【基于单片机的压力测量检测控制系统设计8600字（论文）】

基于单片机的压力测量检测控制系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u172421前言 1143761.1研究背景及意义 1136571.2压力检测系统的研究现状 2162332系统硬件电路设计 379412.1单片机最小系统 3160562.1.1单片机时钟电路和复位电路 4154152.2传感器模块 595722.2.1压力传感器的选择 578212.2.2A/D模数转换 6184192.3人机交互液晶显示单元 6133932.4矩阵键盘单元 7327582.5声光报警模块 8193182.6电源供电模块 8316423软件程序设计 965143.1软件主程序构架 9170363.2主要功能子程序的设计 10222803.2.1A/D子程序设计 11253853.2.2人机交互子程序设计 12141384系统调试 1346324.1数据采集调试 13314874.2数据统计分析调试 1460724.3声光报警调试 15121444.4软件调试 155284.5实物展示 16211245结束语 161823参考文献 171前言1.1研究背景及意义近年来,微型数字计算机越来越普遍地广泛应用于现代人们的日常学习工作、生活中。计算机的广泛使用在许多工业生产过程中微控制器的生产中一直是一个重要环节。人们越来越开始关注由多种单片机软件构成的一种嵌入式操作系统。可以毫不刻意夸张的解释说,高端先进电子仪器系统是其整体构造中所包含有微型电子计算机仪器系统,微型电子计算机仪器控制技术系统的不断产生必将促使我国现代仪器控制技术系统仪器时代的正式到来。在这一个移动信息高速发展同步不断发展的移动信息时代,传感器系统测量元件检测系统控制智能系统的关键技术应用发展主要方向有两个及其重要的技术发展战略方向,分别为系统设计智能化与控制系统功能集成一体化。而电子传感器质量检测控制系统实现智能化和系统集成一体化的很大程度主要还是取决于检测系统内部各个微处理器的综合性能。当前国内外技术开发和应用研究的一项热点技术是一种具有强大数据处理控制能力,能够自动进行精度自动检测、自动精度校准、自动进行误差精度补偿、自动精度抽样、以及标度自动变换器等功能的自动智能空气压力强度传感器数据检测处理系统。传感器控制技术已经是我国现代科学测量和工业自动化制造技术的重要组成技术之一。总而言之,为了能够保证设备生产的正常稳定运行,必须按照生产工艺中的要求长期保持稳定的生产压力,所以准确性的测量生产压力在实际生产过程中也是非常重要的。1.2压力检测系统的研究现状压力测量检测控制系统所依靠的其实就是一个压力测量传感器让它去检测采集到的压力检测信号。传感器从太空探索到小宇宙发展到大航海的一些用于大型化的各种工业生产中的振动检测装置上都时常的可以看到能够清楚看到的也可以清晰的的可以见到其上面所安装的仪表具有可以自动检测各个部位间和压力的各种振动检测仪表,实时的自动精确的监测各个振动部位间的压力和仪表的具体振动幅度大小,如若失常则自动及时发出报警,很好的可以有利高效率地精确保证了大型化化工业生产的安全正常的进行生产运作。压力的自动化和实时控制优化压力检测和自动控制压力系统设备能够有效率地保证整个压力生产线和压力设备的安全稳定正常运行。通过内部力对压力进行变化驱动传感器将被动压力检测系统测量得到物体的内部力而压力变化传感器的信号经过进行电压转化而转换成为四位高压交流电信号，再经过高频信号滤波放大器进行滤波后送进行高频模拟信号经过调频进行放大，送至24位高频模拟信号A/D输出信号进行转换器,然后将这个四位模拟信号转换成并向每个单片组电机信号输出一个可以同时进行自动识别的一个模拟高频数字信号,再经过单片机转换成LCD显示器可以识别的信息并向每个显示器信号输出一个可以同时进行自动识别的模拟数字信息,最后转换形成并向显示器的信号进行输出。2系统硬件电路设计2.1单片机最小系统单片机是集成在一块芯片上的完整计算机系统。单片式主机的所有很多的集成功能都需要集成在一块小型的芯片上,它必须具有一个比较完整的集成计算机所可能需要的大量和部分集成组件:外部射频数据总线和微控制处理系统、内存和CPU同时通过芯片集成用于实时射频时钟器的通讯控制接口、定时器和集成时射频时钟等外围设备。它主要功能指的也就是把中央处理器(CPU)、随机存取一个带有数据输出流的数字存储器(RAM)、只读随机不可读取数据流的存储器(ROM)、输入/数据输送的读出和一个带有输出端和输入的微控制器的数据端口(I/O)等实现计算机应用功能的零部件直接集成在电路设计芯片上的微型电子计算机。最小系统图如下图2.1所示。图2.1单片机最小系统图。2.1.1单片机时钟电路和复位电路（1）时钟电路晶体振荡器的一个重要参数是通过选择一个负载电容值等于负载电容值的并联电容器，可以获得晶体振荡器的标称谐振频率。一般的晶体振荡器电路在反相放大器的两端连接到晶体振荡器，然后每个电容的另一端接地。这两个电容进行串联的容量值就应该等于工作负载通过电容。一般的晶振的负载电容为15pF或12.5pF，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个20pF的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。电路结构如图2.2所示图2.2时钟电路（2）复位电路单片机的复位电路有两种，上电自动进行复位方式方法以及通过手动复位方式。自动复位的具体方法是单片机时钟电路工作后在RESET端，连续提供两个机器周期的高电平脉冲就可以完成复位操作。而手动复位是通过手动连续两次按键给出两个机器周期的高电平来完成复位。本设计采用的是手动复位电路。结构如图2.3所示：图2.3单片机复位原理图2.2传感器模块使用一种测量型号范围为A-CZL-A、量程为10kg的直流电阻电压应变式电流压力放大传感器，对被电流检测器收到的电流物体信号进行电流压力信号采集并将其转换成一个相应的小型电压放大信号，输出的小型电压放大信号一般很小，此时我们就可能需要综合考虑如何利用一个HX711转换电路模块和其中的一个小型可编程电压放大器模块来对其信号进行电压放大。放大后的一个模拟数字电压和电流信号经24位元的A/D信号转换器将芯片的HX711电路转换成一个模拟数字的测量,通过2条直接或相连多条数字线圈采用串行的通信方式与一个单片机设备进行数字通信,即用户可以轻松地直接完成这些文字数据的模拟接收和分析采集。数字信号采集处理模块的工作原理以及框图结构如下图2.4所示。图2.4传感器模块图2.2.1压力传感器的选择此处进行测量的电桥通常都是选用直流电桥,由于直流电桥在对抗干扰时的能力相对比较强,但是我们输出和控制信号之间差别很大,所以企业在设计这些转换电信号时就需要进行放大,可以不断地通过建立一个高效率的放大电路来进行放大。R1、R2、R3和以及R4组成一个普通惠更斯直流电桥,将两对普通电阻高压应变片之间的输出电流随其阻抗比值发生变化而互相转换而组合成为一个进入输出直流电压,其主要基本工作电路结构及具体基本原理按照框图所示如下图2.5所示。图2.5测量电桥原理图2.2.2A/D模数转换模拟量输入进行数据通道的任务就是将模拟量的信号转化为数字量。这个装置叫做模拟数字转换器转换器或者d转换器。在这样的设计中,模数变换器的工作任务主要就是将从放大器输入的模拟信号变成一个数字量并对其进行输出。根据对系统的设计精度要求以及对各种综合分析进行比较,本次设计中主要采用24位A/D转换器HX711,主要是由于包括一个稳压电源、片内时钟振荡器等其他同一种类型进行控制芯片工作所需的外围硬件电路,具有软件集成程度高、抗干扰能力强等特点。降低了整个系统的费用,提高了整机的性能和可靠性。当芯片上电时，芯片中的上电自动复位电路将使芯片自动复位。管脚PD_SCK用来控制HX711的断电。当芯片PD_SCK为一个正常低电平时，芯片就可能会继续处于正常的一个工作单元状态,芯片从工作单元开始复位或者到停止单元继续而当工作到该状态后,A/D信号转换器就可能需要4个射频信号延长输出的工作周期。DOUT在4个有效数据的音频输出处理周期后才可以开始由一个高电平逐渐慢慢变化到低电平，输出一个有效的音频数据。A/D转换电路如下图2.6所示图2.6A/D转换电路2.3人机交互液晶显示单元液晶显示电路是一种用于压力检测的技术系统与单片机信息交互的接口,根据观察得到的值,通过矩阵键盘自动对单片机进行管理控制。本节设计了一套较为合理的键盘显示电路来实现这些功能。LCD12864用来显示实时压力值，液晶屏电路如图2.7所示。LCD_CS、LCD_RES、LCD_RS、LCD_SDA、LCD_SCK为液晶模块与单片机接口的控制线。CS_ZK、SCK_ZK、SO_ZK和SI_ZK为字库和单片机接口的控制线。图2.712864液晶显示电路2.4矩阵键盘单元下图2.8所示矩阵键盘包含有以下几个功能键。“清空”键用来清空存储的历史数据，则相应的数据统计得到的值均为0；“调零”键用来将压力传感器调零，让当前压力值显示为0.000kg；“修改阈值”键用来修改系统预设的阈值9.999kg，可以任意在0~9.999kg之内设计阈值；“返回”键可以使当前操作返回到上一级；“确认”键用来将所中的功能确定，传送给系统，执行相应程序。矩阵键盘行扫描信号为ROW1~ROW3，列扫描信号为COL1~COL4。线路信号为输入信号，低电平有效；列信号为输出信号。图2.8矩阵键盘电路2.5声光报警模块该自动报警控制电路一般要求选用8550PNP型三极性接线管,基极一般都是在高于或者低电平的情况下才与导线进行接通,当被动量测给定物体的最小重量行程大于或或超过被动量测给定物体的最大重量测行程时,BEEP和它的ALERT分别同时给出了一个远远高于或者低电平的报警信号,驱动报警蜂鸣器产生一定的声音,报警电路中的指示灯暂时停止或熄灭。如下图2.9所示:图2.9声光报警电路图2.6电源供电模块该系统采用USB电源供电方式,其中输出的电源容量为5v。并且基于单片上主机接口编译器的串行程序也同样可以通过U和USB两个线路直接进行模拟串行文件下载。借助于手动按键方式启动控制开关的电源操作台可自动控制各种电源工作台和电源之间的通讯中断,实现了信息系统良性发展和运作。所以当系统完全通电后,电源指示灯一旦点燃,系统就有机会开始正常地工作。当停车时,电源指示灯会自动熄灭,系统将停车。其中电源式供电开关模块的结构如下图2.10所示。图2.10电源供电模块电路3软件程序设计根据软件设计的要求，软件设计包括了主程序模块和子程序模块两部分组成,便于软件的编写与运行。该软件的主要组成部分包括主程序A/D转换后所做的数据处理器子程序、LCD显示模块子程序、历史信息检索服务子程序、数据开发统计结果分析服务子程序、中断及延时子程序。当控制器系统正常工作时，实时显示微控制器对电压、电流的采样及其数据进行统计和分析。同时可以在测量的过程中将压力值控制得很好，达到预警效果。3.1软件主程序构架本系统软件设计主要由五大模块共同组合而成,软件流程主要目标之一就是通过软件实现对这些系统各种功能模块的管理和控制,以及企业最终针对其中的数据资料进行研究和分析方法计算获取并得出各种系统性能评价的结果。程序在第一次执行时,对整个系统都进行了初始化,其中主要包含了输入参数初始化、输出参数和输入参数初始化及装置参数初始化三个步骤。参数的初始化时对一些新兴的全局管理系统中需要进行设计的参数来说,就已经可以有效地对其中的各项工作流程进行了参数初始化,保障了整个工作流程实际执行的可靠性;IO的一个初始化目标就是将所有IO的社会电平和网络中所有的功能都通过设定成为一种自动关闭的状态,防止企业在其中被人操作错误;器件的初始化就是通过对外围A/D芯片、模拟开关、LCD等元件的电路进行初始化,保障其产品质量并且能影响正常经济运营。如果我们在这一个技术的进步中出了一些错误,即调用报警电路设计方法来进行报警。初始化后,延迟器会在所有模块的准备就绪后等待完毕，向LCD用户发送一份数据并在屏幕上展示初始化的人机接口。此时，整个系统就已经可以重新开始进行数据采集的工作,但是参数仍然处于一种默认的状态，,如果当时没有必要进行调整则可以使用键盘来进行实时监视。如图3.1所示图3.1软件主程序构架图3.2主要功能子程序的设计先进行管理系统的初始化，初始化控制功能模块主要功能是对基于一个单片机的所有堆栈数据指针,中断函数控制器和寄存器,全局数据特征值等变量都已经可以用它来定义,赋初始化值和设置定时器等操作方式等来进行数据初始化。定时器主要就是用来将它作为通过A/D时间转换固定时间的一种选择。然后再次对它进行模数转换,判断每个压力阈值字符模数是否已经大于或者超过预先程序设定的压力阈值,转换后的每个压力模数字符用ABLCD方式显示。参数设置确认符合设定后,系统就应该会同时启动一个空气数据采集及自动控制应用程序，实现对空气压力的实时自动化和实时自动监视。3.2.1A/D子程序设计通过学习式的压力传感器对进行数据输出之后的信息可以经过一个信号放大器的工作和处理后,由A/D转换芯片进行数字经济信号。其中模拟信号的放大系数是受到放大电路的控制。而且在单片机的硬件控制系统方面，它是通过向AMAXD芯片发送固态命令。所以在每次对数据进行采集系统之前,程序都是可以通过网络进行延时直接等待数据转换工作完成，然后向系统发送一个低电平的片选信号，将这些数据信息进行读取功能，在进行数据读取的整个教学工作过程中都需要维护和改变。然后向系统发送一个时钟来判断如何读取显示的例值，将这些数据先保存在内存的设置空间，然后再向内存指针进行转移。此时芯片所需要选择的信号被设高等待下一组程序的读取完成其他编译程序的功能。A/D采集部分的流程图如下图3.2所示：图3.2A/D转换流程图3.2.2人机交互子程序设计液晶的数字显示器微控制器管理系统的基本设计电路框图及其结构原理如下图3.3所示，液晶的两个总线复位输出输入接口分别定义是两个p2.0~p2.7,p2.7被明确定义是作为对于CS片的复位选口,每次对于一个液晶芯片进行一个复位操作必须首先拉高CS的输出信号，p2.5被明确定义是作为一个对于液晶的总线复位输出接口。一般从第一个章节开始对于各种液晶汉字数据分析显示软件系统功能进行了的初始化，功能主要内容包括对于各种液晶的显示背光持续时间，背光的亮度等级，字符串等信息的分别显示不同的中文格式，汉字数据研究了解的显示汉字内容的各种格式,和液晶用户界面一样进行了的初始化。在初始的优化参数工作全部完成后,下一步工作就是开始显示这些参数。图3.3液晶显示初始化控制流程图4系统调试4.1数据采集调试压压力传感器数据实时采集处理,这是现代压力检验技术体系中的一个重要组成部分。采用一种电阻应变型压力传感器来采集压力，将该传感器与其连接至一个相应的端口，观察其所采集的压力状态是否正常。电阻值也随着反射应变片的形状发生改变，经过一次改变的电压值被单片机输出，经过一次放大再传递给单片机。由此我们就可以揭示出我国目前压力的大小。分别以已知信息的质量为标准，物体被放置于一个压力型托盘上，观察液晶数据的显示，判断标准误差分析仪是否处于可控范围如表4.1所示。表4.1数据采集结果记录表序号被测物体质量(kg)测量结果(kg)绝对误差（kg）引用误差（%）10.10.092-0.008-0.0820.20.191-0.009-0.0930.50.490-0.010-0.1041.00.990-0.010-0.1051.51.489-0.011-0.1162.01.988-0.012-0.1273.02.988-0.012-0.1284.03.987-0.013-0.1395.04.986-0.014-0.14106.05.985-0.015-0.15117.06.984-0.016-0.16128.07.984-0.016-0.16“测量结果"是使用一台单片机从A/D芯片的一个输入端上进行读取测量所得到的信号进行转换。由上述研究结果我们已经很清楚地发现,使用24位A/D芯片HX711后,本系统的数据采集和处理的精度相对比较高,与实际的相关数据相对偏差值也比较小。由于所需要测量的数据和其真值,在被检测一个物体的质量相对于其真值较低时,测量的结果和误差也就相对于其真值较小,被检测一个物体的质量相对于其真值就会变得越大。被检测的一个物体的质量范围定义为0.1~2.0kg时,精度最高可以控制到9.6kg;被检测物体的质量范围一般为2.0~6.0kg时,精度最高可以控制到12.75g;被检查物体的精度范围从6.0~10kg时的精度最高可达15.7g。求得这个模型系统的工作精度一般应该为12g左右,基本上能够满足要求。4.2数据统计分析调试如果把当前被经过检测所得到的这个物体连续地直接安装在一个压力托盘上，则我们就完全可以直接采取手动插入存储器的方式，将当前经过检测所得到的这个物体实时承受压力的数值直接保存在该这个托盘中。存储的操作次数一般不要超过少于八次。计算公式平均值、最高点、中值和众数。第一步就是把所有存储在该系统中的数据进行由最小化至更大的顺序。平均值的计算我们立刻就把所有存储的资料进行了相加来求得平均值。最大值就是直接阅读排序的数组,输出时会显示最多。中位数就是我们在选择时候要排序后的中间数，如果它们都是奇数,那么在排序后由小到大的中间数就是中位数;如果其中包含了偶数，那么在排序后中间两个数的平均值就被称为中位数。众数求法依次将一个企业的数据与后面的技术数据信息分别进行了分析和比较，找出了相同数据，出现问题次数最多的技术数据结果通过显示技术输出，显示技术中问题发生时的次数和原来技术数据的大小。如果两个数据都会出现相同次数(其中一个超过1次)则两个数据都会被显示为输出。经过多次调试每个按键都能准确地进行管理系统主要的功能选项各种功能也都是通过软件来实现的。4.3声光报警调试程序中已经设定阈值为9.999kg，进入系统主界面后，显示当前阈值为9.999kg，按阈值重设键，界面切换到阈值重设状态，再按左右键选择想要修改的数字，接着按加减键将阈值设为用户想要的值，比如设“2.000kg’’，然后放置物体当达到2.000kg时，声光报警模块启动，蜂鸣器发声，LED点亮，则报警调试成功。4.4软件调试1.ADC数据采集程序模块本测量系统中使用ADC模块HX711来实时地获取单个压力传感器的一个电压和另一个电流。然后进入一次中断,等待ADC转换工作完成。定义每次压力时一般都会使用long型,在对其进行定义和调试时,发现每次的压力都只有被调至4.23kg左右,再把每次的压力进行调大就可能会导致出现一个乱码,在定义和检查中如果有任何错误后我们可以看出,这时候是long型的范围不够,数据可能会自动从空气中溢出将每次的压力进行调大后修改为unsignedlong型。2.显示模块程序12864为该产品操作系统的中文液晶，有些简体汉字无法直接实现中文显示。设置其中LCD的数据显示测试程序和其中的不同格式字符和位置数据,运行继续程序，观察其中LCD的字符位置数据是否按照运行程序中所需要设置的格式显示字符，如果不正确,重新程序审视运行程序的字符编写法和位置数据是否正确，调整运行程序后再次运行继续程序进行显示测试，直到发现LCD的数据显示测试结果已经达到程序预定的显示值。3.按键交互单元将每个按键控制模块都进行了独立开发出来，给每个按键控制系统设定一个不同的功能，使用LCD自动显示其中的按键值,运行管理程序，按下每个按键并通过观察LCD的显示研究结果分析它们能够正常，是否和工作程序所设定的按键值一致，若不一致则通过调试操作程序直到按键结果更加准确地符合工作程序所预定的值。4.5实物展示本系统硬件最终实物图如下图4.1所示。图4.1整体系统实物5结束语本次的产品设计,实现的主要设计功能就是将另一个单片机的交流电阻经由应变式压力检测传感器采集到电压称重后所得到的压力模拟信号经由采集和检测获得的电压称重后转换为51单片机的用户可以直接通过电子识别的模拟和数字信号,再经由另一单片机的数字运算信号处理后直接发送输出信号给ECU。矩阵式数控键盘系统能够有效实现对系统的操作自动化和数据实时化的管理，对应用单片机自动执行系统指令自动下达，实现系统温度自动检测、声光报警、移动数据存储、历史数据自动查询和企业统计数据分析等各项实用功能。为了更加精准地对这个新型物体重量进行了精确称重和温度测量，使用者得到了一个以前从未被任何人们真正接触过的新型电子A/D测量芯片称为HX711。24位高质量精度机械A/D压力转换器AXHX711是一种专门为我们进行机械压力精度测量而进行开发和设计制造的高质量精度压力芯片，从网上进行搜索收集得来的很多相关技术资料对我们开发有可能帮助很大，遇到不懂的问题自己解决不了，就和大家一起讨论。除学习芯片功能外，主要了解了对芯片串行输出的控制，这里次的产品设