基于单片机的智能压力传感器.doc

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.69M 资料格式：doc 举报版权申诉

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第1章绪论

第2章总体方案设计

第3章系统硬件设计

3.1 传感器电路设计

3.1.1 传感器的定义

3.1.2 传感器的选择

3.2 信号放大电路设计

3.2.1 集成运算放大器的原理及应用

3.2.2 集成运算放大器的选择

3.3 单片机及其外围接口电路设计

3.3.1 AT89C51介绍

3.4.2 精密参考电源的选择

3.4.3 5G14433与AT89C51的接口

3.5 显示及键盘设计

3.5.1 地址锁存器的选取

3.5.2 外扩接口芯片的选择及接口地址的确定

3.5.4显示电路设计

第4章系统软件设计

4.1 软件编译思想

目录摘要 ........................................................... Ⅰ Abstract ........................................................... Ⅱ 第 1 章绪论 ......................................................... 1 第 2 章总体方案设计 .................................................. 2 第 3 章系统硬件设计 .................................................. 3 3.1 传感器电路设计 ................................................ 3 3.1.1 传感器的定义 .............................................3 3.1.2 传感器的选择 .............................................3 3.2 信号放大电路设计 .............................................. 4 3.2.1 集成运算放大器的原理及应用 ................................ 4 3.2.2 集成运算放大器的选择 ..................................... 5 3.2.3 放大电路的设计 ........................................... 7 3.3 单片机及其外围接口电路设计 ..................................... 8 3.3.1 AT89C51 介绍 ............................................. 8 3.3.2 管脚说明 ................................................ 9 3.3.3 振荡器介绍 ..............................................11 3.4 A/D 转换电路设计 ............................................. 11 3.4.1 A/D 转换器的选择 ........................................ 11 3.4.2 精密参考电源的选择 ...................................... 14 3.4.3 5G14433 与 AT89C51 的接口 ................................. 15 3.5 显示及键盘设计 ............................................... 15 3.5.1 地址锁存器的选取 ........................................ 16 3.5.2 外扩接口芯片的选择及口地址的制定 ......................... 16 3.5.3 8255 芯片介绍 ........................................... 17 3.5.4 显示电路设计 ............................................21 3.5.5 键盘接口电路设计 ........................................ 23 第 4 章系统软件设计 ................................................. 25 4.1 软件编译思想 ................................................. 25 4.2 测试数据分析 ................................................. 25 4.3 软件设计主流程图 ............................................. 26 结论 ............................................................ 27 致谢 ............................................................ 28 参考文献 ........................................................ 29

摘要智能传感器就是基于传感器技术，将传感器发出的信号进行信号处理。首先经斩波稳零放大器进行信号发大，之后经 A/D 转换器进行模数转换再经单片机 AT89C51 进行控制，最终显示出来。此处，研究的智能压力传感器，就是将压力传感器输出的电信号进行信息处理后将压力显示出来，并通过键盘控制使智能化更趋于完善。随着计算机技术的不断发展，信息处理技术也在不断发展完善。但作为提供信息的传感器，它的发展相对于计算机的信息处理功能来说就落后了。这使得自动检测技术受到影响，而检测技术是人类认识世界和改造科技不可少的重要手段。基于上述因素，越来越多的科技工作者对传感器技术予以了高度的重视，促使传感器技术加速发展，以适应信息处理技术的需要。突破是以测试技术的水平为基础的。本论文主要讨论的是智能化的实现，分硬件和软件两部分进行介绍。硬件部分主要介绍了各应用器件的特性及实现方法；软件部分主要介绍了信息处理的编译思想。关键词: 压力传感器；斩波稳零放大；A/D 转换；单片机

Abstract The intelligent sensor is based on the sensor technology，which signal is processed by sensing device send out. First passes through cuts the wave steady zero amplifier clear signal to send signal，Carries on theA/D conversion after theA/D switch to pass through shrapnel machine 89C51 afterwards to carry on the control again, finally display. Here ，Research intelligence pressure sensor，After is the electrical signal which outputs the pressure sensor carries on the information processing to demonstrate the pressure ， And enable the intellectualization through the keyboard control to tend the consummation. Which the development of the technology on computer, the information processing technology is also developing constantly. But the achievement provides the information the sensor, its development is opposite to the computer information processing function said fell behind. This causes the automatic detection technology to be influenced. But examines the technology is important methods knowing about transformation science. Based on the above many factors, the more and more scientific and technical worker have given the high value to the sensor technology，Urges the sensor technology to accelerate to develop, meets the information processing technology need，The breakthrough is take tests technical the level as the foundation. What is discussed mainly in the paper is the intellectualized realization, divides the hardware and the software two parts carrying on the introduction. The hardware part mainly introduced respectively applies the component the characteristic and the realization method; Software part mainly introduced the information processing translation thought. Keywords: Pressure sensor；Cuts wave steady zero to enlarge； A/Dtransforms； MCU

第 1 章绪论传感器技术在当代科技领域中占有十分重要的地位，是 21 世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，在国外各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。从 20 世纪 80 年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高打捞技术之首，美国等西方国家也将传感器的基本知识列为国家科技和国防技术发展的重点内容。当前，世界上正面临着一场新的技术革命，这场革命的主要基础就是信息技术。信息技术的发展给人类社会和国民经济的各个部门及各个领域都带来了巨大的、广泛的、深刻的变化，是当今人类社会发展的强大动力。并且正在改变着传统工业的生产方式，带动着传统工业和其他新兴产业的更新和变革。在军事国防、航空航天、海洋开发、生物工程、医疗保健、商检质检、环境保护、安全范围、家用电器等方面，几乎每一个现代化项目也都离不开传感器技 [1]术。信息的采集是指从自然界中、以及生产过程中或科学实验中获取人们需要的信息。信息的采集是通过传感器技术实现的，因此传感器检测技术实质上也就是信息采集技术。显而易见，在现代信息技术的三大环节中，“采集”是首要的基础的一环，没有“采集”到的信息，通信“传输”就是“无源之水”，计算机“处理”更是“无米之炊”。然而随着计算机技术的飞速发展，信息处理技术也在不断更新完善。但作为提供信息的元件传感器，它的发展相对于计算机的信息处理功能来说就落后了。这使得自动检测技术受到影响，也直接影响到多种技术的进一步发展。基于上述因素，越来越多的科技工作者对传感器技术予以了高度的重视，促使传感器技术加速发展，以适应信息处理技术的需要。本设计研究的智能压力传感器，就是将压力传感器输出的电信号进行信息处理后将压力显示出来，并通过键盘控制使智能化更趋于完善。

第 2 章总体方案设计智能压力传感器是一种检测压力的智能仪器，它的测量很精确，被广泛应用于电子称或商务测量等领域中。本设计是为了实现将压力通过系统直接显示出来。本系统的基础部件为压力传感器，是从中航电测仪器厂购买的装配成形的 MODEL 型梁式传感器。压力经过此传感器后以模拟量电压形式输出，这个输出的电压很小，一般为 mV 级。如此微弱的信号很难被分辨出来，所以通过一级放大电路将其放大。此处采用斩波稳零集成运算放大器 7650 来实现。由此便得到了放大的电压值，这时就可将此值送往控制部分进行处理。本系统的控制部分以单片机 AT89C51 为主体，来控制 A/D 转换以及键盘和显示。经过放大的电压值无法用单片机 AT89C51 来控制，必须将模拟的电压值转化为数字量。这里的 A/D 转换是由 5G14433A/D 转换器来实现的。得到的数字量被存储在单片机的 RAM 中，再通过单片机 AT89C51 的控制进行数据处理，便可以得到相应的压力值，最后通过显示出来，就完成了整个智能化的过程。为了充分实现其智能化控制，本系统通过开始，结束和复位三个键控制数据的采集，使仪器更趋于完善。总体框图如图 2-1 所示。传感器传放大器放大器 A/D 转换器 A/D 转换器 89C51 89C51 键盘键盘显示显示图 2-1 系统总框图

第 3 章系统硬件设计系统硬件设计部分主要由传感器电路设计、放大器电路设计、A/D 转换器电路设计和键盘、显示设计组成，各部分的特性及实现方法将在以下内容详细介绍。 3.1 传感器电路设计 3.1.1 传感器的定义传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件输出转换成适于传输和测量的电信号部 [6]分。 3.1.2 传感器的选择传感器的种类繁多，此处我们选用双孔梁式压力传感器。梁的结构如图 3—1 所示。电路接线如图 3—2 所示。在梁的端部有集中力作用时，孔内承受弯曲变形。将应变片粘贴在表面，四个应变片组成差动电桥输出特性的线性度良好；另外，这种梁的刚度比单孔梁式压力传感器好，故动态特性好，滞后小。根据应力分布图可以看出，加力点变化时，一孔的弯矩增加，另一孔的弯矩减小，这可在桥路内自动补偿，从而提高了传感器的精 [7]度。使用时对力点的要求也降低了，这种梁在小量程工业电子称和商用电子称中得到广泛应用。

图 3-1 传感器梁的结构 R R2 R1 红 (电源 +) 绿 (蓝 )(输出 +) R4 R3 黑 (黄 )(电源 -) 白 (输出 -) R 图 3-2 传感器的电路设计 3.2 信号放大电路设计传感器的输出信号非常小，一般为几mv 到几十 mv 的数量级。这么小的信号如果直接显示的话，显示值非常小，即使被测量变化较大，输出信号的变化也是非常小的，使实验效果不明显。如果被测量变化较小时，则输出信号的微小变化量可能会被淹没在输入失调电压、漂移或外界的干扰信号中，使微小的变化分辨不出主要是由上述因素引起的，从而致使设计失败。 3.2.1 集成运算放大器的原理及应用集成运算放大器作为通用的增益器件，它的应用十分广泛，涉及电子线路的许多领域。满足理想化条件的集成运放应具有无限大的差模电压增益，无限大的差模输入电阻，无限大的共模抑制比，无限大的频带宽度，零输出电阻以及零失调和漂 [1]移。根据上述理想化条件，可以认为，当集成运放线性工作时，只要输入电压 VO 为有限值，输入差模电压就必须趋于零，即： V+－V-=VO/AVd→0 V+→V- （3.1）同时，由于输入电阻趋于无穷大，流进放大器两输入端的电流就趋近于零，即：

I→0 （3.2）对于集成运放的输入端，根据式（3.1）应将它看作短路，而根据式（3.2）又应看作开路。因此式（3.1）和式（3.2）是进行分析的两个基本假定。 R1 R2 Rf V- V+ 2 3 R3 7 U1 4 6 + - Vo Vg1 Vg1 2 根据差动电桥输出的特点，一级放大器应采用差动放大电路以实现减法运算，如 3 4 图 3-3 差动放大电路图 3—3 所示。由图求得同相输入端电压为： V+=Vg2·R3/（R2+R3）根据 V-→V+ 可分别求得通过 R1和 Rf 的电流为： I1=（Vg1-V-）/R1≈（Vg1-V+）/R1=Vg1/R1-Vg·R3/R1（R2+R3） If=（V—VO）/Rf≈（V+-VO）/Rf=Vg2R3/Rf（R2+R3）-VO/Rf 根据 I→0，即 I1≈If 得： VO=R3（R1+Rf）/（R2+R3）R1·Vg2-Rf·Vg1/R1 若 R1=R2 Rf=R3则： VO=Rf/R1（Vg2-Vg1）（3.3）可见 V0 与两输入电压的差值成正比，Rf/R1 为它的加权因子。 3.2.2 集成运算放大器的选择因为桥输出信号非常小，故要求一级放大器的性能稳定，必须具有超失调，超低温漂，高增益，高输入阻抗等特性，只有这样才能使放大后的效果良好。斩波稳零集成运算放大器 7650 就具有以上特点，被广泛应用于电桥信号放大﹑测量放大﹑生物医学工程检测等领域。

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