单片机压力传感器大学方案

1、人生最大的幸福，是发现自己爱的人正好也爱着自己。 毕业 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

2、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：OPa500pa综合精度：± 0.25%FS供电： 24V Dc<12 36VDC)介质温度：-20150 C环境温度：-2085 C过载能力： 150%FS响应时间：w 10mS稳定性：w± 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

3、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和软件设计；4. 进行硬件调试 软件调试和软硬件的联调；3000 字5. 查阅到 15 篇以上与题目相关的文献 按要求格式独立撰写不少于 15000 字的设计说明书及 1.5 万或翻译成中文后至少在 以上）字符以上的英文翻译四、进度和要求第 01 周 第 02 周：查阅相关资料 并完成英文翻译；第 03 周 第 04 周：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 0

4、5 周 第 07 周：完成硬件电路设计并用PROTE画出硬件电路图；第 08 周 第 10 周：完成软件模块设计与调试；第 11 周 第 12 周：进行硬件调试 软件调试和软硬件的联调；第 13 周 第 14 周：撰写毕业设计论文；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 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 200556. 单片机应用技术选编

5、何立民 北京航空航天大学出版社20007. 检测技术与系统设计 张靖等 中国电力出版社2001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

6、 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 但是因为自身的稳定性其测量结果仍存在误差 关键词：压力；AT89C51单片机；压力传感器；A/D转换器；LCD显示；Abstractindustrialto ensureintelligentdesign ofPressure is one of the important parameters in the process of

7、production. Pressure detection or control is an essential condition 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 singlechip microco

8、mputer. In this graduation design primarily through by using single-chip and dedicated chip handling of analog signal measured by the sensor to complete function. This design illustrates external hardware circuit intelligent pressure sensor and conduct software development to the hardware.The design

9、 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 convertedinto digital signals w

10、hich 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 predete

11、rmined function step to display required values.In addition based sensor thermal drift and nonlinearity principle this paper has designedIntelligent sensor hardware circuit and edited a C51Program.The circuit with micro-Process is simple and cheapthough the result has still a little error.Key words:

12、 pressure 。 AT89C51 single-chip 。 pressure sensor 。 A/D converter 。 LCD monitor 。目录 第一章 绪 论 11.1 前言 11.2 选题的背景和意义 11.3 智能压力传感器的发展方向 21.4 本文研究的内容3第二章 系统总体方案设计 42.1 系统任务描述42.1.1 控制系统要求42.1.2 主要仪器的选择 42.2 系统总体设计62.2.1 系统组成 62.2.2 基于单片机的智能压力检测的原理 6 第三章 压力传感系统硬件设计 73.1 压力传感器 73.1.1 金属应变片的工作原理73.1.2 电阻应变片

13、的基本结构83.1.3 电阻应变片的测量电路83.1.4 电桥电路的工作原理93.1.5 非线性误差及温度补偿103.2 信号放大电路 113.2.1 三运放放大电路 113.3 A/D 转换器 123.3.1 A/D 转换器的简介 123.3.2 配置位说明133.3.3 工作时序图14334单片机对ADC0832的控制原理153.4 单片机 173.4.1 AT89C51 单片机简介21254.2.1 ADC0832 芯片接口程序的编写 254.3 LCD 数码管显示程序设计 274.3.1 LM016LCD的RAM地址映射及标准字库表 第五章PROTEUS仿真调试5.1 仿真软件了解 2

14、95.1.1proteus 软件介绍 295.1.2protuse 功能和特点2929273.4.2 主要特性 17管脚说明 18振荡器特性19芯片擦除 203.5液晶屏LCD简介20液晶显示器原理20液晶显示器分类20字符的显示213.5.4 LM016L 引脚功能说明3.6 报警模块 22第四章 软件设计234.1 系统的主程序234.2 A/D 转换器的软件设计5.2 本次设计仿真过程30创建原理图30绘制仿真原理图30系统调试31开始仿真31第六章总结 336.1 设计总结 336.2 展望和不足 34致谢35参考文献36附录一PROTEL图37附录二源程序38第一章绪论1.1 前言在

15、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

16、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因为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

17、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1.2 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

18、力、流量、温度等主要参数 因为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

19、 转换器为 ADC0832ADC0832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 05V 之间芯片转换时间仅为 32卩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但因为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

20、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.1.3 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温度范围历来是大课题大部分传感器其工作范围

21、都在一20 C 70C在军用系统中要求工作温度在一40OC 85OC范围而汽车锅炉等场合要求传感器工作在一 20OC1200C 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

22、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1.4 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 第二章 系统总体方案设计2.1 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2.1.1 控制系

23、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：OPa 500pa<3）综合精度：± 0.25%FS <4）供电：24V Dc<12 36VDC）<5）介质温度：-20150 C<6）环境温度：-2085 C<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2.1.2 主要仪器的比较选择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

24、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 因为它具有结构简单、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、放大器的选择 被测的非

25、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、A/D 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

26、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 ADC0832A/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 单片机是一种在线式实时控制计算机 在线式就是

27、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 VCISC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2.1.3 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2.2 系统

28、总体设计2.2.1 系统组成图 2.1 智能压力传感器原理方框图2.2.2 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 第三章 压力传感系统硬件设计3.1 压力传感器3.1.1 金属应变片的工作原理应变式压力传感

29、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

30、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= p L / A(3.1>式中：p -金属导体的电阻率 <Q cm2/m)S- 导体的截面积<cm2L- 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)式中为材料轴向线应

31、变且 跟据材料力学 在金属丝单向受力状态下 有(3.3>式中卩为导体材料的泊松比 因此 有(3.4>实验发现 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>式中c 为常数 ( 由一定的材料和加工方式决定> 将式 (3.5> 代入 (3.4>且当 R=R时可得 (3.6>式中k=(1+2卩>+c(1-2卩 >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=A R/R卩/ £ 式中卩-材料的泊松系数；£ -应变量当金属丝受

32、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3.1.2 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3.1.3 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

33、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3.1.4 电桥电路的工作原理 因为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 因为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

34、有不平衡电压输出<3.8 ）由式<3.8 ）表明： RR1 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3.1.5 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 RR1 的情况下得出的

35、 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全桥差动电路（a> 半桥差动电路<b）图 3.2 差动电桥图 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=A R1=A R2则得半桥差动电路的输出电压为

36、<3.9 ）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A R=A R1=A R2=A R3=A R4时得全桥差动电路的输出电压为<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3.2 信号放大电路3.2.1 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3.3 三运放高共摸抑制比放大电路其中

37、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 因为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R5RG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 = R6R1= R3 和 R2 = R4则 VOUT = (VIN2 VIN1>(1 2R5/RG><R2/R1)因

38、为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 因为没有电流流过 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

39、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CMRI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 因为结构上的对称性 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3.3 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3.3.1 A/D 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

40、率、双通道 A/D 转换芯片 因为它体积小 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05V之间芯片转换时间仅为 32卩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

41、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? 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 3.4 ADC0832 结构示意图3.3.2 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A

42、DC0832的配置位逻辑表如表 3.1所示输入格式配置位 选择通道号CH0CH1CH0CH1 差分LLLH+单端HL+表 3.1 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3.3.3 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

43、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 <D7DO）输出完转换结果后又以最低位开始重新遍数据 <D7DO ）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 3.5 ADC083 工作时序图334单片机对ADC0832的控制原理图 3.6 ADC0832 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但因为DO端

44、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 3.2MUX AddressChannelSG

45、L/DIFODD/SIGN0110+ 11+表3.2ADC0832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

46、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05V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV

47、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00H3.4 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3.4.1 AT89C51 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 Onl

48、y Memory ）的低电压高性能CMOS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 因为将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中ATMEL勺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图 3.7AT89C51 单片机的结构示意图3.4.2 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

49、间： 10 年 5、全静态工作： 0Hz-24Hz 6 、三级程序存储器锁定 7、128*8 位内部 RAM8、32 可编程 I/O 线9、两个 1 6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3.4.3 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

50、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 将输出电流这是因为内部上拉的缘故 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 这是因为内部上拉的缘故P2 口当用于外部程序存储器或16位地址外

51、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 因为外部下拉为低电平P3 口将输出电流<ILL ）这是因为上拉的缘故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

52、.1 TXD<串行输出口）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）P3.7 /RD< 外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号RST复位输入 当振荡器复位器件时 要保持RST脚两个机器周期的高电平时间ALE/PROG当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节 在FLASH编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号

53、此频率为振荡器频率的 1/6 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时 将跳过一个ALE脉冲如想禁止ALE的输出可在 SFR8EH地址上置0此时ALE 只有在执行 MOVXMOVC旨令是ALE才起作用另外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态ALE禁止置位无效/PSEN:外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取旨期间 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

54、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<VPPXTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入XTAL2来自反向振荡器的输出3.4.4 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3.4.5 芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过

55、正确的控制信号组合 并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成在芯片擦操作中代码阵列全被写 "1" 且在任何非空存储字节被重复编程以前 该操作必须被执行此外AT89C51 设有稳态逻辑 可以在低到零频率的条件下静态逻辑 支持两种软件可选的掉电模式 在闲置模式下CPU停止工作但 RAM定时器 计数器 串口和中断系统仍在工作 在掉电模式下保存RAM的内容并且冻结振荡器 禁止所用其他芯片功能 直到下一个硬件复位为止3.5 液晶屏LCD简介本次设计是利用 89C51单片机串行口和一个 LM016L实现压力测量数据的显示 液晶显示器<LCD具有功耗低、体积小、质量轻、功耗小的特点

56、 这类液晶模块不仅可以显示数字、字符 还可以显示各种图形符号以及少量自定义符号 并且可以实现屏幕的上下左右滚动、文字的闪烁等功能；人机界面友好 使用操作也更加灵活、方便 使其日益成为各种仪器仪表等设备的首选3.5.1 液晶显示器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 液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点 目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域3.5.2 液晶显示器分类 液晶显示的分类方法有很多种通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等 除了黑白显示外液晶

57、显示器还有多灰度有彩色显示等 如果根据驱动方式来分<Active可以分为静态驱动 <Static ）、单纯矩阵驱动 <Simple Matrix ）和主动矩阵驱动 Matrix ）三种3.5.3 字符的显示用LCD显示一个字符时比较复杂因为一个字符由6X 8或8X 8点阵组成既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节还要使每字节的不同位为 "1"其它的为 "0" 为 "1" 的点亮 为"0" 的不亮 这样一来就组成某个字符 但因为内带字符发生器的控制器来说 显示字符就比较简单了可以让控制器工作在文本方式根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址设立光标在此送上该字符对应的代码即可3.5.4 LM016L 引脚功能说明 编号 符号 引脚说明 编号 引脚说明VSS 电源地 8D1 数据2VDD电源正极9D2数据3VL液晶显示偏压10D3数据4RS数据 /命令选择11D4 数据5R/W 读/ 写选择12D5 数据6E 使能信号13D6 数据7 D0 数据 14 D7 数据 表 3.3 ：引脚接口说明表LM016LC采用标准的1