智能压力测量仪课程设计1

I 智能仪器课程设计任务书 一 题目 智能压力传感器系统设计 二 指导思想和目的要求 1 培养学生综合运用所学职业基础知识 职业专业知识和职业技能 提高 解决实际问题的能力 从而达到巩固 深化所学的知识与技能 2 培养学生建立正确的科学思想 培养学生认真负责 实事求是的科学态 度和严谨求实作风 3 培养学生调查研究 收集资料 熟悉有关技术文件 锻炼学生的科研工 作能力和培养学生的团结合作攻关能力 三 主要技术指标 1 培养学生综合运用所学职业基础知识 职业专业知识和职业技能 提高 解决实际问题的能力 从而达到巩固 深化所学的知识与技能 2 培养学生建立正确的科学思想 培养学生认真负责 实事求是的科学态 度和严谨求实作风 3 培养学生调查研究 收集资料 熟悉有关技术文件 锻炼学生的科研工 作能力和培养学生的团结合作攻关能力 三 主要技术指标 本设计主要设计一个智能压力传感器的设计 要求如下 被测介质 气体 液体及蒸气 量程 0Pa 500pa 综合精度 0 25 FS 供电 24V Dc 12 36VDC 介质温度 20 150 环境温度 20 85 过载能力 150 FS 响应时间 10mS 稳定性 0 15 FS 年 能实时显示目标压力值和保存参数 并能和上位机进行通信 并具有较强 的抗干扰能力 所需要完成的工作 1 系统地掌握控制器的开发设计过程 相关的电子技术和传感器技术等 进行设计任务和功能的描述 2 进行系统设计方案的论证和总体设计 3 从全局考虑完成硬件和软件资源分配和规划 分别进行系统的硬件设计 II 和软件设计 4 进行硬件调试 软件调试和软硬件的联调 四 进度和要求 第 01 天 第 02 天 查阅相关资料 进行市场调查 给出系统详细的设计 任 务和功能 进行系统设计方案的论证和总体设计 第 02 天 第 03 天 完成硬件电路设计 并用 PROTEL 画出硬件电路图 完成软件模块设计与调试 第 03 天 第 04 天 进行硬件调试 软件调试和软硬件的联调 第 04 天 第 05 天 撰写课程设计论文 五 主要参考书及参考资料 1 单片机原理及应用 张鑫等 电子工业出版社 2 MCS51 单片机应用设计 张毅刚等 哈尔滨工业大学 3 MCS51 系列单片机实用接口技术 李华等 北京航天航空大学 4 PROTEL2004 电路原理图及 PCB 设计 清源科技 机械工业出版社 5 基于 MCS 51 系列单片机的通用控制模块的研究 曹卫芳 山东科技大 学 2005 5 6 单片机应用技术选编 何立民 北京航空航天大学出版社 2000 7 检测技术与系统设计 张靖等 中国电力出版社 2001 III 摘要摘要 压力是工业生产过程中的重要参数之一 压力的检测或控制是保证生产和 设备安全运行必不可少的条件 实现智能化压力检测系统对工业过程的控制具 有非常重要的意义 本设计主要通过单片机及专用芯片对传感器所测得的模拟 信号进行处理 使其完成智能化功能 介绍了智能压力传感器外围电路的硬件设 计 并根据硬件进行了软件编程 本次设计是基于 AT89C51 单片机的测量与显示 是通过压力传感器将压力 转换成电信号 再经过运算放大器进行信号放大 送至 8 位 A D 转换器 然后 将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号 再经单片机转换成 LED 显示器 可以识别的信息 最后显示输出 而在显示的过程中通过键盘 向计算机系统 输入各种数据和命令 让单片机系统处于预定的功能状态 显示需要的值 本论文根据压力传感器零点补偿与非线性补偿原理 设计出了测量压力传 感器的硬件 应用单片机技术测量电路简单 成本低 应用面广 但是由于自 身的稳定性其测量结果仍存在误差 关键词关键词 压力 AT89C51 单片机 压力传感器 A D 转换器 LCD 显示 IV Abstract Pressure is one of the important parameters in the process of industrial production Pressure detection or control is an essential condition to ensure production and the equipment to safely operating which is of great significance The single chip is infiltrating into all fields of our lives so it is very difficult to find the area in which there is no traces of single chip microcomputer In this graduation design primarily through by using single chip and dedicated chip handling of analog signal measured by the sensor to complete intelligent function This design illustrates external hardware circuit design of intelligent pressure sensor and conduct software development to the hardware The design is based on measurement and display of AT89C51 single chip This is the pressure sensors will convert the pressure into electrical signals After using operational amplifier the signal is amplified and transferred to the 8 bit A D converter Then the analog signal is converted into digital signals which can be identified by single chip and then converted by single chip into the information which can be displayed on LED monitor and finally display output In the course of show through the keyboard to input all kinds of data and commands into the computer the single chip will locate in a predetermined function step to display required values In addition based sensor thermal drift and nonlinearity principle this paper has designed Intelligent sensor hardware circuit and edited a C51Program The circuit with micro Process is simple and cheap though the result has still a little error Key words pressure AT89C51 single chip pressure sensor A D converter LCD monitor 目录目录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 11 1 前言前言 1 1 21 2 选题的背景和意义选题的背景和意义 1 1 31 3 智能压力传感器的发展方向智能压力传感器的发展方向 2 1 41 4 本文研究的内容本文研究的内容 3 第二章第二章 系统总体方案设计系统总体方案设计 4 2 12 1 系统任务描述系统任务描述 4 2 1 12 1 1 控制系统要求控制系统要求 4 2 1 22 1 2 主要仪器的比较选择主要仪器的比较选择 4 2 1 32 1 3 总体方案的选择总体方案的选择 5 2 22 2 系统总体设计系统总体设计 6 2 2 12 2 1 系统组成系统组成 6 2 2 22 2 2 基于单片机的智能压力检测的原理基于单片机的智能压力检测的原理 6 第三章第三章 压力传感系统硬件设计压力传感系统硬件设计 7 3 13 1 压力传感器压力传感器 7 3 1 13 1 1 金属应变片的工作原理金属应变片的工作原理 7 3 1 23 1 2 电阻应变片的基本结构电阻应变片的基本结构 8 3 1 33 1 3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 8 3 1 43 1 4 电桥电路的工作原理电桥电路的工作原理 9 3 1 53 1 5 非线性误差及温度补偿非线性误差及温度补偿 10 3 23 2 信号放大电路信号放大电路 11 3 2 13 2 1 三运放放大电路三运放放大电路 11 3 33 3 A DA D 转换器转换器 12 3 3 13 3 1 A DA D 转换器的简介转换器的简介 12 3 3 23 3 2 配置位说明配置位说明 13 3 3 33 3 3 工作时序图工作时序图 13 3 3 43 3 4 单片机对单片机对 ADC0832ADC0832 的控制原理的控制原理 14 3 43 4 单片机单片机 15 3 4 13 4 1 AT89C51AT89C51 单片机简介单片机简介 16 3 4 23 4 2 主要特性主要特性 16 3 4 33 4 3 管脚说明管脚说明 17 3 4 43 4 4 振荡器特性振荡器特性 18 3 4 53 4 5 芯片擦除芯片擦除 18 3 53 5 液晶屏液晶屏 LCDLCD 简介简介 19 3 5 13 5 1 液晶显示器原理液晶显示器原理 19 3 5 23 5 2 液晶显示器分类液晶显示器分类 19 3 5 33 5 3 字符的显示字符的显示 19 3 5 43 5 4 LM016LLM016L 引脚功能说明引脚功能说明 20 3 63 6 报警模块报警模块 21 第四章第四章 压力传感系统软件设计压力传感系统软件设计 22 4 14 1 软件编程软件编程 22 4 24 2 软件程序组成软件程序组成 22 4 2 14 2 1 系统的主程序系统的主程序 22 4 34 3 系统子程序设计系统子程序设计 25 4 3 14 3 1 A DA D 转换器的软件设计转换器的软件设计 25 4 3 2ADC08324 3 2ADC0832 芯片接口程序的编写芯片接口程序的编写 26 4 3 34 3 3 LCDLCD 数码管显示程序设计数码管显示程序设计 27 第五章第五章 PROTEUS 仿真调试仿真调试 30 5 15 1 仿真软件了解仿真软件了解 30 5 1 15 1 1 proteusproteus 软件介绍软件介绍 30 5 1 25 1 2 proteusproteus 功能和特点功能和特点 30 5 25 2 本次设计仿真过程本次设计仿真过程 31 5 2 15 2 1 创建原理图创建原理图 31 5 2 25 2 2 绘制仿真原理图绘制仿真原理图 31 5 2 35 2 3 系统调试系统调试 32 5 2 45 2 4 开始仿真开始仿真 32 第六章第六章 总结总结 34 6 16 1 设计总结设计总结 34 6 26 2 展望和不足展望和不足 34 6 36 3 自我小结自我小结 35 参考文献参考文献 36 附录一附录一 PROTEL 图图 37 附录二附录二 源程序源程序 38 1 第一章第一章 绪绪 论论 1 11 1 前言前言 在信息高速发展的今天 传感器检测系统的智能化和集成化成为其发展的 两个重要方向 而传感器检测系统智能化和集成化的程度主要取决于与之相结 合的微处理器的性能 具有数据处理能力 能够进行自动检测 自动校准 自 动误差补偿 自动抽样 以及标度变换功能的智能压力传感器检测系统已成为 国内外开发和研究的热点 传感器技术是现代测量和自动化技术的重要技术之 一 从宇宙探索到海洋开发 从生产过程的控制到现代文明生活 几乎每一项现代 科学技术都离不开传感器 在工业 农业 国防 科技等各个领域 传感器技 术都得到了广泛的应用 并展现出极其广阔的前景 因此 许多国家对传感器 技术的发展十分重视 例如在日本传感器技术被列为六大核心技术 传感器 通信 激光 半导体 超导和计算机 之一 并且是将传感器列为十大技术之 首 美国将 90 年代看作是传感器时代 将传感器技术列为 90 年代 22 项关键技 术之一 我国对传感器的研究也有二十多年的历史并取得了很大的成就 目前 在 科学技术就是第一生产力 的思想指引下 各项科学技术取得了突飞猛进的 发展 传感器技术也越来越受到各方面的重视 虽然在某些方面已赶上或者接 近世界先进水平 但是从总体来看 与国外传感器技术的发展相比 我国对传 感器技术的研究和生产还比较落后 现正处于方兴未艾的阶段 由于智能传感 器系统的研究起步较晚 其理论和实践远未成熟 离实际应用需求差距很大 尤其是用于压力测量的高性能 小体积 低成本智能压力传感器系统更是有待 于进一步开发 因此 研究开发高性能的智能压力传感器系统对于促进信息技 术及自动化技术的发展 提高设备的性能及自动化水平具有不可低估的意义 1 21 2 选题的背景和意义选题的背景和意义 近年来 随着微型计算机的发展 他的应用在人们的工作和日常生活中越 来越普遍 工业过程控制是计算机的一个重要应用领域 其中由单片机构成的 嵌入式系统已经越来越受到人们的关注 现在可以毫不夸张的说 没有微型计 算机的仪器不能称为先进的仪器 没有微型计算机的控制系统不能称其为现代 2 控制系统的时代已经到来 压力测量对实时监测和安全生产具有重要的意义 在工业生产中 为了高 效 安全生产 必须有效控制生产过程中的诸如压力 流量 温度等主要参数 由于压力控制在生产过程中起着决定性的安全作用 因此有必要准确测量压力 为了测到不同位置的压力值 本次设计为基于单片机智能压力测量系统 通过 压力传感器将需要测量的位置的压力信号转化为电信号 再经过运算放大器进 行信号放大 送至 8 位 A D 转换器 然后将模拟信号转换成单片机可以识别的 数字信号 再经单片机转换成 LCD 显示器可以识别的信息 最后显示输出 基 于单片机的智能压力检测系统 选择的单片机是基于 AT89C51 单片机的测量与 显示 将压力经过压力传感器变为电信号 再通过三运放放将电信号放大为标 准信号为 0 5V 的电压信号 然后进入 A D 转换器将模拟量转换为数字量 我们 所采样的 A D 转换器为 ADC0832 ADC0832 为 8 位分辨率 A D 转换芯片 其最高 分辨可达 256 级 可以适应一般的模拟量转换要求 其内部电源输入与参考电 压的复用 使得芯片的模拟电压输入在 0 5V 之间 芯片转换时间仅为 32 S 据有双数据输出可作为数据校验 以减少数据误差 转换速度快且稳定性能强 独立的芯片使能输入 使多器件挂接和处理器控制变的更加方便 通过 DI 数据 输入端 可以轻易的实现通道功能的选择 正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线 分别是 CS CLK DO DI 但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口 是双向的 所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用 为了提高单片机系统 I O 口线的利用效率 利用单片机 AT87C51 的串行口和 液晶显示屏 LM016L 来显示 1 31 3 智能压力传感器的发展方向智能压力传感器的发展方向 1 向高智能高精度发展 随着自动化生产程度的不断提高 对传感器的要 求也在不断提高 必须研制出具有灵敏度高 精确度高 响应速度快 互换性 好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性 目前能生产精度在万分之一以上 的传感器的厂家为数很少 其产最也远远不能满足要求 2 向高可靠性 宽温度范围发展 传感器的可靠性直接影响到电子设备的 抗干扰等性能 研制高可靠性 宽温度范围的传感器将是永久性的方向 提高 3 温度范围历来是大课题 大部分传感器其工作范围都在一 20 70 在军用 系统中要求工作温度在一 40OC 一 85OC 范围 而汽车锅炉等场合要求传感器工 作在一 20OC 1200C 在冶炼 焦化等方面对传感器的温度要求更高 因此发展 新兴材料 如陶瓷 的传感器将很有前途 3 向微型化发展 各种控制仪器设备的功能越来越人 要求各个部件体 积能占位置越小越好 因而传感器本身体积也是越小越好 这就要求发展新的 材料及加工技术 目前利用硅材料制作的传感器体积己经很小 如传统的加速 度传感器是由重力块和弹簧等制成的 体积较大 稳定性差 寿命也短 而利 用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小 互换性可靠性 都较好 4 高智能化 将压力传感器和单片机联系在一起 使其能够在实际应用 中能更好地实现人机互换交流 增加仪器的数字化和智能化 1 41 4 本文研究的内容本文研究的内容 研究开发一个智能压力传感器 要实现的主要目标是 1 系统地掌握单片机的开发设计过程 相关的电子技术和传感器技术等 进行设计任务和功能的描述 2 进行系统设计方案的论证和总体设计 3 从全局考虑完成硬件和软件资源分配和规划 分别进行系统的硬件设计 和软件设计 4 进行硬件调试 软件调试和软硬件的联调 4 第二章第二章 系统总体方案设计系统总体方案设计 2 12 1 系统任务描述系统任务描述 该系统的任务是能够测量出被测物的压力并能实时显示目标压力值和保存 参数 并能和上位机进行通信 并具有较强的抗干扰能力 2 1 12 1 1 控制系统要求控制系统要求 该控制系统要求满足以下几点要求 1 被测介质 气体 液体及蒸气 2 量程 0Pa 500pa 3 综合精度 0 25 FS 4 供电 24V Dc 12 36VDC 5 介质温度 20 150 6 环境温度 20 85 7 当压力超过一定范围是可以报警 8 能实时显示目标压力值和保存参数 并能和上位机进行通信 并具有 较强的抗干扰能力 2 1 22 1 2 主要仪器的比较选择主要仪器的比较选择 1 1 压力传感器的选择 压力传感器的选择 压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分 由各种压力敏感元件将被 测压力信号转换成容易测量的电信号作输出 给显示仪表显示压力值 或供控 制和报警使用 力学传感器的种类繁多 如电阻应变片压力传感器 半导体应 变片压力传感器 压阻式压力传感器 电感式压力传感器 电容式压力传感器 谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等 而电阻应变式传感器具有悠久的 历史 由于它具有结构简单 体积小 使用方便 性能稳定 可靠 灵敏度高 动态响应快 适合静态及动态测量 测量精度高等诸多优点 因此是目前应用 最广泛的传感器之一 电阻应变式传感器由弹性元件和电阻应变片构成 当弹 性元件感受到物理量时 其表面产生应变 粘贴在弹性元件表面的电阻应变片 5 的电阻值将随着弹性元件的应变而相应变化 通过测量电阻应变片的电阻值变 化 可以用来测量各种参数 2 2 放大器的选择 放大器的选择 被测的非电量经传感器得到的电信号幅度很小 无法进行 A D 转换 必须 对这些模拟电信号进行放大处理 为使电路简单便于调试 本设计采用三运算 放大器 因为在具有较大共模电压的条件下 仪表放大器能够对很微弱的差分 电压信号进行放大 并且具有很高的输入阻抗 这些特性使其受到众多应用的 欢迎 广泛用于测量压力和温度的应变仪电桥接口 热电耦温度检测和各种低 边 高边电流检测 3 3 A DA D 转换器的选择转换器的选择 目前单片机在电子产品中已得到广泛应用 许多类型的单片机内部已带有 A D 转换电路 但此类单片机会比无 A D 转换功能的单片机在价格上高几元甚 至很多 我们采用一个普通的单片机加上一个 A D 转换器 实现 A D 转换的功 能 这里 A D 转换器可选 ADC0832 ADC0809 等 串行和并行接口模式是 A D 转 换器诸多分类中的一种 但却是应用中器件选择的一个重要指标 在同样的转 换分辨率及转换速度的前提下 不同的接口方式会对电路结构及采用周期产生 影响 对 A D 转换器的选择我们通过比较 ADC0809 和 ADC0832 来决定 这两个 转换器都是常见的 A D 转换器 其中 ADC0809 的并行接口 A D 转换器 ADC0832 是串行接口 A D 转换器 我们所做的设计选择 ADC0832 A D 转换在单片机接口 中应用广泛 串行 A D 转换器具有功耗低 性价比较高 芯片引脚少等特点 4 主控制器的选择 主控制器的选择 单片机是一种在线式实时控制计算机 在线式就是现场控制 需要的是有 较强的抗干扰能力 较低的成本 这也是和离线式计算机的 比如家用 PC 的 主要区别 它拥有基于复杂指令集 CISC 的单片机内核 虽然其速度不快 12 个振荡周期才执行一个单周期指令 但其端口结构为准双向并行口 可兼有 外部并行总线 故使其扩展性能非常强大 51 的内部硬件预设 可用特殊功能 寄存器对其进行编辑 2 1 32 1 3 总体方案的选择总体方案的选择 经过上述总结 本设计采用 89C51 单片机作为控制芯片 采用电阻应变 片压力传感器采集压力信号 通过压力传感器将采集的压力信号转换成与之对 6 应的电信号 经过 ADC0832 放大处理 通过 89C51 在 LCD 屏幕上显示压力数 据 在超过压力限制时由蜂鸣器报警 2 22 2 系统总体设计系统总体设计 2 2 12 2 1 系统组成系统组成 压力传感器放大器 显示单片机A D 转换 报警 图图 2 1 智能压力传感器原理方框图智能压力传感器原理方框图 2 2 22 2 2 基于单片机的智能压力检测的原理基于单片机的智能压力检测的原理 本次设计是以单片机组成的压力测量 系统中必须有前向通道作为电信号 的输入通道 用来采集输入信息 压力的测量 需要传感器 利用传感器将压 力转换成电信号后 再经放大并经 A D 转换为数字量后才能由计算机进行有效 处理 然后用 LCD 进行显示 我们这次主要做的是 A D 转换 单片机和显示 我们选用的 A D 转换器是 ADC0832 单片机为 AT89C51 显示为液晶显示 LCD 根据硬件电路编程 调试 出来并显示结果 7 第三章第三章 压力传感系统硬件设计压力传感系统硬件设计 3 13 1 压力传感器压力传感器 3 1 13 1 1 金属应变片的工作原理金属应变片的工作原理 应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的 应 变片是由金属导体或半导体制成的电阻体 是一种将被测件上的应变变化转换 成为一种电信号的敏感器件 它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一 电 阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种 金属电阻应变片 又有丝状应变片和金属箔状应变片两种 通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧 密的粘合在产生力学应变基体上 当基体受力发生应力变化时 电阻应变片也 一起产生形变 使应变片的阻值发生改变 从而使加在电阻上的电压发生变化 这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小 一般这种应变片都组成应变电 桥 并通过后续的仪表放大器进行放大 再传输给处理电路 通常是 A D 转换 和 CPU 显示或执行机构 其阻值随压力所产生的应变而变化 金属电阻应变 片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象 俗称为电阻应变效应 对于金属导体 一段圆截面的导线的金属丝 设其长为 L 截面积为 A 直径为 D 原始电阻为 R 金属导体的电阻值可用下式表示 R L A 3 1 式中 金属导体的电阻率 cm2 m S 导体的截面积 cm2 L 导体的长度 m 当金属丝受到轴向力 F 而被拉伸或压缩产生形变 其电阻值会随之变化 通过对 3 1 式两边取对数后再取全微分得 3 2 d A dA R dR L dL 式中为材料轴向线应变 且 跟据材料力学 在金属丝单 L dL D dD A dA 2 向受力状态下 有 8 3 3 L dL D dD 式中 为导体材料的泊松比 因此 有 3 4 d L dLd 21 试验发现 金属材料电阻率的相对变化与其体的相对变化间的关系为 3 5 V dV c d 式中 c 为常数 由一定的材料和加工方式决定 将 21 A dA L dL V dV 式 3 5 代入 3 4 且当 R R 时 可得 3 6 Kc R R 21 21 式中 k 1 2 c 1 2 为金属丝材料的应变灵敏系数 上式表明 金属材料电阻的相对变化与其线应变成正比 这就是金属材料 的应变电阻效应 电阻变化率 R R 的表达式为 K R R 式中 材料的泊松系数 应变量 当金属丝受外力作用时 其长度和截面积都会发生变化 从上式中可很容 易看出 其电阻值即会发生改变 假如金属丝受外力作用而伸长时 其长度增 加 而截面积减少 电阻值便会增大 当金属丝受外力作用而压缩时 长度减 小而截面增加 电阻值则会减小 只要测出加在电阻的变化 通常是测量电阻 两端的电压 即可获得应变金属丝的应变情 3 1 23 1 2 电阻应变片的基本结构电阻应变片的基本结构 电阻应变片主要由四部分组成 电阻丝是应变片敏感元件 基片 覆盖片 起定位和保护电阻丝的作用 并使电阻丝和被测试件之间绝缘 引出线用以连接测 量导线 9 3 1 33 1 3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 应变片可以将应变转换为电阻的变化 为了显示于记录应变的大小 还要 将电阻的变化再转换为电压或电流的变化 因此需要有专用的测量电路 通常 采用直流电桥和交流电桥 3 1 43 1 4 电桥电路的工作原理电桥电路的工作原理 由于应变片的电桥电路的输出信号一般比较微弱 所以目前大部分电阻 应变式传感器的电桥输出端与直流放大器相连 如图 3 1 所示 图 3 1 直流电桥 设电桥的各臂的电阻分别为 R1R3R2R4 它们可以全部或部分是应变片 由于 直流放大器的输入电阻比电桥电阻大的多 因此可将电桥输出端看成开路 这 种电桥成为电压输出桥 输出电压U0 为 U0 3 7 SU RRRR RRRR 4321 4231 由上式可见 若R1R3 R2R4 则输出电压必为零 此时电桥处于平衡状态 称为平衡电桥 平衡电桥的平衡条件为 R1R3 R2R4 应变片工作时 其电阻变化 R 此时有不平衡电压输出 3 8 1 1 0 4 R RU U 由式 3 8 表明 R R1 时 电桥的输出电压于应变成线性关系 若 相邻两桥臂的应变极性一致 即同为拉应变活压应变时 输出电压为两者之差 若不同时 则输出电压为两者之和 若相对两桥臂的极性一直 输出电压为两 者之和 反之则为两者之差 10 电桥供电电压 U 越高 输出电压 U0 越大 但是 当 U 大时 电阻应变片通 过的电流也大 若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流 传感器就会出 现蠕变和零漂 基于这些原因可以合理的进行温度补偿和提高传感器的测量灵 敏度 3 1 53 1 5 非线性误差及温度补偿非线性误差及温度补偿 由式 3 8 的线性关系是在应变片的参数变化很小 R R1 的情况下 得出的 若应变片承受的压力太大 则上述假设不成立 电桥的输出电压应变 之间成非线性关系 在在这种情况下 用按线性关系刻度的仪表进行测量必然 带来非线性误差 为了消除非线性误差 在实际应用中 常采用半桥差动或全 桥差动电路 如图 3 2 所示 以改善非线性误差和提高输出灵敏度 U U a 半桥差动电路 半桥差动电路 b 全桥差动电路全桥差动电路 图图 3 2 差动电桥电路差动电桥电路 图 3 2 a 为半桥差动电路 在传感器这中经常使用这种方法 粘贴应变 片时 使两个应变片一个受压 一个受拉 应变符号相反 工作时将两个应变 片接入电桥的相邻两臂 设电桥在初始时所示平衡的 且为等臂电桥 考虑到 R R1 R2 则得半桥差动电路的输出电压为 3 9 U R R U 2 由上式可见 半桥差动电路不仅可以消除非线性误差 而且还使电桥的输 出灵敏度提高了一倍 同时还能起到温度补偿的作用 如果按图 3 2 b 所示 构成全桥差动电路同样考虑到 R R1 R2 R3 R4时得全桥差动电路的输 出电压为 11 U R R U 3 10 可见 全桥的电压灵敏度比单臂工作时的灵敏度提高了 4 倍非线性误差也 得到了消除 同时还具有温度补偿的作用 该电路也得到了广泛的应用 3 23 2 信号放大电路信号放大电路 3 2 13 2 1 三运放放大电路三运放放大电路 本次设计的放大器采用了三运放 因为它具有高共模抑制比的放大电 路 它由三个集成运算放大器组成 如图 3 3 所示 3 33 3 三运放高共摸抑制比放大电路三运放高共摸抑制比放大电路 其中 AR1 和 AR2 为两个性能一致 主要指输入阻抗 共模抑制比和增益 的 同相输入通用集成运算放大器 构成平衡对称差动放大输入级 AR3 构成双端 输入单端输出的输出级 用来进一步抑制 AR1 和 AR2 的共模信号 并适应接 地负载的需要 由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压 因此 整个差分输入电压现在都呈现在 RG 两端 因为输入电压经过放大后 在 A1 和 A2 的输出端 的差分电压呈现在 R5 RG 和 R6 这三只电阻上 所 以差分增益可以通过仅改变 RG 进行调整 如果 R5 R6 R1 R3 和 R2 R4 则 VOUT VIN2 VIN1 1 2R5 RG R2 R1 由于 RG 两端的电压等于 VIN 所以流过 RG 的电流等于 VIN RG 因此输 入信号将通过 A1 和 A2 获得增益并得到放大 然而须注意的是对加到放大器 输入端的共模电压在 RG 两端具有相同的电位 从而不会在 RG 上产生电流 反向输入端 VIN1 VIN2 同向输入端 12 由于没有电流流过 RG 也就无电流流过 R5 和 R6 放大器 AR1 和 AR2 将作 为单位增益跟随器而工作 因此 共模信号将以单位增益通过输入缓冲器 而 差分电压将按 1 2 RF RG 的增益系数被放大 这也就意味着该电路的 共模抑制比相比与原来的差分电路增大了 1 2 RF RG 倍 在理论上表明 得到所要求的前端增益 由 RG 来决定 而不增加共模增 益和误差 即差分信号将按增益成比例增加 而共模误差则不然 所以比率 增益 差分输入电压 共模误差电压 将增大 因此 CMR 理论上直接与 增益成比例增加 这是一个非常有用的特性 最后 由于结构上的对称性 输入放大器的共模误差 如果它们跟踪 将 被输出级的减法器消除 这包括诸如共模抑制随频率变换的误差 3 33 3 A DA D 转换器转换器 模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量 能够完成这一任务的器件 称之为模数转换器 简称 A D 转换器 本次设计的中 A D 转换器的任务是将放 大器输出的模拟信号转换位数字量进行输出 3 3 13 3 1 A DA D 转换器的简介转换器的简介 本次设计 A D 转换器选用两通道输入的八位 ADC0832 它是美国国家半导 体公司生产的一种 8 位分辨率 双通道 A D 转换芯片 由于它体积小 兼容性 强 性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎 其目前已经有很高的普及率 ADC0832 为 8 位分辨率 A D 转换芯片 其最高分辨可达 256 级 可以适应一 般的模拟量转换要求 其内部电源输入与参考电压的复用 使得芯片的模拟电 压输入在 0 5V 之间 芯片转换时间仅为 32 S 据有双数据输出可作为数据校 验 以减少数据误差 转换速度快且稳定性能强 独立的芯片使能输入 使多 器件挂接和处理器控制变得更加方便 通过 DI 数据输入端 可以轻易的实现 通道功能的选择 有关引脚说明如下 CS 片选使能 低电平芯片使能 CH0 模拟输入通道 0 或作为 IN 使用 CH1 模拟输入通道 1 或作为 IN 使用 GND 芯片参考 0 电位 地 DI 数据信号输入 选择通道控制 13 DO 数据信号输出 转换数据输出 CLK 芯片时钟输入 Vcc REF 电源输入及参考电压输入 复用 正常情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线 分别是 CS CLK DO DI 它的结构示意图如图 3 4 所示 图图 3 4 ADC0832 结构示意图结构示意图 3 3 23 3 2 配置位说明配置位说明 ADC0832 工作时 模拟通道的选择及单端输入和差分输入的选择 都取决 于输入时序的配置位 当差输入时 要分配输入通道的极性 两个输入通道的 任何一个通道都可作为正极或负极 ADC0832 的配置位逻辑表如表 3 1 所示 配置位选择通道号 输入格式 CH0CH1CH0CH1 LL 差分 LH HL 单端 HH 表表 3 1 ADC0832 的配置位逻辑表的配置位逻辑表 表中 表示输入通道的端点为正极性 表示输入端点为负极性 H 或 L 表示高 低电平 输入配置位时 高位 CH0 在前 低位 CH1 在后 3 3 33 3 3 工作时序图工作时序图 当 CS 由高变低时 选中 ADC0832 在时钟的上升沿 DI 端的数据移入 ADC0832 内部的多路地址移位寄存器 在第一个时钟期间 DI 为高 表示启动 14 位 紧接着输入两位配置位 当输入启动位和配置位后 选通输入模拟通道 转换开始 转换开始后 经过一个时钟周期延接着在第一个时钟周期延迟 以 使选定的通道稳定 ADC0832 紧接着在第 4 个时钟下降沿输出转换数据 数据 输出时先输出最高位 D7 D0 输出完转换结果后 又以最低位开始重新遍数 据 D7 D0 两次发送的最低位共用 当片选 CS 为高时 内部所有寄存器 清 输出变为高阻态 如果要再进行一次模 数转换 片选 必须再次从高向低 跳变 后面再输入启动位和配置位 图图 3 53 5 ADC083ADC083 工作时序图工作时序图 3 3 43 3 4 单片机对单片机对 ADC0832ADC0832 的控制原理的控制原理 图图3 63 6 ADC0832ADC0832与单片机的接口电路与单片机的接口电路 正常情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线 分别是 CS CLK DO DI 但由于 DO 端与 DI 端在通信时并未同时有效并与单片机的接 15 口是双向的 所以电路设计时可以将 DO 和 DI 并联在一根数据线上使用 当 ADC0832 未工作时其 CS 输入端应为高电平 此时芯片禁用 CLK 和 DO DI 的电平可任意 当要进行 A D 转换时 须先将 CS 使能端置于低电平并且 保持低电平直到转换完全结束 此时芯片开始转换工作 同时由处理器向芯片 时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲 DO DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的数据 信号 在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 DI 端必须是高电平 表示启始信号 在第 2 3 个脉冲下沉之前 DI 端应输入 2 位数据用于选择通道功能 其功能项见表 3 2 MUXMUX AddressAddressChannelChannel SGL SGL DIFDIF ODD ODD SIGNSIGN 0 01 1 1 10 0 1 11 1 表表3 23 2 ADC0832ADC0832的功能表的功能表 如表 3 2 所示 当此 2 位数据为 1 0 时 只对 CH0 进行单通道转 换 当 2 位数据为 1 1 时 只对 CH1 进行单通道转换 当 2 位数据为 0 0 时 将 CH0 作为正输入端 IN CH1 作为负输入端 IN 进行输入 当 2 位数据为 0 1 时 将 CH0 作为负输入端 IN CH1 作为正输入端 IN 进行输入 到第 3 个脉冲的下沉之后 DI 端的输入电平就失去输入作用 此后 DO DI 端 则开始利用数据输出 DO 进行转换数据的读取 从第 4 个脉冲下沉开始由 DO 端 输出转换数据最高位 DATA7 随后每一个脉冲下沉 DO 端输出下一位数据 直到 第 11 个脉冲时发出最低位数据 DATA0 一个字节的数据输出完成 也正是从此 位开始输出下一个相反字节的数据 即从第 11 个字节的下沉输出 DATD0 随后 输出 8 位数据 到第 19 个脉冲时数据输出完成 也标志着一次 A D 转换的结束 最后将 CS 置高电平禁用芯片 直接将转换后的数据进行处理就可以了 作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0 5V且8位分辨率时的电 压精度为19 53mV 如果作为由IN 与IN 输入的输入时 可是将电压值设定在某 一个较大范围之内 从而提高转换的宽度 在进行IN 与IN 的输入时 如果IN 的电压大于IN 的电压则转换后的数据结果始终为00H 16 3 43 4 单片机单片机 随着电子技术的发展 单片机的功能将更加完善 因而单片机的应用将更 加普及 它们将在智能化仪器 家电产品 工业过程控制等方面得到更广泛的 应用 单片机将是智能化仪器和中 小型控制系统中应用最多的有种微型计算 机 3 4 13 4 1 AT89C51AT89C51 单片机简介单片机简介 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 俗称单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次 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 MCS 51 指令集和输出 管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 AT89C2051 是它的一种精简版本 如图 3 7 所示 AT89C51 单机为很多嵌入式控制系统提供灵活性高且廉价的方案 1 1 3 31 1 3 32 2 3 33 3 3 34 4 3 35 5 3 36 6 3 37 7 3 38 8 3 39 9 4 40 0 2 20 0 1 19 9 1 18 8 1 17 7 1 16 6 1 15 5 1 14 4 1 13 3 1 12 2 1 11 1 1 10 0 9 9 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 2 28 8 2 27 7 2 26 6 2 25 5 2 24 4 2 23 3 2 22 2 2 21 1 3 30 0 2 29 9 A A T T 8 8 9 9 C C 5 5 1 1 A AL LE E P PR RO OG G X XT TA AL L2 2 P P3 3 7 7 R RD D P P3 3 6 6 W WR R P P3 3 5 5 T T1 1 P P3 3 4 4 T T0 0 P P3 3 3 3 I IN NT T1 1 P P3 3 2 2 I IN NT T0 0 P P3 3 1 1 T TX XD D P P3 3 0 0 R RX XD D R RS ST T V VP PD D P P1 1 7 7 P P1 1 6 6 P P1 1 5 5 P P1 1 4 4 P P1 1 3 3 P P1 1 2 2 P P1 1 1 1 P P1 1 0 0 X XT TA AL L1 1 V VS SS S P P0 0 0 0 V VC CC C P P0 0 7 7 P P0 0 6 6 P P0 0 5 5 P P0 0 4 4 P P0 0 3 3 P P0 0 2 2 P P0 0 1 1 V VP PP P E EA A P PS SE EN N P P2 2 7 7 P P2 2 6 6 P P2 2 5 5 P P2 2 4 4 P P2 2 3 3 P P2 2 2 2 P P2 2 1 1 P P2 2 0 0 图图 3 7 AT89C51 单片机的结构示意图单片机的结构示意图 3 4 23 4 2 主要特性主要特性 1 与 MCS 51 兼容 2 4K 字节可编程闪烁存储器 3 寿命 1000 写 擦循环 4 数据保留时间 10 年 5 全静态工作 0Hz 24Hz 6 三级程序存储器锁定 17 7 128 8 位内部 RAM 8 32 可编程 I O 线 9 两个 16 位定时器 计数器 10 5 个中断源 11 可编程串行通道 12 低功耗的闲置和掉电模式 13 片内振荡器和时钟电路 3 4 33 4 3 管脚说明管脚说明 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据 存储器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原 码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能 接收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且 作为输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由 于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器 进行存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉 优势 当对外部八位地址数据存储器进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器 的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的 缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 P3 口管脚 备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 18 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通