基于单片机的压力检测系统设计论文.

1、青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）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。本设计是基于单片机的压力监测仪的设计，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。本课题是针对单体支柱支撑压力检测仪的研究和设计所展开的。它可对支柱的压力进行检测，以确保单体液压支柱的正常工作。检测仪可对单体支柱进行压力的检测和实时监控，把测量到的数据传递给地面的上位机，以便作出相应的处理。当压力过低或支柱漏夜时能够发出声光报警， 及时通知地面人员进行维修。本课题主要涉及三方面的内容：压力检测、信号处理、数据显示与传输。压 力检

2、测采用电阻应变片式压力传感器对压力进行采集，然后通过多级放大把信号输入给V/F转换芯片，由其输出频率信号传输给主控芯片并经过主控芯片的处 理，最后把信息显示出来并且传给上位机。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。本设计的最终结果是，将软件下载到硬件上调试出来了需要显示的数据，当输入的模拟信号发生变化的时候，通过 A/D转换后，LED将显示不同的数值。关键词：压力；AT89C51单片机；压

3、力传感器；A/D转换器；LED显示I青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）AbstractPressure in the process of in dustrial product ion is one of the importa nt parameters. The pressure test or con trol is to guara nteethe product ion and the safe running of the equipme nt n ecessary con diti ons. This desig n is based on the sin gle chip

4、microcomputer monitoring design pressure, mainly through the special chip microcontroller and of sensor measured simulation signal processing, make its complete intelligent function.This topic is for sin gle pillars of pressure detector research and desig n of ope n. It can detect the pillar pressur

5、e, to ensure the normal mono-hydraulic prop work.Detector can of mono mer pressure testi ng and support real-time mon itori ng, the measurement of the data transfer to the ground to the PC, so as to make corresponding process ing. Whe n the pressure is too low or pillar LouYe can give out sound and

6、light alarm, inform the ground staff for repair.This subject mainly invo Ives three aspects of content: the pressure test, sig nal process ing, data display and tran smissi on. Pressure test ing the resista nee stra in chip pressure sensor to pressure acquisition, and then through the multi-level am

7、plifier to sig nal in put to the V/F conv ersi on chip, by its output freque ncy sig nal tran smissi on to the main con trol chip and through the process ing of the main con trol chip, fin ally the in formati on displayed and to the upper machi ne.This design is based on AT89C51 measurement and disp

8、lay. Is through the pressure sensor will pressure into electrical signal, and by the signal amplifier amplification, send to the eight A/D converter, and then convert an analog signal into A single chip can be identified, digital signal, to SCM convert LED display can iden tify the in formati on, fi

9、n ally shows that the output.The end result of this desig n is, will dow nl oad software to hardware debugg ing out n eed to display data, whe n the in put an alog sig nals cha nge whe n, through the A/D conv ersi on, LED will show differe nt values.Key words： pressure; AT89C51 single-chip; pressure

10、 sensor; A/D converter; LED mon itorii青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）摘 要 .IAbstract n1绪论 .21.1研究背景 21.2基于单片机的压力检测原理22基于单片机的压力检测系统的硬件设计 .42.1压力传感器42.2信号放大电路 72.3A/D转换器.82.4单片机的选型与设计92.5 LED显示电路的设计.102.6 时钟芯片的选型与设计 .122.7 可移动存储器的选型与设计 .133相关电路设计3.1复位电路的设计 .143.2电源电路的设计. 143.3报警电路的设计 .143.4软件设计理论 .15结 论 .17参考文献 .19

11、附 录 .20-7-1绪论1.1研究背景近年来，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控制系统，新的科技时代已经到来了。本设计的目的是设计一个压力检测仪对矿井单体支柱支撑压力进行检测，以确保单体液压支柱的正常工作，保障煤矿工作面工作的正常进行。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

12、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的串行口和串行移 位寄存器74LS164扩展输出多位LED显示.键盘是单片机系统实现人机对话的常用输入设备。我们通过键盘，向计算机系统输 入各种数据和命令，亦可通过使用键盘，让单片机系统处于预定的功能状态。要想实现 压力的显示需硬件与软件配合，最终调试出来。1.2基于单片机的压力检测设计方案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

13、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LED进行显示, 而键盘的作用是改变输入量的系数的。它的原理图如图1-1所示。图1-1压力测量仪表原理1.2.1压力的概念压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证生产正常运行，必须对压力进行测量 和控制，但需说明的是，这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在 单位面积上的力。在压力测量中，常用绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。所谓绝对压力是指 被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，用符号pj表示。用来测量绝对压力的仪表 称为绝对压力表。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用符号pq表示。用来测量大气气压力

14、的仪表叫气压表。绝对压力与大气压力之差。称为表压力，用符号 pb表示。即pb=pj-pq。当绝对压力值小于大气压力值时，表压力为负值（即负压力），此负压力值的绝对值，称为真空度，用符号 pz表示。压力是工业生产中的重要参数，如高压容器的压力超过额定值时便是不安全的，必 须进行测量和控制。在某些工业生产过程中，压力还直接影响产品的质量和生产效率， 如生产合成氨时，氮和氢不仅须在一定的压力下合成，而且压力的大小直接影响产量高 低。此外，在一定的条件下，测量压力还可间接得出温度、流量和液位等参数。1.2.2测量压力的意义压力是过程生产中四大重要参数之一，它在检测生产过程能否完全可靠正常运行的重要参数

15、指标，尤其在化工生产过程中压力这一参数更显得尤为重要。在化工生产过程中，压力即影响物料平衡，也影响化学反应速速，是标志生产过程 能否正常进行的重要参数。安全生产的需要，从确保安全生产的角度，压力检测也是非常重要的。如：确保压 力容器内的压力在安全指标之内，确保易燃易爆介质的压力不超2基于单片机的压力检测系统的硬件设计2.1压力传感器压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环 境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、 电力、船舶、机床、管道等众多行业。2.1.1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

16、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 应变片的电阻值将随着弹性元件的应变而相应

17、变化。通过测量电阻应变片的电阻值变 化，可以用来测量位移加速度、力、力矩、压力等各种参数。2.1.2电阻应变片的基本结构电阻应变片主要由四部分组成。如图2-1所示，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。图2-1电阻应变片的基本结构2.1.3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。2.131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

18、器的电桥输出端与直流放大器相连，如图2-2所示。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Uo为Ri R3 - R2R4Uo=Us（ 2-7）（Ri + R2）（ R3 + R4）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=R2R4Uo应变片工作时，其电阻变化 R,此时有不平衡电压输出(2-8)由式（2-8）表明： RJ Cpa aiWTfi Pl PJ *XTAL2XTAL1GMD

19、VCC FOO lADOlPO 1PO.3 1 AD3) 40 *山PS.ft 4 ADB) PO fl,R Pd T i| ADT):P5CH 卩才.F IA14I-P兀# i|A12bPl 2 (AID)P学0 4鼻自4RST/VPP : |AXD P3 0 (TXD| P3.1 .XTAL2XTAL1 (INTOJ P3 2 (IMTI) P3.3(TO) P3.4 (TO P3,5GNDVCCJ PI.7pi.eT Pl.5P ).4FK3Pl.fPi tPl .0 AINO)P3 7-13-AT89C51AT89C2051图2-5 AT89C51单片机的结构示意图2.4.2主要特性与

20、MCS-51兼容青岛理工大学琴岛学院毕业论文（设计）4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路2.4.3振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内 振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.5

21、 LED显示电路的设计目前广泛应用的显示设备有发光数码管显示器 （LED）和液晶显示器，液晶显示技术 适用于显示信息较多的情况，对环境要求也比较高。本次设计是利用89C51单片机串行口和74HC573移位寄存器实现LED动态显示的 一种方法,利用该方法设计的LED显示系统具有硬件结构简单、软件编程容易和价格低 廉等特点。下面简单简绍一下 74HC573这个芯片。2.5.1 74HC57374HC573是高性能硅门CMOS器件（锁存器）。SL74HC573跟LS/AL573的管 脚一样。当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。 当锁存使能变低时，符合建立时间和保持

22、时间的数据会被锁存。输出能直接接到 CMOS，NMOS和TTL接口上操作电压范围：2.0V6.0V低输入电流：I.OuACMOS器件的高噪声抵抗特性2.5.2发光二极管及LED显 示器发光二极管是由半导体发光材料做成的 PN结，只要在发光二极管两端通过正向电 流5-20mA就能达到正常发光。LED的发光颜色通常有红、绿、黄、白，其外形和电气 图形符号如图2-6所示。单个LED通常是通过亮、灭来指示系统运行状态和用快速闪烁 来报警b)aa）外形 b）图形符号图 2-6 LED通常所说的LED显示器由7个发光二极管组成，因此也称之为七段 LED显示器, 其排列形状如图2-7所示。显示器中还有一个圈

23、点型发光二极管（在图中以dp表示）,用于显示小数点。通过七个发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及 其它符号。t IbII A片号和刖dOOto-/飞C=H-i=HdPO图2-7 LED显示2.5.3 LED数码管动态显示接口在单片机应用系统中，数码管显示器显示常用两种办法：静态显示和动态扫描显示。 基于电路设计简洁成本低在本次设计中采用了数码管的动态显示，下图 2-8为本次设计 所用的电路图。U口U.U.图2-8 动态LED显示电路2.6时钟芯片的选型与设计日期和时间信息由时钟芯片提供，对于不断开停的矿车来说，要求时间和日期信息 不会因为仪器掉电而丢失，实现这一功能的方式有两种

24、：一是用内部不带电池的时钟芯片，外部接上可充电电池，在系统上电工作期间能够对充电电池充电，当掉电后，充电 电池可以保证时钟芯片继续工作，时间和日期信息不会因为电池掉电而丢失。另外一种 方法是直接采用内嵌电池的时钟芯片，不需要另外设计充电电路。目前，比较常用的时 钟芯片有：Philips公司生产的PCF8563, Motorola公司生产的 M48T86, Dalia公司生产的 DS1302CN, DS12C887以及Xicor公司新出的高精度实时时间芯片 X1288等。其中， DS1302CN是串行输入输出口，但内部不带电稗，需要外接充电电池。DS12C887内嵌电池，但是输入输出口是并行的，

25、占用的单片机端口较多。下面简单介绍两种。2.6.1 DS12C887DS12C887是跨越2000年的时钟芯片，专为IBMAT计算机的时钟系统而设计，它 是用4位数表示年度的日历系统。DS12C887采用24引脚双列直插式封装，正常工作可 以保证时钟数据10年内不会丢失。芯片内部有自己的晶振系统和供电系统，其内部的 年、月、日、时、分、秒，以及闰年信息，可以延续到2100年，也就是公元2100年之前的262时钟芯片在电路中的应用为了正确的显示时间，即使电路停止工作但时间一直显示，就需要直流电源和电池 两种供电方式给PCF8563供电。如图2-9所示。图2-9时钟芯片在电路中的应用图2.7可移动

26、存储芯片的选型与设计数据记录仪是本设计中数据传递的重要环节，压力测量仪测量的压力信息要通过数 据记录仪传递到地面计算机。数据记录仪需要记录的数据包括压力值、时间和日期。根 据设计需要，为了把数据一记录仪设计成可插拔式，以方便操作人员在工作结束后能够 将数据带回地面，尽量选用体积较小的存储器，便于携带。存储器的种类很多，按存储类型来分，可分为FLASH（闪速存储器）、EPROM（紫外 线擦除可编程只读存储器）、EEPROM（电擦除可编程只读存储器）、SRAM（静态随机存 储器）、DRAM（动态随机存储器）、FRAM（铁电存储器）和NVRAM（非易失性存储器）等。 FLASH存储器是目前使用最多、

27、也是比较流行的存储器类型，其中M45PE80是FLASH 存储器中容量较大的一款。所以本设计选用 M45PE80作为可移动外部存储器。-25-3相关电路设计3.1复位电路的设计为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的 第一功能是上电复位。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在 电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信 号才被撤除，微机电路开始正常工作。复位电路工作原理图所示，VCC上电时，C充电，在10K电阻上出现电压，使得单 片机复位；几个毫秒后，C充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片

28、机进入 工作状态。工作期间，按下S，C放电。S松手，C又充电，在10K电阻上出现电压， 使得单片机复位。几个毫秒后，单片机进入工作状态。如图3-1所示X图3-1复位电路3.2电源电路的设计由于工作场所的特殊性，压力测量仪的电源一般采用外接直流电来供电，像蓄电池之类的外接电源。矿井下用的蓄电池一般为24V，而单片机工作电源为5V，所以我们需要一个把27V转换成5V直流电，具体用到的芯片是MC 7 8 0 5 ACT，这是一个 直流5V稳压块。如图3-2所示。图3-2 电源电路3.3报警电路的设计随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求。本次设计 考虑到实用和成本低廉因素选用

29、了蜂鸣器和发光二极管组成的声光报警电路。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、 打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作 发声器件。蜂鸣器分为有源和无源两种，它们从外观上看，两种蜂鸣器好像一样，但仔 细看，两者的高度略有区别，有源蜂鸣器高度为9mm，而无源蜂鸣器的高度为8mm如将两种蜂鸣器的引脚都朝上放置时，可以看出有绿色电路板的一种是无源蜂鸣器，没 有电路板而用黑胶封闭的一种是有源蜂鸣器。如图 3-3所示。3.4软件设计理论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 为并行AD和串行AD。并

30、行方式一般在转换后可直接接收，但芯片的引脚比较多；串 行方式所用芯片引脚少，封装小，但需要软件处理才能得到所需要的数据。可是单片机 I/O引脚本来就不多，使用串行器件可以节省I/O资源。ADC0832是8位逐次逼近模数转换器，可支持两个单端输入通道和一个差分输入 通道。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。它们的通道选择和配置都是通过软件设置。单片机串行工作方式时，串行口是作为同步移位寄存器使用。这时以 P3.3端作为数 据移位的入口和出口 ,而由P3.6端提供移位时钟脉冲。单片机串行口方式0与ADC0832 的接口，单片机P2

31、.0接ADC0832的CS,P3.6接0832的CLK作为时钟信号输出端 ，P3.7接 0832的DO和DI作为启动位、配置位的发送端以及 A/D转换后输出数据的接收端。由于 ADC0832在CS变低后的前 3个周期内，DO端为高阻态；转换开始后，DI线禁止，因 此，DI端和DO端可连接在一起。ADC0832的时钟频率最高为400kHz,单片机晶振可选用4MHz,在TXD的输出频率为4MHZ/12 =333. 3kHz,符合要求。ADC0832输出的串行 数据共15位，由两段8位数据组成，前一段是最高位在先，后一段是最高在后，两段数 据的最低位共用。只有在时钟的下降沿,ADC0832的串行数据

32、才移出一位。由单片机控制时钟信号的发送，并由P3.6发出，以达到控制ADC0832输出数据位的目的。为了得到 一列完整的8位数据，单片机分两次采集含有不同位的数据，再合成一列完整的8位数 据。ADC0832通过内部多路器来控制选择通道， 处理器的控制命令通过DI引脚输入。如 下流程图所示，当模拟信号输入开始后，首先是CS使能信号也就是片选信号有效，这时 是低电平有效，如果片选是高电平时停止转换。当时钟信号有效时输入通道的控制字来 确定所选择的通道，读取数据后就开始将模拟量转换位数字量，A/D转换结束后，单片机读取数值，如果没转换完，又回到使能开始。结 论在设计中遇到不少困难，这对自己是一个考验

33、，刚开始拿到题目的时候头绪并不是 很多，通过查阅资料对整个系统有了一定的认识。单片机的相关内容在大三的课程学过， 但是学得并不是很深，在设计前我重新学习了一遍单片机的知识，包括芯片接口和51系列单片机的指令等。好多芯片都是我们第一次接触，所以得重新学习它们的功能和使 用方法。除学习芯片功能外，主要了解了对芯片串行输出的控制，这里的软件设计是一 个难点，我们这次用的是用 AltiumDesigner绘图软件，我们以前学过但是学的不够深， 这对我来说是个难点，但是通过看书和同学老师的帮忙，使得我画好了原理图。我认为 我们专业学习硬件知识相对比软件多，所以在软件设计方面我还有很大不足。本次设计是基于

34、单片机的矿井单体支柱支撑压力检测仪的设计，具有针对性，专为 井下做业而设计。由于矿井下复杂的地理环境，巷道多支柱也多，一旦支柱所承受的压 力超出它的上限造成塌方，那么造成的事故真是不堪设想，所以在井下做业的同时我们 必须考虑到其安全性。本设计就是为了达到井下能够安全生产尽量减少事故发生的目 标，研制一种能够检测矿井支柱压力并且超速报警的一种自动化装置。这种测压仪能够 将检测到的压力值显示出来，一旦超出预定值就报警。同时把压力值存入可移动存储器， 由工作人员带回地面，进行绘图、分析。通过本次设计，让我对选择芯片、设计原理图、绘制PCB图，焊接电路板、编程调试、完成实现这一整套的设计装置的过程有了深刻地了解，并且亲自动手，体会到中间制作过程中的乐趣。在制作过程中了解到许多芯片的功能及应用，还有显示驱动电路等 等。在计算、绘图、编制技术文件、制作、调试实验系统等方面的能力增强，使设计、 调试等方面的基本功得到了训练，提高了自身素养和分析问题、解决问题的实际工作能 力。虽然我们是一个人一个课题，可是大家都相互帮助，很顺利的完成了此次设计。致 谢经过一学期的忙碌，本次毕业论文设计已经接近尾声，作为一名普通