基于單片機的數(shù)顯式智能壓力開關(guān)設(shè)計

1、i摘摘 要要隨著傳感器檢測技術(shù)的發(fā)展，傳感器集信號采集、信號處理輸出功能于一身，精度高穩(wěn)定性好的壓力檢測系統(tǒng)已成為生產(chǎn)實踐發(fā)展的迫切需要。其中壓阻式壓力傳感器以其靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、易于微型化等特點，而獲得廣泛應(yīng)用。單片機是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展而誕生的，由于它體積小、功耗低，控制能力強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，以形式多樣的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測和控制中。本設(shè)計從當(dāng)前工業(yè)壓力采集顯示開關(guān)現(xiàn)狀出發(fā)，設(shè)計一種基于 at89c51單片機的編程控制儀器，該系統(tǒng)集壓力采集顯示，過載報警并處理于一體。本設(shè)計對壓力傳感器的選型，信號放大和濾波，lcd 液晶顯示電路以及單

2、片機的接口電路等技術(shù)進行了分析和設(shè)計，并用仿真軟件 proteus 對系統(tǒng)進行了整體調(diào)試，實現(xiàn)了預(yù)定功能。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：傳感器 單片機 信號處理 仿真abstractwith the development of sensor detection technology, it makes the signal iiacquisition and signal processing output in-one. the pressure monitoring system about high precision and stability has become the urgent need

3、for the production practices. the pressure sensor with its high sensitivity, dynamic response, miniaturization and other features, is widely available. with the development of ultra-large-scale integrated circuit technology, the microcontroller was born. due to its small size, low power consumption,

4、 control ability, flexible expansion, miniaturization and ease of use, it is used in industrial inspection and control widely in the various forms of control systems and data acquisition system.according to the status about the pressure display switch in the current collection industrial, the design

5、 makes a programming control instruments based on at89c51.the system gathers pressure of display and overload alarm in one. the design that analyses the selection pressure sensor, the signal amplified and filter, the lcd display circuit and microcontroller interface circuit. the design adopts proteu

6、s as the simulation platform and achieves the intended function.keywords: transducer scm signal processing simulationi目 錄摘摘 要要.iabstract.ii第第 1 章章 緒論緒論 .11.1 概述 .11.2 分類 .21.3 電子式壓力開關(guān)原理 .31.4 國外壓力檢測的現(xiàn)狀 .4第第 2 章章 方案設(shè)計方案設(shè)計 .62.1 設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖 .62.2 控制器方案確定 .62.3 壓力傳感器選擇 .72.3.1 壓力檢測的類型 .72.3.2 壓阻式傳感器的工作原理 .9

7、2.3.3 電阻應(yīng)變片測量電路的電橋原理 .112.3.4 傳感器最終方案 .14第第 3 章章 硬件電路設(shè)計硬件電路設(shè)計 .153.1 總體設(shè)計框圖 .153.2 壓力傳感器 .153.2.1 擴散型壓阻式壓力傳感器特點 .163.2.2 壓阻式傳感器測量電路 .163.2.3 參數(shù)計算 .173.3 信號放大及調(diào)理電路 .193.3.1 電路基本結(jié)構(gòu) .193.3.2 有源濾波器參數(shù)計算 .223.4 a/d 轉(zhuǎn)換電路.233.4.1 a/d 轉(zhuǎn)換模塊 tlc1543.233.4.2 tlc1543 的特點.243.4.3 a/d 采集時間計算.24ii3.4.4 tlc1543 與單片機

8、接口電路設(shè)計.243.5 顯示電路.253.5.1 lm032l 模塊.253.5.2 液晶顯示模塊與單片機連接 .263.6 鍵盤電路 .273.6.1 單片機與鍵盤電路接口設(shè)計 .273.7 繼電器與報警裝置 .283.7.1 固態(tài)繼電器的工作原理 .283.7.2 繼電器與單片機接口設(shè)計 .293.7.3 報警裝置 .303.8 電源設(shè)計 .303.8.1 vv125與電源設(shè)計 .313.9 單片機與最小系統(tǒng)設(shè)計 .323.9.1 最小系統(tǒng)構(gòu)成 .32第第 4 章章 軟件設(shè)計軟件設(shè)計 .354.1 系統(tǒng)的軟件設(shè)計思路 .354.2 初始化子程序 .364.3 鍵盤子程序 .364.4 a

9、/d 子程序.374.5 液晶顯示子程序 .38第第 5 章章 仿真測試仿真測試 .405.1 proteus軟件.405.2 proteus電路設(shè)計.415.2.1 proteus 源文件設(shè)計和目標(biāo)代碼生成 .425.2.2 proteus 仿真 .435.3 仿真調(diào)試小結(jié) .46結(jié)結(jié) 論論 .48致致 謝謝 .49參考參考文文獻獻 .50附錄附錄 1 電源模塊參數(shù)表電源模塊參數(shù)表 .53iii附錄附錄 2 c 語言程序語言程序.55icontentsabstract(chinese).iabstract.iichapter 1 introduction .11.1 summari.11.2

10、 classify .21.3 the principle of the electronic pressure switch.31.4 the overseas development.4chapter 2 the project design.62.1 design structure diagram.62.2 scheme in the controller.62.3 pressure sensor selection .72.3.1 type of pressure test.72.3.2 piezoresistive sensor principle of work.92.3.3 b

11、ridge principle .11 2.3.4 sensor is final plan.14chapter 3 the hardware circuit design.153.1 the overall design diagram.153.2 pressure sensor.153.2.1 the characteristic of the sensor .163.2.2 piezoresistive sensor measure circuit .163.2.3 parameters are calculated.173.3 signal conditioning circuit a

12、nd amplification.193.3.1 circuit structure .193.3.2 active filter parameters are calculated .22ii3.4 a/d conversion circuit.233.4.1 tlc1543 a/d conversion module .233.4.2 the characteristics of the.233.4.3 a/d acquisition time is calculated.243.4.4 tlc1543 and scm interface circuit design.243.5 disp

13、lay circuit.253.5.1 lm032l module.253.5.2 connection module and mcu .263.6 the keyboard circuit.273.6.1 mcu and keyboard interface circuit design.273.7 relay and alarm device.283.7.1 the working principle of solid state relay.283.7.2 the relay is connected circuit.293.7.3 alarm device .293.8 power s

14、upply design .303.8.1 power supply design .31vv1253.9 single-chip microcomputer and minimum system design.313.9.1 the minimum system.31chapter 4 the software design .354.1 system software design thinking.354.2 the initial, anti-fuzzy process .364.3 keyboard subroutines.364.4 a/d subroutine.374.5 liq

15、uid crystal display subroutine.38chapter 5 the simulation test.405.1 proteus software.405.2 proteus circuit design.41iii5.2.1 proteus design source file and target code generation.425.2.2 proteus simulation.435.3 the simulation debugging summary.46conclusion.48acknowledgements.49references.50appendi

16、x 1 power supply module parameter table.53appendix 2 c language program .551第 1 章 緒論現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中為了檢查，監(jiān)督和控制某個生產(chǎn)過程或運動對象，并且使它們處于所選工況最佳狀態(tài)，就必須對一些參數(shù)的大小，方向和變化速度等進行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果對生產(chǎn)設(shè)備或者生產(chǎn)過程進行控制。1.1 概述在現(xiàn)代的自動檢測系統(tǒng)中，各個組成部分一般分為信息的獲得，信息的轉(zhuǎn)換，信息的處理和信息的輸出等幾個部分。一個完整的自動檢測系統(tǒng)，首先應(yīng)該先獲得被測量的信息，并通過信息的轉(zhuǎn)換把獲得的信息轉(zhuǎn)換為電量，然而進行一系列的處理，再用指示儀或顯示儀

17、信息輸出，或由計算機對數(shù)據(jù)進行處理。自動檢測系統(tǒng)的基本組成框圖如圖 1-1。傳傳感感器器顯顯示示裝裝置置數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)處處理理裝裝置置執(zhí)執(zhí)行行機機構(gòu)構(gòu)信信號號處處理理被被測測量量圖 1-1 自動檢測系統(tǒng)組成框圖傳感器是獲取信息的重要手段。它所獲取信息的正確與否，關(guān)系到整個測量系統(tǒng)的精度，在非電量檢測系統(tǒng)中占有重要的地位。壓力測量和溫度測量，即壓力計量學(xué)和溫度計量學(xué)是計量學(xué)的一個重要分支，它在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域中占有一定的地位。人們的日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗等許多方面都與力和溫度有著十分密切的關(guān)系。力、溫度作為重要的物理量，是工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍、2最重要的工藝參數(shù)之一。隨著時代的進步、社會的發(fā)展、

18、科學(xué)技術(shù)的不斷更新，力的測量范圍、溫度的測量范圍要求不斷擴大，同時測量準(zhǔn)確性要求不斷提高。因此，檢測技術(shù)的研究是一個重要的研究課題。近年來，隨著微型計算機的發(fā)展，傳感器在人們的工作和日常生活中應(yīng)用越來越普遍。工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、流量、轉(zhuǎn)速和開關(guān)量是常用的主要被控參數(shù)。壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)之一。壓力的檢測或控制是保證生產(chǎn)和設(shè)備安全運行必不可少的條件。傳統(tǒng)工業(yè)中對壓力控制一般采用實時監(jiān)測并控制繼電器開關(guān)來實現(xiàn)，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，而且占用勞動資源多，生產(chǎn)效益大大降低。實現(xiàn)智能化壓力檢測系統(tǒng)對工業(yè)過程的控制具有非常重要的意義。隨著工業(yè)領(lǐng)域越來越智能化，各種大型智能控制設(shè)備的普及，工

19、廠對各種參數(shù)的采集監(jiān)視系統(tǒng)要去更加看重。采用電子式數(shù)顯壓力開關(guān)進行控制，不僅具有控制方便，電子顯示屏直觀，精度高，使用壽命長等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控壓力的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，極大的減少了員工勞動的繁瑣，增加了生產(chǎn)效益。1.2 分類目前國內(nèi)外此類產(chǎn)品的應(yīng)用大體上分為兩大類， “一種是機械式的壓力開關(guān)，見圖 1-2（a） ，結(jié)構(gòu)上主要友彈簧，波紋管，杠桿等機械零件組成，壽命短，可靠性差，設(shè)定極為不便，一般在零點到滿度之間設(shè)定點都有 15%30%的死區(qū)；一種是全電子式的1。 ”見圖 1-2（b） ，其特點是有：30246810bar 電電源源上上限限下下限限運運行行智智

20、能能壓壓力力控控制制器器設(shè)置開關(guān)圖 1-2(a) 機械式壓力開關(guān) 圖 1-2(b) 電子式壓力開關(guān)1.采用高精度 ad 和高速微處理器，全數(shù)字化設(shè)計;2.4 位數(shù)碼管顯示當(dāng)前壓力或液位值;3.壓力或液位可以根據(jù)自己的需要設(shè)置;4.三個單位可以根據(jù)客戶需要選擇：bar，psi，kpa;5.可以設(shè)置高低壓力或液位報警點，并通過繼電器或光耦輸出給控制設(shè)備; 6.輸出雙路繼電器(單刀雙擲)開關(guān)量;7.兩路繼電器/兩路光耦/帶 4-20ma/0-10v 輸出可以選擇;8.采用高精度壓力傳感器，比機械壓力開關(guān)精度高，遲滯小，響應(yīng)快，穩(wěn)定可靠;調(diào)節(jié)無死區(qū)，可以在整個量程范圍內(nèi)任意設(shè)定繼電器動作壓力點;9.使

21、用按鍵調(diào)節(jié)動作壓力，使用簡便，更加靈活; 防護等級：ip65，可以用在環(huán)境惡劣的場合;1.3 電子式壓力開關(guān)原理數(shù)顯壓力開關(guān)通常稱為電子式壓力開關(guān)；數(shù)顯壓力控制器等；主要原理是當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力高于或低于設(shè)定壓力值時，通過傳感器感應(yīng)內(nèi)部壓力，觸動微動開關(guān)斷開和接通；主要形式是通過連接導(dǎo)桿推動。當(dāng)壓力降至或升至設(shè)定的值時，其內(nèi)部微動開關(guān)自動切斷，達到控制被測壓力的目的。數(shù)顯壓力開關(guān)全為4全電子結(jié)構(gòu)，前端采用帶隔離膜充油壓阻式壓力傳感器，由高精度的 a/d 轉(zhuǎn)換，經(jīng)微處理器運算處理，現(xiàn)場顯示，并輸出一路模擬量和兩路開關(guān)量壓力開關(guān)，采用的彈性元件有單圈彈簧管、膜片、膜盒及波紋管等。開關(guān)元件有磁性開關(guān)、水銀

22、開關(guān)、微動開關(guān)等2。1.4 國外壓力檢測的現(xiàn)狀在國外壓力檢測和控制已經(jīng)較為成熟，精度相對較高，已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，目前我國，隨著我國工業(yè)不斷發(fā)展，智能化不斷提高，員工密度不斷減少，各種先進傳感器和儀器設(shè)備將逐漸取代原有的老舊設(shè)備。每個工廠幾乎對壓力的監(jiān)測和控制已經(jīng)非常普遍，應(yīng)用非常廣泛。但是我國的傳感器控制系統(tǒng)的研究和發(fā)展還落后于西方國家，致使我國先進儀表設(shè)備還需大量進口，造成了大量資金損失。目前使用的壓力開關(guān)存在如下問題：1.工作不可靠，在對壓力開關(guān)進行校驗時多次發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給定壓力低于設(shè)定值時，壓力開關(guān)認(rèn)不動作，當(dāng)用物體敲擊時又恢復(fù)正常。2.誤動作，用戶反映：曾多次發(fā)生當(dāng)管線內(nèi)壓力產(chǎn)生輕微波動

23、時造成誤動作。3.精度低、校準(zhǔn)難，在校驗時反復(fù)進行試驗才能確定設(shè)定值。隨著節(jié)能降耗、低碳經(jīng)濟、民生產(chǎn)業(yè)、戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，調(diào)整結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)型已成為國家的長期國策，并帶動了風(fēng)電、核電、物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、高鐵和軌道交通等一批新興產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，這些行業(yè)的發(fā)展為儀器儀表行業(yè)帶來了新的機遇和市場。我國儀器儀表行業(yè)也已經(jīng)真正跨入數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化時代。此次方案設(shè)計研制的數(shù)碼壓力開關(guān)就是在電子式壓力開關(guān)的基礎(chǔ)上用按鈕來設(shè)定零點到滿度之間的報警點任意調(diào)整，設(shè)計方便且不存在死區(qū)，同時采用高集成度儀用放大器和高集成度控制芯片設(shè)計，傳統(tǒng)電子式壓力開關(guān)有許多有5點，但也不乏數(shù)碼顯示內(nèi)容太少，價格昂貴等缺點。本設(shè)計

24、采用成本較為低廉的微型片構(gòu)建出一個集壓力采集，信號放大，ad 轉(zhuǎn)換，液晶顯示，繼電器動作的一款性價比較高的壓力開關(guān)。6第 2 章 方案設(shè)計通過對數(shù)顯開關(guān)的了解以及結(jié)合設(shè)計的要求，構(gòu)建一個理想的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖來實現(xiàn)儀器的參數(shù)指標(biāo)，并對其中的核心部分進行篩選和理論性分析。2.1 設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)壓力開關(guān)的工作原理，我得出以下設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如下圖 2-1 傳感器測量的實際值與鍵盤設(shè)定的給定值經(jīng)過控制器的處理后，將結(jié)果經(jīng)控制器輸出到繼電器及報警裝置3。液晶顯示壓力值給定壓力值控制器鍵盤輸入繼電器輸出及報警傳感器壓力測定圖 2-1 設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖2.2 控制器方案確定控制器是整個方案設(shè)計的核心，這里我選擇了

25、51 單片機，arm 以及dsp 進行了比較：一般 51 單片機是 8 位的；arm 是 32 位的；dsp 有 16 位的，也有更高的。所有說從運算能力上看，c51 最弱，dsp 最強，arm 居中。結(jié)構(gòu)差別較大，單片機最簡單。單片機一般芯片面積非常小，工7作頻率很低（一般是 10 多 mhz，有的是 24mhz） ，所以功耗低。dsp 則頻率很高(高的達到 300mhz 以上)，所以功耗大。arm 芯片面積也很小，arm是集成程度高，面積小，功耗也比較小。頻率大約在（幾十到 200mhz 之間）4。單片機主要應(yīng)用于不需要太多計算量的控制類系統(tǒng)。一般配有豐富的外圍模塊。dsp 則主要應(yīng)用于需

26、要進行復(fù)雜計算的高端系統(tǒng)，例如圖像處理，加密解密，導(dǎo)航系統(tǒng)等，外圍模塊一般較少。arm 是 c51 和 dsp 之間的一個折衷。c51 的性能遠不如 arm 和 dsp，但仍然占據(jù)重要的一席之地，原因就是性能價格比。因為它太成熟了，太小了，太便宜了。而在一些需要復(fù)雜計算的領(lǐng)域，dsp 也不可或缺。arm 的成功就是他找到了一個折衷點，并且建立了一個非常靈活的商業(yè)模型。本次課題要求對壓力的實時采集傳輸數(shù)據(jù)，控制器必須要有實時接收和處理數(shù)據(jù)的能力，選擇性價比較高的單片機，在運行處理數(shù)據(jù)能力，一般可以達到每秒執(zhí)行 1 百萬條 8 位數(shù)的指令。配合高精度的 ad 采集模塊，完全可以做到實時數(shù)據(jù)采集和運

27、算。所以結(jié)合實際課題指標(biāo)和成本的問題，選擇更為經(jīng)濟適用的 51 單片機來實現(xiàn)壓力開關(guān)的設(shè)計。2.3 壓力傳感器選擇2.3.1 壓力檢測的類型壓力檢測的類型力傳感器是一種能將力、壓力等物理量變?yōu)榭蓽y量的電信號（電壓、電流）的器件或者裝置5。其轉(zhuǎn)換的基本原理如圖 2-2試試件件的的機機械械形形變變轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換電電路路傳傳感感器器敏敏感感元元件件的的相相應(yīng)應(yīng)參參數(shù)數(shù)發(fā)發(fā)生生變變化化下下一一級級處處理理力力，壓壓力力8圖 2-2 力學(xué)量傳感器原理框圖力學(xué)量的獲得，一般不通過直接測量敏感元件，而是將敏感元件與剛性試件通過特定的工藝結(jié)合在一起，力學(xué)量變化先引起試件在彈性范圍內(nèi)的幾何形變，進而引起敏感元件相應(yīng)的

28、參數(shù)變化（如應(yīng)變片的電阻值、壓電元件表面產(chǎn)生的電荷的多少等） ，并且這種變化與待測的力、壓力應(yīng)呈線性關(guān)系，此時敏感元件的參數(shù)變化就可以轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電壓或電流信號。這種信號是一種隨時間連續(xù)變化的模擬量信號，需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，進入單片機電路或者其他電路進行處理或顯示。力傳感器根據(jù)按轉(zhuǎn)換的原理分為，有應(yīng)變式、電容式、壓電式、電感式、壓磁式等。在力的測量中，比較常用的是應(yīng)變式、電容式和壓電式。電容式測力傳感器在惡劣環(huán)境下對測量靜態(tài)或低頻變化的力有較好的優(yōu)勢，它不適合測量一定頻率下（12hz） ，有較大變化下的沖壓力的大小6。應(yīng)變式傳感器所測的力從，不僅測力的范圍寬，動態(tài)、nn77105105靜態(tài)的

29、力都能測量，而且價格相對便宜，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。應(yīng)變式傳感器核心元件是電阻應(yīng)變計。電阻應(yīng)變計，也稱應(yīng)變計或應(yīng)變片，是一種將機械構(gòu)建上的彈性形變轉(zhuǎn)化為電阻變化的敏感元件。根據(jù)應(yīng)變片的質(zhì)地，電阻應(yīng)變有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片兩大類7。與金屬電阻應(yīng)變片比較，半導(dǎo)體應(yīng)變片具有靈敏度高，耗電省、機械滯后小，可測量的靜態(tài)應(yīng)變和低頻應(yīng)變等優(yōu)點，但其溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性嚴(yán)重。隨著新材料、新工藝的發(fā)展，人們選用晶體（硅、鍺、藍寶石、石英等）材料，采用微電子技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)研制出新型的半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器壓阻式傳感器。這種傳感器測量精度高、工作可靠、工作溫度范圍寬、容易實現(xiàn)數(shù)字化，比普通應(yīng)變式傳感器體

30、積小而輸出信號大，并且克服了半導(dǎo)體應(yīng)變片存在的問題。92.3.2 壓阻式傳感器的工作原理壓阻式傳感器的工作原理壓阻式傳感器工作原理與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器的工作原理一樣，是基于半導(dǎo)體的的壓阻效應(yīng)，即當(dāng)半導(dǎo)體材料在某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時，其電阻率會發(fā)生變化。電阻率變化將引起電阻的變化，通過測量阻值，就可以確定外界作用力的大小8。下面通過對半導(dǎo)體應(yīng)變片壓阻效應(yīng)的分析來說明半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理。設(shè)有一根長度為 、橫截面積為、電阻率為的半導(dǎo)體應(yīng)變片，其電阻la值為 （2-1）alr當(dāng)受到軸向均勻應(yīng)力作用時，沿軸向?qū)⑸扉L，橫截面積將相應(yīng)減少fl，電阻率變化，那么電阻微笑變化為a （2-2

31、）drdaardllrdr受力后前后尺寸的變化如圖 2-3a aa a- -d da a1 11 1+ +d d1 1圖 2-3 半導(dǎo)體應(yīng)變片的受力前后尺寸變化可以證明，當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時，其電阻相對變?yōu)?（2-3）durdrx)21 (式中為表征橫向限度相對縮小和縱向線度相對伸長固定比例的泊松系u10數(shù)；為半導(dǎo)體應(yīng)變片的軸向應(yīng)變；為應(yīng)變片的電阻率相對變化量，x/d其值與半導(dǎo)體敏感元件在軸向所受的應(yīng)力關(guān)系為 （2-4）xed式中：為應(yīng)變片所受的應(yīng)力；為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)；為材料的彈性模量；e將前兩個式子整理得 （2-5）xeurdr)21 (實驗證明，對于半導(dǎo)體材料，即因機械變形引

32、起的電阻變ue21化可以忽略，半導(dǎo)體電阻相對變化率取決于電阻率的相對變化率。 （2-6）erdrkxb/根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系：。e由此可知，應(yīng)力值正比于應(yīng)變，應(yīng)變正比于電阻值的相對變化，x所以應(yīng)力正比于電阻值的，這就是利用應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理9。2.3.3 電阻應(yīng)變片測量電路的電橋原理電阻應(yīng)變片測量電路的電橋原理要把應(yīng)變片的微小引起的微小電阻值的變化測出來，同時要把電阻相對變化轉(zhuǎn)換為電壓和電流的變化，需要有專門的測量電路。直流電橋電路是常用的測量電路。如圖 2-4 為恒壓源供電電橋10。111r2r3r4relr0u圖 2-4 恒壓源電橋1.平衡條件當(dāng)時，電橋輸出電壓為lr （2-7）)(

33、4332110rrrrrreu當(dāng)電橋平衡時，,所以00u或 （2-8）3241rrrr4321rrrr2.電橋靈敏度若由應(yīng)變片代替，當(dāng)電路開路時，不平衡電橋輸出的電壓1r (2-9)()(43211413241433211110rrrrrrrrrrrerrrrrrrreu （2-10）)1)(1 ()(34121134114321141rrrrrrrrrrerrrrrrre設(shè)橋臂比,由于,可忽略，若將上式合并可以近似得到12rrn 11rr 11rr （2-11）01120)1 (urrnneu12故電橋靈敏度為 （2-12）2110)1 (nnerrusv從上式中可以得出：電橋電壓靈敏度正比

34、于電橋供電電壓，供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓提高收到應(yīng)變片允許功耗的限制；電橋電壓靈敏度是橋臂比值的函數(shù)，當(dāng)電橋電壓一定時，取 1 時，最大。envs也就是說，在電橋電壓一定時，當(dāng)、時，電橋的電壓靈敏度最21rr 43rr 高11。此時分別將（3-10） （3-11）和（3-12）簡化，可得： (2-13)11110211141rrrreu (2-14)11041rreu （2-15）esv413.恒流源電橋要減少半導(dǎo)體應(yīng)變電橋的非線性誤差，可以通過提高橋臂比，采用差動電橋等措施。同時還要求各橋臂的電流穩(wěn)定12。因此，半導(dǎo)體應(yīng)變片電橋的電源一般采用恒流源，如圖所示 2-5。1r

35、2r3r4r0ui1i2i圖 2-5 恒流源電橋13當(dāng)供橋電流為 i，測量電路輸出阻抗高時,可得到輸出電壓為 (2-16)irrrrrrrrririu4321324132110若電橋初始平衡，且,當(dāng)?shù)谝粯虮垭娮枳優(yōu)閞rrrr43211r時，電橋輸出電壓為11rr (2-17)rrriirrrru4114140忽略,可近似得到11rr (2-18)0041uriu從（2-18）式可以得到：電橋的輸出電壓與電阻的變化量成正比。4.非線性誤差使用恒壓源時，將（2-13） 、 （2-14）帶入，可得到非線性誤差為： (2-19)rrrrrrrruure22112112111100而使用恒流源時，非線性

36、誤差為 (2-20)rrrrrrrrruure4411414100可見，采用恒流源供電時的非線性誤差比采用恒壓源供電時的非線性誤差減少一半。142.3.4 傳感器最終方案傳感器最終方案綜合以上，由于本設(shè)計壓力精度并不要求太高，選擇的壓阻式傳感器，設(shè)計為恒流源供電的電橋結(jié)構(gòu)，提高其靈敏度，這樣檢測已經(jīng)能滿足系統(tǒng)的要求。而且大大減少了成本。15第 3 章 硬件電路設(shè)計方案設(shè)計是真?zhèn)€宏觀的設(shè)計，而硬件電路設(shè)計就是從宏觀到微觀，從籠統(tǒng)到具體的一個重要環(huán)節(jié)。3.1 總體設(shè)計框圖經(jīng)過對控制器和傳感器的選擇，本設(shè)計基本思路明了，壓阻式全橋傳感器將現(xiàn)場的實時壓力值轉(zhuǎn)換為幾十毫伏的電壓力值。由于信號太微弱不能與

37、 ad模塊匹配，要經(jīng)過信號放大和抗干擾的電路。處理后的電壓信號要經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將電壓信號轉(zhuǎn)換為 8 位二進制碼，這些數(shù)據(jù)最后送到單片機中進行數(shù)據(jù)的處理，分別在液晶屏顯示壓力值和繼電器輸出13。設(shè)計框圖如下圖 3-1。單片機最小系統(tǒng)a/d轉(zhuǎn)換電路信號放大濾波電路壓力傳感器液晶顯示按鍵電路繼電器輸出及報警圖 3-1 總設(shè)計框圖 3.2 壓力傳感器70 年代，采用集成電路技術(shù)研制的擴散型壓阻式傳感器（或稱固態(tài)壓阻式傳感器） ，克服了粘貼帶來較大的機械滯后和蠕變以及固有頻率較低的集成化困難的缺點。163.2.1 擴散型壓阻式壓力傳感器特點擴散型壓阻式壓力傳感器特點優(yōu)點：體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響

38、應(yīng)好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。缺點：測量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響14。3.2.2 壓阻式傳感器測量電路壓阻式傳感器測量電路傳感器輸出的非電量轉(zhuǎn)換成具有一定幅值的電壓量，如圖 3-2 所示的壓阻式傳感器測量電路15。+12vr1r2d1d zenerr3-12vlm324dr4r51kr61kr710kr120kr120kr120kr120kout1out2tnpn壓阻式傳感器等效電路io+-圖 3-2 壓阻式傳感器的測量電路該電路由兩部分組成，其中右邊部分為四個應(yīng)變片組成的電橋測量電路，（零點溫度漂移是因為擴散電阻的阻值隨溫度

39、變化引起的。擴散電阻的溫度系數(shù)因擴散表面雜質(zhì)濃度不同導(dǎo)致薄層電阻大小各異而不一樣。但工藝上難于做到四個 p 型橋臂，電阻的溫度系數(shù)不完全相同，則不可避免產(chǎn)生溫度變化時，無外力作用仍有電阻值的變化。一般用串，并聯(lián)電阻的方法進行補償）通過調(diào)節(jié) r7 的觸點位置，保證在未受載時電橋保持平衡。左邊部分為恒流源電路，恒流源電路由運算放大器 lm324d、三極管（調(diào)整管）vt、穩(wěn)壓管 vdz、限流電阻17，和分壓電阻，采樣電阻。由運算放大器和三極管組成 v/i 轉(zhuǎn)換1r2r3r4r電路，由于運算放大器失調(diào)電流極小，運算放大器的正，反相輸入端近似ios等電位（虛短） 。因此，輸出電流可表示,由此可見輸出電流

40、可有4/ rvifo和進行調(diào)節(jié)而不隨負(fù)載電阻的變化而變化，從而達到恒流輸出的目的。fv4r本電路將設(shè)定為定值，通過調(diào)節(jié)來實現(xiàn)輸出電流全量程調(diào)節(jié)的目的16。4rfv3.2.3 參數(shù)計算參數(shù)計算設(shè)計恒流源輸出電流，得maio6 kr14 (3-1)vrivof6164由分壓電路得krr132限流電阻和穩(wěn)壓管的選擇。1rr1dzvivl+-+-izirio圖 3-3 穩(wěn)壓管限流電阻等效電路圖已知電源在 11.512.5v 之間變動，,ivaio1aio5 . 1(max)選取限流電阻時，必須保證穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)。vvvlz61r太大可能使 iz 太小，無法使穩(wěn)壓管反向擊穿；太小可能使 iz

41、太大，燒1r1r毀穩(wěn)壓管。所以在保證穩(wěn)壓管可靠擊穿情況下，盡可能選擇較大的 r4 阻值。根據(jù)圖 3-9，可得到限流電阻 r1 的關(guān)系式18 (3-2)olzzivzviiivvir1考慮最壞情況，即當(dāng)輸入電壓最小，負(fù)載電流最大，(min)iivv (max)li的最大值必須保證穩(wěn)壓管中的電流大于，即1r(max)zi (3-3)(min)(max)(max)(max)4zlziiirvv一般穩(wěn)壓管的為幾毫安到幾十毫安。這里取，則 r4 的(min)zimaiz5(min)最大值為 (3-4)amaaiiizol505. 155 . 1(min)(max)(max) (3-5)64. 3505.

42、 1565 .111(max)(min)(min)(max)amavviivzvrlzi的取值將直接影響穩(wěn)壓管的最大電流，取電阻標(biāo)稱值.1r(max)zi6 . 34r考慮最壞情況，當(dāng)輸入電壓最大，負(fù)載電流最小,即負(fù)載開路，(max)iivv 0li原本流過負(fù)載的電流將全部流經(jīng)穩(wěn)壓管，此時的最大值為zi (3-6)avvirvzviliz8 . 106 . 365 .124(min)(max)(max)穩(wěn)壓值，最大耗散功率。綜合vvz6wavivpzzzm8 .108 . 16(max)所示，穩(wěn)壓管選取為：穩(wěn)壓值等于 6v，最小電流小于等于 5ma，最大電流大于 1.8a，最大耗散功率大于 1

43、0.8w。選用 2cw22c 硅穩(wěn)壓二極管 （vz=6.27.5v,pzm=3000mw）可以滿足要求17。最終傳感器電路圖如圖 3-4。19q11234r?一一一一一一一一一一一d12cw2 2cr710kr61kr51k+12vr41knpn-12vr13.6r31kr21k123114lm32 4auout1uout2圖 3-4 傳感器原理圖3.3 信號放大及調(diào)理電路3.3.1 電路基本結(jié)構(gòu)電路基本結(jié)構(gòu)被測壓力經(jīng)應(yīng)變片電橋得到的電信號的幅度往往很小，很難進行 a/d 轉(zhuǎn)換，且有噪聲干擾（共模干擾） ，零點漂移等，因此需要對這些模擬信號進行放大和處理。為了使電路簡單并且便于調(diào)試，一般都采用

44、集成運算放大器搭建。通過放大電路，最后利用低通濾波器，濾除混雜在信號中的高頻噪聲。信號放大及調(diào)理電路的整體結(jié)構(gòu)如圖 3-5。電壓放大電路低通濾波器微弱電壓較大電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換圖 3-5 信號放大及調(diào)理電路的整體結(jié)構(gòu) 考慮到傳感器產(chǎn)生的信號非常微弱，一般只有幾十毫伏到幾百毫伏，很容易受到噪聲的干擾，所以放大電路用運算放大器構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)，對共模噪聲有很強的抑制作用，同時擁有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，非常適合對微弱信號的放大。另外為了使輸出電壓在高頻段以更快的速度下降，調(diào)高低通濾波器濾除噪聲的能力，這里選擇了二階低通濾波器。微弱信號檢測放大電路原來圖如圖。壓力傳感器產(chǎn)生的電信號通常具有很大的動態(tài)范

45、圍，原理圖中可以20改變 rg 為可變電阻，通過改變 rg 的阻值，可以改變放大器的放大倍數(shù)，從而適應(yīng)放大不同大小的微弱信號18。-12v+12vr104.7kc21000pfc11000pfr94.7k23467op07r84.7kr74.7ka2a3a1r510kr610kr410kr310kr210kr110krg20023467op07-12v23467op07+12v23467op07-12v+12v-12v+12v一一一一一一一一一一一一圖 3-6 信號放大及濾波電路原理圖圖 3-11 為測量和調(diào)理放大電路。該電路前半部分為三運放儀器放大器，由兩個運算放大器 a1 和 a2 構(gòu)成第

46、一級，運放 a3 構(gòu)成第二級。把被放大信號的分別接到輸入端。假設(shè) r1=r3，ad 是 a1 和 a2 對差模輸入信號的增益，ac 是 a1 和 a2 對共模輸入信號的增益。如果忽略輸入偏置電流，則可列方程式。 （3-7）2/)()(111cbindbinaauuauuu （3-8）2/)()(222cbindbinaauuauuu （3-9）221212112)(aaaburrrruuu （3-10）22112122)(aaaburrruuu解上面的方程式可得到 a1 和 a2 組成的第一級放大器的差模增益為1g (3-11）)2/()2/(12/212211rraaraauuuuuugcd

47、cdininaaindad第一級放大器的共模增益為1cma21 （3-12）2/12/2/ )(2/ )(211cdcdininaaincaccmaaaauuuuuua設(shè),a1 和 a2 的共模抑制比,由式（3-11）和1da1/1cdcmraak（3-12）得 (3-13)21121rruugindad （3-14）11incaccmuua由式（3.13）和（3.14）可知，第一級放大器對差模信號進行放大，而對共模信號有抑制作用。假設(shè),運放 a3 的差模增益和共模抑制比分別為和,于54rr 76rr 3da3cmrk是 （3-15）inccindcmracadoutukgukurrurru3

48、4646式中 g 是整個三運放儀器放大器對差模信號的增益indu （3-16）4621)21 (rrrrg是整個儀器放大器對共模信號的增益ckincu （3-17）3461cmrckrrk整個儀器放大器的共模抑制比為 (3-18)21 (21rrkgkccmr在進行微弱信號檢測過程中，為了減少集成運算放大器對電路的干擾，應(yīng)選擇接近理想運算放大器。主要參數(shù)的要求是具有較小的偏置電流、輸入偏置電壓和零點漂移。具有較大的共模抑制比和輸入電阻。特別是電流電壓轉(zhuǎn)換級22別對集成運放的要求較高，一般需要運放的輸入偏置電流在 pa 級，目前市面上有很多滿足條件的集成運算放大器。設(shè)計中選用運放算放大器 op0

49、7，具有低漂移，高精度，輸入阻抗高，易于與各種信號源匹配，穩(wěn)定性好，共模抑制高等特性，適用于高共模電壓背景下對微小信號進行放大。圖 3-11 的后半部分為調(diào)理濾波電路?？紤]到 ad 采集頻率為33khz（a/d 采集頻率計算見 3.4.3） ，設(shè)計一個二階有源濾波電路來進行濾波。截止頻率=35khz，先選擇電容 c（c1=c2）等于 0.33pf，計算電阻阻值。cf3.3.2 有源濾波器參數(shù)計算有源濾波器參數(shù)計算由，得：rcwc1ccfw2 (3-19)kcfrrrc5 . 41010001035212187123選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻，這與計算值有一點誤差，可能導(dǎo)致截止頻率比kr7 . 4額定值稍有升

50、高。由 ，q 稱為品質(zhì)因數(shù) vfaq31 (3-20)9101rraaovf設(shè)計電路中,已知,才能穩(wěn)定工作。當(dāng)9) 1(10rarvf30vfaa時，電路將自激振蕩19。30vfaa結(jié)合以上結(jié)論設(shè)計選擇krr7 . 41093.4 a/d 轉(zhuǎn)換電路傳感器采集的電信號分為兩種：23一種是模擬信號，他不能直接輸送到單片機，首先進行 a/d 轉(zhuǎn)換，然后才能送到單片機處理；一種是數(shù)字信號，它可以直接輸送給單片機。無論是模擬傳感器，還是數(shù)字傳感器存在與單片機的硬件或軟件的銜接問題。3.4.1 a/d 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換模塊 tlc1543壓力傳感器采集的現(xiàn)場信號經(jīng)過前面差動運放放大和濾波后的電信號是模擬信號，

51、需要將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便單片機處理。tlc1543 是美國 ti 公司生產(chǎn)的 10 通道、低價格的模/數(shù)（a/d）轉(zhuǎn)換器。它采用串行通信接口，能夠大大節(jié)省單片機 i/o 口使用，具有輸入通道多，性價比高、易于和單片機接口的特點，克廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。tlc1543 為采用 cmos 工藝制作的 20 腳 dip 封裝 10 位開關(guān)電容逐次 a/d 逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，引腳排列如圖 3-7203.4.2 tlc1543 的特點的特點1.10 位 a/d 分辨率轉(zhuǎn)換器 ；由 得到 vvfs510n （3.21）3101044. 22) 12(52) 12(nfsvq2.11 個模擬輸入通道

52、；3.3 路內(nèi)置自光測試方式；4.總不可調(diào)整誤差；lsbmax15.固有的采樣保持功能；6.片內(nèi)系統(tǒng)時鐘； 7.轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出；248.采用 cmos 技術(shù)；低功耗；3.4.3 a/d 采集時間計算采集時間計算ad 采集時間=ad 采集時間+ad 轉(zhuǎn)換時間。完成一次采樣時間為為 12 個 i/o clock 所用時間，ad 轉(zhuǎn)換時間根據(jù) c 語言程序 18 個指令周期，由于每個i/o clock 由 c 語言完成，單片機晶振采用 12mhz，指令周期=，所以 ad 采集時間=，故:usmhzsoc1121212ususus30118112ad 采集頻率= (3.22)z3 .33s103115-

53、khad采集時間采樣濾波短路截止頻率應(yīng)略高于此頻率。3.4.4 tlc1543 與單片機接口電路設(shè)計與單片機接口電路設(shè)計tlc1543 與 at89c51 采用串行數(shù)據(jù)通信，這里將 tlc1543 作為外部擴展串行 i/o 口，由 p1.3 接 data out 引腳（a/d 轉(zhuǎn)換輸出端）用來接收 a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果，p1.4 接 adderss 引腳（數(shù)據(jù)輸入端）用來控制轉(zhuǎn)換地址選擇，p1.5 接引腳（片選端）控制片選信號，p1.6 接 i/o clock 引腳（脈沖端）cs來發(fā)送脈沖信號給 tlc154321。接口電路原路圖 3-7。a89gnd10a01a12a23a34a45a56a67a

54、78vcc20eoc19i/o cl ock18addr ess17data out16cs15ref+14ref-13a1012a911tlc15 43p1.01p1.12p1.23p1.34p1.45p1.67p1.78rst9p3.0/r xd10p3.1/t xd11p3.2/int012p3.3/int113p3.5/t 115p3.6/w r16p3.7/r d17xtal 118xtal 219vss20p2.021p2.122p2.223p2.324p2.425p2.526p2.627p2.728psen29ale30ea31p0.732p0.633p0.534p0.435p0

55、.336p0.237p0.138p0.039vcc40p1.56p3.4/t 014at89c 51+525 圖 3-7 tlc1543 接口電路原理圖3.5 顯示電路3.5.1 lm032l 模塊模塊顯示電路采用液晶 lcd 芯片 lm032l，是lcd 單色液晶顯示器，202以其低功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。設(shè)計中要求實時顯示當(dāng)前壓力值，以及設(shè)定的上下限值，例如：滿量程1000kpa，設(shè)定上下限初值 500kpa 與 200kpa，兩邊和中間留出間隔，一共是 20 個字符，結(jié)合實際選擇 lm032l 顯示 40 個字符

56、完全可以滿足要求。如圖 3-8 為 lm032l 芯片引腳圖vss1vdd2vee3rs4rw5e6d07d18d29d310d411d512d613d714圖 3-8 lm032l 引腳圖3.5.2 液晶顯示模塊與單片機連接液晶顯示模塊與單片機連接 lm032l 與單片機連接如圖 3-926p1.01p1.12p1.23p1.34p1.45p1.67p1.78rst9p3.0/r xd10p3.1/t xd11p3.2/int012p3.3/int113p3.5/t 115p3.6/w r16p3.7/r d17xtal 118xtal 219vss20p2.021p2.122p2.223p

57、2.324p2.425p2.526p2.627p2.728psen29ale30ea31p0.732p0.633p0.534p0.435p0.336p0.237p0.138p0.039vcc40p1.56p3.4/t 014at89c 51power1r12r23r34r45r56r67r78r89rp1220vss1vdd2vee3rs4rw5e6d07d18d29d310d411d512d613d714lm032lrv1vccvccvcc圖 3-9 lm032l 與單片機連接圖lm032l 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，其中：vss 引腳為地電源線接滑動電位器地端；vdd 引腳接+5v 電源；

58、vee 引腳為液晶顯示器對比度調(diào)整端接電位器調(diào)整端；接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影” ；rs 引腳為寄存器選擇與p2.0 連接，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器；rw 引腳為讀寫信號線，與單片機 p2.1 連接，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當(dāng) rs 和 rw 共同為低電平時可以寫入指令或顯示地址，當(dāng) rs 為低電平rw 為高電平時可以讀忙信號，當(dāng) rs 為高電平 rw 為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)；e 引腳為使能端與 p2.2 連接，當(dāng) e 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令；第 714 引腳：d0d7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線，分

59、別通過上來電阻接到p0 口的 8 個 i/o 口上。3.6 鍵盤電路獨立連接式非編碼鍵盤，每個按鍵都是彼此獨立的，均需占用 cpu 的一條 i/o 輸入數(shù)據(jù)線。獨立式非編碼鍵盤的優(yōu)點是硬件電路簡單；缺點是每個按27鍵要占用一條 i/o 端口線?？紤]到 at89c51 單片機的 i/o 充足，采用獨立連接式鍵盤22。 3.6.1 單片機與鍵盤電路接口設(shè)計單片機與鍵盤電路接口設(shè)計單片機與鍵盤接口如下圖 3-10，具體對應(yīng)關(guān)系如表 3.1。p1.01p1.12p1.23p1.34p1.45p1.67p1.78rst9p3.0/r xd10p3.1/t xd11p3.2/int012p3.3/int1

60、13p3.5/t 115p3.6/w r16p3.7/r d17xtal 118xtal 219vss20p2.021p2.122p2.223p2.324p2.425p2.526p2.627p2.728psen29ale30ea31p0.732p0.633p0.534p0.435p0.336p0.237p0.138p0.039vcc40p1.56p3.4/t 014at89c 51s1s2s3s4s5s6swvcc一一一一一/一一一一一一+-圖 3-10 單片機與鍵盤接口電路表 3.1 按鍵對應(yīng)表按鍵編號i/o 口功能k1p2.3“系統(tǒng)功能”鍵k2p2.4“開始/暫?！辨Ik3p2.5“確定”鍵