基于c51壓力傳感系統(tǒng)的設(shè)計與研究

1、摘要1關(guān)鍵詞1abstract1key words 1前言21傳感器相關(guān)概述21. 1什么是傳感器21.2壓力傳感器31.2.1壓力傳感器的分類31.2.2壓力傳感器的原理31.3實際應(yīng)用中壓力傳感器的選取原則41.3. 1根據(jù)測量對彖與測量環(huán)境41.3.2線性失真41.3.3靈敏度41.3.4 精度41.3.5其它因素41.4本系統(tǒng)采用的傳感器52放大電路62.1放大電路的作用62. 2常見的放大電路方案62. 3該系統(tǒng)使用的放大電路73模數(shù)傳換73. 1常見的模數(shù)轉(zhuǎn)換器73.1.1并行比較模數(shù)轉(zhuǎn)換器73.1.2逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器83. 1.3積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器83. 1.4壓頻變換型模數(shù)傳

2、換器83.2并行比較模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc0809相關(guān)原理及性能83. 3 adc0809與上位機的連接93. 3. 1微機原理實驗擴展板上的adc0809接線93. 3. 2 adc0809與單片機的連接94基于微機原理實驗擴展板的壓力檢測104.1微機原理實驗擴展板簡介104. 2壓力檢測環(huán)境簡介104.3測試程序的編寫114.3壓力檢測125 8051單片機125. 1 8051單片機簡介135. 1. 1 8051單片機的發(fā)展135. 1. 2 8051單片機的基本組成135.2 8051單片機最小系統(tǒng)165.3單片機與其他部件的連接176 led數(shù)碼顯示模塊186.1 led數(shù)碼管顯示原理

3、及結(jié)構(gòu)186.2 7段led數(shù)碼管斷碼186. 3 led顯示器方式196. 3. 1 led數(shù)碼管靜態(tài)顯示方式196. 3. 2 led動態(tài)顯示方式197壓力檢測系統(tǒng)的仿真設(shè)計207. 1仿真的軟件基礎(chǔ)207. 1. 1 proteus 簡介207. 1.2 keil c51 簡介207.2仿真的輸入217.3仿真電路圖的連接217.3仿真流程簡介227.4仿真測試237.5仿真核心代碼分析248壓力傳感系統(tǒng)的應(yīng)用擴展258.1應(yīng)用擴展可行性分析258.2基于單片機的電子秤258.3脈搏計數(shù)器269 pc串口通信279. 1串行通信可行性分析279. 1. 1 proteus仿真串行通信的可

4、行性分析279.1.2 pc上實現(xiàn)串行通信的可行性分析289. 1.3實物電路的可行性分析289.2 proteus的串行通信的仿真實現(xiàn)289.3 pc上串行通信軟件的實現(xiàn)299.4 pc串行通信軟件+proteus聯(lián)合調(diào)試實現(xiàn)3010設(shè)計總結(jié)31參考文獻(xiàn)32致 謝33附錄34基于c51壓力傳感系統(tǒng)的設(shè)計與研究摘要壓力傳感器在人們的日常生活屮正在被廣泛的使用。雖然因為用途的不同，壓力傳 感器的類型也不大一樣，但基木原理確是一樣的。而木設(shè)計的主要任務(wù)就是探討壓力傳 感器的一種基本應(yīng)用原理，制作出-個簡單卻精準(zhǔn)的壓力測量系統(tǒng)。這種測量系統(tǒng)的主 要流程是壓力作用于傳感器，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號變化，電信號

5、通過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換變成 數(shù)字信號，最后再用單片機處理，并將結(jié)果送到led數(shù)碼管進(jìn)行顯示或者與pc通過串 口進(jìn)行通信。這種應(yīng)用原理不僅可以根據(jù)不同的傳感器，應(yīng)用到不同的領(lǐng)域。而且基于 嵌入式原理，采用了單片機作為處理屮心，使其應(yīng)用范圍擴大，測量過程變得精簡，還 能比較容易進(jìn)行功能的擴展。關(guān)鍵詞壓力傳感器；模數(shù)轉(zhuǎn)換；單片機；led數(shù)碼管；串行通信the design and research of pressure sensor system based onc51abstract：in people's daily lives,pressure sensors are being wid

6、ely used. although for different purposes, the type of pressure sensor is not quite the same, but the basic principle is really the same.the main task of this design is to investigate a basic application principles of the pressure sensor,and make a simple but accurate pressure measurement system. th

7、e main process of this measurement system is this: the pressure acting on the sensor, producing a corresponding electrical signal changes,the electrical signal through the amplification and analog-digital conversion into digital signals, finally used the single chip processing, and sent to the led d

8、igital tube to display ,or transport data to pc by serial port. this principle not only applied depending on the sensor, but also could use to different areas.and because it is based on the embedded principles,with the scm as a processing center, it is easy to expand its' applications, the measu

9、rement process be streamlined and simplified, but also relatively easy to expand functionality development.key wordspressure sensor； adc； mcu； led digital tube； serial communication-1-z-1刖吞本設(shè)計的口的是獲取一種壓力傳感器的基本使用原理，并制作一個壓力傳感器的壓 力檢測系統(tǒng)。根據(jù)實際情況，系統(tǒng)的實現(xiàn)主要是分為兩個部分。第一部分是利用傳感器實驗擴展板上而的壓力傳感器，將壓力傳感器感受到的壓力 信號轉(zhuǎn)換成電壓信號

10、。由于壓力傳感器電壓輸出一般是依據(jù)傳感器上而電阻值對壓力敏 感，而產(chǎn)生電壓的變化，這些電壓的變化是極為弱小的，無法直接用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn) 換后來體現(xiàn)，所以，需要對輸出電壓進(jìn)行放大。放大后的電壓最大的輸出為5vo對于 放大后的電壓，就可以進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的處理了，這里采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為adc0809, 將05v的輸入電壓轉(zhuǎn)換成0-255 z間的整數(shù)。這個部分的檢測主要通過與實驗箱配套 的tpc-usb匯編集成軟件開發(fā)環(huán)境進(jìn)行測試。第二部分是采用的是proteus+keil c51聯(lián)合仿真測試。其依據(jù)的是第一階段實驗箱 上而經(jīng)過放大電路處理z后的05v的輸出電壓。這部分需要依賴兩個軟件，proteu

11、s和 keil c5k proteus是一個優(yōu)秀的單片機仿真軟件，可以十分逼真的對單片機系統(tǒng)，以及 外圍電路進(jìn)行相關(guān)的仿真。keil c51則是如今被廣泛使用的單片機編程軟件。在仿真過 程屮，所依據(jù)的放大電路的輸出電壓首先進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后，通過 八根數(shù)據(jù)線輸入到單片機的p1端口，單片機對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理z后，再將數(shù)據(jù)輸出顯示, 顯示系統(tǒng)為一塊四位的共陰led數(shù)碼管芯片。當(dāng)然，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制也由單片機 完成。單片機所執(zhí)行的程序由keil c51進(jìn)行編寫。keil c51支持匯編和c語言編程。為 了增加代碼的可讀性，以及降低編程的難度，在系統(tǒng)開發(fā)的過程屮，選用c語言作為編 程語言

12、。編寫的程序生成了.hex文件z后，再把這個.hex文件加載到單片機上而，單片 機就可以根據(jù)程序，進(jìn)行相關(guān)的處理操作。另外，根據(jù)不同的需求，在led數(shù)碼管可以顯示數(shù)據(jù)z后，在嘗試著用虛擬串口 來模仿單片機與pc的通信，并設(shè)計一個串行通信軟件來接受單片機所發(fā)送的數(shù)據(jù)，把 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成壓力值后通過多種方式來進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)的第一部分的開發(fā)過程以實物進(jìn)行實驗操作，具冇實際應(yīng)用性。第二部分雖 然采用的是仿真手段，但也是具有很高的真實性。仿真過程小單片機加載.hex文件就相 當(dāng)于再實際應(yīng)用z屮將.hex文件燒錄到單片機屮的flash中。單片機和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以 及l(fā)ed數(shù)碼管都是一些比較精準(zhǔn)的硬件，仿真效果

13、與實物連接效果不會有什么差距。 所以，這個開發(fā)思路具冇較高的真實性。1傳感器相關(guān)概述1.1什么是傳感器傳感器是一種比較特殊的物理裝置，或者說是一種物理器官，它能探知外界的溫度, 壓力和濕度等一些物理條件，甚至某些物質(zhì)的化學(xué)組成，并將感受到的相關(guān)信息通過電壓等方式表示岀來，再傳遞給其他裝置（楚宏，1991）。通常根據(jù)其基本的感知功能， 傳感器可以分為熱敏元件、氣敏元件、磁敏元件、色敏元件、濕敏元件、力敏元件、聲 敏元件、光敏元件、放射線敏感元件和味敏元件等十大類。1.2壓力傳感器壓力傳感器，也就是上而介紹的力敏傳感器，是在工業(yè)實踐之屮，應(yīng)用得最為廣泛 的一大類傳感器?？谇埃粡V泛的應(yīng)用于各種工

14、業(yè)自控環(huán)境，包括水利水電、智能建 筑、鐵路交通、自動控制、航天、軍事、石油化工、電力、管道、船舶、機床等眾多行 業(yè)之中。1.2.1壓力傳感器的分類壓力傳感器根據(jù)其構(gòu)成的不同，可以分為壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、 電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是 壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。另外，陶瓷 壓力傳感器，藍(lán)寶石壓力傳感器，壓電壓力傳感器等傳感器也因為其某些特殊的物理特 性，應(yīng)用得也比較的廣泛。陶瓷壓力傳感器有良好的抗腐蝕，抗高溫性；藍(lán)寶石壓力傳 感器，具有較高的彈性個絕緣特性，對溫度的變化不敏感；壓電壓力傳感器可

15、以承受高 溫和相當(dāng)高的濕度（方敏等，2008）o1.2.2壓力傳感器的原理對于壓力傳感器的原理，不同的壓力傳感器原理也不大相同。對于應(yīng)用得最為廣泛 的壓阻式壓力傳感器，其核心元件是一種電阻應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片是一種可將被測件上 的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為電信號的敏感器件。通常是將應(yīng)變片通過某些特殊的粘和劑緊密的 粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變的基體z上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生 形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使電阻上的電壓發(fā)生變化（土瑞升，1991）。這 種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過 后續(xù)的電壓放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是a/d轉(zhuǎn)

16、換和cpu ）顯示或執(zhí) 行機構(gòu)。陶瓷壓力傳感器，壓力直接是作用在一個陶瓷膜片上面，使陶瓷膜片產(chǎn)生微小的形 變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋（閉橋），由于壓敬電阻 的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信 號（li c and mehran m. 2008 ）。藍(lán)寶石壓力傳感器由由雙膜片構(gòu)成：鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異 質(zhì)外延性應(yīng)變靈敬電橋電路的藍(lán)寶石薄片，被焊接在鈦合金測量膜片上（張嘵群和呂慧 明，2001）。被測壓力傳送到接收膜片上，在壓力的作用下，鈦合金接收膜片產(chǎn)生形變, 該形變被硅藍(lán)寶石敬感元件感知后，其電橋輸出會發(fā)

17、生變化，變化的幅度與被測壓力成正比。壓電傳感器主要的工作是依據(jù)壓電效應(yīng)，壓屯傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過 外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗吋才得到保存。然實際情況并非 如此，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。1.3實際應(yīng)用中壓力傳感器的選取原則1.3.1根據(jù)測量對象與測量環(huán)境在實際應(yīng)用中，首先要根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定壓力傳感器的類型。要進(jìn)行一 個具體的測量工作，首先要考慮采用何種壓力傳感器，這需要分析多方面的因素之后才 能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的壓力傳感器可供選用，哪一種 原理的壓力傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和壓力傳感器的使

18、用條件等多個 方面的因素綜合考慮z后，選取最合適的壓力傳感器（厚達(dá)橋，2008）o1.3.2線性失真?zhèn)鞲衅鞯木€性是指傳感器輸入與輸出z間關(guān)系是否是線性關(guān)系。線性失真就是指輸 入與輸出相對于線性關(guān)系所呈現(xiàn)出來的偏移。在應(yīng)用領(lǐng)域中，我們主要是通過獲取輸出, 來求知輸入，而我們又不可能根據(jù)其輸入值建立一個數(shù)據(jù)庫以實現(xiàn)輸入與輸出的一一對 應(yīng)。而所采取的是根據(jù)輸入與輸出的線性系數(shù)，來求得輸入。i大i此，良好的線性，較小 的線性失真，也是我們選用傳感器所必須考慮的一個因素。1.3.3靈敏度靈敏度也是一個必須加以考慮的方面。通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希槊傳感器 的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測

19、量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比較大, 有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易 混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。1.3.4精度精度是傳感器的一個重耍的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重 要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，具價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系 統(tǒng)的精度耍求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中 選擇比較便宜和簡單的傳感器。1.3.5其它因素另外，頻率響應(yīng)特性，線性范圍特性，穩(wěn)定性等方面也是我們在選取傳感器的過程 屮，所必要的考慮因素。1.4本系統(tǒng)采用的傳感器本系統(tǒng)釆用的是上面所介紹的壓阻式傳感

20、器屮的一種硅壓阻式壓力傳感器，具 體的型號名稱是：mpxm2053o它是一種對氣壓敏感的壓力傳感器，內(nèi)置溫度補償和校 準(zhǔn)，具有一個高精度的與所施加的壓力成正比的線性電壓輸岀。該傳感器采用單個硅芯 片，在硅芯片上集成有應(yīng)力測量和薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)，具冇高精度的測量范圍。硅壓阻式壓 力傳感器是口前使用最廣泛、用量最大的壓力傳感器么一,廣泛應(yīng)用于航天、航空、艦船 等軍事工程和武器裝備中，成為當(dāng)今發(fā)展高新技術(shù)裝備不可缺少的電子產(chǎn)品。該傳感器的內(nèi)部原理圖見圖1：相關(guān)的性能參數(shù)如表1：表1 mpxm2053相關(guān)參數(shù)+vou1-vouttable 1 parameters about mpxm2053項目溫度補償

21、范圍壓力測量范圍滿量程輸出傳感器使用溫度典型激勵電壓參數(shù)085 °c050kpa40mv-40-+125°c8-10v圖1 mpxm2053內(nèi)部原理圖fig. 1 mpxm2053's internal schematic diagrammpxm2053各個引腳的功能如表2o表2 mpxm引腳功能table 2 mpxm pin function引腳號符號功能1gxd接地2+vout接正輸出電壓3vcc接傳感器激勵電壓4-vout接負(fù)輸出電壓2放大電路2.1放大電路的作用根據(jù)上面的介紹可以獲知，傳感器輸出的電壓為0-40mv,而adc轉(zhuǎn)換的電壓范圍 為0-5vo a

22、dc為8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，8位能夠表示的值為0-255,所以，模數(shù)轉(zhuǎn)換每相 并一個單位，其階躍電壓約為20mv,所以輸出的電壓如果不做處理，就無法用模數(shù)轉(zhuǎn)換 獲取較好的精度。故需要用放大電路對電壓進(jìn)行放大，最大電壓放大到5v即可，這就 需要對輸入電壓放大125倍。而且，為了獲取較好的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度，需要盡可能的減小零 點漂移。對于放大電路，關(guān)鍵部件則是放大器。現(xiàn)代技術(shù)屮，集成放大器已經(jīng)比較成熟, 并可以大規(guī)模生產(chǎn)和使用，所以，木系統(tǒng)也采用了集成了多個運放器的集成芯片。2.2常見的放大電路方案常見的放大電路可以采用以下幾種方式。(1) 利用一般常用的低溫漂運算放大器來構(gòu)成放人電路，這樣組成的放人電路結(jié)

23、構(gòu) 簡單，而且造價便宜，但是如果用一般的低溫漂運算放大器構(gòu)成兩級，或者兩級以上的 放人電路，則會引入大量的噪聲。因為傳感器輸入的電壓本來就很小，較人的噪聲會把 傳感器的輸入給遮蓋掉，這就無法正確的獲得測量電壓，所以，在木仿真系統(tǒng)中，不宜 選用該方案。(2) 用高精度低溫漂運算放大器組成的差動放大電路。差動放大電路不僅可以放大 宜流信號，而口還可以減小由于溫度以及器件等原因引發(fā)的零點漂移。另外，他還兼具 高輸入阻抗，高增益等優(yōu)點，在現(xiàn)實生活中，這類放大器得到了廣泛的應(yīng)用。由于差動 放人電路具備上述優(yōu)點，所以在本仿真系統(tǒng)中這類放大電路也是最佳選擇。圖2則是利 用集成運放器制作的差動放大電路圖。圖2

24、差動放大電路圖fig. 2 differential amplifier circuit2.3該系統(tǒng)使用的放大電路本仿真系統(tǒng)使用的放大芯片為lm33274芯片，該芯片集成了四個運放器。共冇14 個引腳，其屮兩個引腳為電源，線分別是4號引腳和11號引腳，四個集成運放器共用 這兩根電源線，另外12根線平均分配給了四個集成運放。本系統(tǒng)的放大電路電路圖與傳感器的連接如圖3,其mc78l08c為一個電源，它 可以將將12v的電壓轉(zhuǎn)換成8v, mpxm2053為一個傳感器，與傳感器想連接得兩個放 大器就是由集成運放組成的差動放大電路。圖3傳感器與放大電路連接fig. 3 the connection be

25、tween sensor and amplifier circuit3模數(shù)轉(zhuǎn)換放大電路輸出的為0-5v的模擬信號,cpu對模擬信號的處理比較為難，需要將模擬 信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，而這個轉(zhuǎn)換就需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換是這個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分, 模數(shù)轉(zhuǎn)換處理得好，對于后面的處理也是一個較好的支持。3.1常見的模數(shù)轉(zhuǎn)換器目前，世界上有多種類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，有傳統(tǒng)的并行、逐次逼近型、枳分型，也 冇近年來新發(fā)展起來的工型和流水線型，多種類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器各冇其優(yōu)缺點并能 滿足不同的具體應(yīng)用耍求（周明德和蔣木珊，2006）o模數(shù)轉(zhuǎn)換器主耍有以下幾種類型:3.1.1并行比較模數(shù)轉(zhuǎn)換器常見的并行比較模數(shù)轉(zhuǎn)換器有ad

26、9012, ad9002等。并行比較模數(shù)轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)今速度最快的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率在1gsps以上，通常稱為“閃爍式”模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器及編碼器四種分組成。這種結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器所有位的 轉(zhuǎn)換同時完成，其轉(zhuǎn)換時間主取決于比較器的開關(guān)速度、編碼器的傳輸時間延遲等。3.1.2逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器常見的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器有ads7805、ads7804等。逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器是 應(yīng)用非常廣泛的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方法，這一類型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點：高速，采樣速率可達(dá) 1msps；與其它模數(shù)轉(zhuǎn)換器相比，功耗相當(dāng)?shù)?；在分辨率低?2位時，價格較低。缺點: 在高于14位分辨率情況卜，價格較高；

27、傳感器產(chǎn)生的信號在進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換2而需耍進(jìn) 行調(diào)理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。3.1.3積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器常見的積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器icl7135. icl7109. icl1549. mc14433等。積分型模數(shù) 轉(zhuǎn)換器又稱為雙斜率或多斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是應(yīng)用比較廣泛的一類轉(zhuǎn)換器。它的基本原 理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時， 在此時間間隔內(nèi)利用計數(shù)器對時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，從而實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換 器兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發(fā)生器和計數(shù)器來確定，因此所得到的表達(dá)式與 時鐘頻率無關(guān)，其轉(zhuǎn)換精度只取決丁參考電壓vr。此外，由于輸入端采用

28、了積分器，所 以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力。若把積分器定時積分的時間取為工頻信號的整 數(shù)倍，可把由工頻噪聲引起的誤差減小到最小，從而冇效地抑制電路的工頻干擾。這類 模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要應(yīng)用于低速、精密測量等領(lǐng)域，如數(shù)字電壓表。其優(yōu)點是：分辨率高， 可達(dá)22位;功耗低、成本低。缺點是:轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換速率在12位時為100300sps。3.1.4壓頻變換型模數(shù)轉(zhuǎn)換器壓頻變換型模數(shù)轉(zhuǎn)換器其優(yōu)點是：精度高、價格較低、功耗較低。缺點是：類似于 積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速率受到限制，12位吋為100300spso考慮到系統(tǒng)的采樣要求，測量的精度，以及成木等原因，木系統(tǒng)的開發(fā)選用并行比 較模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc

29、0809o3. 2并行比較模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc0809相關(guān)原理及性能adc0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的逐次逼近型8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片。 adc0809將05v的電壓分為多個電壓階躍，每個電壓階躍段使用一個比較器和一組 電阻。內(nèi)有8路模擬開關(guān)，可輸入八個模擬量。單極性，量程輸入為0t5v。片內(nèi)帶 有三態(tài)輸出緩沖器，數(shù)輸出端可與數(shù)據(jù)總線直接相連（周明德和蔣木珊,2006）°adc0809 的邏輯結(jié)構(gòu)框圖4所示。3. 3 adc0809與上位機的連接將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號z后，0809需要將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到上位機屮進(jìn)行處理。3. 3.1微機原理實驗擴展板上的adc0809接線木設(shè)計的實物連

30、接部分，需要將擴展板與實驗箱相連。微機原理實驗箱提供50芯扁平電纜總線，而這個電纜總線乂通過一個usb接口模 塊，將這50芯扁平電纜總線和usb總線連接起來。50芯扁平電纜總線在實驗板上提供 了大量的信號接入端口。對于0809芯片，微機原理實驗箱已經(jīng)將其引腳的d0-d7與 總線的dod7連接好。其他的弓i腳屮，adda, addb, addc已經(jīng)接地，clock 也已經(jīng)與imhz的脈沖信號連接，vcc與vref ( + )與止5v連接。gnd與vref ()也j j»+- istart clk0e圖4 adc0809的邏輯結(jié)構(gòu)圖fig.4 adc0809,s logical stru

31、cture接地。所以，我們需要的連接這樣幾根線：將擴展板上的0809cs與地址線298h連接; 將eoc與irq連接,然后將aout與in0引腳連接;再將用20芯排線將總線的jp5連 接到擴展板的j1芯插座上；最后將12v電壓接入擴展板上面的12v電壓輸入。3. 3. 2 adc0809與單片機的連接adc0809與單片機的連接比較簡單。所需要的連接線路有：將adc0809的d0 d7與單片機的p1 口的八根數(shù)據(jù)線相連接；將vcc與vref ( + )與正5v連接，gnd 與vref (-)也接地；因為使用0號模擬量端口，所以端口選擇引腳adda, addb, add c均接地；in0接入模擬

32、量輸入；通道號鎖存控制器接入p3.0號端口，p3號端 口與start端口相連，eoc與p3.2相連，這三線都是對0809進(jìn)行控制。具體的連接 電路途如圖5所示。4基于微機原理實驗擴展板的壓力檢測4.1微機原理實驗擴展板簡介傳感器實驗擴展板由清華大學(xué)科教儀器廠開發(fā)和制作，可以作為微機原理實驗箱的 i個功能擴展模塊。上面包括了壓力傳感器，溫度傳感器，濕度傳感器，以及三種傳感 器的放大電路。實驗板上還包括adc0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和對外連接的插座、插線孔。 它可以與任何一種微機接口或單片機試驗箱相連，連接方式有三種：（1）利用口鎖緊插孔連接：擴展板上有28個口鎖緊插孔，每個插孔標(biāo)有信號名 稱，可以與

33、試驗臺上的數(shù)據(jù)總線、地址線、控制線、電源線、模擬量輸入輸出信號連接。2223psenale ea藥222726vref(-)0evref(*)aleaddcaddbaddac3 .10uf <text> 與一 31_142153841851962072187617vcc8 7 6 5 4 3 2 1 c outoutoutoutoutoutoutouteoq12.345e7p1.p1p1p1p1p1p1p1rz.u/jop2.1/a9 p22/a10 p23/a11 p2 4/a12 p2 5/a13 p2 6/a14 p2.7/a15p3.0/rxdp3.1/rxdp3.2/in

34、t0p3.3)intip3.4/t0p3.5/t1p3.6 殛p3.7 麗11101210<text><text> v u <u1 (clock) 7 ult at89c51adc0809startclock圖5 adc0809與單片機的連接fig. 5 the connection between adc0809 and mcu（2）利用20芯雙排插座（ji）與試驗臺連接：擴展版的20芯雙排插座信號與 tpc-2003a. tpc2003a+、tpcusb、tpc-up 的 20 芯擴展插座兼容，包括 d0d7、 ior、iow、1mhz時鐘等，可以直接連接。（

35、3）利用兩個8芯單排插座（j2 j3）連接：兩個8芯插座信號合起來與20芯雙排插座 信號相同，這樣增加了實驗板與主實驗臺連接的靈活性。4. 2壓力檢測環(huán)境簡介基于傳感器實驗擴展板的壓力檢測的依賴的軟件平臺是清華大學(xué)科教儀器廠制作 的與實驗箱配套的開發(fā)軟件tpc-usb集成開發(fā)環(huán)境。該軟件自帶匯編語言編輯器 以及編譯連接軟件，在上面可以方便的編寫匯編程序。tpc-usb集成開發(fā)環(huán)境提供的史加強人的功能在丁它支持程序的單步調(diào)試，而冃 還可以同步的跟蹤寄存器內(nèi)部的值和內(nèi)存里的相關(guān)內(nèi)容，以便于對程序進(jìn)行分析，糾正 程序的錯誤。4.3測試程序的編寫測試程序采用的是匯編語言編寫。在編寫過程小，首先要驅(qū)動a

36、dc0809開始轉(zhuǎn)換 工作。然后連續(xù)十次獲取adc0809的輸出，并對十次的輸入結(jié)呆求岀其平均值。第三 步就是檢查是否與上一次的輸出相同，如果不同，則顯示，如果相同，則不進(jìn)行顯示。顯示主要顯示兩個部分：第一部分是顯示adc0809的輸出數(shù)據(jù)，這個顯示主要是 以16進(jìn)制的方式進(jìn)行顯示。第二部分是將輸出轉(zhuǎn)換成相關(guān)的大氣壓進(jìn)行顯示。當(dāng)然， 在實際測量的過程屮，發(fā)現(xiàn)放大電路處理后的電壓冇一個零點漂移，大小為0.4v,模數(shù) 轉(zhuǎn)換后，值大概是21,所以處理時應(yīng)該減去這個漂移值。當(dāng)加上人工壓力時，由于該傳 感器具備良好的線性，故施加的壓力與adc0809的輸出也滿足這個關(guān)系。由于匯編顯 示數(shù)據(jù)只能一位一位的

37、顯示，故小數(shù)部分的顯示將會變得i分的困難，所以顯示時只顯 示整數(shù)部分，小數(shù)部分將予以省略，相關(guān)的主程序流程圖如圖6所示，顯示程序流程圖如圖7所示。讀取i/o端口數(shù)據(jù)否，繼續(xù)j獲取刼扁用十六進(jìn)制 顯示0809輸 出的高四位暫存數(shù)據(jù)繼續(xù)獲” j取數(shù)據(jù)"是丟是獲敢的、第丈個數(shù)叮"是求取均值用十六進(jìn)制 顯示0809輸 出的低四位處理金據(jù) 并顯示7扌c結(jié)束j轉(zhuǎn)換成壓力數(shù)據(jù)圖6主程序流程圖fig.6 main program flowchartj顯示結(jié)束丿圖7顯示程序流程圖fig.7 display program flowchart4.3壓力檢測按3.3.1節(jié)所述，連接好電路圖以后，

38、將usb 口與電腦相連，給實驗箱以及擴展板 加電。然后開始運行匯編程序生成的.exe可執(zhí)行文件。通過開發(fā)環(huán)境運行軟件，不擠壓 壓力橡皮球時，我們可以查看到如圖8所示的運行結(jié)果。當(dāng)擠壓壓力橡皮球時，程序的 顯示結(jié)果如圖9所示。5 8051單片機8051單片機是現(xiàn)代應(yīng)用領(lǐng)域的中一款非常典型的單片機。和對于現(xiàn)代功能結(jié)構(gòu)更加 完善的微型控制器，它已經(jīng)顯得非常的老i口，但對于功能較為簡單的控制系統(tǒng)，它還是 可以完全勝任的。圖8未輸入壓力時的運行效果圖fig.8 results chart when have no pressure exert onad0809e.exep:exec>. load

39、ing file load & execthe0809inputis :15thepressureis：o0kpa?the0809inputis :18thepressureis：o0kpa?the0809inputis :5fthepressureis：14kpa!the0809inputis :e9thepressureis：4zkpa?the0809inputis :ffthepressureis:46kpa ?the0809inputis :fethepressureis:46kpa ?the0809inputis :ffthepressureis:46kpa ?the0809

40、inputis :fethepressureis：46kpa?圖9擠壓壓力橡皮球時程序運行效果圖bochs for yindovs displayusersnapshotp:exec>de1tree /y .de let ing .exe taconfigfig.9 results chart when have pressure exert on5.1 8051單片機簡介5.1.1 8051單片機的發(fā)展單片微型計算機簡稱為單片機，又稱為微型控制器，是微型計算機的一個重耍分支。 8051單片機屬于第三代單片機，它是上個世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種犬規(guī)模集成電路 芯片，是集成cpu、ram、

41、rom、i/o接口和中斷系統(tǒng)于同一硅片的器件。作為8位 單片機發(fā)展成熟階段的產(chǎn)品，在現(xiàn)在它仍舊被廣泛的使用（王樂，2009）o最早推出的mcs51單片機吋美國inter公司于20世紀(jì)80年代推出的產(chǎn)品。現(xiàn)在 的8051已經(jīng)發(fā)展成為了一個mcs51系列，并出現(xiàn)了大量的類似產(chǎn)品，例如8031,8052 等等。后來，rtl t inter公司忙于開發(fā)pc以及高端微處理器而無力再發(fā)展其8051系 列，所以，很多其他廠商就開發(fā)出了性能更加優(yōu)秀的8051系列單片機。最典型的就是 philips公司和atmel公司。本系統(tǒng)設(shè)計選用的單片機就是rtl atmel公司生產(chǎn)的，歸屬于 8051系列的at89c51

42、型單片機。5. 1.2 8051單片機的基本組成以mcs51為例，它是在一塊大規(guī)模的集成電路時集成額功能強大的8為小央處 理器,rom, ram,兩個16位定時器/計數(shù)器，32位可編程并行i/o接口，20多個特 殊功能寄存器，5個小斷源，兩個優(yōu)先級嵌套小斷系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。mcs51單片機最核心的部件是cpu,它由運算器，控制器，和布爾處理器組成。 運算器是用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯操作的執(zhí)行部件，以算術(shù)邏輯單兀（alu）為 核心，包括累加器（acc）,程序狀態(tài)字（psw）,暫存器，b寄存器等部件?？刂破魇?cpu的犬腦，它包括定時控制邏輯，指令寄存器，數(shù)據(jù)指針（dptr）,程

43、序計數(shù)器（pc）, 堆棧指針（sp,）地址寄存器，地址緩沖器等（劉昆山，2010）omcs-51單片機的存儲結(jié)構(gòu)比較簡單，從物理上來說，可以分為4個存儲空間：片 內(nèi)程序存儲器，片外程序存儲器，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。這里的程序存儲 器就是存放單片機執(zhí)行程序的部件，片內(nèi)的利用單片機本身自帶的flash,片外的指單片 機擴展的片外存儲器。數(shù)據(jù)存儲器也稱為隨機存取數(shù)據(jù)存儲器。mcs-51 片機的數(shù)據(jù) 存儲器在物理上和邏輯上多分為兩個地址空間，即內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)和外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)。 內(nèi)部冇128b的ram用戶數(shù)據(jù)存儲，他們用于存放執(zhí)行的中間結(jié)果及過程數(shù)據(jù)omcs-51 的數(shù)據(jù)存儲器均可讀寫，部分單

44、元還可以進(jìn)行位尋址。mcs-51共冇4組8位i/o端口，每個端口都是八位雙向并行輸入輸出口，共占32 個引腳。每個端口都包括一個鎖存器（即專用寄存器p0-p3）, 一個輸出驅(qū)動器和輸入 緩沖器。通常把4個端口稱為p0-p3o在無片擴展外存儲器的系統(tǒng)中，這4個端口的每 一位都可以稱作為雙向通用i/o端口使用。在具有片外擴展的存儲器的系統(tǒng)中，p2作為 高8位地址線，p0 口分時作為低8位地址線和雙向數(shù)據(jù)總線。p1端口只具有一種功能, 即作為通用的輸入輸出端口。p3端口除了作為通用的i/o接口以外，每一根引腳還具有 第二功能。p3.0作為rxd輸入，p3作為txd輸出，p3.2作為into中斷輸入，

45、p3.3 作為int1中斷輸入。p3.4作為to定吋器/計數(shù)器0的外部輸入，p3.5作為to定時器/ 計數(shù)器1的外部輸入，p3.6片外存儲器寫選通，p3.7片外存儲器讀選通（豈興明，2008）ohocrak地址寄存詩旖存囂acctmp2tmp1pefdm很序抱址報務(wù)黔jpswk 4lini 僦存中新、串行錨口與定時貉單元嘏仔計毅野o詢口1驅(qū)動謂口3嘔動7o7圖10 mcs-51內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖fig.10 mcs-51fs internal logical structure101trt.o pi.l pl.2 ri.3 ri.4 pi.5 pl.g fl. 7r<；tp3.0(rxd) p3

46、.1(txd> p3.2(1nt0p3.3(inti)p3.4(t0p3.5ct1)p3xcwr)p3.7(rdr>xtal2 xtalignd(ado)r>v.o(ad2)ixi.2 (ao3)|>fj.3(ad7ini.7eaampsefj(ali>p2,7 (a1-4>p2.6 ca13>pz. (ai2；hz.4 (a11)k2,3 aiojpz.zla9) p2.1(a8) p2.g3523魚21圖11 8051單片機引腳圖fig< 11 8051 pin diagram在圖11中，各引腳的功能分別如下所述：電源引腳為vcc和vssvc

47、c：電源端，接+ 5vovss：接地端。時鐘電路引腳xtal1和xtal2xtal1：接外部品振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入，若 使用外部ttl時鐘時，該引腳必須接地。xtal2：接外部品振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放人器的輸出， 若使用外部ttl時鐘時，該引腳為外部時鐘的輸入端。地址鎖存允許ale系統(tǒng)擴展時，ale用于控制地址鎖存器鎖存p0 口輸出的低8位地址，從而實現(xiàn)數(shù) 據(jù)與低位地址的復(fù)用。外部程序存儲器讀選通信號psen,psen是外部程序存儲器的讀選通信號，低電平有效。程序存儲器地址允許輸入端ea /vpp當(dāng)ea為高電平時，cpu執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器指

48、令，但當(dāng)pc中的値超過0fffh吋, 將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲器指令。當(dāng)ea為低電平時，cpu只執(zhí)行片外程序存儲器 指令。復(fù)位信號rst該信號高電平有效，在輸入端保持兩個機器周期的高屯平后，就可以完成復(fù)位操作。 輸入/輸出端口引腳p0, pl, p2和p3p0 口（p0.0p0.7）：該端口為漏極開路的8位準(zhǔn)雙向口，它為外部低8位地址線 和8位數(shù)據(jù)線復(fù)用端口，驅(qū)動能力為8個lsttl負(fù)載。p1 口（p1.0p1.7）：它是一個內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向i/o 口，p1 口的驅(qū)動 能力為4個lsttl負(fù)載。p2 口 （p2.0-p2.7）：它為一個內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向i/o 口，p2 口

49、的驅(qū)動 能力也為4個lsttl負(fù)載。在訪問外部程序存儲器吋，作為高8位地址線。p3 口（p3.0p3.7）：為內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向i/o 口，p3 口除了作為一般 的i/o 口使用之外，每個引腳都具冇第二功能。5. 2 8051單片機最小系統(tǒng)單片機的最小系統(tǒng)是指以單片機為核心，組成的最小的，能夠單獨運行的系統(tǒng)，如 圖12所示at89c51單片機的最小系統(tǒng)由時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路及單片機構(gòu)成（如 圖12所示）。單片機的時鐘信號用來捉供單片機片內(nèi)各種操作的時間基準(zhǔn)，復(fù)位操作則使單片機的片內(nèi)電路初始化，使單片機從一種確定的初態(tài)開始運行。2 c.1-1x1 crystal -<txt

50、> vvccc3：:10uf <text>fa. 1 aixtal2rstru.u/uup0.1/ad1p0.2/ad2p0.3/ad3p0.4/ad4p0.5/ad5p0.6/ad6p0.7/ad7p2.0/a8p2.1/a9p2.2/a10psen ale eaod cp2.3/a11p2.4/a12p2.5/a13p2.6/a14p2.7/a15pi .p o.u/kxdm. i nd rro.1 xupi .2ko.2/1n 1 upi .3cv ap3.3/1nt1 p3.4/t0pi .4cv cpi .5p3.5/t1ro o a a jopi .6.7p3.7

51、/rd3938373635343332212223242526272810111213141617u219189at89c51 <text> 1234567829303?圖12單片機最小系統(tǒng)圖fig. 12 mcu's minimum system makeup單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引 腳xtal1和xtal2外接晶體振蕩器（簡稱晶振）或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。 由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了門激振蕩器并產(chǎn)生 振蕩時鐘脈沖。系統(tǒng)復(fù)位是任何微機系統(tǒng)執(zhí)行的第一步，使整個控制芯片回到默認(rèn)的硬件

52、狀態(tài)ko51單片機的復(fù)位是由reset引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過24個振蕩周期后，51單片機即進(jìn)入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到reset引腳轉(zhuǎn)為低電平后，才檢查ea引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會執(zhí)行外部程序。單片機的復(fù)位部件可以根據(jù)情況的不同劃分為門動復(fù)位和手動復(fù)位，手動復(fù)位只是在自動復(fù)位的電路上的電源端安裝一個開關(guān)。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，采取的是白動復(fù)位。使其在給電后，電路即能啟動，內(nèi)部程序即能運行。5.3單片機與其他部件的連接單片機的連接主要是主要包括功能性引腳的連接，以及i/o端口的連接。功能性引 腳的連接方法因為系統(tǒng)應(yīng)用

53、的情況的不同而不同，具體的連接按照5.1.3節(jié)所述。i/o端 口的引腳的連接主要是輸入輸出的信號的連接，或者只有輸出的連接。本系統(tǒng)的連接見后面的7.3節(jié)6 led數(shù)碼顯示模塊led （light emiting diode）是發(fā)光二極管的英文簡稱，它是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件, 基本原理是將電轉(zhuǎn)換成光。單片機cpu處理完數(shù)據(jù)后，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。在基于 單片的嵌入式系統(tǒng)屮，常用的顯示方式主要是led數(shù)碼管顯示和led液品屏顯示。6.1 led數(shù)碼管顯示原理及結(jié)構(gòu)常見的led數(shù)碼管分為7段led數(shù)碼管和“米”字段led數(shù)碼管。兩者在顯示 原理上基本一致。7段led數(shù)碼管是利用7個led （發(fā)光二極

54、管）外加一個小數(shù)點的 led組合而成的顯示設(shè)備，可以顯示09等10個數(shù)字和小數(shù)點，也可以顯示某些字母, 其使用非常廣泛。這類數(shù)碼管可以分為共陽極與共陰極兩種，共陽極就是把所有l(wèi)ed 的陽極連接到共同接點com,而每個led的陰極分別為a、b> c、d、e、f、g及dp （小 數(shù)點）的陰極；共陰極則是把所有l(wèi)ed的陰極連接到共同接點com,而每個led的陽 極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp （小數(shù)點）的陽極，如圖13所示。圖中的8個led 分別與上面那個圖屮的adp各段相對應(yīng)，通過控制各個led的亮滅來顯示數(shù)字。圖13數(shù)碼管原理圖fig. 13 digital tube schematic6.2 7段led數(shù)碼管斷碼讓led顯示