数字压力传感器

无锡职业技术学院

毕业设计说明书（论文）

数字压力传感器

摘要：本课题主要介绍数字压力传感器，包括应变计/压电传感器为敏感元件的硬件电路设计、运

算元件（80C51单片机）数据处理、4位数码显示系统以及相应的通信接口与协议；实现在一路测

量范围在0~250PSI,测量精度在1PSL分辨率在1PSI。

关键词：PIC单片机数字通讯智能

1引言

数字压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其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，下面就简单介绍一些常用传感

器原理及其应用。

本课程设计的数字压力传感器以单片机为主要部件，利用全桥测量原理，通过对电路输

出电压和标准压强的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲（V）改为压强纲（pa）

即成为一台原始电子称。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻

应变式传感器是传感器中应用最多的一种，本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误

差更小，输出的数据更精确。而三运放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信

号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。ADC0809的A/D转

换作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路

中去，最后由显示电路显示出测量结果。并且能实现数字传感器之间的通讯，达到数据

共享的目的。从而更好的满足当今社会发展的需求。

2方案论证

2.1方案…：

本方案采用电阻应变片作为敏感元件采集信息，经三运放大器放大处理，再送入ADC0809

进行数模转换，运用80C51单片机作为运算处理元件处理数据，并进行通讯和LED显示。

基本工作原理框图如下：

图1.2T基本工作原理框图

16

2.2方案二：

本方案采用压电传感器作为敏感元件采集信息，经三运放大器放大处理，再送入ADC0809

进行数模转换，运用DSP单片机作为运算处理元件处理数据，并进行通讯和LED显示。

基本工作原理框图如下：

2.3方案选择：

本次设计要求精度不高，考虑其成本、自身的学习经历。本次设计采取方案一。

3各电路设计和论证

3.1电源电路设计和论证

直流稳压电源是电子设备中必不可少的组成部分，它通常由电源变压器、整流、滤波和

稳压电路等四部分组成。

直流稳压电源的组成与构成图

3.1.1方案一

图3-1所示为CW7800系列三端固定输出采集集成稳压器的基本应用电路。图中表明了

从交流电网电压经电源变压器降压，又经桥式整流和电容滤波后加在稳压器的输入端的

连接方法，并提供各种有关元器件的参考参数。正常工作时，稳压器的输入输出电压差

一般为2-3V。图中V5是保护二极管，当输入端短路时，给输出电容器C4存储的电荷提

供一个放大电路，防止C4两端电压作用于集成稳压器内部调整管的发射结，造成发射

结击穿而损坏三端集成稳压器。

J1_II

之岸般FT

由OUT.

3.1.2方案二

串联型晶体管稳压管稳压电路组成框图如图所示，它由调整管、取样电路、基准电压和

比较放大电路等部分组成。图是典型的串联型双极型晶体管稳压电路。图中RI、Rp2和

R2所组成的分压器称为取样电路，它能将输出电压的变化取回一部分送到双极型晶体管

V2的基极。由限流电阻R3和稳压管V3组成的电路提供一个基准电压Uz,使双极型晶

体管V2的发射极电位保持恒定。双极型晶体管V2将取样电压和基准电压进行比较，所

的误差电压通过V2进行放大，因此将V2所组成的放大电路电路或误差放大电路。双极

型晶体管VI在电路中起电压调节作用，称为调整管。R4既是V2的集电极负载电阻，又

是VI管的基极偏置电阻。

IO

调整管

+

取O

U

比较放大样T

—

电路电

路

基准电压

3.1.3方案论证

由于三端稳压管只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价

格廉价等优点，因而得到广泛应用。所以本课题用第一方案。

3.2数据采集电路设计和论证

3.2.1方案一

3.2.1.1电阻应变式传感器的组成以及原理

电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的导体或半导体材料弹性变形转换

成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成。常用的电阻应变片有两种：

金属电阻应变片和半导体应变片，金属电阻应变片有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。

本设计中采用的是金属电阻应变片丝式结构，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴

在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。

电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度

的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：

A.电阻丝温度系数引起的。

B.电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。

对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会

因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行

温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部

对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原

因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。滞后和蠕

变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，

所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。

全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R=

R+AR,R2=R-AR,R3=R+AR,R„R-AR,其电路输出电压U0U,=UKe„由于充分利用了双

差动作用，它的输出电压为单臂工作时的4倍，所以大大提高了测量的灵敏度。

3.2.1.2电阻应变式传感器的测量电路

常规的电阻应变片K值很小，约为2,机械应变度约为0.000001—0.001,所以，电

阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的

电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。

桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对

角线接入工作电压U,另一个对角线为输出电压Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相

应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥

能够精确地测量微小的电阻变化。

测量电路是电子称设计电路中是一个重要的环节，我们在制作的过程中应尽量选择

好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。

图1.2-4全桥测量电桥图

它由电阻应变片电阻RI、R2、R3、R4组成测量电桥,R1=R2=R3=R4=350Q,加热

丝阻值为50Q左右，测量电桥的电源由稳压电源U,0供给。将差动放大器调零，合上电

源开关，调节电桥平衡电位RW1,使数显表显示0.00V。将10只标准祛码全部置于传感

器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V（2V档测量）

或一0.200V。拿去托盘上的所有祛码，调节电位器RW4（零位调节）使数显表显示为

0.OOOOVo重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为压强纲p,

就可以称重。

3.2.2.1三运放大电路

本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是

三运放大器。在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器

输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满

足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。

图1.2-6三运放大电路结构图

3.2.3ADC0809A/D转换器

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的

CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

3.1.3.1ADC0809的内部逻辑结构：

由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、-个地址锁存与译码器、一个A/D转换器

和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入,

共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当0E端为高

电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

3.2.3.2引脚结构：

128

IN3HST2

227

DST4DST1

326

DST5INO

425

IN6A

24

5IN7B

623

STC

22

7EOCALE

821

D3D7

920

OED6

1O19

CLKD5

1118

VCCD4

17

12VRBF4-DO

1316

GNDVREF-

1415

DID2

IN0-IN7：8条模拟量输入通道

ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0—5V,若信号太小，必须进行

放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前

增加采样保持电路。

地址输入和控制线：4条

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将

A,B,C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进

行转换。A,B和C为地址输入线，用于选通IN0-IN7上的一路模拟量输入。通道选择

表如下表所示。

CBA选择的通道

000IN0

001IN1

010IN2

011IN3

1001N4

101IN5

110IN6

111IN7

数字量输出及控制线：11条

ST为转换启动信号：当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D

转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明

转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。0E为输出允许信号，用于控制三条输出锁存

器向单片机输出转换得到的数据。OE=1,输出转换得到的数据；0E=0,输出数据线呈

高阻状态。D7-D0为数字量输出线。

CLK为时钟输入信号线：因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提

供，通常使用频率为500KHZ,

VREF(+),VREF(-)为参考电压输入。

3.2.3.3ADC0809应用说明:

1)ADC0809内部带有输出锁存器，可以与8031直接相连。

2)初始化时，使ST和0E信号全为低电平。

3)送要转换的哪一通道的地址到A,B,C端口上。

4)在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。

5)是否转换完毕，我们根据E0C信号来判断。

6)当E0C变为高电平时，这时给0E为高电平，转换的数据就输出给单片机了。

3.2.4LED显示电路设计

3.2.4.1LED显示器结构与原理

LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。在单片机应用系统中通常使用的

是七段LED。这种显示块有共阴极与共阳极两种。共阴极LED显示块的发光二极管阴极

共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时;发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发

光二极管阳极并接。

3.2.4.2LED显示器与显示方式

在单片机应用系统中使用LED显示块构成N位LED显示器。N位LED显示器有N根

位选线和8*N根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线

控制字符选择，位选线控制显示位的亮，暗。

LED显示器有静态显示与动态显示两种方式。我们使用的为动态显示LED动态显

示方式。

在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一

个4位I/O□控制，而共阴极点或共阳极点分别由响应的I/O口线控制。

图2.4-1LED显示电路图

3.2.4.3总体工作电路原理图

3.2.1.5RS-485通讯

1.RS-485协议

典型的串行通讯标准是RS232和RS485,它们定义了电压,阻抗等，但不对软件

协议给予定义，区别于RS232,RS485的特性包括：

1.RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6）V表示；逻

辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，

就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

2.RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。

3.RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，

即抗噪声干扰性好。

4.RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，

另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接

口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单

一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优

点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络一般只需二根

连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。RS485接口连接器采用DB-9的9

芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485

采用DB-9（针）。

RS485编程

串口协议只是定义了传输的电压，阻抗等，编程方式和普通的串口编程一样

因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就

使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所

以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，

与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9（钟。

2.RS485接口

RS485简介

智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市

场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时

其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过

程量，后来仪表接口是RS232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这

种方式不能实现联网功能。随后出现的RS485解决了这个问题。下面我们就简单

介绍一下RS485。

RS485接口

RS485采用差分信号负逻辑，+2V〜+6V表示“0”，-6V〜-2V表示“1”。

RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采

用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总

线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，

即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对

双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连

接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因：（1）

共模干扰问题：RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参

照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了

收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7〜+12V,只有满

足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会

影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。（2）EMI问题：发送驱动器输出信号中的共

模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的

形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。

由于PC机默认的只带有RS232接口，有两种方法可以得到PC上位机的RS485

电路：（1）通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号，

对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离珊的产品。（2）通过PCI

多串口卡，可以直接选用输出信号为RS485类型的扩展卡。

RS485电缆

在低速、短距离、无干扰的场合可以采用普通的双绞线，反之，在高速、长

线传输时，则必须采用阻抗匹配（一般为120Q）的RS485专用电缆（STP-120Q

（forRS485&CAN）onepair18AWG）,而在干扰恶劣的环境下还应采用铠装

型双绞屏蔽电缆（ASTP-120C（forRS485&CAN）onepair18AWG）。在使用

RS485接口时，对于特定的传输线路，从RS485接口到负载其数据信号传输所允许

的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比，这个长度数据主要是受信号失真及

噪声等影响所影响。理论上，通信速率在lOOKpbs及以下时，RS485的最长传输距

离可达1200米，但在实际应用中传输的距离也因芯片及电缆的传输特性而所差异。

在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大，最多可以加八个中继，

也就是说理论上RS485的最大传输距离可以达到9.6公理。如果真需要长距离传

输，可以采用光纤为传播介质，收发两端各加一个光电转换器，多模光纤的传输

距离是5~10公里，而采用单模光纤可达50公里的传播距离。

RS485布网

网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建

网络时，应注意如下几点：

（1）采用一条双绞'线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点

的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。有

些网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的

延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末

端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。

(2)应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。

下列几种情况易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段

总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。

总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。

在RS485组网过程中另一个需要主意的问题是终端负载电阻问题，在设备少

距离短的情况下不加终端负载电阻整个网络能很好的工作但随着距离的增加性能

将降低。理论上，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射信号在开始

采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在实际上难以掌握，美国MAXIM公

司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度

时需要进行匹配：当信号的转换时间(上升或下降时间)超过电信号沿总线单向

传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。

一般终端匹配采用终端电阻方法，RS-485应在总线电缆的开始和末端都并接

终端电阻。终接电阻在RS-485网络中取120Q。相当于电缆特性阻抗的电阻，因

为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100〜120Q。这种匹配方法简单有效，但有

一个缺点，匹配电阻要消耗较大功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适合。

另外一种比较省电的匹配方式是RC匹配。利用一只电容C隔断直流成分可以节省

大部分功率。但电容C的取值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折衷。还

有一种采用二极管的匹配方法，这种方案虽未实现真正的“匹配”，但它利用二

极管的钳位作用能迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的，节能效果显著。

最近两年一些公司基于部分企业信息化的实施已完成，工厂中已经铺设了延

伸到车间每个办公室、控制室的局域网的现状，推出了串口服务器来取代多串口

卡，这主要是利用企业已有的局域网资源减少线路投资，节约成本，相当于通过

tcp/ip把多串口卡放在了现场。

RS485和其它总线网络的区别：

我们把工业网络归结为三类：RS485网络、HART网络和现场总线网络。

HART网络：HART是由现在的艾默生提出一个过度性总线标准，他主要是在4~20

毫安电流信号上面叠加数字信号，物理层采用BELL202频移键控技术，以实现部

分智能仪表的功能，但此协议不是一个真正意义上开放的标准，要加入他的基金

会才能拿到协议，加入基金会要一部分的费用。技术主要被国外几家大公司垄断，

近两年国内也有公司再做，但还没有达到国外公司的水平。现在有很大一部分的

智能仪表都带有HART圆卡，都具备HART通讯功能。但从国内来看还没有真正利

用其这部分功能，最多只是利用手操器对其进行参数设定，没有发挥出HART智能

仪表应有的功能，没有联网进行设备监控。从长远来看由于HART通信速率低组网

困难等原因，HART仪表的采购量会程下滑趋势，但由于HART仪表已经有十多年的

历史现在在装数量非常的大，对于一些系统集成商来说还有很大的可利用空间。

现场总线网络：现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为

自动化领域的计算机局域网，它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开

始。现场总线是连接设置在控制现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字

化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数

字通信。现场总线技术近年来成为国际上自动化和仪器仪表发展的热点，它的出

现是传统的控制系统结构产生了革命性的变化，是自控系统朝着智能化、数字化、

信息化、网络化、分散化的方向迈进，形成新型的网络集成式全分布式控制系统

---现场总线控制系统FCS(FieldbusControlSystem)。但是现在的现场总线的

各种标准并行存在并且都有自己的生存领域，还没有形成真正统一的标准，关键

是看不到什么时候能形成统一的标准，技术也不够成熟。另外现场总线的仪表种

类还比较少可供选择的余地小，价格也偏高，从最终用户的角度看大多还处于观

望状态，都想等到技术成熟之后在考虑，现在实施的少。

RS485网络：RS485/M0DBUS是现在流行的一种布网方式，其特点是实施简单

方便，而且现在支持RS485的仪表又特多，特别是在油品行业RS485/M0DBUS简

直是一统天下，现在的仪表商也纷纷转而支持RS485/M0DBUS,原因很简单，象原

来的HART仪表想买一个转换口非常困难而且价格昂贵，RS485的转换接口就便

宜的多而且种类繁多。至少在低端市场RS485/M0DBUS还将是最主要的组网方式，

近两三年内不会改变。

如今HART仪表想买一个转换口并不困难而且价格也不在昂贵，目前国内有不少

HART协议转换器，例如:SM100-A/SM100-B/SM100-C（嘉兴市松茂电子出的三款）现已基

本满足国内用户的需求.同时HART-RS232/HART-RS485还支持MODBUS协议.能很好

的满足不同用户的需。

3.max485

MAX485是芯片接口的一种类型

MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片。

采用单一电源+5V工作，额定电流为300uA,采用半双工通讯方式。它完

成将TTL电平转换为RS-485电平的功能。MAX485芯片的结构和引脚都非常简单，

内部含有一个驱动器和接收器。R0和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，

与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接

收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，

器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管

脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的

电平高于B时一，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为

0o在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送

即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100Q的电阻。

4.电路设计

2.1电路基本原理

某节点的硬件电路设计如图1所示，在该电路中，使用了一种RS-485接口芯片

SN75LBC184,它采用单一电源Vcc,电压在+3〜+5.5V范围内都能正常工作。与普通

的RS-485芯片相比，它不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8kV的静电放电冲击，片

内集成4个瞬时过压保护管，可承受高达400V的瞬态脉冲电压。因此，它能显著提高

防止雷电损坏器件的可靠性。对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需

要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平,

这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。另外，它的输入

阻抗为RS485标准输入阻抗的2倍（224kQ）,故可以在总线上连接64个收发器。

芯片内部设计了限斜率驱动，使输出信号边沿不会过陡，使传输线上不会产生过多的高

频分量，从而有效扼制电磁干扰。在图1中，四位一体的光电耦合器TLP521让单片机

与SN75LBC184之间完全没有了电的联系，提高了工作的可靠性。基本原理为：当单片

机P1.6=0时，光电耦合器的发光二极管发光，光敏三极管导通，输出高电压（+5V）,

选中RS485接口芯片的DE端，允许发送。当单片机P1.6=1时，光电耦合器的发光二极

管不发光，光敏三极管不导通，输出低电压（0V）,选中RS485接I」芯片的RE端，允

许接收。SN75LBC184的R端（接收端）和D端（发送端）的原理与上述类似。

2.2RS-485的DE控制端设计

在RS-485总线构筑的半双工通信系统中，在整个网络中任一时刻只能有一个节点处于

发送状态并向总线发送数据，其他所有节点都必须处于接收状态。如果有2个节点或2

个以上节点同时向总线发送数据，将会导致所有发送方的数据发送失败。因此，在系统

各个节点的硬件设计中，应首先力求避免因异常情况而引起本节点向总线发送数据而导

致总线数据冲突。以MCS51系列的单片机为例，因其在系统复位时，I/O口都输出高电

平，如果把I/O□直接与RS-485接口芯片的驱动器使能端DE相连，会在CPU复位期间

使DE为高，从而使本节点处于发送状态。如果此时总线上有其他节点正在发送数据，

则此次数据传输将被打断而告失败，甚至引起整个总线因某一节点的故障而通信阻塞，

继而影响整个系统的正常运行。考虑到通信的稳定性和可靠性，在每个节点的设计中应

将控制RS485总线接口芯片的发送引脚设计成DE端的反逻辑，即控制引脚为逻辑“1”

时，DE端为“0”；控制引脚为逻辑“0”时，DE端为“1”。在图1中，将CPU的引脚

P1.6通过光电耦合器驱动DE端，这样就可以使控制引脚为高或者异常复位时使

SN75LBC184始终处于接收状态，从而从硬件上有效避免节点因异常情况而对整个系统造

成的影响。这就为整个系统的通信可靠奠定了基础。

此外，电路中还有1片看门狗MAX813L,能在节点发生死循环或其他故障时，自动复位

程序，交出RS-485总线控制权。这样就保证整个系统不会因某一节点发生故障而独占

总线，导致整个系统瘫痪。

2.3避免总线冲突的设计

当一个节点需要使用总线时，为了实现总线通信可靠，在有数据需要发送的情况下先侦

听总线。在硬件接口上，首先将RS-485接口芯片的数据接收引脚反相后接至CPU的中

断引脚INTO。在图1中，INTO是连至光电耦合器的输出端。当总线上有数据正在传输

时，SN75LBC184的数据接收端（R端）表现为变化的高低电平，利用其产生的CPU下降

沿中断（也可采用查询方式），能得知此时总线是否正“忙”，即总线上是否有节点正

在通信。如果“空闲”，则可以得到对总线的使用权限，这样就较好地解决了总线冲突

的问题。在此基础上，还可以定义各种消息的优先级，使高优先级的消息得以优先发送，

从而进一步提高系统的实时性。采用这种工作方式后，系统中已经没有主、从节点之分,

各个节点对总线的使用权限是平等的，从而有效避免了个别节点通信负担较重的情况。

总线的利用率和系统的通信效率都得以大大提高，从而也使系统响应的实时性得到改

善，而且即使系统中个别节点发生故障，也不会影响其他节点的正常通信和正常工作。

这样使得系统的“危险”分散了，从某种程度上来说增强了系统的工作可靠性和稳定性。

2.4RS-485输出电路部分的设计

在图1中，VD1〜VD4为信号限幅二极管,其稳压值应保证符合RS-485标准，VD1和VD3

取12V,VD2和VD4取7V,以保证将信号幅度限定在-7〜+12V之间，进一步提高抗过

压的能力。考虑到线路的特殊情况（如某一节点的RS-485芯片被击穿短路），为防止

总线中其他分机的通信受到影响，在SN75LBC184的信号输出端串联了2个20Q的电阻

R1和R2,这样本机的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。在应用系统工程的

现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120Q左右，所以线路设计时，

在RS485网络传输线的始端和末端应各接1个120Q的匹配电阻（如图1中的R3）,

以减少线路上传输信号的反射。

2.5系统的电源选择

对于由单片机结合RS-485组建的测控网络，应优先采用各节点独立供电的方案，同

时电源线不能与RS-485信号线共用同一股多芯电缆。RS-485信号线宜选用截面积0.75

mm2以上的双绞线而不是平直线，并且选用线性电源TL750L05比选用开关电源更合适。

TL750L05必须有输出电容，若没有输出电容，则其输出端的电压为锯齿波形状，锯齿波

的上升沿随输入电压变化而变化，加输出电容后，可以抑制该现象。

3.2.2方案二

3.2.2.1压电传感器

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其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，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用

1、应变片压力传感器原理与应用

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、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式

加速度传感器等。但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。下面我们主要介绍这类传感器。

在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是

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。电阻应变片应用最多的是金属电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。

金属电阻应变片的内部结构

如图1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，输出零点漂移明显,

调零电路过于复杂。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。

电阻应变片的工作原理

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。金属导体的电阻值可用下式表示：

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）

我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变

化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时一，

其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减

小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电

压），即可获得应变金属丝的应变情

2、陶瓷压力传感器原理及应用

抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使

膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），

由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成

正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等，可

以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，

传感器自带温度补偿0〜70C,并可以和绝大多数介质直接接触。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料陶瓷的热稳定

特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40〜135℃,而且具有测量的高精

度、高稳定性。电气绝缘程度＞2kV,输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶

瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，

在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一

的电信号输出（0-5,4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，

与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形

变，从而达到压力测量的目的。

3、压电压力传感器原理与应用

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石

英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范

围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温

就是所谓的“居里点”）o由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），

所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系

数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，

能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钢压电陶瓷、P

ZT、钝酸盐系压电陶瓷、银镁酸铅压电陶瓷等等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过

外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是

这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

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、使用寿命长等优异的特点。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。压电式传感器也可以用来测量发

动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮

子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。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。

4、压电压力传感器的测量电路

压电元件在承受外力作用时，表面就产生电荷，因此它相当于一个电荷发生器或电

荷源。。压电元件的符号如图32.2.8所示。

图322.8压电元件的符号

由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，因此压电

传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，所以压电

传感器只适用于动态测量。

电荷放大器

电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量。成正比的电荷/电压转换器，它与压电

传感器配套使用，可测量振动、冲击、压力等机械量，电荷放大器的输入端可配接长电

缆，而不会受引线电缆分布电容的影响。电荷放大器电路如图6-3a所示。

a）电路b）外形

1一压电传感器2—屏蔽电缆线3—电缆分布电容4一电荷放大器Sc—灵敏度选

择开关

SR一带宽选择开关VDI、VD2一输入端保护二极管

电荷放大器的输出电压的有效值可由式得到

式中Q——压电传感器产生的电荷；

G——并联在放大器输入端和输出端之间的反馈电容。

图3.2.2.10压电传感器接电压放大器的等效电路

3.2.2.2三运放大器

本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是

三运放大器。在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，多数情况下，传感器

输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满

足A/D转换器对输入信号电平的要求，在此情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。

R5

R9R10

10kRV110k

1k

图1.2-6三运放大电路结构图

3.2.2.3PIC单片机

PIC单片机的优势

1）PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价

格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机

功能和资源的需求也是不同的。比如，一个摩托车的点火器需要一个I/O较少、RAM及

程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机，若采用40脚且功能强大的单片机，投

资大不说，使用起来也不方便。PIC系列从低到高有几十个型号，可以满足各种需要。

该型号有512字节ROM、25字节RAM、一个8位定时器、一根输入线、5根I/O线，

市面售价在3—6元人人民币。这样一款单片机在象摩托车点火器这样的应用无疑是非

常适合。PIC的高档型号，如PIC16c74（尚不是最高档型号）有40个引脚，其内部资

源为ROM共4K、192字节RAM、8路A/D、3个8位定时器、2个CCP模块、三个串行口、

1个并行口、11个中断源、33个I/O脚。这样一个型号可以和其它品牌的高档型号媲美。

2）精简指令使其执行效率大为提高。PIC系列8位CMOS单片机具有独特的RISC结

构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构，使指令具有单字长的特性，

且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用CISC结构的8位单片机

相比，可以达到2:1的代码压缩，速度提高4倍。

3)产品上市零等待(Zerotimetomarket)„采用PIC的低价OTP型芯片，可使

单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市。

4)PIC有优越开发环境。OTP单片机开发系统的实时性是一个重要的指标，象普通

51单片机的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号，其实时性不尽理想。PIC在推出

一款新型号的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时

性非常好。就我个人的经验看，还没有出现过仿真结果与实际运行结果不同的情况。

5)其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至220V交流电源,可直接与继电器

控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。

6)彻底的保密性。PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人

再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。

7)自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。

8)睡眠和低功耗模式。虽然PIC在这方面已不能与新型的TI—MSP430相比，但在

大多数应用场合还是能满足需要的。

PIC16F877原理简介

1.1PIC16F877特性：PIC16F877是由Microchip公司所生产开发的新产品，

属于PlCmicro系列单片微机，具有Flashprogram程序内存功能，可以重复烧录程

序，适合教学、开发新产品等用途；而其内建ICD(lnCircuitDebug)功能，可以让使

用者直接在单片机电路或产品上，进行如暂停微处理器执行、观看缓存器内容等，让使

用者能快速地进行程序除错与开发。

如图1为PIC16F877的40根接脚图，PDIP是指一般最常见的DIP(DualInLine

Package)包装，而PIC单片机也有PLCC(PlasticLeadedChipCarrier)与

QFP(QuadFlatPackage)两种形式的包装，依照不同的需求，寻找不同的包装形式。

如图所示，每根接脚都有其特定功能，例如Pin11与Pin32(VDD)为正电源接脚，Pin12

与Pin31(VSS)为地线接脚；而有些接脚有两种甚至三种以上功能，例如

Pin2(RA0/AN0)代表PORTA的第一支接脚，在系统重置(Reset)后，可自动成为模拟

输入接脚，接收模拟讯号，也可经由程序规划为数字输出输入接脚。

图1.40弓I脚PIC16F877接脚说明

图2.28引脚PIC16F877接脚图说明

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