微機(jī)化壓力檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 專業(yè)課課程設(shè)計(jì) 微機(jī)化壓力檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2 15微機(jī)化壓力檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2設(shè)計(jì)說明書目 錄一 緒論.1 1.1設(shè)計(jì)目的.1 1.2技術(shù)要求.1 1.3實(shí)用價(jià)值.1二 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.1 2.1設(shè)計(jì)總體思路.2 2.2硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).2 2.2.1壓力傳感器.2 2.2.2轉(zhuǎn)換電路部分.3 2.2.2.1放大電路.4 2.2.2.2信號(hào)解調(diào)電路.4 2.2.2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器.5 2.2.3單片機(jī)部分.7 2.2.4 LED顯示電路.8 2.3軟件編程與實(shí)現(xiàn).8 2.3.1軟件流程圖.8 2.3.2程序代碼.9三 結(jié)論與體會(huì).14參考文獻(xiàn).15微機(jī)化壓力檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2摘要本文主要介紹了一種測(cè)量和檢測(cè)壓

2、力的系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，許多非電量如：位移、流量、加速度等都可以轉(zhuǎn)換為壓力進(jìn)行檢測(cè)。通過傳感器感應(yīng)被測(cè)壓力，并經(jīng)過電路的轉(zhuǎn)換傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)部分實(shí)現(xiàn)壓力參數(shù)的檢測(cè)，并由LED進(jìn)行顯示。關(guān)鍵詞：微機(jī)化；壓力傳感器；轉(zhuǎn)換電路；51單片機(jī)；LED顯示一緒論1.1設(shè)計(jì)目的壓力傳感器是一種將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出的裝置。在實(shí)際應(yīng)用中，許多非電量如：位移、流量、加速度等都可以轉(zhuǎn)換為壓力進(jìn)行檢測(cè)。壓力檢測(cè)的方法很多，如：電阻變化型，電容變化型及自生電型壓電式壓力傳感器等。本設(shè)計(jì)要求學(xué)生采用MCS-51系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)壓力參數(shù)的檢測(cè)。通過這一設(shè)計(jì)，掌握一般微機(jī)化檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，達(dá)到專業(yè)課綜合訓(xùn)練的目的。此

3、外要求學(xué)生復(fù)習(xí) 傳感器、測(cè)控電路、單片機(jī)、智能儀器等專業(yè)課知識(shí)，訓(xùn)練綜合所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。1.2技術(shù)要求測(cè)量范圍：0500kg(相當(dāng)于50MPa)分辨力： 50g（相當(dāng)于5KPa)顯示：LED1.3實(shí)用價(jià)值此次設(shè)計(jì)的壓力檢測(cè)裝置可用在各種壓力測(cè)量場(chǎng)合中，例如可用于小型地秤系統(tǒng)中，小型轎車等的超載檢測(cè)，升降電梯的超重測(cè)量等，此外，還可將位移，加速度，流量等非電量轉(zhuǎn)換成壓力進(jìn)而用此壓力檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，如天然氣石油管道等的流量檢測(cè)等。根據(jù)其量程和較高的分辨率可應(yīng)用于多種場(chǎng)合中，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。二系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)總體思路整個(gè)系統(tǒng)主要由五部分組成：壓力傳感器部分，測(cè)控電路部分，

4、51單片機(jī)部分,LED顯示電路以及相應(yīng)的報(bào)警設(shè)備。壓力傳感器將感應(yīng)到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)或電流信號(hào)輸出，輸出的電信號(hào)經(jīng)過放大整流濾波及A/D轉(zhuǎn)換器形成數(shù)字型號(hào)進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，最后由單片機(jī)編程控制LED顯示出相應(yīng)的數(shù)字，若被測(cè)壓力超過量程，則由單片機(jī)程序控制發(fā)出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)總體框圖如1所示：超過量程量程內(nèi)LED顯示A/D轉(zhuǎn)換器51單片機(jī)放大整流濾波電路壓力傳感器 發(fā)出報(bào)警圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖2.2硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.2.1壓力傳感器 根據(jù)設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)要求，最終選擇了空調(diào)壓力傳感器PT707。其生產(chǎn)廠家有長沙拓力電子儀器公司和佛山賀迪電子儀器有限公司PT707屬于變極距型電容式傳感器，其工

5、作原理如下：由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器, 如果不考慮邊緣效應(yīng), 其電容量為 圖1.1平行板電容器為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù),=0·r,其中0為真空介電常數(shù),r為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù);A為兩平行板所覆蓋的面積;d為兩平行板之間的距離。當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得上式中的A，d或發(fā)生變化時(shí), 電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變, 而僅改變其中一個(gè)參數(shù), 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化, 通過測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。PT707采用進(jìn)口機(jī)芯，內(nèi)螺紋7/16-20UNF機(jī)械接口，內(nèi)帶頂針，適用于空調(diào)壓力的測(cè)量與控制。其主要參數(shù)如下：量  &#

6、160;   程: 050(MPa)  綜合精度: 0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS 輸出信號(hào): 420mA(二線制)、05V、15V、010V(三線制) 供電電壓: 24DCV(936DCV) 介質(zhì)溫度: -2085150環(huán)境溫度: 常溫(-2085) 負(fù)載電阻: 電流輸出型：最大800；電壓輸出型：大于50K 絕緣電阻: 大于2000M (100VDC 密封等級(jí): IP65 長期穩(wěn)定性能: 0.1%FS/年 振動(dòng)影響: 在機(jī)械振動(dòng)頻率20Hz1000Hz內(nèi)，輸出變化小于0.1%FS 電氣接口:四芯航接插（標(biāo)件）機(jī)械連接: 7/16-20UNF2.2.2

7、轉(zhuǎn)換電路部分單片機(jī)要求輸入數(shù)字信號(hào)，因此需要對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行處理，即對(duì)其進(jìn)行放大、解調(diào)濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換。整體電路圖如圖2所示：圖2 測(cè)控電路部分原理圖測(cè)控電路實(shí)質(zhì)上是由三部分組成的：放大電路，解調(diào)電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。下面分別對(duì)這三部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。2.2.2.1放大電路傳感器輸出的信號(hào)較小，并且伴隨著很大的共模電壓，考慮到壓力檢測(cè)系統(tǒng)所需精度較高，電路中選用三運(yùn)放高共模抑制比放大電路，如圖3所示。圖3 三運(yùn)放高共模抑制比放大電路三運(yùn)放高共模抑制比放大電路由三個(gè)集成運(yùn)算放大器組成，U1、U2為兩個(gè)相同的同相輸入通用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成對(duì)稱平衡差動(dòng)放大輸入級(jí)，提高了電路的輸入阻抗；U3構(gòu)成雙端

8、輸入單端輸出的輸出級(jí)，用來進(jìn)一步抑制U1、U2的共模信號(hào)并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。為了消除U1、U2偏置電流的影響，同時(shí)獲得高共模抑制比，在電阻選擇時(shí)應(yīng)滿足R1=R2、R3=R4、R5=R6；在電路設(shè)計(jì)時(shí)注意將輸入級(jí)的增益設(shè)計(jì)得大些，輸出級(jí)的增益小一些，同時(shí)將輸出級(jí)的外部電阻取得較小以提高電阻的匹配程度，進(jìn)而提高整個(gè)電路的共模抑制比，通常情況下CMRR120dB，共模輸入電壓范圍為+6到-10V。此電路設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：U1、U2的性能一致，輸入級(jí)的差動(dòng)輸出及其差模增益只與輸入電壓有關(guān)，其共模輸出、失調(diào)及漂移均在R0兩端相互抵銷，因此電路具有良好的共模抑制能力，達(dá)到同時(shí)不要求外部電阻的匹配；此電路具

9、有增益調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)電位器R0的大小可以改變?cè)鲆娑挥绊戨娐返膶?duì)稱性。缺點(diǎn)在于：U1、U2性能不可能完全一致，再加上外界其他因素的影響，不可能保證共模抑制比完全相同，因此可能會(huì)引入附加的共模誤差，使電路共模抑制能力下降；各級(jí)電阻不匹配也可能引入共模誤差。2.2.2.2信號(hào)解調(diào)電路前面采用的T2高性能壓力傳感器屬于電容式傳感器，它采用交流電源供電，除了是本身需要之外，同時(shí)還是為了調(diào)制，因此需要對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)電路主要有以下兩種：包絡(luò)檢波電路和相敏檢波電路。在包絡(luò)檢波電路中存在兩個(gè)問題:一是無法從檢波器的輸出鑒別出調(diào)制信號(hào)的相位，二是不具有區(qū)分不同載波頻率信號(hào)的能力，為了使檢波電路具有判

10、別信號(hào)相位和選頻的能力，需采用相敏檢波電路。其中相乘式和相加式相敏檢波電路中開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)的等效電阻和截止時(shí)的漏電流的變化和存在會(huì)引起一定誤差，為減小開關(guān)器件的不理想帶來的誤差，可以采用如圖4所示的精密整流型全波相敏檢波電路。圖4 精密整流型全波相敏檢波電路在Uc為正的半周期，V1截止，V2導(dǎo)通，N1用作反相放大器，Ua為Us的反相信號(hào)；在Uc為負(fù)的半周期，V1導(dǎo)通，V2截止，N1的輸出Ua為零。這樣，Ua的波形為一半波整流信號(hào)。取R1=R2，R'3=2R3，N2對(duì)Ua的放大倍數(shù)比對(duì)Us的放大倍數(shù)大一倍，在不接電容C的情況下Uo的波形為全波整流信號(hào)。電容C濾去經(jīng)全波檢波后Us中的高頻成

11、分，獲得調(diào)制信號(hào)Ux。此電容的引入可以省略了信號(hào)分離環(huán)節(jié)，達(dá)到同樣的濾波效果。2.2.2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器 微機(jī)化壓力檢測(cè)系統(tǒng)要求的檢測(cè)范圍是0-500kg，分辨力是50g，500kg/50g=10000，需要14位以上的A/D轉(zhuǎn)換器，又考慮到系統(tǒng)的精度要求較高，因此選擇分辨率較高、線性度好、易集成、成本低的16位-A/D轉(zhuǎn)換器AD7705。AD7705內(nèi)部主要由模擬多路轉(zhuǎn)換器、輸入緩沖器和可編程增益放大器PGA、-調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器、串行SPI接口、狀態(tài)/控制寄存器及時(shí)鐘發(fā)生器等組成，如圖5所示；芯片如圖6所示。 AD7705在使用時(shí)考慮以下幾點(diǎn)：基準(zhǔn)電壓：AD7705的基準(zhǔn)電壓UREF由

12、REF（+）和REF（-）引入，數(shù)字輸出是模擬輸入相對(duì)于其基準(zhǔn)的比率，因此基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性直接影響測(cè)量精度，其大小決定了模擬輸入的最大范圍。與模擬輸入的連接：輸入為經(jīng)過放大、解調(diào)、濾波之后的測(cè)量信號(hào)，所用電壓源與基準(zhǔn)電壓相同，保證電壓源有所波動(dòng)時(shí)兩個(gè)電壓源所受影響比例相同，從而降低對(duì)電壓基準(zhǔn)源電壓穩(wěn)定性的要求。與單片機(jī)的連接：AD7705采用SPI/QSPI兼容的三線串接口，能夠方便的與各種微控制器相連，比并行接口方式節(jié)省了CPU的I/O口的占用。本測(cè)量電路中，AD7705的片選端接到低電平，DIN、DOUT引腳連接在一起，與單片機(jī)的P1.0通信；SCLK與P1.1相連，為傳輸數(shù)據(jù)提供時(shí)鐘信號(hào)

13、，無數(shù)據(jù)傳送時(shí)，P1.1閑置為高電平；轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)DRDY/連接至P3.2，單片機(jī)可通過查詢或者中斷方法實(shí)現(xiàn)對(duì)AD7705轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。圖5 AD7705內(nèi)部組成圖6 AD7705芯片2.2.3單片機(jī)部分通過比較各種單片機(jī)的性能，最終選擇了ATmega128芯片。ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。（1）ATmega128芯片的性能參數(shù)如下： 工作電壓 ：2.7 - 5.5V ATmega128L； 4.5 -

14、5.5V ATmega128 速度等級(jí) ：0 - 8 MHz ATmega128L；0 - 16 MHz ATmega128（2）ATmega128芯片的主要特點(diǎn)如下： 它是高性能低功耗的具有128K系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash的8位微處理器； 先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu)； 非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； JTAG 接口( 與IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容)；外設(shè)特點(diǎn)：兩個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì) 數(shù)器；兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器； 具有獨(dú)立預(yù)分頻器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器；兩路8 位PWM；6路分辨率可編程 （2 到16 位）的PWM；輸出比較調(diào)制

15、器等；特殊的處理器特點(diǎn)：上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)；片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的 RC 振蕩器；片內(nèi)/ 片外中斷源；6種睡眠模式；可以通過軟件進(jìn)行選擇 的時(shí)鐘頻率；通過熔絲位可以選擇ATmega103 兼容模式；全局上拉禁止 功能；I/O 和封裝：53個(gè)可編程I/O 口線；64引腳TQFP 與 64 引腳 MLF 封裝。（3） 將ATmega128 接入電路中，如圖7所示。圖7 ATmega1282.2.4 LED顯示電路LED由若干個(gè)發(fā)光二極管按一定規(guī)律排列而成，當(dāng)某一個(gè)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫被點(diǎn)亮，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯現(xiàn)出不同的字符。其結(jié)構(gòu)有兩種形式，即共陰極和共陽極。我

16、們采用的是共陰極LED。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陽極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。 2.3軟件編程與實(shí)現(xiàn)2.3.1軟件流程圖是否超重發(fā)出報(bào)警聲LED顯示處理控制電路傳輸代碼讀取輸入信號(hào)初始化LED顯示屏，并復(fù)位輸入信號(hào)示值在0500kg范圍內(nèi)開始 2.3.2程序代碼根據(jù)上述程序框圖，可利用C語言編寫程序代碼，實(shí)現(xiàn)用LED顯示所測(cè)壓力數(shù)值和提示超載功能。部分代碼如下：#include <reg52.h> #includ

17、e <stdio.h> #include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intunsigned int LedOut6;Unsigned char code Disp_Tab = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40; /段碼控制sbit AdDrdy = P32; sbit AdDin = P11; sbit AdDout = P11; /*AD7705 input & output*/sbit Ad

18、Clk = P10; /*AD7705時(shí)鐘脈沖*/sbit Ad_CS = P33; /*AD7705片選*/sbit dula=P26;sbit wela=P27;sbit led=P27;unsigned long ADC=0; unsigned int intj0; /*延時(shí)程序*/void delay(unsigned int x) /延時(shí) X msunsigned int i,j;for(i = x;i > 0;i-)for(j = 110;j > 0;j-);/* 向AD7705寫入一個(gè)字節(jié) */void WriteByte7705(unsigned char x)un

19、signed char a;AdClk = 1;for (a=0; a<8; a+)AdClk=0;if(x & 0x80)AdDin=1;elseAdDin=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();AdClk=1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();x<<=1;AdDin=1;/* 從AD7705讀一個(gè)字 */unsigned int ReadWord7705(void)unsigned char b;unsigned long y=0; WriteByte7705(0x38);/設(shè)置AD7705數(shù)據(jù)寄存器通

20、道1AdClk = 1 ;for(b=0;b<16;b+)y<<=1;AdClk=0;_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();if(AdDout = 1)y+;AdClk=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); AdDin=1; AdClk=1;return y; /*ad7705通信端口復(fù)位*/ void reset7705(void) uchar c; for(c=0;c<35;c+) AdClk=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); AdDin=1; AdClk=1; _nop_();

21、_nop_(); _nop_(); delay(1); void AdStart(void) /初始化 uchar i; delay(1); AdClk=1; AdDin=1; for(i=0;i<40;i+)AdClk=1;AdClk=0; WriteByte7705(0X20); WriteByte7705(0X00); WriteByte7705(0X10); WriteByte7705(0X44); delay(100);void int0 () interrupt 0 /AD7705中斷0讀取AD intj0 = 1;Ad_CS=0; ADC = ReadWord7705();

22、ADC = (2.5 * ADC) / 65535;ADC=123;delay(20);AdDrdy = 1;/*顯示程序*/void display(unsigned char A,unsigned char B,unsigned char C,unsigned char D,unsigned char E,unsigned char F)/顯示程序 P2=0x1f; P0=Disp_TabA;/顯示百位 delay(5); P2=0x2f; P0=Disp_TabB; delay(5); P2=0x37; P0=Disp_TabC; delay(5); P2=0x3b; P0=Disp_T

23、abD; delay(5); P2=0x3d; P0=Disp_TabE; delay(5); P2=0x3e; P0=Disp_TabF; delay(5);/*/void main(void) EX0 = 1; /允許外部中斷0中斷IT0 = 0; /外部中斷0為跳變觸發(fā)方式 EA = 1; /開中斷 reset7705();AdStart(); delay(10);while(1)if(intj0) LedOut1=(ADC % 1000000) /100000; LedOut2=(ADC % 100000) /10000; LedOut3=(ADC % 10000) /1000; /千位 LedOut4=(ADC % 1000) /100|0x80; /百位帶小數(shù)點(diǎn) LedOut5=(ADC % 100) /10; /十位 LedOut6=ADC % 10; /個(gè)位 display(LedOut1,LedOut2,LedOut3,LedOut4,LedOut5,LedOut6); led=1; delay (100); intj0 = 0; if(intj0) display(LedOut1,LedOut2,Le