基于单片机的压力容器检测装置设计本科毕业论文.docx

III基于单片机的压力容器检测装置设计基于单片机的压力容器检测装置设计摘 要压力容器是化肥、炼油、化工、医药、有机合成等行业使用的主要生产设备，是一种可能引起爆炸或中毒等危害性较大事故的特种设备。压力容器的爆炸事故除受物理或化学诱因导致容器内的压力超过了它的实际承载极限而超压引爆外，容器材质、制造工艺、检测检验等对压力容器防爆也产生至重要的影响，有效地控制这些环节，加强检测检验把关，则可大大地减少或杜绝这类事故发生，保证容器的安全运行。本文的主要工作是研究与设计一种基于AT89S51的压力容器检测装置，使之应用于在役压力容器的检测工作，在实际中具有非常广阔的应用前景。本文详细阐述了基于单片机的压力容器检测装置的硬件组成、软件设计及相关的接口电路设计。此压力容器检测装置主要由金属电阻应变片、测量放大器、A/D 转换器、单片机、LCD显示组成。首先通过金属电阻应变片将被测容器的形变转换成电信号，然后用测量放大器将该电信号变换到 A/D 转换电路的最大输入范围内，此放大后的信号经低通滤波器滤波后输入A/D 转换电路，A/D 转换电路输出的数字信号进入单片机，经单片机对信号进行简单处理后用LCD显示出来。关键词：压力容器，单片机，传感器Microcontroller-based Design of Pressure Vessel Testing EquipmentABSTRACTPressure vessel of fertilizer, oil refining, chemical, pharmaceutical, organic synthesis and other industries use the main production equipment, is likely to cause an explosion or poisoning incidents harmful large special equipment. In addition to pressure vessel explosion accidents caused by physical or chemical inducement pressure within the container exceeds the limit of its actual bearing overpressure detonation, the container materials, manufacturing processes, testing and inspection of pressure vessels also produce proof to the important influence effective control of these areas, strengthen the testing and inspection checks, you can greatly reduce or prevent such incidents, to ensure the safe operation of the container. The main work is to study and design of pressure vessels based on AT89S51 detection devices, making application testing pressure vessels in service work in practice has a very broad application prospects. This paper describes a microcontroller-based temperature control system hardware, software and related interface circuits. The detection device consists of pressure vessel resistance strain gauges of metal, measuring amplifier, A/D converter, microcontroller, LCD display and alarm device composition. First through the metal strain gauges to the deformation of the container to convert the measured signal, and then measuring the electrical signals to the amplifier A/D converter maximum input range, the amplified signal filtered by the low-pass filter Input A/D converter, A/D converter output digital signal into the MCU, the MCU after the signal with a simple LCD display.KEY WORDS：pressure vessel , microcontroller,sensorsIII目 录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 引言11.2 压力容器11.2.1 压力容器的定义11.2.2 压力容器的分类11.2.3 压力容器的危险性21.2.4 我国压力容器安全现状21.2.5 压力容器的检验21.3 自动化检测技术31.4 单片机41.4.1 单片机技术的发展41.4.2 单片机技术的应用51.5 本论文研究的主要内容61.6 课题研究的意义72 压力容器检测装置的总体设计及器件选择82.1 传感器的选择82.1.1 工作原理92.1.2 应变片测试原理102.2 A/D转换器的选择112.3 单片机的选择122.4 显示器的选择162.4.1 液晶显示简介162.4.2 1602字符型LCD简介173 压力容器检测装置硬件部分的设计203.1 电阻应变式传感器203.2 电源电路223.3 测量放大电路233.4 低通滤波电路253.5 A/D转换电路263.6 液晶显示电路273.7 单片机接线电路274 压力容器检测装置软件部分的设计294.1 软件设计基础294.1.1 C51编程语言的使用背景294.1.2 C语言的特点294.1.3 C51语言的特点314.1.4 集成开发环境KEIL324.1.5 利用KEIL开发系统软件流程334.2 软件程序334.2.1 系统主程序334.2.2 系统初始化部分354.2.3 数据采集部分364.2.4 数据转换部分364.2.5 LCD显示部分385 总结与展望415.1 总结415.2 展望41致谢42参考文献4345基于单片机的压力容器检测装置设计1 绪论1.1 引言压力容器属于承压类特种设备，广泛地应用于石油、化工、机械、冶金、轻工、航空航天、国防等工业部门的生产以及人民生活。在化肥、炼油、化工、医药、有机合成等行业，压力容器是主要的生产设备，例如在百万吨炼油装置和年产30万吨乙烯的装置中，压力容器约占设备总量的35%。近年来，随着技术进步和工业化、规模化的发展，压力容器的使用越来越普及，朝着大型化、复杂化方向发展，为经济建设发挥着重要的作用。1.2 压力容器1.2.1 压力容器的定义压力容器，英文：pressure vessel，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器均属压力容器。为了与一般容器(常压容器)相区别，只有同时满足下列三个条件的容器，才称之为压力容器： （1）工作压力大于或者等于0.1Mpa(工作压力是指压力容器在正常工作情况下，其顶部可能达到的最高压力)；（不含液体静压力） （2）工作压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa-L(容积，是指压力容器的几何容积)；（3）盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。1.2.2 压力容器的分类压力容器的形式、品种繁多，其分类方法有很多种。按材料分类，分为钢制压力容器、铁制压力容器和非金属压力容器等。按制造方法分为板焊容器、锻焊容器、包扎容器、绕带式压力容器等。按压力容器在生产工艺过程中的作用原理分类，分为反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器、储存压力容器。按压力容器的设计压力(P)分类，分为低压(代号L)0.1MPa Pl.6MPa；中压(代号M)1.6MPa P10MPa；高压(代号 H)10MPaP100MPa；超高压(代号U)P100MPa。1.2.3 压力容器的危险性压力容器是一种可能引起爆炸或中毒等危害性较大事故的特种设备，当设备发生破坏或爆炸时，设备内的介质迅速膨胀、释放出极大的内能，这些能量不仅使设备本身遭到破坏，瞬间释放的巨大能量还将产生冲击波，使周围的设施和建筑物遭到破坏，危及人员生命安全。如果设备内盛装的是易燃或有毒介质，一旦突然发生爆炸，将会造成恶性的连锁反应，后果不堪设想。所以压力容器比一般机械设备有更高的安全要求。压力容器承受各种静、动载荷或交变载荷，有些还有附加的机械或温度载荷。运行温度和压力变化范围相当广泛，从-100以下的低温到1000以上的高温；从真空到100MPa以上的超高压，有时运行条件甚至达到苛刻的地步，如合成氨的操作压力10100MPa，高压聚乙烯装置的操作压力为100350MPa。内部介质为气体、液化气体或最高工作温度高于标准沸点的液体，多达数千个品种，有些是易燃、易爆、有毒、腐蚀等有害物质。1.2.4 我国压力容器安全现状我国压力容器的使用量大面广，据2003年统计，全国有8828万台压力容器，遍布在80万个企事业单位，且每年以78%的速度增长。爆炸事故频繁，20002003年期间，发生爆炸事故661起，死亡579人，伤1267人，直接经济损失数百亿元。近年来，随着经济的快速发展，特别是石油、化工、钢铁等国家支柱行业的快速发展，压力容器安全形势更加严峻。1.2.5 压力容器的检验压力容器检验的目的就是防止压力容器失效事故，特别是危害最严重的破裂事故发生，因此在某种程度上可以说，压力容器检验的实质就是失效的预测和预防。检验是压力容器安全管理的重要环节。按工作性质，压力容器检验可分为产品安全质量监督检验和在用检验两大类。安全质量监督检验的任务是保证压力容器产品质量。产品质量是安全的基础，是保证压力容器安全投入运行、发挥经济效益的先决条件。压力容器产品质量的任何失控都可能产生安全隐患和发生事故，给使用管理带来麻烦，甚至导致容器过早失效和报废。在用检验是指压力容器使用期间的定期检验，它是保证设备长期运行和安全生产的有力措施。通过定期检验，及时发现使用中压力容器的新生缺陷，根据检验结果重新确定其安全状况等级以决定继续使用、监控使用、修复后使用或判废。为了确保压力容器安全运行，各国对压力容器均采用运行期间的定期检验制度。压力容器内外部检验的周期一般为510年。我国政府有关规程规定，在用压力容器内外部检验的周期最长为6年。在用压力容器检验的重点是压力容器在运行过程中受介质、压力和温度等因素影响而产生的裂纹、腐蚀、冲蚀、应力腐蚀开裂、疲劳开裂及材料劣化等缺陷，因此除宏观检查外需采用多种无损检测方法。压力容器的检测基本在其安装使用现场进行，检测条件受到限制，因此采用的无损检测技术应适用于现场应用，仪器均为便携式。1.3 自动化检测技术微机自动化检测系统的硬件基本结构如图11所示。它能完成对多点、多种随时间变化参量的快速、实时测量，并能排除噪声干扰，进行数据处理、信号分析，由测得的信号求出与研究对象有关信息的量值或给出其状态的判别。图中不同种类的被测信号由各种传感器转换成相应的电信号，这是任何检测系统都必不可少的环节。传感器输出的电信号经调节放大(包括交直流放大、整流滤波和线性化处理)后，变成05V直流电压信号经A/D转换器转换后送单片机进行初步数据处理。单片机通过通信电路将数据传输到主机，实现检测系统的数据分析和测量结果的存储、显示、打印、绘图、以及与其他计算机系统的联网通信。打印机、绘图机主机显示器 测控通信接口单片机m单片机2单片机1 A/D转换A/D转换A/D转换 调节放大调节放大调节放大 传感器m传感器2传感器1传感器m传感器2传感器1传感器m传感器2传感器1 图1-1 自动化检测系统的硬件基本结构科学技术的发展与检测技术的发展是密切相关的，检测技术达到的水平愈高，则科学技术上的成就就会愈为深广。而科学技术的发展，特别是新材料、新结构的传感器研制成功，以及微型计算机的广泛开发，给检测技术带来了变革性的影响，它们在检测系统的准确性、快速性、可靠性和抗干扰性等方面发挥了明显作用，大大丰富了检测技术所包含的内容，扩大了检测技术的应用范围，同时也提出了新的课题。检测问题厂一泛存在于各行各业，随着科学技术的高速发展，随着人类生活水平和生产力水平的提高，检测问题越来越多，对检测提出的要求也越来越高:要求能更快、更准、更灵敏、更可靠的完成检测任务、要求能实现自动化检测。此外，先进的检测方法和检测设备是提高产品质量和性能的先决条件，没有先进的检测方法和检测设备，不但不能开发研制出高性能的检测仪器，而且生产出的产品质量无法得到保证。自动化检测技术作为自动化科学的一个重要分支，作为专门研究检测问题的一门实用型、综合型的新兴边沿学科已经形成。微机自动化检测作为自动化检测技术及系统发展的高级形式便应运而生。“微机自动化检测技术”就是使用微机及相关设备来实现自动化检测仪器、自动化检测系统的技术。微机自动化检测技术的核心技术是传感器技术、抗干扰技术与可靠技术、显示技术、自动控制技术、电子线路设计技术等等。1.4 单片机1.4.1 单片机技术的发展所谓单片机(microcontroller)是指在一个集成芯片中，集成微处理器(CPU)、存储器、基本的I/O接口以及定时/计数、通信部件，即在一个芯片上实现一台微型计算机的基本功能。1970年微型计算机研制成功之后，随着就出现了单片机(即单片微型计算机)。美国Intel公司1971年生产的4位单片机4004和1972年生产的雏形8位单片机8008，特别是1976年MCS48单片机问世以来，在短短的二十儿年间，经历了四次更新换代，其发展速度大约每二、三年要更新一代、集成度增加一倍、功率翻一番。其发展速度之快、应用范围之广，己达到了惊人的地步。它己渗透到生产和生活的各个领域，可谓“无孔不入”。尽管目前单片机的品种很多，但其中最具典型性的当数Intel公司的MCS一51系列单片机。MCS51是在MCS48的基础上于80年代初发展起来的，虽然它仍然是8位的单片机，但其功能有很大的增强。由于PHILIPS、ATMEL、WELBORD、LG等近百家IC制造商都主产51系列兼容产品，具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此，MCS51应用非常广泛，成为继MCS48之后最重要的单片机品种。直到现在MCS51仍不失为单片机中的主流机型。国内尤以Intel的MCS51系列单片机应用最广。由于8位单片机的高性能价格比，估计近十年内，8位单片机仍将是单片机中的主流机型。从8位单片机算起，它的发展历史大致如表1-1表1-1 单片机发展历史年代代表产品特点应用系统开发工具70年代中后期MCS8048采用23m半导体工艺，8位CPU，寻址能力小于4K字节仿真器80年代8051系列6805系列Intel的96/98系列采用23m半导体工艺，8位或16位CPU，寻址能力小于4K字节仿真器、汇编器、编程器90年代Intel的8Xc196/296、251/930；PhilipsP51XA；Motorola68399系列；Siemens166/167系列；日立的SH3系列采用0.80.25m半导体工艺，8位或16位或32位的CPU，或32位的内部总线，芯片采用流水线结构及宽总线结构，寻址能力1632M字节由RTOS+Complier+ICE组成的开发平台，其中：RTOS：即实时多任务操作系统；Compiler：基于嵌入式系统的工程语言编辑器；ICE：即实时在线仿真器1.4.2 单片机技术的应用随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出很强的生命力。它和一般的集成电路相比有较好的抗干扰能力，对环境的温度和湿度都有较好的适应性，可以在工业条件下稳定工作。且单片机广泛地应用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化提高它们的测量速度和测量精度，加强控制功能。如MCS51系列单片机控制的“船舶航行状态自动记录仪”、“烟叶水分测试仪”、“智能超声波测厚仪”等。单片机也广泛地应用于实时控制系统中，例如对工业上各种窑炉的温度、酸度、化学成分的测量和控制。将测量技术、自动控制技术和单片机技术相结合，充分发挥其数据处理功能和实时控制功能，使系统工作处于最佳状态，提高系统的生产效率和产品质量。从航空航天、地质石油、冶金采矿、机械电子、轻工纺织等行业的分布系统与智能控制以及机电一体化设备和产品，到邮电通信、日用设备和器械，单片机都发挥了巨大作用。其应用大致可分为以下几方面:(l)机电一体化设备的控制核心机电一体化是机械设备发展的方向。单片机的出现促进了机电一体化技术的发展，它作为机电产品的控制器，充分发挥其自身优点，大大强化了机器的功能，提高了机器的自动化、智能化程度。最典型的机电产品机器人，每个关节或动作部位都是一个单片机控制系统。(2)数据采集系统的现场采集单元大型数据采集系统，要求数据采集的同步性和实时性要好。使用单片机作为系统的前端采集单元，由主控计算机发出采集命令，再将采集到的数据逐一送到主计算机中进行处理。如有些气象部门、油田采油部门以及电厂等均可采用这样的系统。(3)分布控制系统的前端控制器在直接控制级的计算机分布控制系统(DCS)中，单片机作为过程控制中每一分部操作或控制的控制器，进行数据采集、反馈计算、控制输出，并在上位机命令的指挥下进行相应协调工作。(4)智能化仪表的机芯自动化仪表的智能化程度越来越高。采用单片机的智能化仪表可具有自整定、自校正、自动补偿和自适应功能，还可进行数字PID调节，软件消除电流热噪声等等，解决传统仪表所不能解决的难题。单片机的应用使这种性能如虎添翼，如自动计费电度表、燃气表中已有这方面的应用。许多工业仪表中的智能流量计，气体分析仪、成分分析仪等也采用了这项技术。甚至有的保健治疗仪中也采用了单片机控制。(5)消费类电子产品控制该应用主要反映在家电领域，如洗衣机、空调器、保安系统、VCD视盘机、电子秤、IC卡、手机等。这些设备中使用了单片机机芯后，大大提高了其控制功能和性能，并实现了智能化、最优化控制。(6)终端及外围设备控制计算机网络终端设备，如银行终端、商业POS(自动收款机)以及计算机外围设备如打印机、通信终端和智能化UPS等。在这些设备中使用单片机，使其具有计算、存储、显示、输入等功能，具有和计算机连接的接口，使计算机的能力及应用范围大大提高。本课题以单片机作为控制器之一，进一步研究单片机在自动化检测领域中的应用。1.5 本论文研究的主要内容本文的主要工作是研究与设计一种基于AT89S51 的压力容器检测装置，使之应用于压力容器的检测工作上，在实用中具有非常广阔的应用前景。论文主要工作包括：（1）简述设计基于单片机的压力容器检测装置的目的与意义，介绍了单片机技术的发展与应用，对压力容器以及自动化检测技术的发展现状和趋势进行了论述。（2）根据设计要求选取适当的器件来组成此基于单片机的压力容器检测装置。包括传感器的选择，放大电路的选择，多路A/D 转换器的选择，单片机的选择以及显示器的选择，选择的器件是否合适是能否实现此压力容器检测装置设计要求的前提条件。（3）利用所选器件设计并实现基于单片机的压力容器检测装置的硬件部分。首先规划此基于单片机的压力容器检测装置的硬件系统结构，然后根据设计要求确定应变式传感器，测量放大器，低通滤波器等每一部分电路的具体结构，最后根据规划将各部分电路连接起来形成一个完整的硬件系统。（4）规划基于单片机的压力容器检测装置的软件流程，并且最终编出相应的驱动程序及显示程序，实现此压力容器检测装置的设计要求。论文的主要工作对于应用单片机实现的压力容器检测装置具有很好的实际应用价值。1.6 课题研究的意义基于单片机的压力容器检测装置的在实际中的应用，可以及时排除了带缺陷运行的压力容器的爆炸隐患，降低恶性事故的发生，取得重大的社会效益。2004年初步统计全国有9000多万台压力容器在生产中运行，其中容积在20立方米以上的压力容器约占15%，主要是大型的储罐、球罐、合成塔、反应器等化工反应和储存装置中的核心设备，是生产中的重要设备，也是危险性极高的设备，造价也十分昂贵。就南京市而言，2004年全市普查统计发现，工业生产中约有两万多台压力容器在使用，其中容积在20立方米以上的压力容器约有3000多台，这些压力容器都是重要的设备，也是重大的危险源。按照国家规定要求，在使用36年时，必须要实施定期检验。而常规检验就必须停产、清洗、介质置换、拆除保温和附属设施等，从而导致整套装置或整个企业长时间停产，损失巨大。同时大型压力容器的常规检验耗时耗物，花费巨大的人力、物力，有的大型压力容器要花费上千万元。大型压力容器采用此技术检验，可以大大地节省时间和资金，有的还可以避免开罐等过程，经济效益十分明显。2 压力容器检测装置的总体设计及器件选择压力容器检测装置的结构框图如图所示：信号采集电路测量放大电路低通滤波电路A/D转换51单片机液晶显示 图2-1 结构框图此压力容器检测装置主要由金属电阻应变片、测量放大器、低通滤波电路、A/D 转换器、单片机及LCD显示组成。首先通过金属电阻应变片将被测容器的形变转换成电信号，为了提高A/D 转换精度，用测量放大器将该电信号变换到 A/D 转换电路的最大输入范围内，此放大后的信号经低通滤波器滤波后输入A/D 转换电路，A/D 转换电路的输出数字信号进入单片机，经单片机对信号进行简单处理后用LCD显示出来。2.1传感器的选择传感器的种类繁多、原理各异，检测对象几乎涉及各种参数，通常一种传感器可以检测多种参数，一种参数又可以用多种传感器测量。所以传感器的分类方法至今尚无统一规定，主要按工作原理、输入信息和应用范围来分类。（1）按工作原理分类。按传感器的工作原理不同，传感器大体上可分为物理型、化学型及生物型三大类。物理型传感器是利用某些变换元件的物理性质以及某些功能材料的特殊物理性能制成的传感器，它又可以分为物性型传感器和结构型传感器。物性型传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应将被测量直接转换为电量的传感器。结构型传感器是以结构（如形状、尺寸等）为基础，在待测量作用下，其结构发生变化，利用某些物理规律，获得比例于待测非电量的电信号输出的传感器。化学传感器是利用敏感材料与物质间的电化学反应原理，把无机和有机化学成分、浓度等转换成电信号的传感器，如气体传感器、湿度传感器和离子传感器等。生物传感器是利用材料的生物效应构成的传感器，如酶传感器、微生物传感器、生理量（血液成分、血压、心音、血蛋白、激素、筋肉强力等）传感器、组织传感器、免疫传感器等。（2）按输入信息分类。传感器按输入量分类有位移传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器、力传感器、色传感器、磁传感器等，以输入量（被测量）命名。这种分类对传感器的应用很方便。（3）按应用范围分类。根据传感器的应用范围不同，通常可分为工业用、农用、民用、科研用、医用、军用、环保用和家电用传感器等。若按具体使用场合，还可分为汽车用、舰船用、飞机用、宇宙飞船用、防灾用传感器等。如果根据使用目的的不同，又可分为计测用、监视用、检查用、诊断用、控制用和分析用传感器等。 物性型传感器 物理型传感器 结构型传感器 传感器 化学型传感器 生物型传感器这里我们选择电阻应变式传感器。它的基本原理是将被测非电量转换成与之有确定对应关系的电阻值，再通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。这类传感器的种类很多，在几何量和机械量测量领域中应用广泛，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等非电量。 电阻应变式传感器应用历史悠久，但目前仍是一种主要的测量手段，因为它具有以下独特的优点：（1）结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；（2）易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距离测量和遥测；（3）灵敏度高，测量速度快，适合于静态、动态测量；（4）可以测量多种物理量，应用广泛。2.1.1 工作原理电阻应变片的工作原理是基于金属导体的电阻应变效应，即当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将相应地发生变化。金属导体的电阻应变用应变灵敏系数K描述，它决定于导体电阻的相对变化R/R与其长度相对变化l/l之比值： (2-1)式中，=l/l轴向应变。一根长为l、截面积为s、电阻率为的金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻为 (2-2)当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小S，电阻率则因晶格发生变形等因素的影响而改变，故引起电阻值变化R。将式（22）全微分，并用相对变化量来表示，则有 (2-3)式中，（l/l）=为电阻丝的轴向应变，常用单位（1=110-6mm/mm）。由于S=R2=d2/4，则S/S=2d/d，其中，d/d为径向应变，由材料力学可知d/d=-，式中，为电阻丝材料的泊松比。将前面关系代入式（23），可得 R/R=（1+2）+/ (2-4)其应变灵敏系数为 (2-5)从式（25）看出，应变灵敏系数K受两个因素的影响：一是受力后由于材料的几何尺寸变化引起的，即（1+2）项；另一因素是受力作用后由于材料的电阻率发生变化而引起的，即（/）/。对于金属材料来说，（/）/项比（1+2）项小得多，而对于半导体材料的（/）/项比（1+2）项大得多，甚至可认为K=（/）/。金属材料在弹性变形范围内，泊松比=0.20.4，在塑性变形范围内0.5。所以（1+2）=1.41.8（弹性区）或（1+2）2（塑性区）。但是根据对各种金属材料的灵敏系数进行的实测表明，一般都超过2.0，这说明（/）/项对金属材料的灵敏系数还是有影响的。但大量实验证明，在应变极限内，金属材料电阻的相对变化与应变成正比，即 (2-6) 2.1.2 应变片测试原理使用应变片测量应变或应力时，是将应变片牢固地粘贴在被测弹性试件上，当试件受力变形时，应变片的金属敏感栅随之相应变形，从引起应变片电阻的变化。如果应用测量电路和仪器测出应变片的电阻值变化R，则根据式（26），可得到被测试件的应变值，而根据应力应变关系 =E式中，E试件材料弹性模量；试件的应力；试件的应变。计算可得应力值。 通过弹性敏感元件的作用，将位移、力、力矩、压力、加速度等参数转换为应变，因此可以将应变片由测量应变扩展到测量上述能引起应变的各种参量，从而形成各种电阻应变式传感器。2.2 A/D转换器的选择A/D 转换器的类型较多，常用的有逐次逼近型和积分型。单片机应用系统中最常用的 A/D 转换器是可编程的 ADC0809。ADC0809 是典型的8位8通道逐次型 A/D 转换器，CMOS 工艺，ADC0809 的内部逻辑结构如图2-2所示。三态输出 锁存器八位A/D转换器八路模拟量开关IN0 EOC D0 IN7 地址锁存与译码A D7 B CALE VR(+) VR(-) OE 图2-2 ADC0809 的内部逻辑结构图中 8 路模拟量开关可选通8个模拟通道，8路模拟量分时输入，共用一个 A/D 转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成对 A、B、C 三个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道的选择。8位A/D 转换器是逐次逼近式，由控制与时序电路、逐次逼近寄存器、树状开关及256电阻阶梯网络等组成。输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。ADC0809 芯片为28引脚双列直插式封装，其主要引脚的功能说明如下：1、IN7IN0：模拟量输入通道。ADC0809对输入模拟量的要求主要有信号是单极性，电压范围05V，若信号过小还需进行放大。另外，模拟量输入在A/D转换过程中其值不应变化，因此对变化速度快的模拟量，在输入前应增加采样保持电路。2、ADDA、ADDB、ADDC：地址线。ADDA为低位地址，ADDC为高位地址，用于对模拟通道进行选择。3、ALE：地址锁存允许信号。在ALE上升沿时，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。4、START：转换启动信号。在 START 上升沿时，所有内部寄存器清零，START 下降沿时，开始进行A/D 转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。5、D7D0：数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。6、OE：输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据，当 OE=0，输出数据线呈高阻；当OE=1输出转换后的数据。7、CLK：时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外部提供，因此有时钟信号引脚，通常使用频率为500kHz的时钟信号。8、EOC：转换结束状态信号。当EOC=0时，正在进行转换；当EOC=1，转换结束。在实际应用中该状态信号既可作为查询状态的标志，又可作为中断请求信号使用。9、Vref：参考电压。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准，其典型值为5V（Vref(+)=+5V，Vref(-)=0V）。2.3 单片机的选择随着计算机技术与微电子技术的发展，智能仪表的功能逐步完善，工作的可靠性也进一步提高，而单片机却是随着功能的不断增强，价格逐渐降低。在本系统设计中，我们使用美国ATMEL公司生产的8位单片机AT89S51作为控制器件。AT89S51是一种带4K字节可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS结构的8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容，并且将多功能8位CPU和FLASH存储器组合在单个芯片中，因而，AT89S51是一种高效的微控制器，为很多智能仪器和嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。下面简单介绍一下该单片机的一些特性。8位单片机AT89S51的主要特性是：与MCS51指令兼容；4K字节在系统可编程(ISP)Flash闪烁存储器；寿命:1000写/擦循环；4.05.5V的工作电压范围；全静态工作模式:0Hz33Hz；三级持续加密锁；1288字节内部RAM；三级程序存储器锁定；32位可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；全双工串行UART通道；低功耗的闲置和掉电模式；中断可从空闲模式唤醒系统；看门狗(WDT)及双数据指针；片内振荡器和时钟电路；掉电标志和快速编程特性；灵活的在系统编程；单片机AT89S51各引脚定义如图2-4所示： 图2-4 AT89S51引脚图 引脚定义见下表2-1：表2-1 AT89S51引脚定义引脚序列引脚号功能18P1.0P178位准双向I/O口9RST复位输入口10RXD/P3.0串行接收口、P3.0I/O口11TXD/P3.1串行输出口、P3.1I/O口12/P3.2外部中断0输入口、P3.2I/O口13/P3.3外部中断1输入口、P3.3I/O口14T0/P3.4定时计数器0、P3.4I/O口15T1/P3.5定时计数器1、P3.5I/O口16/P3.6外部数据存储器写选通、P3.6I/O口17/P3.7外部数据存储器写选通、P3.7I/O口1819XTAL2XTAL1时钟振荡器的输入/输出端20GND信号地2128P2.0P2.78位双向I/O口，可作存储器的高8位地址29程序存储允许输出信号端30ALE/PROG片外存储器地址锁存信号31/Vpp外部取指使能信号3239P0.0P0.7数据/低8位地址复用端口40VCC正电源输入单片机部分设计主要包括I/O端口的分配以及软件设计的流程。按照上边的总体设计方案，具体单片机引脚分配如下: (1)由单片机P2.5引脚发射一个上升沿脉冲信号给ADC0809使其清零，之后再给一个下降沿脉冲信号使其开始转换数据。(2)由八个P1口接收数据，P0口控制LCD的显示。 (3)P2.6口控制单片机从0809读取数据。给出高电平读取，给低电平禁止读取。(4)P3.2口接收0809工作完毕信号。(5)P3.4P3.6口选择输入通道。单片机AT89S51的定时器/计数器组成的核心是一个16位加1计数器，其计数脉冲有两个来源：一是由外部事件提供的计数脉冲通过引脚TX端口送加1计数器；另一个是由单片机内部的时钟脉冲经12分频后送加1计数器。所以，单片机AT89S51的定时器/计数器既可以工作于定时方式，也可以工作于对外部事件计数方式，只要置位或者清零其控制寄存器TMOD的设置位即可实现工作方式的选择。TCON寄存器用于控制定时器/计数器的启停和中断请求。我们通过指令对TMOD和TCON这两个特殊功能寄存器的各位进行编程就可以实现整个定时/计数器功能。1.定时器/计数器方式控制寄存器TMOD用来选择定时器/计数器0、1的工作方式，低4位用于定时器/计数器0，高4位用于定时器计数器1。其值可用程序决定。格式如下表2-2所示： 表2-2 TMOD格式表D7D6D5D4D3D2D1D0GATEC/ M1M0GATEC/ M1M0定时器/计数器1定时器/计数器0（1）定时器/计数器功能选择位C/，C/=1为计数器方式，C/=0为定时器方式。（2）定时器/计数器方式选择位M1，M0决定定时器/计数器4种工作方式：工作方式0设置M1=0，M0=0时定时器/计数器为方式0，构成13位定时器/计数器。工作方式1设置Ml=0，M0=1时定时器/计数器为方式1，构成16位定时器/计数器。工作方式2设置Ml=1，M0=0时定时器/计数器为方式2，构成自动重新装入初值的8位定时器/计数器。工作方式3 设置M1=1，M0=1时定时器/计数器0处于方式3，同时被分为两个8位定时器/计数器，定时器/计数器1在此方式无实用意义。（3）门控制位GATE，如果GATE=l，定时器/计数器0的工作受芯片引脚/P3.2 控制，定时器/计数器1的工作受芯片引脚/P3.3控制；如果GATE=0，定时器/计数器的工作与引脚、无关。一般情况下GATE=0。2.定时器/计数器方式控制寄存器TCON高4位用于控制定时器/计数器0、1的运行；低4位用于控制外部中断，与定时器/计数器无关。格式如下表2-3所示：表2-3 TCON格式表 D7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0（1）定时器/计数器1运行控制位TR1=1时定时器/计数器1工作，TR=0则停止工作。TR1由软件置1或清零。（2）定时器/计数器1溢出中断标志TF1，当定时器/计数器1计数溢出时由硬件自动置TF1=1，在中断允许的情况下，便向CPU发出定时器/计数器1的中断请求信号，CPU响应后TF1由硬件自动清零。在中断屏蔽条件下，TF1可作查询测试用。（3）定时器/计数器1运行控制位TR0和溢出中断标志TF0功能与TR1，TF1相仿。（4）IT1为外部中断触发方式选择，IT1=0时为电平触发方式，当外部引脚上出现低电平时就向CPU申请中断，CPU响应中断后要采取措施撤销中断请求信号，使恢复高电平；IT1=1时为跳变触发方式，当外部引脚上出现负跳变时，该负跳变经边沿检测器使IE1置1，向CPU申请中断。CPU响应中断后由硬件自动清除IE1。2.4显示器的选择在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作介绍，本章重点介绍字符型液晶显示器的应用。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：（1）显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。（2）数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。（3）体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。（4）功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。2.4.1 液晶显示简介（1）液晶显示原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具