壓力傳感器單片機(jī)課程設(shè)計(jì)

壓力傳感器單片機(jī)課程設(shè)計(jì)第1章前言電力壓力器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過(guò)這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微小（也就說(shuō)壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。早在1954年美國(guó)C.S.Smith首先確認(rèn)了半導(dǎo)體壓電效應(yīng)，1955年C.Herring指出:這種壓電電阻效應(yīng)是由于應(yīng)力的作用，引起導(dǎo)體與價(jià)電子帶能量狀態(tài)的變化，以及載流子數(shù)量與遷移率變化所產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。日本從1970年開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)，首先應(yīng)用在血壓計(jì)上，之后在過(guò)程控制領(lǐng)域及轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)控制部分都獲得了廣泛的應(yīng)用。最近幾年在家用電器、裝配機(jī)器人等應(yīng)用領(lǐng)域普遍采用電子壓力傳感器作為壓力控制、壓力監(jiān)控和判斷真空吸附的效果。用于印帶崛篡辣腳II\.IT"電新管圖1電子壓力器模型1第2章電子壓力器的工作原理2.1電子壓力器的工作原理電子壓力器由壓力傳感器，A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)碼顯示等組成。當(dāng)用手按壓傳感器，腔體內(nèi)外就會(huì)產(chǎn)生壓差，這些壓差就會(huì)轉(zhuǎn)化成電壓，電壓轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后，根據(jù)壓力變化1Kpa，輸出電壓變化為120mV的關(guān)系，依照采樣的輸出電壓，采用線性插值法可計(jì)算出實(shí)際壓力值。然后將實(shí)際壓力值送數(shù)碼管顯示。圖2.1.1為PS壓力傳感器的截面結(jié)構(gòu)圖，圖2.1.2為其傳感器部分的結(jié)構(gòu)。如圖所示，在壓力傳感器半導(dǎo)體硅片上有一層擴(kuò)散電阻體，如果對(duì)這一電阻體施加壓力，由于壓電電阻效應(yīng)，其電阻值將發(fā)生變化。受到應(yīng)變的部分，即膜片由于容易感壓而變薄，為了減緩來(lái)自傳感器底座應(yīng)力的影響，將壓力傳感器片安裝在玻璃基座上。加壓時(shí)圖2如圖2.1.2所示，當(dāng)向空腔部分加上一定的壓力時(shí)，膜片受到一定程度的拉伸或收縮而產(chǎn)生形變。壓電電阻的排列方法如圖2.1.3所示，受到拉伸的電阻R2和R4的阻值增加;受到壓縮的電阻R1和R3阻值減小。電阻■位上升圖2.1.3壓電電阻的排列方法圖由于各壓電電阻如圖2.1.3那樣組成橋路結(jié)構(gòu)，如果將它們連接到恒流源上，則由于壓力的增減，將在輸出端獲得輸出電壓AV,當(dāng)壓力為零時(shí)的AV等于偏置電壓Voffset,在理想狀態(tài)下我們希望Voffset=0V，實(shí)際上在生成擴(kuò)散電阻體時(shí)，由于所形成的擴(kuò)散電阻體尺寸大小的不同和存在雜質(zhì)濃度的微小差異，因此總是有某個(gè)電壓值存在。壓力為零時(shí)，R1=R2=R3=R4=R，我們把加上一定壓力時(shí)R1、R2電阻的變化部分記作△R;相應(yīng)R3、R4電阻的變化部分記作-AR，于是△V=ARIo這個(gè)AV相對(duì)壓力呈現(xiàn)幾乎完全線性的特性，只是隨著溫度的變化而有所改變。2.2壓力傳感器的工作原理2.2.1壓力傳感器電路MPX53型硅壓力傳感器主要用于測(cè)量氣體壓力。其外形及管腳定義如下圖所示:3P【NNUMBER13火2A-*航圖2.2.1外形管腳圖該傳感器測(cè)量的是腔體內(nèi)外氣體的壓力差，其輸出電壓與壓力的關(guān)系為近似線性。MPX53的工作特性參數(shù)如下表所示:參數(shù)符號(hào)最小典型最大單位壓力范圍Pop0-50Kpa供電電壓Vs-3.06.0Vdc供電電流Io-6.0-mAdc滿(mǎn)量程輸出*Vfss456090mV零位電壓偏差*Voff02035mV-1.2-mV/KPa?V/?靈敏度P線性度--0.6-0.4,Vfss壓力遲滯(0~50Kpa)——?0.1-,Vfss溫度遲滯--?0.5-,Vfss(-40?~125?)滿(mǎn)量程溫度系數(shù)TCVfss-0.22--0.16,Vfss/?零位溫度系數(shù)TCVoff-?15-阿/?4TCR0.31-0.37,電阻溫度系數(shù)Zin/?輸入阻抗Zin355-505Q輸出阻抗Zout750-1800Q響應(yīng)時(shí)間(10,~90,)tR-1.0-ms注:？、零位電壓偏差是指壓力為零時(shí)的輸出電壓；、滿(mǎn)量程輸出為最大輸出與最小輸出電壓之差。圖2.2.2是PS壓力傳感器的外圍電路設(shè)計(jì)實(shí)例，圖中用恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng)壓力傳感器。圖2.2.2壓力器硬件設(shè)計(jì)電路由于橋路失衡時(shí)的輸出電壓比較小，所以必須用運(yùn)放IC1b和IC1C來(lái)進(jìn)行放大。圖中VR1為偏置調(diào)整，VR2為壓力靈敏度調(diào)整，5VR3為沒(méi)有加壓時(shí)輸出電壓調(diào)整，C1、C2用于去除噪聲。另外，如果電源電壓波動(dòng)的話，將引起輸出電壓的變化，所以必須給電路提供一個(gè)穩(wěn)定的電源。MPX53的電源部分做成可調(diào)，用于溫度補(bǔ)償。輸出采用差動(dòng)放大，以去除共模干擾，1K電位器用于增益調(diào)節(jié)。通常將增益調(diào)至100倍，根據(jù)上面參數(shù)，壓力變化1Kpa，輸出電壓變化為120mV。根據(jù)采樣的輸出電壓，采用線性插值法可計(jì)算出實(shí)際壓力值。注:應(yīng)在零壓力時(shí)采樣一次輸出電壓。以后每次采樣值應(yīng)減去零位值，然后換算為壓力。2.2.2模塊的基本測(cè)試方法不加壓時(shí)，測(cè)量VO+、V0-的電壓V1，約為20mV，（0~35mV屬正常），調(diào)節(jié)GAINADJ使輸出電壓VOUT放大100倍，即VOUT/V1=100;用手按壓MPX53的探頭，VOUT輸出應(yīng)發(fā)生變化。6第3章實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案3.1實(shí)驗(yàn)流程圖以下只對(duì)整個(gè)程序的流程做簡(jiǎn)單介紹：開(kāi)始沒(méi)有壓力的情況下讀取電壓值有壓力的情況下讀取電壓值兩電壓值相等嗎，N電壓差值轉(zhuǎn)化成壓力值數(shù)碼管顯示0101數(shù)碼管顯示當(dāng)前壓力圖3.1.1流程圖73.2算法描述數(shù)碼管顯示模塊由四位共陰極LED數(shù)碼管組成，用P1口進(jìn)行位選，用CS273進(jìn)行段選。程序如下：Uchacodetable□={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};voiddisplay(ucharfour,ucharthree,uchartwo,ucharone)(cs273=table[four];P1=0xfb;delay(1);cs273=table[three];P1=0xf7;delay(1);cs273=table[two];P1=0xef;delay(1);cs273=table[one];P1=0xdf;delay(1);voiddelay(uintz)(uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=10;y>0;y--);}83.3A/D轉(zhuǎn)化采用A/D0809，將壓力傳感器的輸出電壓輸送到A/D0809的IN0端口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量通過(guò)P0口傳送到8051單片機(jī)進(jìn)行處理。具體程序：voidmain()(ucharxdata*pt;ucharqy1,qy2;pt=0xcfa0;*pt=0;while(!eoc);qy1=*pt;while(1)(*pt=0;while(!eoc);chuli(qy1,qy2);}}93.4電壓一氣壓轉(zhuǎn)化MPX53型硅壓力傳感器電壓與氣壓之間關(guān)系曲線圖如下圖所示，壓力與電壓差的轉(zhuǎn)化公式為qyz=((float)(x2-x1))*5.0/256.0*8.3+101具體程序如下：Figure2,QulputPressureDifferental：voidchuli(ucharx1,ucharx2)(ucharqyz;ucharx,y,z,w;if((x2-x1)==0)(x=1;y=0;z=1;w=0;}else(qyz=((float)(x2-x1))*5.0/256.0*8.3+101;x=qyz%10;y=qyz%100/10;z=qyz/100;w=qyz/1000;}}3.5程序描述#include<reg51.h>#include<absacc.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintucharone,two,three,four;ucharcodetable□={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};#defineAD_portXBYTE[0Xcfa0]#definecs273XBYTE[0xcfb8]sbiteoc=P3”0;voidchuli(ucharx1,ucharx2);voiddisplay(ucharfour,ucharthree,uchartwo,ucharone);voiddelay(uintz);11voidmain()ucharxdata*pt;ucharqy1,qy2;pt=0xcfa0;*pt=0;while(!eoc);qy1=*pt;while(1)(*pt=0;while(!eoc);qy2=*pt;chuli(qy1,qy2);}}voidchuli(ucharx1,ucharx2)(ucharqyz;ucharx,y,z,w;if((x2-x1)==0)(x=1;y=0;w=0;12}else(qyz=((float)(x2-x1))*5.0/256.0*8.3+101;x=qyz%10;y=qyz%100/10;z=qyz/100;w=qyz/1000;}display(w,z,y,x);}voiddisplay(ucharfour,ucharthree,uchartwo,ucharone)(cs273=table[four];P1=0xfb;delay(1);cs273=table[three];P1=0xf7;delay(1);cs273=table[two];P1=0xef;delay(1);cs273=table[one];P1=0xdf;delay(1);}13voiddelay(uintz)(uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=10;y>0;y--);}第4章元器件功能4.1元器件E-LAB-MOBJ3多功能提供點(diǎn)壓力傳感器，以AT89S51芯片作為仿真的核心運(yùn)行器件，A/D0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將壓力傳感器的模擬輸出量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量送到單片機(jī)進(jìn)行處理;74LS273用于輸出，數(shù)碼管用于顯示壓力值，導(dǎo)線連接電路。序號(hào)元器件數(shù)量功能提供壓力傳感器部分1E-LAB-MOBJ3多功能1主機(jī)部分運(yùn)行程序2AT89S51芯片1將壓力傳感器的模擬輸模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D0809出量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量送到31器單片機(jī)進(jìn)行處理用于輸出段選474LS2731數(shù)碼管用于顯示壓力值54導(dǎo)線連接電路6n圖4.1.1元器件功能表第5章軟件設(shè)計(jì)5（1軟件設(shè)計(jì)思想采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序，直接將程序在PROTEUS中進(jìn)行編譯調(diào)試，然后在設(shè)計(jì)環(huán)境中單擊AT89S51，加載程序，然后單擊全速運(yùn)行按鈕，觀察到“邵陽(yáng)學(xué)院”從右至左不斷循環(huán)顯示。5.2電路設(shè)計(jì)XEL4-E4IUWATflC虹T-CLiEtQhL5.2電路設(shè)計(jì)XEL4-E4IUWATflC虹T-CLiEtQhL圖5.2電路原理設(shè)計(jì)圖15總結(jié)電子壓力器技術(shù)是一門(mén)理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門(mén)綜合性的技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科，它需要數(shù)學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)、力學(xué)、機(jī)械等知識(shí)，同時(shí)還要掌握各種物理量的變換原理、各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)物理量（如力、振動(dòng)、噪聲、壓力和溫度等）的測(cè)定，以及實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等方面所涉及的基礎(chǔ)理論。在做此次實(shí)驗(yàn)前，我把老師所講的傳感器教材通讀了一遍，對(duì)傳感技術(shù)有了一定得了解。因?yàn)樵谶@之前，沒(méi)有接觸過(guò)類(lèi)似的課程設(shè)計(jì)，所以這次實(shí)驗(yàn)，我感覺(jué)有些困難。通過(guò)這次傳感器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，使我學(xué)到了不少實(shí)用的知識(shí)，更重要的是，做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，思考問(wèn)題的方法,這與做其他的實(shí)驗(yàn)是通用的，真正使我們受益匪淺.在這次實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中我們要培養(yǎng)自己的獨(dú)立分析問(wèn)題，和解決問(wèn)題的能力。在調(diào)試電路圖的過(guò)程中，要自己學(xué)會(huì)思考。最后，通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)我不但對(duì)理論知識(shí)有了更加深刻的理解，更加增強(qiáng)了我的綜合能力，希望以后能多有這樣的作業(yè)，使我們能把所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)實(shí)踐運(yùn)用。使我們整體對(duì)各個(gè)方面都得到了不少的提高，讓我得到更好的鍛煉。16致謝通過(guò)本次的電子壓力器課程設(shè)計(jì)，深刻體會(huì)到自己知識(shí)的匱乏。通過(guò)在網(wǎng)上、圖書(shū)館查找資料，結(jié)合書(shū)本中所學(xué)知識(shí)，并且在實(shí)驗(yàn)室老師的幫助下，完成了本次課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。把樹(shù)種所學(xué)的理論知識(shí)和具體的實(shí)踐相結(jié)合，有利于我們對(duì)課本中所學(xué)知識(shí)的理解，并加強(qiáng)了我們的動(dòng)手能力。在課程設(shè)計(jì)中，我們通過(guò)各種渠道查找資料分析驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)多次的修改和整理，做出了初步的設(shè)計(jì)思路，但由于在實(shí)際操作中一系列的問(wèn)題，并為達(dá)到理想效果，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上做了大量的修改，在老師的幫助下最終得出了正確的結(jié)果。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我明白了課程設(shè)計(jì)不僅僅是讓我們?nèi)ァ霸O(shè)計(jì)”出實(shí)驗(yàn)成品，更重要的是通過(guò)查找資料、修改設(shè)計(jì)方案的過(guò)程去培養(yǎng)、提高我們的動(dòng)手能力，分析、思考問(wèn)題能力，以及解決問(wèn)題的能力。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我真的學(xué)會(huì)了許多東西，這些東西比在課本上學(xué)到的知識(shí)來(lái)的更深刻，更具體。在次對(duì)教導(dǎo)我的老師及幫助我的同學(xué)表示真誠(chéng)的感謝?17參考文獻(xiàn)[1]黃正謹(jǐn).系統(tǒng)編程及應(yīng)用.南京:東南大學(xué)出版社，1997[2]彭介華.電子課程設(shè)計(jì)指導(dǎo).北京:高等教育出版社，1997[3]李國(guó)麗，朱維勇.電子技術(shù)試驗(yàn)指導(dǎo).合肥:中國(guó)科技大學(xué)出版社，2000[4]鄭家龍，王小海，章安元.集成電子技術(shù)基礎(chǔ)教程.北京:高等教育出版社，2002[5]江世明(基于Proteus的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M](北京：電子工業(yè)出版社，2009[6]何宏.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，200618附錄(程序)#include<reg51.h>#include<absacc.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintucharone,two,three,four;ucharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};#defineAD_portXBYTE[0Xcfa0]#definecs273XBYTE[0xcfb8]sbiteoc=P3”0;voidchuli(ucharx1,uc