基于单片机的气压检测装置的设计

基于单片机的大气压检测系统的设计 摘要摘要 本系统是以 MCS 51 单片机为检测中心的大气压检测系统 其总体设计是围绕低成本 模块化 微型化的特点展 开的 在硬件选择方面 选择性价比高的 AT89 系列单片机 MPX4115 压力传感器 ADC0832 模数转换器 四位一体共阳七 段式数码管显示器 在软件方面 采用了功能模块化 源程序由 C 语言编写 经过 Keil Vision 软件编译 将 hex 文件烧 录到芯片中 为了降低整个系统的成本 在满足性能要求的前提下 选择低成本元器件 简化系统设计 同时 抗干扰能 力强 微型化 微功耗等特点 关键词关键词 大气压检测 MPX4115 ADC0832 C 语言程序 引言 近年来 随着微型计算机的不断发展 它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 随着科学技术的迅猛发展 生产力水平迅速提升 单片机性能不断提高 价格不断降低 技术日趋 成熟 单片机广泛的应用于人们生活的多个领域 这些东西都离不开单片机 例如导弹的导航装置 工 业自动化过程的实时控制和数据处理 计算机的数据传输以及网络通讯 各种智能 IC 卡 摄像机 全自 动洗衣机的控制 以及电子琴 电子宠物等等 而基于单片机的大气压检测装置也是这类采用了单片机 的电子产品 若使用数字电路完成该设计 那么所设计的电路就会变得十分复杂 大概需要很多片数字集成块 它的功能的实现主要是依赖于数字电路的各个功能模块的组合 价格相对来说比较高 从而成本会提高 并且焊接的过程也比较复杂 在本次设计中之所以采用单片机制作 是因为单片机功能的实现主要是通 过软件编程来完成的 同时也使硬件电路简单化 并且其成本也有所降低 本次设计的压力检测装置是通过压力传感器将检测到的压力信号装换为电信号 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 再通过数码管显示输出 基于单片机的压力检 测装置 选择的单片机是基于 AT89S52 单片机的测量与显示 将压力经过压力传感器变为电信号 然后 进入 A D 转换器将模拟量装换为数字量 这里所采用的 A D 转换器为 ADC0832 ADC0832 为 8 位分辨率 A D 转换芯片 其最高分辨率可达 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 具有双数据输出可作为数据s 校验 以减少数据误差 转换速度快且稳定性强 1 大气压检测技术简介 1 1 大气压的概念及其研究意义 地球周围包着一层厚厚的空气 它主要是由氮气 氧气 二氧化碳相关试验 水蒸气和氦 氖 氩 等气体混合组成的 通常把这层空气的整体称之为大气 它上疏下密地分布在地球的周围 总厚度达 1000 千米 所有浸在大气里的物体都要受到大气作用于它的压强 就像浸在水中的物体都要受到水的压 强一样 大气压的变化跟压强和压力的变化注意区别 大气压 通常指大气压强和大气压力 是从宏观来论 述 压强和压力是从微观来讲 因而在理解上我们要注意区分不要搞混淆 一般来讲 海拔越高 大气 压越小 温度越高 大气压越小 空气越干 大气压越大 纬度越高 大气压越大 1 2 压力传感器的分类及特点 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 量的电信号作为输出 给显示仪表显示压力值 或供控制和报警使用 科学技术的不断发展极大地丰富 了压力测量产品的种类 现在 传感器的敏感原理不仅有电容式 压阻式 金属应变式 霍尔式 振筒 式等等但仍以电容式 压阻式和金属应变式传感器最为多见 1 电容式压力传感器 电容式压力传感器 是一种可以利用电容敏感的原件把被测量的压力转换成为跟它有一定的关系的 电信号输出的精密测量仪器 它一般是使用圆形金属薄膜或镀金属薄膜来做电容器的其中一个电极 在 薄膜感受到压力的时候 它就会变形的 此时薄膜跟固定的电极间所产生的电容量就会发生改变 测量 电路就可以输出跟电压形成一定的关系的电信号 电容式压力传感器是极距变化型的电容式传感器 有单电容式和差动电容式之分 单电容式压力传感器它是由圆形的薄膜和固定的电极组成的 当受到压力作用的时候 薄膜就会发 生变形 这样就会改变电容器的容量 它的灵敏度大概是跟薄膜与固定的电极之间的距离和薄膜的张力 成反比关系的 而跟压力和薄膜的面积成正比关系的 有另外的一种型式 它是跟固定电极取凹形球面 状的 而膜片是周围边缘的固定的张紧的平面 膜片能够使用塑料接着镀上金属层的这个方法制造而成 的 这一种型式比较适合于测量低压这个工作条件的 它有比较高的过载能力 当然 要测量高压工作 条件的话 可使用带有活塞动极膜片制造而成的单电容式压力传感器 这一种型式的传感器可以把膜片 的直接的受压面积变小 这样就方便使用比较薄的膜片以致来提高它的灵敏度 把它与各种的保护和补 偿部还有放大电路的整体整合在一起 就会提高抗干扰能力 差动电容式压力传感器其受压膜片电极是处于两个固定的电极之间的 可以形成两个电容器 当受 到压力的作用的时候 其中一个电容器的容量就会变大 而另一个电容器的容量就会相应地变小 而测 量的结果是由差动式的电路输出的 此传感器的固定的电极是由在凹而曲的玻璃的表层上面镀上金属层 而制造出来的 当过载的时候 膜片就会受到凹面的保护 所以 它是不会破裂的 相对于单电容式压 力传感器来说 它的线性度较好 灵敏度也较高 但是在加工方面就比较困难了 并且它不可以完成对 被测的液体或者是气体的隔离 所以 它不适合使用在有杂质的或者是有腐蚀性的流体之中 2 金属应变片式压力传感器 电阻应变片是由金属应变丝或者应变箔 基体材料 引出线以及绝缘保护片等部分组成 电阻应变 片的阻值根据不同的用途可按需设计 但是电阻的取值范围应该需要注意 如果阻值太小 所需要的驱 动电流就会太大 并且应变片会发热导致自身的温度过高 应变片的阻值会因使用环境不同而变化很大 调零电路过于复杂 会有很明显的输出零点漂移 但是如果电阻太大 阻抗太高 那么它在抗外界的电 磁干扰的能力方面就会显得比较差 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 通常 称为电阻应变效应 金属导体的电阻值可以用下面的式子进行表示 S L R 式中 金属导体的电阻率 mcm2 L 导体的长度 m S 导体的截面积 2 cm 例如金属丝应变电阻 当金属丝受到外力作用的时候 它的截面积和长度都会发生一些变化 从上 述公式中能够看出 它的电阻值就会发生相应的改变 或金属丝受到外力作用而发生压缩时 其长度就 会减小而截面积就会增加 那么电阻值从而会相应减小 或金属丝受到外力作用而使其伸长时 它的长 度就会增加而截面积就会减少 那么电阻值就会增大 若要获得应变金属丝的应变情况那么只要测出加 在电阻的变化 通常是测量电阻两端的电压 1 3 压阻式压力传感器 压阻式压力传感器通常采用集成电路工艺技术制作 在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻并组成电 桥电路 当没有受到压力作用的时候 电桥就会处于平衡状态 没有电压输出 当受到压力作用的时候 单晶硅就会产生应变 使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化 再由桥式电路获得 相应的电压输出信号 并且电桥就会失去平衡从而输出电压 且输出的电压与压力成比例 1 压阻式压力传感器具有以下特点 压阻式压力传感器的灵敏系数要比金属应变式压力传感器的灵敏度系数要大很多 一般是 50 100 倍 有的时候压阻式压力传感器的输出不需要放大器就可以直接进行测量 本设计就是应用了此类型的 压力传感器 压力分辨率高 它可以检测出像血压那么小的微压 由于它是采用集成电路工艺加工 因而结构尺寸小 重量轻 结构简单 它的频率响应非常好 它可以测量几十千赫兹的脉动压力 传感器的力敏元件及检测元件制在同一块硅片上 所以它工作可靠 综合精度高 且使用寿命长 由于采用半导体材料硅制作 传感器对温度比较敏感 如不采用温度补偿 其温度误差较大 1 3 发展趋势 现代信息技术的三大基础是信息采集 即传感器技术 信息传输 通信技术 和信息处理 计算机 技术 传感器属于信息技术的前沿尖端产品 随着硅 微机械加工技术 超大集成电路技术和材料制备 与特性研究工作的进展 使得压力传感器在光纤传感器的批量生产 高温硅压阻及压电结传感器的应用成 为可能 在生物医学 微型机械等领域 压力传感器有着广泛的应用前景 2 2 基于单片机的大气压检测系统的硬件设计 2 1 大气压检测系统的原理 本次设计是以 AT89S52 单片机组成的气压测量 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 气压的测量 需要传感器 利用传感器将压力转换成电信号后 再经 A D 转换为数字 量后才能由计算机进行有效处理 然后用 LED 进行显示 设置气压上下限 超过其压力值就报警 使用 三极管 电阻和蜂鸣器组成的报警电路 其原理图如图 1 所示 图 1 压力检测系统的原理图 2 2 主电路的设计 1 主电路 本气压检测系统装置微处理器采用 AT89S52 单片机 压力传感器为 MPX4115 ADC0832 模数转换器进 行数据转换 采用单片机直接驱动四位一体共阳七段式数码管进行压力数据的显示 并且系统气压范围 为 15kpa 110kpa 如果超过气压设置的上下限 系统就会报警 硬件电路原理图如图 2 所示 气压传感器 报警电路 A D 转换器 AT89S52 单片机 复位电路 数码管显示 图 2 硬件电路原理图 2 MPX4115 管脚连接电路 图 3 MPX4115 管脚连接图 MPX4115 气压传感器的 1 脚接 ADC0832 的 CH0 端 2 脚接地 3 脚接电源 另接一个电压表 作为参 考 3 LED 数码管显示电路 图 4 LED 数码管显示电路 4 报警电路 系统中的报警电路是由三极管 蜂鸣器 和限流电阻组成 并与单片机 P1 4 相连 其电路图如下 图 5 报警电路 5 复位电路 图 6 复位电路 2 3 压力传感器 1 压力传感器的选择 压力传感器对于系统至关重要 需要综合实际的需求和各类压力传感器的性能参数加以选择 一般 要选用有温度补偿作用的压力传感器 因为温度补偿特性可以克服半导体压力传感器件存在的温度漂移 问题 本设计要实现的数字压力显示的是绝对压力值 同时为了简化电路 提高稳定性和抗干扰能力 要 求使用具有温度补偿能力的压力传感器 经过综合考虑 本设计选用美国摩托罗拉公司的集成压力传感 器 MPX4115 压力传感器可以产生高精度模拟输出电压 并且内部含有放大电路 不需要另外加放大电路 2 压力传感器 MPX4115 的原理 3 MPX4115 系列是压电电阻传感器是一个硅压力传感器 这个传感器结合了高级的微电子技术 薄膜镀 金属 还能为高水准模拟输出信号提供一个均衡压力 在 0 85 的温度下误差不超过 1 5 温度补偿 是 40 125 小的外形和片上集成的高可靠性 使得它很受欢迎 3 它的实物如下图所示 图 7 MPX4115 的实物图 压力压传感器 MPX4115 的管脚说明如表 1 所示 表 1 压力传感器 MPX4115 的管脚说明 RST 压力传感器 MPX4114 的特性参数如表 2 所示 表 2 压力传感器 MPX4115 的特性参数 2 4 A D 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为模数转换器 简称 A D 转换器 1 A D 转换器的选择 目前单片机在电子产品中已经得到广泛应用 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出很多 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 转换功能 可以选择 ADC0832 ADC0809 等 串行和并行接口模式是 A D 转换器诸多分类中 得一种 但是却是应用中器件选择的一个重要指标 对 A D 转换器的选择我们通过比较 ADC0809 和 123456 VOUTGNDVSN SN SN S 参数符号最小典型最大单位 压力范围 Pop15 115KPa 供电电压 Vs4 855 15 35Vdc 供电电流 Io 7 010mAdc 最大压力偏置 0 85 Vs 5 0V Vpss0 1350 2040 273Vdc 满量程输出 0 85 Vs 5 0V Voff4 7254 7944 863Vdc 满量程比例 0 85 Vs 5 0V VFSS4 5214 5904 695Vdc 精 度 0 85 1 5 Vfss 灵敏度 V P 45 9 mV KPa 响应时间 10 90 tR 1 0 ms 上升报警时间 20 ms 偏置稳定性 0 5 VFSS ADC0832 来决定 这两个转换器都是常见的 A D 转换器 其中 ADC0809 是并行接口 A D 转换器 ADC0832 是串行接口 A D 转换器 本设计选择的是 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 2 ADC0832 的简介 ADC0832 引脚功能 ADC0832 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 因为它有体积小 兼容性好 性价比高等特点而得到单片机爱好者的亲赖 其目前的普及率非常高 ADC0832 为 8 位分辨 率 A D 转换芯片 其最高分辨可达 256 级 可以满足一般的模拟量的转换要求 其参考电压的复用与内 部电源输入 使得芯片的模拟电压输入在 0 5V 之间 芯片转换时间很短 仅为 32 S 可以通过双数据 输出作为数据校验以减少数据误差 其转换速度快且稳定性能比较强 通过 DI 数据输入端 可以轻易的 实现通道功能的选择 4 其引脚图如图 8 所示 图 8 ADC0832 引脚图 片选端口 低电平时芯片工作 cs CH0 是模拟输入通道0 或者可作为 IN 使用 CH1 是模拟输入通道1 或者可作为 IN 使用 GND 芯片参考0 电位 地 DI 是数据信号输入 选择通道控制 DO 是数据信号输出 转换数据输出 CLK 是芯片时钟信号输入 Vcc REF 是电源输入及参考电压输入 复用 ADC0832的特点 8位分辨率 双通道 A D 转换 输入输出电平与 CMOS TTL 相兼容 5V 电源供电的时候输入电压的范围为0 5V 转换时间为32 S 工作频率为250KHZ 一般的功耗仅仅为15mW 8P 14P DIP 双列直插 PICC 多种封装 商用级芯片温宽为0 C 70 C 工业级芯片温宽为 40 C 85 C 配置位说明 5 ADC0832 工作时 输入时序的配置位决定了模拟通道的选择及单端输入和差分输入的选择 如果是 差分输入的时候 就需要分配输入通道的正负极性 两个输入通道的任何一个通道都可作为正极或着负 极 ADC0832 的配置位的逻辑表见表 3 所示 表 3 ADC0832 的配置位逻辑表 配置位选择通道号输入格式 CH0CH1CH0CH1 LL 差分 LH HL 单端 HH 表中 则说明输入通道的端点是正极性 则说明输入端点是负极性 H 表示高电平且 L 表示 低电平 输入配置位时 低位 CH1 在后 高位 CH0 在前 3 ADC0832 的工作时序图 由图可知 若当 CS 从高电平变为低电平的时候 那么就选择 ADC0832 在时钟信号的上升沿时 DI 端 的数据就会移入到 ADC0832 内部的多路地址移位寄存器 在第一个时钟信号期间 DI 为高 则说明启动 位 紧接着就会输入两位配置位 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 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 0 输出变为高阻态 如果再进行一次模拟转换 片选必须再次从高向低跳变 后 面再输入启动位和配置位 4 图 9 ADC0832 的工作时序图 4 单片机对 ADC0832 的控制原理 ADC0832 与单片机的接口电路如图 10 所示 图 10 ADC0832 与单片机的接口电路图 一般情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 CS CLK DI DO 这 4 条数据线 在电路设计的时候可 以把 DI 和 DO 并联在一根数据线上进行使用 这是因为 DI 端与 DO 端在通信的时候并没有同时有效的而 且它们与单片机的接口是双向的 如果当 ADC0832 芯片的 CS 输入端为高电平时表示 ADC0832 停止使用 若 CS 输入端为低电平时 表示此芯片工作 CLK 和 DO DI 的电平可以任意 当要进行 A D 转换时 CS 输入端必须要置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束为止 与此同时芯片开始转换工作 并且同 时由处理器向该芯片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲 DO DI 端则会利用 DI 端输入通道功能选择的数据信 号 在第一个时钟脉冲的下降之前 DI 端一定要是高电平 用来表示启始信号 在第 2 个脉冲和 3 个脉冲 下降之前 DI 端需要输入 2 位数据作为选择通道功能 其功能项如表 4 表 5 所示 表 4 功能项表 1 MUX AddressChannel SGL DIFODD SIGN01 10 11 表 5 功能项表 2 MUX AddressChannel SGL DIFODD SIGN01 00 01 如表 若当这2位数据都为 1 1 时 表示只对 CH1进行单通道转换 若当此2位数据为 1 0 时 表示只对 CH0进行单通道转换 若当这2位数据为 0 1 时 表示将 CH0作为负输入端 IN CH1 作为正输入端 IN 进行输入 若当这2位数据都为 0 0 时 表示将 CH0作为正输入端 IN CH1作为负输入端 IN 进行输入 当到第3个脉冲的下降之后 DI 端的输入电平就会失去输入作用 此 后 DI DO 端便会开始读取转换数据 这是利用数据输出 DO 端来进行的 从第4个脉冲下降开始由 DO 端输 出转换数据最高位 DATA7 之后每一个脉冲下降 DO 端就会输出下一位数据 直到第11个脉冲时发出最低 位数据即是 DATA0 这样一个字节的数据输出就完成了 同时也正是从此位开始输出下一个相反字节的数 据 也就是说从第11个字节的下降输出 DATD0 之后输出8位数据 直到第19个脉冲时数据输出完成 这 也标志着一次 A D 转换的结束 最后把 CS 输入端置高电平表示禁用 ADC0832芯片 之后直接将转换后的 数据进行处理就可以了 作为单通道模拟信号输入时 ADC0832的输入电压的范围是0 5V 并且8位分辨率时的电压精度为 19 53mV 如果作为由 IN 与 IN 输入时 为了提高转换的宽度 可以把电压值设定在某一个较大范围之 内 但是值得注意的是 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 4 2 5 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 1 AT89S52 单片机简介 4 AT89S52 为 ATMEL 所生产的一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存 储器 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 MCS 51 指令集和输出管脚相 兼容 其引脚图如图 11 所示 图 11 AT89S52 引脚分布图 2 AT89S52 主要功能 6 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 晶片内部具时钟振荡器 传统最高工作频率可至 12MHz 内部程序存储器 ROM 为 8KB 内部数据存储器 RAM 为 256 字节 32 个可编程 I O 口线 8 个中断向量源 三个 16 位定时器 计数器 三级加密程序存储器 全双工 UART 串行通道 3 AT89S52 各引脚功能 6 VCC AT89S52 电源正端输入 接 5V VSS 电源地端 XTAL1 单芯片系统时钟的反相放大器输入端 XTAL2 系统时钟的反相放大器输出端 一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振 荡晶体系统就可以动作了 与此同时还可以在两引脚与地之间加入 20PF 的小电容 这样可以让系统更稳 定 避免因为噪声干扰而出现死机情况 RESET 它是 AT89S52 的重置引脚 高电平有效 当要对芯片重置时 让 AT89S52 完成系统重置的 各项动作 则只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间 可以把内部特殊功能寄 存器的内容都被设成已知状态 并且至地址 0000H 处开始读入程序代码而执行程序 7 EA Vpp EA 存取外部程序代码 低电平有效 这表示当这个引脚接低电平后 系统会取用外部 的程序代码 存于外部 EPROM 中 来执行程序 因此在 8032 和 8031 中 因为其内部无程序存储器空间 EA 引脚必须要接低电平 如果使用的是 8751 内部程序空间时 此 EA 引脚必须要接成高电平 ALE PROG 地址锁存器启用信号 因为 AT89S52 是以多工的方式送出地址及数据的 所以 AT89S52 可以利用 ALE 引脚来触发外部的 8 位锁存器 如 74LS373 将端口 0 的地址总线 A0 A7 锁进锁存器 中 之所以可以利用 ALE 来驱动其他周边晶片的时基输入 是因为程序执行的时候 ALE 引脚的输出频率 约是系统工作频率的 1 6 PSEN 此为 Program Store Enable 的缩写 它表示的意思是程序储存启用 将 8051 设成为读 取外部程序代码工作模式时 EA 0 就会送出此信号从而取得程序代码 一般情况下这支引脚是接到 EPROM 的 OE 脚上 AT89S52 也可以利用 RD 及 PSEN 引脚分别进行启用存在外部的 EPROM 与 RAM 这样可以 让程序存储器与数据存储器合并在一起而共同使用 64K 的定址范围 PORT0 P0 0 P0 7 端口 0 是一个 8 位宽的开路汲极 Open Drain 双向输出入端口 共有 8 个位 P0 0 表示位 0 P0 1 表示位 1 依此类推 其他三个 I O 端口 P1 P2 P3 则不具有此电路组态 而是内部有一提 升电路 P0 在当做 I O 用时可以推动 8 个 LS 的 TTL 负载 如果当 EA 引脚为低电平时 即取用外部程序 代码或数据存储器 P0 就以多工方式提供地址总线 A0 A7 及数据总线 D0 D7 设计者必须外加 一锁存器将端口 0 送出的地址栓锁住成为 A0 A7 再配合端口 2 所送出的 A8 A15 合成一完整的 16 位地 址总线 而定址到 64K 的外部存储器空间 8 PORT2 P2 0 P2 7 端口 2 是具有内部提升电路的双向 I O 端口 每一个引脚可以推动 4 个 LS 的 TTL 负载 若将端口 2 的输出设为高电平时 此端口便能当成输入端口来使用 P2 除了当做一般 I O 端口使用外 若是在 AT89S52 扩充外接程序存储器或数据存储器时 也提供地址总线的高字节 A8 A15 这个时候 P2 便不能 当做 I O 来使用了 PORT1 P1 0 P1 7 端口 1 也是具有内部提升电路的双向 I O 端口 其输出缓冲器可以推动 4 个 LS TTL 负载 同样地 若将端口 1 的输出设为高电平 便是由此端口来输入数据 如果是使用 8052 或是 8032 的话 P1 0 又当 做定时器 2 的外部脉冲输入脚 而 P1 1 可以有 T2EX 功能 可以做外部中断输入的触发脚位 PORT3 P3 0 P3 7 端口 3 也具有内部提升电路的双向 I O 端口 其输出缓冲器可以推动 4 个 TTL 负载 同时还多工 具有其他的额外特殊功能 包括外部中断控制 串行通信 计时计数控制及外部数据存储器内容的读取 或写入控制等功能 9 其引脚分配如下 P3 0 RXD 串行通信输入 P3 1 TXD 串行通信输出 P3 2 INT0 外部中断 0 输入 P3 3 INT1 外部中断 1 输入 P3 4 T0 计时计数器 0 输入 P3 5 T1 计时计数器 1 输入 P3 6 WR 外部数据存储器的写入信号 P3 7 RD 外部数据存储器的读取信号 RST 复位输入 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个机器周期两次 PSEN 有 效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程 序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP 2 6 LED 显示接口 本次设计是利用 AT89S52 单片机与四位一体数码管相连 这种设计方法具有硬件结构简单 软件编 程容易和价格低廉等点 1 LED 数码管 数码管由 8 个发光二极管构成 通过不同的组合可用来显示数字 0 9 字符 A F H L P U 及小 数点 数码管显示器根据公共端的连接方式 可分为共阴极数码管 将所有发光二极管的阴极连在 一起 和共阳极数码管 所有发光二极管的阳极连在一起 以共阳极数码管为例 8 个发光二极管的阳 极连接在一起 其共阳极接高电平 5V 其它引脚接段驱动电路输出端 当某一段为低电平的时候 该 端所连接的字段导通并点亮 根据发光段的不同组合显示数字或字符 11 共阳数码管的七个段笔画是用低电平 0 点亮的 要求驱动功率很小 而共阴数码管七个段笔画 是用高电平 1 点亮的 要求驱动功率较大 并且每个段笔画要串一个数百欧姆的降压电阻 所以本 设计中在共阳数码管的段笔画上串了一个上拉排阻 图 12 LED 数码管 要使数码管显示出相应的数字或字符 必须使段数据口输出相应的字形编码 共阴极和共阳极数码 管的字形编码各不相同 见表 6 所示 表 6 LED 的 16 进制 ASCII 码表 显示字符共阳极字符共阴极字符显示字符共阳极字符共阴极字符 0COH3FHA88H77H 1F9H06HB83H7CH 2A4H5BHCC6H39H 3BOH4FHDA1H5EH 499H66HE86H79H 592H6DHF8EH71H 682H7DHP8CH73H 7F8H07HH89H76H 880H7FHLC7H38H 990H6FH 灭 FFH00H 2 四位一体共阳数码管 数码管内部有 4 个单个数码管共用 a dp 这 8 根数据线 为人们的使用提供了方便 因为里面有 4 个 数码管 所以它有 4 个公共端 加上 a dp 共有 12 个引脚 数码管的外部引脚与位选 段选对应如下 A 11 B 7 C 4 D 2 E 1 F 10 G 5 BIT1 6 BIT2 8 BIT3 9 BIT4 12 DP 3 如 下图所示 图 13 四位一体数码管 数码管的驱动是指每个数码管的每一个段码即七段都是由一个单片机的 I O 端口进行驱动 也可以 使用译码器译码进行驱动如 BCD 码二 十进制 它的优点是编程简单 显示的亮度高 它的缺点是占用 的 I O 端口多 如果要驱动 6 个数码管静态显示则需要 6 8 48 根 I O 端口来驱动 因为一个 51 单片 机可用的 I O 端口只有 32 个 在实际应用中必须要增加译码驱动器进行驱动 这样做增加了硬件电路的 复杂性 3 压力检测系统的软件设计 3 1 系统主程序设计 主程序的主要功能是负责实时检测 读出并处理 MPX4115 的测量的气压值 实时显示压力 其流程 图如图 14 所示 主程序见附录 3 2 A D 转换器的软件设计 单片机控制系统中通常要用到 AD 转换 根据输出格式 常用的 AD 转换方式可分为串行 AD 和并行 否 是 报警不报警 若气压值大于 95kpa 或小于 20kpa 数据采集 送 LED 数码管显示 系统初始化 开始 处理读到的数据 结束 图 14 系统主程序流程图 AD 串行方式所用到的芯片引脚比较少 而且封装小 但是所需要的数据必须通过软件处理才能得到 并行方式一般在转换后可直接接收 但是芯片的引脚相对来说就会比较多 而单片机 I O 引脚本来就不 是很多 使用串行器件可以节省 I O 资源 所以本设计使用串行方式 ADC0832 是一个 8 位逐次逼近型模数转换器 可支持两个单端输入通道和一个差分输入通道 与它有 相同功能的器件还有 ADC0834 ADC0838 ADC0831 所不同的是它们的输入通道数量不同 通道选择和配 置都是通过软件设置的 其流程图如下 3 3 LED 数码管显示程序设计 在本次设计中用的是 7SEG MPX4 CA 4 位共阳极 7 段式数码显示管 亦即相应的单片机 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 为高电平 数码管才能点亮 1 动态扫描显示原理 P1 3 P1 2 P1 1 P1 0 输出低电平 关闭所有数码管 显示个位 把要显示的数据送到 P0 0 P0 7 P1 3 送高电平 延时 5 豪秒 时间不能太长 否 则数码管会闪烁 P1 3 送低电平 显示十位 把要显示的数据送到 P0 0 P0 7 P1 2 送高电平 延时 5 豪秒 时间不能太长 否 则数码管会闪烁 P1 2 送低电平 显示百位 把要显示的数据送到 P0 0 P0 7 P1 1 送高电平 延时 5 豪秒 时间不能太长 否 则数码管会闪烁 P1 1 送低电平 显示千位 把要显示的数据送到 P0 0 P0 7 P1 0 送高电平 延时 5 豪秒 时间不能太长 否 则数码管会闪烁 P1 0 送低电平 初始化函数 开 始 将转换后的电压转换成压力 A D 转换 返回 图 15 A D 转换子程序流程 图 以此顺序循环 把它做成子程序 在主循环中调用 2 LED 显示流程图 4 创建 Hex 程序与系统仿真分析 4 1 Keil C51 Windows 集成开发环境 Keil C51是目前世界上最优秀 最强大的51单片机开发应用平台之一 它集编辑 编译 仿真于一 体 支持汇编 PL M语言和C语言的程序设计 界面友好 易学易用 11 创建 Hex 程序步骤 1 创建一个工程项目文件 2 为工程选择目标器件 3 为工程项目设置软硬件调试环境 4 创建源程序文件并输入程序代码 开始 调用压力子程序 系统初始化 调用显示子程序 图 16 LED 显示流程图 5 保存创建的源程序项目文件 6 把源程序文件添加到项目中 7 编译生成 hex 程序文件 4 2 系统仿真分析 在 proteus 里画出电路原理图 然后再把 HEX 程序文件导入单片机里即实现了结果仿真 调节压力 传感器的上下箭头数码管就会显示不同的值 若压力值大于 110kpa 或者小于 15kpa 则蜂鸣器会报警 当调节气压传感器的值为 103 2 时 那么数码管就会显示相应的压力值 并且蜂鸣器会发出声音进 行报警 如图 17 所示 图 17 系统仿真图 当调节气压传感器的值为 94 5 时 送至 ADC0832 模数转换器 再经数码管就会显示相应的压力值 如图 18 所示 图 18 系统仿真图 5 小结 传感器与压力检测技术已经融入进我们生活 学习和工作的各个方面 随着工农业生产和国防 科 研事业的不断发展以及人民物质文化生活水平的日益提高 必定会对压力检测技术提出进一步扩大应用 范围和应用深度的要求 近年来 在压力检测技术领域 多种新的检测原理与传感器的开发应用 已取 得了具有实用性的巨大进展 因此 学习和研究压力检测技术有着深远的意义 参考文献参考文献 1 应变片压力传感器原理应用 年 5 月 2 号 2 龚运新 胡长胜 单片机实用技术教程 M 北京 师范大学出版社 2005 24 35 3 FreescaleSemiconductorDocumentNumber MPX4115 583d05a15 html 2012 年 5 月 2 号 4 刘雪雪 串行数据芯片的编程检测方法 J 现代电子技术 2010 5 ADC0832 中文资料 年 5 月 3 号 6 AT89S52 单片机简介 年 5 月 2 日访问 7 黄仁欣 张琴 单片机原理与应用技术 M 北京 清华大学出版社 2010 1 21 25 8 The description and pin description of the AT89S52 年 5 月 25 日访问 9 何曦光 改进型室内安防系统的研究 D 武汉理工大学 2008 10 王晓君 张英 MCS196 系列单片机分类与选型指南 J 单片机与嵌入式系统应用 2001 4 21 24 11 万志平 基于 DDS 技术的信号发生器设计 D 复旦大学 2006 12 伍冯洁 谢陈跃 谢斌 Proteus 与 keil 在单片机开放性试验中的应用 J 电子测量技 术 2008 31 6 100 103 13 赵建飞 基于 Simulink 与 AVR 单片机的多接口音频系统的仿真与构建 D 青海师范大学 2010 14 张齐 朱宁西 单片机应用系统设计技术 基于 C51 的 Proteus 仿真 M 电子工业出版社 2009 1 15 周杏鹏 仇国富 王寿英等 现代检测技术 M 高等教育出版社 2004 1 16 张萌 和湘 姜斌 单片机应用系统开发总综合实例 M 清华大学出版社 2007 7 426 436 17 Zhang Hai feng Zhao Ai ling HOU Jun Design of Fumigation Temperature Control System Based on Single Chip Microcontroller J Procedia Engineering 2011 15 246 18 吴仲成 传感器的发展方向 网络化智能传感器 J 电子技术应用 2001 2 22 25 19 基于 MPX4115 的数字压力测量仪器 Manoli W Mokwa E Spiegel H Vogt A miniature single chip