壓力傳感器設計

1、中國傳媒大學南廣學院課 程 論 文數字壓力傳感器設計學 院 傳媒技術專 業(yè) 電子信息工程班 級 09電子信息工程姓 名 吳易斐學 號 20090804117指導教師 歐陽禹中國傳媒大學南廣學院2012年 10 月 31 日摘 要數字壓力傳感器以單片機為主要部件，利用全橋測量原理，通過對電路輸出電壓和標準壓強的線性關系，建立具體的數學模型，將電壓量綱（V）改為壓力綱（N），即可以測出一定范圍內的壓力值。其中測量電路中最主要的元器件就是電阻應變式傳感器。電阻應變式傳感器是傳感器中應用最多的一種，本設計采用惠斯通電橋，使系統(tǒng)產生的誤差更小，輸出的數據更精確。而運算大電路的作用就是把傳感器輸出的微弱的

2、模擬信號進行一定倍數的放大，以滿足A/D轉換器對輸入信號電平的要求。ADC0809 的A/D轉換作用是把模擬信號轉變成數字信號，進行模數轉換，然后把數字信號輸送到顯示電路中去，最后由顯示電路，由八段數碼管顯示出測量結果。關鍵詞：單片機；全橋測量原理；電阻應變式傳感器；八段數碼管I目 錄緒 論1一、硬件部分基本模塊介紹1(一) 基本工作原理框圖1(二) 基本模塊介紹11. 傳感器橋路模塊12. A/D轉換器模塊23. 數碼顯示管模塊34. 8051芯片介紹5二、軟件部分及其介紹6（一）數據處理子程序的設計61.系數轉換62.數值轉換6（二）數據采集子程序的設計7（三）顯示子程序的設計7（四）程序

3、清單8參考文獻11 中國傳媒大學南廣學院課程論文緒 論本次設計要研究壓力傳感器電路的工作原理和弱信號傳感電路，熟悉A/D變換電路的工作原理，利用實驗板上提供的壓力傳感電路，完成壓力的采樣和顯示。同時根據所選試件的要求，所測壓力的范圍為0-80N，精度為0.1N。 一、硬件部分基本模塊介紹(一) 基本工作原理框圖(二) 基本模塊介紹主要由四個部分組成，傳感器橋路模塊，A/D轉換器模塊，數碼管顯示模塊，8051芯片模塊。1. 傳感器橋路模塊傳感器電路原理圖如圖一所示圖2 傳感器電路原理圖壓力傳感器的工作原理，本質上是惠斯通電橋，這里采用的是最常見的電阻應變片式的壓力傳感器。它得到廣泛應用的原因是溫

4、度特性好，減小溫度變化帶來的誤差。膜片上的壓力使得電橋不平衡，從而產生一個差動的輸出信號，這種結構的基本特性之一是它的差動輸出電壓U與偏置電壓成正比關系，這種關系隱含壓力測量精度直接決定偏置電源的容限值，當四個橋臂電阻達到相應的關系時，電橋輸出為零，或則就有電壓輸出同時，它也能提供一種溫度補償最通用的方法。首先，給出一定值，15V，由于這里電容主要起濾除交流信號的作用，對分壓作用影響不大，可以忽略，從而5點的電壓近似為=3V，根據虛短，7點電壓也為3V。然后經過電橋，由于是單臂橋路變化，所以經過電橋以后，U=，應變片電阻通常取值有100，120，160，其中以120最為常見，這里取。再經過放大

5、電路的放大作用，放大倍數為，最終結果為,應變片應變?yōu)?，這里根據所選材料取S為，在5V變化，把5V最大值代入得到F的最大值為80N，所以量程為0-80N。2. A/D轉換器模塊實驗儀上有一個05V的可調電位器，將可變電壓輸出端接入A/D轉換電路的輸入端，通過CPU軟件處理，讀進A/D轉換值，再將轉換值送數碼管顯示。我們可以調節(jié)電位器，使之輸出不同電壓值，通過數碼管的顯示，檢驗A/D轉換正確與否。A/D 轉換器大致有三類：一是雙積分A/D 轉換器，優(yōu)點是精度高，抗干擾性好；價格便宜，但速度慢；二是逐次逼近A/D 轉換器，精度，速度，價格適中；三是并行A/D 轉換器，速度快，價格也昂貴。 實驗用的A

6、DC0809 屬第二類，是八位A/D 轉換器。每采集一次一般需100us。本程序是用延時查詢方式讀入A/D 轉換結果,也可以用中斷方式讀入結果,在中斷方式下，A/D 轉換結束后會自動產生EOC 信號，將其與CPU 的外部中斷相接,也可以得到實驗結果。表1 A/D轉換器接線表連線連接孔1連接孔21IN0壓力傳感器輸出2AD_CSCS2 圖3 A/D轉換器原理圖A/D轉換器的結構如圖所示，外部只有四個引腳可以連線，IN0，IN1，EOC,A/D_CS。AD0-AD7為八位數字量輸出端，IN0-IN7為八位模擬信號輸入端，A0、A1、A2與ALE控制八路模擬通道的交換，分別與三根地址線與數據線相連，

7、三個編碼對應8個通道口地址，AD0809雖然有八路模擬通道可以輸入八路模擬信號，但是每個瞬間只能轉換一路，各路之間的切換由軟件變換通道地址實現，這里采用IN0為輸入通道，由壓力傳感器的輸出端直接與其相連作為輸入信號。AD0809的工作過程如下：首先用指令選擇0809的一個模擬輸入通道，當執(zhí)行MOVX DPTR,A時，產生一個啟動信號給START引腳送入脈沖，開始對選中通道轉換。當轉換結束后發(fā)出結束信號，置EOC引腳信號為高電平，該信號可以作為中斷申請信號，當讀允許信號到，OE端有高電平，則可以讀出轉換的數字量，利用MOVX A,DPTR把該通道轉換結果讀到累加器A中。轉換電壓為05V，調節(jié)橋路

8、中的電位器，使其輸出電壓為05V，可以在較小范圍內波動，當滿量程輸出時對應八個1的輸出，由于前邊計算的電壓變化和電阻變化成正比關系，而且電阻變化和應變成正比，進而得出的壓力和電壓是成正比的。傳感器橋路輸出的電壓經過比例變換后轉換成二進制碼的形式送入P0口。3.數碼顯示管模塊LED顯示電路如圖和連線表如下 圖4 LED及鍵盤原理圖表2 LED顯示接線表連線連接孔1連接孔21KEY/LED_CSCS0 用6 位8 段碼LED 顯示電路，只要按地址輸出相應數據，就可以實現對顯示器的控制。顯示共有6 位，用動態(tài)方式顯示。8 位段碼、6 位位碼是由兩片74LS374 輸出。位碼經MC1413 或ULN2

9、003 倒相驅動后，選擇相應顯示位。 本實驗儀中 8 位段碼輸出地址為0X004H，位碼輸出地址為 0X002H。此處X 是由KEY/LED CS 決定，參見地址譯碼。做鍵盤和LED 實驗時，需將KEY/LED CS 接到相應的地址譯碼上。以便用相應的地址來訪問。例如，將KEY/LED CS 接到CS0 上，則段碼地址為08004H，位碼地址為08002H 八段數碼管的字型顯示表如下: 表3 數碼管顯示字形表顯示字形dpgfedcba段碼0011111113FH10000011006H2010110115BH3010011114HF40110011066H5011011016DH6011111

10、017DH70000011107H8011111117FH9011011116FHA0111011177HB011111007CHC0011100139HD010111105EHE0111100179HF0111000171H顯示過程如下：經過單片機P0輸出的八位二進制碼，變換成BCD碼，在數碼管上顯示，經過段選信號和位選信號的控制，最后在相應數碼管上顯示出相應的壓力值。4.8051芯片介紹本設計采用8051單片機，其管腳圖如下圖所示。圖5 8051管腳圖其管腳功能如下：1.電源 （1）VCC - 芯片電源，接+5V； （2）VSS - 接地端； 2.時鐘 XTAL1、XTAL2 - 晶體振蕩

11、電路反相輸入端和輸出端。 3.控制線（4根） （1）ALE/PROG:地址鎖存允許/片內EPROM編程脈沖。 ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址。 PROG功能：片內有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 （2）PSEN:外ROM讀選通信號。 （3）RST/VPD:復位/備用電源。 RST（Reset）功能：復位信號輸入端。 VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。 （4）EA/Vpp:內外ROM選擇/片內EPROM編程電源。 EA功能：內外ROM選擇端。 Vpp功能：片內有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。4.I/O線 80C51

12、共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。P3口還有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。二、軟件部分及其介紹（一）數據處理子程序的設計數據處理子程序是整個程序的核心。主要用來調整輸入值系數，使輸出滿足量程要求。另外完成A/D的采樣結果從十六進制數向十進制數形式轉化。1.系數轉換在IN0輸入的數最大為5V，要求壓力80N對應的是5V，為十六進制向十進制轉換方便，將系數進行一定倍數的變換，并用小數點位置的變化體現這一過程。2.數值轉換數制之間的轉換：在二進制數制中，每向左移一位表示數乘二倍。要求壓力80N對應的是5V，而壓力與電壓的變換是線性關系，對應

13、AD轉換器的輸出為八個1，當有一定的壓力值輸入時，對應這個關系轉化成相應的二進制代碼送入P0口。然后再反過來應用這個變化關系，經最終得到的數值進行二進制到BCD碼轉化，然后逐位在LED數碼管上顯示。（二）數據采集子程序的設計初始化啟動A/D轉換轉換完畢？數據輸出清讀數標志開始否數據采集用A/D0809芯片來完成，主要分為啟動、讀取數據、延時等待轉換結束、讀出轉換結果、存入指定內存單元、繼續(xù)轉換（退出）幾個步驟。ADC0809初始化后，就具有了將某一通道輸入的05模擬信號轉換成對應的數字量00HFFH，然后再存入存儲器的指定單元中。在控制方面有所區(qū)別?？梢圆捎贸绦虿樵兎绞?，延時等待方式和中斷方式

14、。 圖6 A/D轉換流程圖（三）顯示子程序的設計顯示子程序是字符顯示，首先調用事先編好數碼管顯示子程序。 初始化命令，然后輸出寫顯示命令。在顯示過程中一定要調用延時子程序。當輸入通道采集了一個新的過程參數，當有壓力信號輸入時，調用顯示子程序在數碼管上顯示。開始取顯示數據輸出段碼數據初始化顯示參數關所有位顯示輸出位選通信號延時位選通信號移位指向下一個顯示數據6位完成？返回否圖7 顯示部分流程圖（四）程序清單AD0809 equ 0a000h ; AD0809片選lOWF equ 0HIGHF equ 80OUTBIT equ 08002h ; 位控制口OUTSEG equ 08004h ; 段控

15、制口LEDBuf equ 60h ; 顯示緩沖Num equ 70h ; 顯示的數據DelayT equ 75h ;ADResult equ 76h ; A/D轉換結果 org 0000h ljmp StartAD0809Read: ;讀AD口子程序 mov dptr, #AD0809 mov a, #0 movx dptr, a ; 起動 A/D mov a, #40h djnz acc, $ ; 延時 100us movx a, dptr ; 讀入結果 mov ADResult, a retLEDMAP: ; 八段管顯示碼 db 3fh, 06h, 5bh, 4fh, 66h, 6dh,

16、7dh, 07h db 7fh, 6fh, 77h, 7ch, 39h, 5eh, 79h, 71hDelay: ; 延時子程序 mov r7, #0DelayLoop: djnz r7, DelayLoop djnz acc, DelayLoop retSearchLedMap: ;查表子程序 mov dptr, #LEDMAP movc a, a+dptr retDisplayLED: mov r0, #LEDBuf mov r1, #3 ; 共3個八段管 mov r2, #00001000b ; 從左邊第三個開始顯示Loop: mov dptr, #OUTBIT mov a, #0 mo

17、vx dptr, a ; 關所有八段管 mov a, r0 mov dptr, #OUTSEG movx dptr,a mov dptr, #OUTBIT mov a, r2 movx dptr, a ; 顯示一位八段管 mov a,#01h call delay mov a, r2 ; 顯示下一位 rr a mov r2, a inc r0 djnz r1, Loop mov dptr, #OUTBIT mov a, #0 movx dptr, a ; 關所有八段管 retStart: ;主程序 nop call AD0809Read ;調用讀AD口子程序 mov a, ADResult mov b,#(HIGHF-LOWF) mul ab push a mov a,b mov b,#0ah div ab call SearchLedMap ;調用顯示子程序 mov ledbuf+0,a ;顯示十位數 mov a,b call SearchLedMap ;調用顯示子程序