待更近一步的测试和检验。致谢首先感谢我的指导老师郎术斌副教授！他在我大学期间教授的课程中让我受益匪浅，包括论文题目的确定，文献资料的收集、整理，课题研究过程的建议和指导，给了我极大的帮助，使得我的论文得以顺利的完成。在论文的定稿过程中，他提出了许多宝贵的修改意见；同时，他严谨的治学态度、正直无私的品质无时不鼓励着我，鞭策着我，使我在工作和学习上不断进步，这段经历将令我终身受益。感谢全系老师在学习上对我的支持和帮助！其中特别感谢高柏臣教授为我们提供了良好的论文写作环境和就业方向的指导，同时感谢所有老师给我的帮助。感谢全体同学的支持和帮助！特别感谢王丹、石宇、张磊和刘臻同学在软件调试和程序编写过程中给予的帮助和建议。再次感谢许多帮助过我的人们，在此向他们致以诚挚的谢意！参考文献[1]关得新,冯文全.单片机外围器件实用手册（电源器件分册）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2021：86～94[2]张洪润，等.传感器应用电路200例[M].北京：北京航天航空大学出版社，2021：2～9,36～66,299～303,452～479[3]郎术斌，王洪岩，王烨.数显式智能压力开关的设计[J].传感器与位系统，2021，（28）6：80～82[4]RobertJ.Bibbero.MicroprocessorsinInstrumentsandControl,2021,11～15[5]张洪润，等.传感器应用设计200例（下册）[M].北京：北京航天航空大学出版社，2021：291～301[6]付家才传感器与检测技术原理及实践[M]北京：中国电力出版社，2021：107～112[7]Kwon,Kilin,Park.Solid-stateSensorsandActuators.ProceedingsV22021.IEEE,Piscataway,NJ,USA,2021:1221～1224[8]高友微传感器压力测量系统[J].仪表技术与传感器,2021，(12)：66～68[9]才滢，毕鹏.压阻式压力传感器及其应用电路设计[J].测量与检修，2021，（22）：12～14[10]计忠鸣MCS-51单片机原理及嵌入式系统应用[M]西安：西安电子科技大学出版社，2021：269～277[11]康华光，等.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社,2021：.85～89，496～497[12]艾学忠，杨潇.实用恒流源设计[J].电子测量技术，2021，（5）：25～26[13]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M]北京：清华大学出版社，2021：384～388[14]腾敏.压阻式传感器零点温度补偿公式推导[J].河南师范大学学报，2021，（39）：101～102[15]黄小平，蓝德良，孙江晖，兰海.精密多功能恒流源[J].测量与设备，2021，（7）：7～8[16]郑义，陈俊.用AT89C52和TLC1543实现数据采集系统[J].单片机与可编程器件，2021，（12）：24～25[17]王幸之，等.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京：北京航天航空大学出版社，2021：111～116[18]杜洋爱上单片机[M]北京：中国邮电出版社，2021年237～246[19]张洪润，等.单片机应用设计200例（下册）[M].北京：北京航天航空大学出版社，2021年.207～212,295～298[20]闫天峰.串行A/D转换器TLC1543及其应用[J].单片机与应用，2021，（20）；36～38[21]于勇，戴佳.C语言常用模块与综合系统设计[M]北京：电子工业出版社，2021：145～151[22]杨居义.单片机课程设计指导[M]北京：清华大学出版社，2021：62～79[23].倪杰.于敏.沈辉压力开关的过载与限位保护研究[J].传感器与微系统,2021，(12)：7880[24]梁峭.孙海玮.刘宏伟动力装置压力开关的研制[J].仪表技术与传感器,2021，(12):47～48[25]郭慧，等.单片机C语言程序设计[M].北京：电子工业出版社,2021年.182～189，230～23[26]谭浩强.C程序设计[M].北京：清华大学出版社，2021：50～60[27]蒋辉平基于Proteus的单片机系统设计与仿真实例[M]北京：机械工业出版社，2021：1～17附录1电源模块参数表参数LM7805LM7812LM7912输出电压范围/V4.8～5.211.5～12.5-11.5～-12.5输入电压最大值/V353535最大输出电流/A器件压降/V<2.5<2<2(负载调整率)1001002405mA～5mA～5mA～(线性调整率)1001002407～25V7.5V～25V-14.5V～-30V(输出电压温漂)0.60.8-0.8PAGE62附录2C语言程序…………………头文件………#include"1543lcd.h"#include<reg51.h>#include<intrins.h>…………A/D转换模块引脚义………………sbitCLOCK =P1^6;sbitD_IN =P1^4;sbitD_OUT =P1^3;sbit_CS =P1^5;………………定义数组………intv5[1],v4[1],v3[1],v2[1],v1[1];……………按键模块引脚义…………………sbitk1=P2^3;sbitk2=P2^4;sbitk3=P2^5;sbitk4=P2^6;sbitk5=P2^7;sbitk6=P3^0;…………..报警继电器输出定义…………sbitspeaker=P3^1;sbitled=P3^2;……………..……………上下限调整引脚定义………………..…………sbittj=P3^7;…………….定义液晶初始值……………..…unsignedintset=500,setl=200;………定义一个单字节一维数组…………unsignedchartab1[]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','a'};…………tiaoling调零输出，jieguo开始暂停寄存器参数………………idatafloattemp[3],tiaoling=0,jieguo;………………biaoz为调零标志flag为开始暂停标志….unsignedcharbiaoz,flag; ………..…A/D转换子程序…………………unsignedintread1543(unsignedcharport)//从1543读取采样值，port是采样通道号{unsignedintdataad;unsignedchardatai,al=0,ah=0;CLOCK=0;_CS=0;port<<=4;…………..………………把通道号打入1543………………for(i=0;i<4;i++){D_IN=(bit)(port&0x80);CLOCK=1;CLOCK=0;port<<=1;}…………..……………填充6个CLOCK……for(i=0;i<6;i++){CLOCK=1;CLOCK=0;}CS=1;…….…延时等待AD转换……………_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();