基于單片機的智能壓力檢測系統(tǒng)的設(shè)計

1、題 目：基于單片機的智能壓力檢測系統(tǒng)的設(shè)計基于單片機的智能壓力檢測系統(tǒng)的設(shè)計摘要壓力是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)之一。壓力的檢測或控制是保證生產(chǎn)和設(shè)備安全運行必不可少的條件。實現(xiàn)智能化壓力檢測系統(tǒng)對工業(yè)過程的控制具有非常重要的意義。本設(shè)計主要通過單片機及專用芯片對傳感器所測得的模擬信號進(jìn)行處理,使其完成智能化功能。介紹了智能壓力傳感器外圍電路的硬件設(shè)計,并根據(jù)硬件進(jìn)行了軟件編程。本次設(shè)計是基于at89c51單片機的測量與顯示。是通過壓力傳感器將壓力轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過運算放大器進(jìn)行信號放大，送至8位ad轉(zhuǎn)換器，然后將模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可以識別的數(shù)字信號，再經(jīng)單片機轉(zhuǎn)換成led顯示器可以識別的信

2、息，最后顯示輸出。而在顯示的過程中通過鍵盤，向計算機系統(tǒng)輸入各種數(shù)據(jù)和命令，讓單片機系統(tǒng)處于預(yù)定的功能狀態(tài)，顯示需要的值。本設(shè)計的最終結(jié)果是，將軟件下載到硬件上調(diào)試出來了需要顯示的數(shù)據(jù)，當(dāng)輸入的模擬信號發(fā)生變化的時候，通過a/d轉(zhuǎn)換后，led將顯示不同的數(shù)值。關(guān)鍵詞: 壓力；at89c51單片機；壓力傳感器；a/d轉(zhuǎn)換器；led顯示；design of pressure detecting system based on single-chipabstractpressure is one of the important parameters in the process of indust

3、rial production. pressure detection or control is an essential condition to ensure 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 s

4、ingle-chip microcomputer. in this graduation design, primarily through by using single-chip and dedicated chip, handling of analog signal measured by the sensor to complete intelligent function. this design illustrates external hardware circuit design of intelligent pressure sensor, and conduct soft

5、ware development to the hardware.the design 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 ana

6、log signal is converted into digital signals which 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 c

7、omputer, the single-chip will locate in a predetermined function step to display required values. the end result of this design is that by downloading software to the hardware, it will get the data which is required to display by debugging. when the input analog signals change, the led monitor will

8、display different values through the a/d converting. key words: pressure; at89c51 single-chip; pressure sensor; a/d converter; led monitor;目錄摘要.iabstract.ii第一章 緒論.11.1 研究背景11.2 基于單片機的智能壓力檢測的原理21.2.1 壓力的概念21.2.2 測量壓力的意義3第二章 基于單片機的智能壓力檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計.42.1 壓力傳感器42.1.1 壓力傳感器的選擇42.1.2金屬電阻應(yīng)變片的工作原理42.1.3電阻應(yīng)變片的基本

9、結(jié)構(gòu)62.1.4 電阻應(yīng)變片的測量電路62.2 信號放大電路82.1.2 放大器的選擇82.2.4 三運放大電路92.3 a/d轉(zhuǎn)換器102.3.1 a/d轉(zhuǎn)換模塊器件選擇102.3.2 a/d轉(zhuǎn)換器的簡介102.3.3 配置位說明112.3.4 adc0832工作時序圖122.3.3 單片機對adc0832的控制原理132.4 單片機142.4.1 at89c51單片機簡介142.4.2主要特性.152.4.3 管腳說明152.4.5 芯片擦除172.5 單片機于鍵盤的接口技術(shù)182.5.1 鍵盤功能及結(jié)構(gòu)概述182.5.2 鍵盤抖動及去除182.5.3 單片機與鍵盤的連接192.6 led

10、顯示接口212.6.1發(fā)光二極管及l(fā)ed顯示器212.6.2七段數(shù)碼顯示器222.6.3 led數(shù)碼管靜態(tài)顯示接口24第三章 軟件設(shè)計.263.1 a/d轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計263.1.1 adc0832芯片接口程序的編寫263.2 單片機與鍵盤的接口程序設(shè)計273.4 led數(shù)碼管顯示程序設(shè)計28第四章 總結(jié).30參考文獻(xiàn).31附錄a.32附錄b33致謝.38第一章 緒論1.1 研究背景近年來，隨著微型計算機的發(fā)展，他的應(yīng)用在人們的工作和日常生活中越來越普遍。工業(yè)過程控制是計算機的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。其中由單片機構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注?，F(xiàn)在可以毫不夸張的說，沒有微型計算機的儀器不

11、能稱為先進(jìn)的儀器，沒有微型計算機的控制系統(tǒng)不能稱其為現(xiàn)代控制系統(tǒng)的時代已經(jīng)到來。壓力測量對實時監(jiān)測和安全生產(chǎn)具有重要的意義。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了高效、安全生產(chǎn)，必須有效控制生產(chǎn)過程中的諸如壓力、流量、溫度等主要參數(shù)。由于壓力控制在生產(chǎn)過程中起著決定性的安全作用，因此有必要準(zhǔn)確測量壓力。為了測到不同位置的壓力值，本次設(shè)計為基于單片機智能壓力測量系統(tǒng)。通過壓力傳感器將需要測量的位置的壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過運算放大器進(jìn)行信號放大，送至8位ad轉(zhuǎn)換器，然后將模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可以識別的數(shù)字信號，再經(jīng)單片機轉(zhuǎn)換成led顯示器可以識別的信息，最后顯示輸出?；趩纹瑱C的智能壓力檢測系統(tǒng)，選擇的單片機是

12、基于at89c51單片機的測量與顯示，將壓力經(jīng)過壓力傳感器變?yōu)殡娦盘?，再通過三運放放將電信號放大為標(biāo)準(zhǔn)信號為0-5v的電壓信號，然后進(jìn)入a/d轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，我們所采樣的a/d轉(zhuǎn)換器為adc0832，adc0832為8位分辨率a/d轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在05v之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32s，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過di數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。 正常情況下adc08

13、32與單片機的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是cs、clk、do、di。但由于do端與di端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將do和di并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。 為了提高單片機系統(tǒng)i/o口線的利用效率,利用單片機at87c51的串行口和串行移位寄存器74ls164擴展輸出多位led顯示.鍵盤是單片機系統(tǒng)實現(xiàn)人機對話的常用輸入設(shè)備。我們通過鍵盤，向計算機系統(tǒng)輸入各種數(shù)據(jù)和命令，亦可通過使用鍵盤，讓單片機系統(tǒng)處于預(yù)定的功能狀態(tài)。要想實現(xiàn)壓力的顯示需硬件與軟件配合，最終調(diào)試出來。1.2 基于單片機的智能壓力檢測的原理 本次設(shè)計是以單片機組成的壓力測量，系統(tǒng)中必須有前向通道作

14、為電信號的輸入通道，用來采集輸入信息。壓力的測量，需要傳感器，利用傳感器將壓力轉(zhuǎn)換成電信號后，再經(jīng)放大并經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后才能由計算機進(jìn)行有效處理。然后用led進(jìn)行顯示，而鍵盤的作用是改變輸入量的系數(shù)的。它的原理圖如圖1.1所示。壓力傳感器放大器顯示單片機a/d轉(zhuǎn)換鍵盤圖1.1 壓力測量儀表原理方框圖我們這次主要做的是a/d轉(zhuǎn)換，單片機鍵盤和顯示，我們選用的a/d轉(zhuǎn)換器是adc0832，單片機為at89c51，鍵盤為4乘4的鍵盤，顯示為4位數(shù)碼管顯示。根據(jù)硬件電路編程，調(diào)試出來并顯示結(jié)果。1.2.1 壓力的概念壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一，為了保證生產(chǎn)正常運行，必須對壓力進(jìn)行測量和控制，

15、但需說明的是，這里所說的壓力，實際上是物理概念中的壓強，即垂直作用在單位面積上的力。在壓力測量中，常用絕對壓力、表壓力、負(fù)壓力或真空度之分。所謂絕對壓力是指被測介質(zhì)作用在容器單位面積上的全部壓力，用符號pj表示。用來測量絕對壓力的儀表稱為絕對壓力表。地面上的空氣柱所產(chǎn)生的平均壓力稱為大氣壓力，用符號pq表示。用來測量大氣氣壓力的儀表叫氣壓表。絕對壓力與大氣壓力之差。稱為表壓力，用符號pb表示。即pb=pj-pq。當(dāng)絕對壓力值小于大氣壓力值時，表壓力為負(fù)值（即負(fù)壓力），此負(fù)壓力值的絕對值，稱為真空度，用符號pz表示。壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)，如高壓容器的壓力超過額定值時便是不安全的，必須進(jìn)行測

16、量和控制。在某些工業(yè)生產(chǎn)過程中，壓力還直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，如生產(chǎn)合成氨時，氮和氫不僅須在一定的壓力下合成，而且壓力的大小直接影響產(chǎn)量高低。此外，在一定的條件下，測量壓力還可間接得出溫度、流量和液位等參數(shù)。1643年，意大利人托里拆利首先測定標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓力值為760毫米汞柱，奠定了液柱式壓力測量儀表的基礎(chǔ)。1847年，法國人波登制成波登管壓力表，由于結(jié)構(gòu)簡單、實用，很快在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用，一直是常用的壓力測量儀表。二十世紀(jì)上半葉出現(xiàn)了遠(yuǎn)傳壓力表和電接點壓力表，從而解決了壓力測量值的遠(yuǎn)距離傳送和壓力的報警、控制等問題。60年代以后，為適應(yīng)工業(yè)控制、航空工業(yè)和醫(yī)學(xué)測試等方面的要求，壓力測

17、量儀表日益向體積輕巧、耐高溫、耐沖擊、耐振動和數(shù)字顯示等方向發(fā)展。1.2.2 測量壓力的意義壓力是過程生產(chǎn)中四大重要參數(shù)之一，它在檢測生產(chǎn)過程能否完全可靠正常運行的重要參數(shù)指標(biāo)，尤其在化工生產(chǎn)過程中壓力這一參數(shù)更顯得尤為重要。在化工生產(chǎn)過程中，壓力即影響物料平衡，也影響化學(xué)反應(yīng)速速，是標(biāo)志生產(chǎn)過程能否正常進(jìn)行的重要參數(shù)。安全生產(chǎn)的需要，從確保安全生產(chǎn)的角度，壓力檢測也是非常重要的。如：確保壓力容器內(nèi)的壓力在安全指標(biāo)之內(nèi)，確保易燃易爆介質(zhì)的壓力不超標(biāo)。在其他工業(yè)生產(chǎn)中壓力檢測于控制也非常重要。?？梢姷揭恍┕I(yè)裝置上都有壓力表。如：汽包壓力,當(dāng)壓力過高容易爆炸，壓力低動力不足；還有爐膛壓力；一般維

18、持在0mmh2o,高了爐門縫冒煙塵，低了膛內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓降低溫度。若維持在10 mmh2o，節(jié)能20%。壓力也是間接測量物位的手段，用孔板測量流量僅能產(chǎn)生差壓，而這個差壓考壓力檢測的方法來測取才能最終求出流量。液面的高度可以靠測取壓力的大小來表示?？傊?，壓力檢測是一般成產(chǎn)過程所不可缺少的環(huán)節(jié)，只有按工藝要求保持壓力的穩(wěn)定，才能維持生產(chǎn)的正常進(jìn)行。所以壓力準(zhǔn)確測量在實際過程是非常重要的。第二章 基于單片機的智能壓力檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1 壓力傳感器2.1.1 壓力傳感器的選擇壓力傳感器是壓力檢測系統(tǒng)中的重要組成部分，由各種壓力敏感元件將被測壓力信號轉(zhuǎn)換成容易測量的電信號作輸出，給顯示儀表顯示壓力值

19、，或供控制和報警使用。力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。 而電阻應(yīng)變式傳感器具有悠久的歷史。由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便、性能穩(wěn)定、可靠、靈敏度高動態(tài)響應(yīng)快、適合靜態(tài)及動態(tài)測量、測量精度高等諸多優(yōu)點，因此是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性元件和電阻應(yīng)變片構(gòu)成，當(dāng)彈性元件感受到物理量時，其表面產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在彈性元件表面的電阻應(yīng)變片的電阻值將隨著彈性元件的應(yīng)變而相應(yīng)變化。通過測量電阻應(yīng)變片的電阻值變化，可以用來測量位移加速度、力、力矩、壓力等各

20、種參數(shù)。2.1.2金屬電阻應(yīng)變片的工作原理應(yīng)變式壓力傳感器是把壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化來進(jìn)行測量的，應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的

21、儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是a/d轉(zhuǎn)換和cpu）顯示或執(zhí)行機構(gòu)。其阻值隨壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變而變化。金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象,俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。對于金屬導(dǎo)體，如圖2.1所示，一段圓截面的導(dǎo)線的金屬絲,設(shè)其長為l,截面積為a（直徑為d） ,原始電阻為 r，金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示： r=la (2.1)式中：金屬導(dǎo)體的電阻率（cm2/m） s導(dǎo)體的截面積（cm2） l導(dǎo)體的長度（m）圖2.1 金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬絲受到軸向力 f而被拉伸或壓縮產(chǎn)生形變 ,其電阻值會隨之變化 ,通過對（2.1）式兩邊取對數(shù)后再取全微分得:

22、 （2.2）式中為材料軸向線應(yīng)變 ,且 跟據(jù)材料力學(xué) ,在金屬絲單向受力狀態(tài)下 ,有 (2.3)式中為導(dǎo)體材料的泊松比。因此 ,有 (2.4)試驗發(fā)現(xiàn) ,金屬材料電阻率的相對變化與其體的相對變化間的關(guān)系為 (2.5)式中 , c為常數(shù)(由一定的材料和加工方式?jīng)Q定)將式 (2.5)代入 (2.4) ,且當(dāng)r=r時 ,可得 (2.6)式中，k=(1+2)+c(1-2)為金屬絲材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)。上式表明 ,金屬材料電阻的相對變化與其線應(yīng)變成正比。這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)。電阻變化率 r/r 的表達(dá)式為：k=r/r/，式中材料的泊松系數(shù)；應(yīng)變量。當(dāng)金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，

23、從上式中可很容易看出，其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情。2.1.3電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片主要由四部分組成。如圖 2.2所示 ,電阻絲是應(yīng)變片敏感元件;基片、覆蓋片起定位和保護電阻絲的作用,并使電阻絲和被測試件之間絕緣;引出線用以連接測量導(dǎo)線。圖 2.2電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)2.1.4 電阻應(yīng)變片的測量電路應(yīng)變片可以將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，為了顯示于記錄應(yīng)變的大小，還要將電阻的變化再轉(zhuǎn)換為

24、電壓或電流的變化，因此需要有專用的測量電路，通常采用直流電橋和交流電橋。2.1.4.1電橋電路的工作原理由于應(yīng)變片的電橋電路的輸出信號一般比較微弱，所以目前大部分電阻應(yīng)變式傳感器的電橋輸出端與直流放大器相連，如圖2.3所示。 圖2.3直流電橋設(shè)電橋的各臂的電阻分別為r1r3r2r4 它們可以全部或部分是應(yīng)變片。由于直流放大器的輸入電阻比電橋電阻大的多，因此可將電橋輸出端看成開路，這種電橋成為電壓輸出橋，輸出電壓u0 為 u0= （2.7）由上式可見：若r1r3=r2r4，則輸出電壓必為零，此時電橋處于平衡狀態(tài)，稱為平衡電橋。平衡電橋的平衡條件為：r1r3=r2r4 應(yīng)變片工作時，其電阻變化r，

25、此時有不平衡電壓輸出。 （2.8）由式（2.8）表明：r r1 時，電橋的輸出電壓于應(yīng)變成線性關(guān)系。若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變活壓應(yīng)變時，輸出電壓為兩者之差，若不同時，則輸出電壓為兩者之和。若相對兩橋臂的極性一直，輸出電壓為兩者之和，反之則為兩者之差。電橋供電電壓u越高，輸出電壓u0 越大，但是，當(dāng)u大時，電阻應(yīng)變片通過的電流也大，若超過電阻應(yīng)變片所允許通過的最大工作電流，傳感器就會出現(xiàn)蠕變和零漂?；谶@些原因可以合理的進(jìn)行溫度補償和提高傳感器的測量靈敏度。2.1.4.2 非線性誤差及溫度補償由式（2.8）的線性關(guān)系是在應(yīng)變片的參數(shù)變化很小，極r r1 的情況下得出的，若應(yīng)變片承

26、受的壓力太大，則上述假設(shè)不成立，電橋的輸出電壓應(yīng)變之間成非線性關(guān)系。在在這種情況下，用按線性關(guān)系刻度的儀表進(jìn)行測量必然帶來非線性誤差。為了消除非線性誤差，在實際應(yīng)用中，常采用半橋差動或全橋差動電路，如圖2.4所示，以改善非線性誤差和提高輸出靈敏度。 u u (a)半橋差動電路 （b） 全橋差動電路 圖2.4 差動電橋圖2.4（a）為半橋差動電路，在傳感器這中經(jīng)常使用這種方法。粘貼應(yīng)變片時，使兩個應(yīng)變片一個受壓，一個受拉。應(yīng)變符號相反，工作時將兩個應(yīng)變片接入電橋的相鄰兩臂。設(shè)電橋在初始時所示平衡的，且為等臂電橋，考慮到r=r1=r2 則得半橋差動電路的輸出電壓為 （2.9）由上式可見，半橋差動電

27、路不僅可以消除非線性誤差，而且還使電橋的輸出靈敏度提高了一倍，同時還能起到溫度補償?shù)淖饔谩Ｈ绻磮D2.4（b）所示構(gòu)成全橋差動電路同樣考慮到 r=r1=r2=r3=r4時得全橋差動電路的輸出電壓為 （2.10）可見，全橋的電壓靈敏度比單臂工作時的靈敏度提高了4倍非線性誤差也得到了消除，同時還具有溫度補償?shù)淖饔?，該電路也得到了廣泛的應(yīng)用。2.2 信號放大電路2.1.2 放大器的選擇被測的非電量經(jīng)傳感器得到的電信號幅度很小，無法進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，必須對這些模擬電信號進(jìn)行放大處理。為使電路簡單便于調(diào)試，本設(shè)計采用三運算放大器，因為在具有較大共模電壓的條件下，儀表放大器能夠?qū)芪⑷醯牟罘蛛妷盒盘栠M(jìn)行放大

28、，并且具有很高的輸入阻抗。這些特性使其受到眾多應(yīng)用的歡迎，廣泛用于測量壓力和溫度的應(yīng)變儀電橋接口、熱電耦溫度檢測和各種低邊、高邊電流檢測。2.2.4 三運放大電路本次設(shè)計的放大器采用了三運放，因為它具有高共模抑制比的放大電路。它由三個集成運算放大器組成，如圖2.5所示。2.5 三運放高共摸抑制比放大電路其中a1和a2為兩個性能一致(主要指輸入阻抗，共模抑制比和增益)的同相輸入通用集成運算放大器，構(gòu)成平衡對稱差動放大輸入級，a3構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進(jìn)一步抑制a1和a2的共模信號，并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。由于每個放大器求和點的電壓等于施加在各自正輸入端的電壓，因此，整個差分輸入電壓現(xiàn)在

29、都呈現(xiàn)在rg兩端。因為輸入電壓經(jīng)過放大后（在a1 和a2的輸出端）的差分電壓呈現(xiàn)在r5，rg和r6這三只電阻上，所以差分增益可以通過僅改變rg進(jìn)行調(diào)整。 這種連接有另外一個優(yōu)點：一旦這個減法器電路的增益用比率匹配的電阻器設(shè)定后，在改變增益時不再對電阻匹配有任何要求。如果r5 r6，r1 r3和r2 r4，則vout = (vin2vin1)(12r5/rg)（r2/r1）。由于rg兩端的電壓等于vin，所以流過rg的電流等于vin/rg，因此輸入信號將通過a1 和a2 獲得增益并得到放大。然而須注意的是對加到放大器輸入端的共模電壓在rg兩端具有相同的電位，從而不會在rg上產(chǎn)生電流。由于沒有電流

30、流過rg（也就無電流流過r5和r6），放大器a1 和a2 將作為單位增益跟隨器而工作。因此，共模信號將以單位增益通過輸入緩沖器，而差分電壓將按1（2 rf/rg）的增益系數(shù)被放大。這也就意味著該電路的共模抑制比相比與原來的差分電路增大了1（2 rf/rg）倍。 在理論上表明，得到所要求的前端增益（由rg來決定），而不增加共模增益和誤差，即差分信號將按增益成比例增加，而共模誤差則不然，所以比率增益（差分輸入電壓）/（共模誤差電壓）將增大。因此cmr理論上直接與增益成比例增加，這是一個非常有用的特性。 最后，由于結(jié)構(gòu)上的對稱性，輸入放大器的共模誤差，如果它們跟蹤，將被輸出級的減法器消除。這包括諸如

31、共模抑制隨頻率變換的誤差。2.3 a/d轉(zhuǎn)換器模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。能夠完成這一任務(wù)的器件稱之為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱a/d轉(zhuǎn)換器。本次設(shè)計的中a/d轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將放大器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換位數(shù)字量進(jìn)行輸出。2.3.1 a/d轉(zhuǎn)換模塊器件選擇目前單片機在電子產(chǎn)品中已得到廣泛應(yīng)用，許多類型的單片機內(nèi)部已帶有a/d轉(zhuǎn)換電路，但此類單片機會比無a/d轉(zhuǎn)換功能的單片機在價格上高幾元甚至很多，我們采用一個普通的單片機加上一個a/d轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)a/d轉(zhuǎn)換的功能，這里a/d轉(zhuǎn)換器可選adc0832、adc0809等；串行和并行接口模式是a/d轉(zhuǎn)換器諸多分類中的一種，但卻是應(yīng)用中器件選擇的一個

32、重要指標(biāo)。在同樣的轉(zhuǎn)換分辨率及轉(zhuǎn)換速度的前提下，不同的接口方式會對電路結(jié)構(gòu)及采用周期產(chǎn)生影響。對a/d轉(zhuǎn)換器的選擇我們通過比較adc0809和adc0832來決定。這兩個轉(zhuǎn)換器都是常見的a/d轉(zhuǎn)換器，其中adc0809的并行接口a/d轉(zhuǎn)換器，adc0832是串行接口a/d轉(zhuǎn)換器。我們所做的設(shè)計選擇adc0832，a/d轉(zhuǎn)換在單片機接口中應(yīng)用廣泛 ,串行 a/d轉(zhuǎn)換器具有功耗低、性價比較高、芯片引腳少等特點。2.3.2 a/d轉(zhuǎn)換器的簡介在這次設(shè)計中我們a/d轉(zhuǎn)換器選用兩通道輸入的八位adc0832，adc08323是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道a/d轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，

33、兼容性強，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。adc0832 為8位分辨率a/d轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在05v之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32s，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變得更加方便。通過di 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。有關(guān)引腳說明如下： cs 片選使能，低電平芯片使能。 ch0 模擬輸入通道0，或作為in+/-使用。 ch1 模擬輸入通道1，或作為in+/-使用。 gnd

34、 芯片參考0電位（地）。 di 數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。 do 數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。 clk 芯片時鐘輸入。 vcc/ref 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。正常情況下adc0832 與單片機的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是cs、clk、do、di。它的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.6所示。圖2.6 adc0832結(jié)構(gòu)示意圖2.3.3 配置位說明adc0832工作時，模擬通道的選擇及單端輸入和差分輸入的選擇，都取決于輸入時序的配置位。當(dāng)差輸入時，要分配輸入通道的極性，兩個輸入通道的任何一個通道都可作為正極或負(fù)極。adc0832的配置位邏輯表如表2.1所示。表2.1的配置位邏輯表表中“+”表示輸入通

35、道的端點為正極性；“-”表示輸入端點為負(fù)極性h或l表示高、低電平。輸入配置位時，高位（ch0）在前，低位（ch1 ）在后。2.3.4 adc0832工作時序圖當(dāng) cs由高變低時，選中adc0832 。在時鐘的上升沿，di 端的數(shù)據(jù)移入 adc0832內(nèi)部的多路地址移位寄存器。在第一個時鐘期間,di為高，表示啟動位，緊接著輸入兩位配置位。當(dāng)輸入啟動位和配置位后，選通輸入模擬通道，轉(zhuǎn)換開始。轉(zhuǎn)換開始后，經(jīng)過一個時鐘周期延接著在第一個時鐘周期延遲，以使選定的通道穩(wěn)定。adc0832緊接著在第4個時鐘下降沿輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸出時先輸出最高位（d7d0）輸出完轉(zhuǎn)換結(jié)果后，又以最低位開始重新遍數(shù)據(jù)（d7

36、d0 ），兩次發(fā)送的最低位共用。當(dāng)片選cs為高時，內(nèi)部所有寄存器清 ，輸出變?yōu)楦咦钁B(tài)。如果要再進(jìn)行一次模 數(shù)轉(zhuǎn)換，片選 必須再次從高向低跳變，后面再輸入啟動位和配置位。圖2.7 adc083工作時序圖2.3.3 單片機對adc0832的控制原理 圖2.8 adc0832與單片機的接口電路正常情況下adc0832與單片機的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是cs、clk、do、di。但由于do端與di端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將do和di并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。 當(dāng)adc0832未工作時其cs輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用，clk和do/di的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行a

37、/d轉(zhuǎn)換時，須先將cs使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端clk輸入時鐘脈沖，do/di端則使用di端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第1個時鐘脈沖的下沉之前di端必須是高電平，表示啟始信號。在第2、3個脈沖下沉之前di端應(yīng)輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。其功能項見表2.2。表2.2adc0832的功能表mux addresschannelsgl/difodd/sign0110+11+mux addresschannelsgl/difodd/sign0110+-11-+如表2.2所示，當(dāng)此2位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時，只對ch0進(jìn)行單通道

38、轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1”、“1”時，只對ch1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“0”、“0”時，將ch0作為正輸入端in+，ch1作為負(fù)輸入端in-進(jìn)行輸入。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“0”、“1”時，將ch0作為負(fù)輸入端in-，ch1作為正輸入端in+進(jìn)行輸入。到第3個脈沖的下沉之后di端的輸入電平就失去輸入作用，此后do/di端則開始利用數(shù)據(jù)輸出do進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個脈沖下沉開始由do端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位data7，隨后每一個脈沖下沉do端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù)data0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個字節(jié)的下沉輸出datd

39、0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次a/d轉(zhuǎn)換的結(jié)束。最后將cs置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以了。作為單通道模擬信號輸入時adc0832的輸入電壓是05v且8位分辨率時的電壓精度為19.53mv。如果作為由in+與in-輸入的輸入時，可是將電壓值設(shè)定在某一個較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。在進(jìn)行in+與in-的輸入時，如果in-的電壓大于in+的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為00h。 2.4 單片機隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單片機的功能將更加完善，因而單片機的應(yīng)用將更加普及。它們將在智能化儀器、家電產(chǎn)品、工業(yè)過程控制等方面得到更廣泛的應(yīng)用。單片機將是智

40、能化儀器和中、小型控制系統(tǒng)中應(yīng)用最多的有種微型計算機。2.4.1 at89c51單片機簡介 at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at89c2051是它的一種精簡版本，如圖2.9

41、所示。at89c51單機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供靈活性高且廉價的方案。圖2.9 at89c51單片機的結(jié)構(gòu)示意圖2.4.2主要特性與mcs-51 兼容 4k字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0hz-24hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部ram32可編程i/o線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路2.4.3 管腳說明vcc：供電電壓。 gnd：接地。p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當(dāng)p1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲

42、器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當(dāng)fiash進(jìn)行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。p1口：p1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。 p2口：p2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當(dāng)p2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，

43、將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。p3口：p3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當(dāng)p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口：p3口管腳 備選功能p3.0 rxd（串

44、行輸入口）p3.1 txd（串行輸出口）p3.2 /int0（外部中斷0）p3.3 /int1（外部中斷1）p3.4 t0（記時器0外部輸入）p3.5 t1（記時器1外部輸入）p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）p3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間。ale/prog：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作

45、對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。/psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。/ea/vpp：當(dāng)/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內(nèi)部鎖定為rese

46、t；當(dāng)/ea端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。xtal2：來自反向振蕩器的輸出。2.4.4 振蕩器特性xtal1和xtal2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，xtal2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。2.4.5 芯片擦除整個perom陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ale管

47、腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，at89c51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，cpu停止工作。但ram，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存ram的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。 2.5 單片機于鍵盤的接口技術(shù)2.5.1 鍵盤功能及結(jié)構(gòu)概述鍵盤是單片機系統(tǒng)實現(xiàn)人機對話的常用輸入設(shè)備。操作員通過鍵盤，向計算機系統(tǒng)輸入各種數(shù)據(jù)和命令，亦可通過使用鍵盤，讓單片機系統(tǒng)處于預(yù)定的功能狀態(tài)。鍵盤按照

48、其內(nèi)部不同電路結(jié)構(gòu)，可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤二種。編碼鍵盤本身除了帶有普通按鍵之外，還包括產(chǎn)生鍵碼的硬件電路。使用時，只要按下編碼鍵盤的某一個鍵，硬件邏輯會自動提供被按下的鍵的鍵碼，使用十分方便，但價格較貴。由非編碼鍵盤組成的簡單硬件電路，僅提供各個鍵被按下的信息，其他工作由軟件來實現(xiàn)。由于價格便宜，而且使用靈活，因此廣泛應(yīng)用在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中。 非編碼鍵盤按照其鍵盤排列的結(jié)構(gòu)，又可分為獨立式按鍵和行列式按鍵兩種類型。2.5.2 鍵盤抖動及去除目前各種結(jié)構(gòu)的鍵盤，主要是利用機械觸點的合、斷作用，產(chǎn)生一個電壓信號，然后將這個電信號傳送給cpu。由于機械觸點的彈性作用，在閉合及斷開的瞬間均有抖動

49、過程。抖動時間長短，與開關(guān)的機械特性有關(guān)，一般約510ms之間。圖2.10為閉合及斷開時的電壓抖動波形： 圖2.10 鍵閉合及斷開時的電壓抖動波形按鍵的穩(wěn)定閉合期，由操作人員的按鍵動作所確定，一般為十分之幾秒至幾秒時間。為保證cpu對鍵的一次操作僅作一次輸入處理，必須去除抖動影響及人為的操作時問長短的影響。通常去抖動影響的措施有硬、軟件兩種；可用基本rs觸發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成硬件去抖動電路如圖2.11所示。也可采用軟件延時的方法除去鍵盤抖動產(chǎn)生的影響。采用軟件除去抖動影響的辦法是，在檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一個10ms左右的延時程序，然后再去判斷該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如保持閉合狀態(tài)電平

50、則可確認(rèn)該鍵為按下狀態(tài)，從而消除了抖動影響。圖2.11 rc去抖動電路2.5.3 單片機與鍵盤的連接鍵盤與單片機的連接在單片機系統(tǒng)中鍵盤中按鈕數(shù)量較多時，為了減少i/o口的占用，常常將按鈕排列成矩陣形式，如2.13圖所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鈕加以連接。這樣，一個端口（如p1口）就能組成4*4=16個按鈕，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就能組成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。在實際應(yīng)用中，44鍵盤主要由數(shù)字09和功能鍵組

51、成。這里給出一個比較常用的鍵盤排列方式，如表2.3所示。表2.3 按鍵表123命令456功能789確認(rèn)0上移下移退出 按照鍵盤與單片機的連接方式可分為獨立式鍵盤與矩陣式鍵盤。獨立式鍵盤相互獨立，每個按鍵占用一根i/o口線，每根i/o口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他按鍵的工作狀態(tài)。如圖2.12所示這種按鍵軟件程序簡單，但占用i/o口線較多（一根口線只能接一個鍵），適用于鍵盤應(yīng)用數(shù)量較少的系統(tǒng)中。 圖2.12獨立式按鍵接口電路于獨立是按鍵接口電路要比較矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些，識別也要復(fù)雜一些如圖2.13所示。圖2.13 單片機矩陣式鍵盤接口電路上圖中列線通過電阻接正電源，并將行線所

52、接的單片機的i/o口作為輸出端，而列線所接的i/o口則作為輸入。這樣，當(dāng)按鈕沒有按下時，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。具體的識別及編程辦法如下所述。矩陣式鍵盤的按鈕識別辦法 確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下介紹一種“行掃描法”。行掃描法 行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鈕識別辦法，如上圖所示鍵盤，介紹過程如下。判斷鍵盤中有無鍵按下 將全部行線y0-y3置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與4根行線相交叉的4

53、個按鈕之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。 判斷閉合鍵所在的位置 在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過程。其辦法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鈕就是閉合的按鈕。 2.6 led顯示接口本次設(shè)計是利用89c51單片機串行口和74ls164移位寄存器實現(xiàn)多個led顯示的一種方法,利用該方法設(shè)計的多路led顯示系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、軟件編程容易和價格低廉等特點.2.6.1發(fā)光二極管及l(fā)ed顯示器發(fā)光二極管是由半導(dǎo)體發(fā)光材料做成的pn結(jié)，只要在發(fā)光二極管兩端通過正向電流5-20ma就能達(dá)到正常發(fā)光。led的發(fā)光顏色通常有紅、綠、黃、白，其外形和電氣圖形符號如圖2.14所示。單個led通常是通過亮、滅來指示系統(tǒng)運行狀態(tài)和用快速閃爍來