壓力測試系統(tǒng)課程設(shè)計

1、摘要(中文)本文首先對壓力傳感器.放大器.濾波器.模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809.微型處理器8086/8088.三態(tài)門接口芯片74LS244.LED數(shù)碼管顯示分別進(jìn)行了介紹.由于進(jìn)行壓力測試系統(tǒng)設(shè)計,開始先選定壓力傳感器,再接放大器將其放大,之后接濾波器將沒用的信號過濾,再將其通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換,將其接三態(tài)門接口芯片連接到微型處理器CPU上,最后驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示.關(guān)鍵詞:壓力傳感器.放大器.濾波器.模數(shù)轉(zhuǎn)換器.三態(tài)門接口芯片.微型處理器CPU.LED數(shù)碼管.Pressure Testing System DesignAbstract(English)This article is first t

2、o pressure sensors Filters . . . amplifier ADC analog to digital converter 0809 8086 /8088 micro-processors mentality door interface chip 74LS244 LED digital tube introduced respectively. Due to pressure testing system design . first-come-first-served basis starting selected pressure sensors, amplif

3、ier will be received after its amplification, filtering, signal filter will be useless to convert through digital-to-analog converter, received 3 door mentality interface chip connects to the micro-processors,the last drive LED CPU digital display.Keywords:Pressure sensor. Amplifier.Filter.ADC0809.

4、8086 /8088 micro-processors. mentality door interface chip 74LS244. LED digital tube 。緒論微機(jī)原理與接口技術(shù)課程設(shè)計主要是為了鍛煉同學(xué)的動手能力,并且可以加強(qiáng)電子學(xué)科專業(yè)課與專業(yè)課之間的聯(lián)系.這次設(shè)計壓力測試系統(tǒng),主要用到了壓力傳感器.放大器.濾波器.模數(shù)轉(zhuǎn)換器.微型處理器.三態(tài)門接口芯片.三位數(shù)碼顯示管.這主要用到了傳感器.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),微機(jī)原理與接口技術(shù)這三門專業(yè)課的知識.這次設(shè)計旨在讓同學(xué)們熟悉專業(yè)課知識,聯(lián)系專業(yè)課與專業(yè)課之間的互通點,熟練地掌握每個知識點,課程設(shè)計是學(xué)習(xí)升華于深化的重要過程,是對

5、學(xué)生綜合素質(zhì)與工程實踐的能力培養(yǎng).應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨立完成一項給定的設(shè)計任務(wù),編寫符合要求的設(shè)計說明書,并正確繪制有關(guān)版圖,在課程設(shè)計過程中,應(yīng)綜合運用多學(xué)科的理論.知識與技能,分析與解決工程問題.應(yīng)學(xué)會應(yīng)用課題任務(wù),進(jìn)行資料的調(diào)研、收集、加工與整理和正確使用工具書；培養(yǎng)學(xué)生掌握有關(guān)工程設(shè)計的程序、方法與技術(shù)規(guī)范. 培養(yǎng)學(xué)生掌握實驗、測試等科學(xué)研究的基本方法；鍛煉學(xué)生分析與解決工程實際問題的能力。 通過課程設(shè)計，應(yīng)能樹立正確的設(shè)計思想；培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)求實的工作作風(fēng)；在工作設(shè)計中，應(yīng)能樹立正確的工程意識與經(jīng)濟(jì)意識，樹立正確的生產(chǎn)觀點、經(jīng)濟(jì)觀點與全局觀點 該課程設(shè)計是學(xué)完本課程

6、之后的一項重要的實踐，是我們步入社會的一次深刻的鏈接，考察了我們獨立設(shè)計，計算，繪圖和分析的能力，同時提高了我們查閱各種設(shè)計手冊的能力, 通過課程設(shè)計我們學(xué)會了很多課本上沒有的知識。一個好的設(shè)計，應(yīng)能穩(wěn)定地保證工件的加工質(zhì)量，生產(chǎn)效率高，成塵低，排屑方便，操作安全、省力，制造、維護(hù)容易等其衡量指標(biāo)。 本人設(shè)計的課題是壓力測試系統(tǒng)設(shè)計。為了鞏固所學(xué)知識，并且在我們進(jìn)行課程設(shè)計之前對所學(xué)各課程的進(jìn)行一次深入的綜合性的總復(fù)習(xí),也是一次理論聯(lián)系實際的訓(xùn)練,因此,我們進(jìn)行了本次課程設(shè)計。 通過這次課程設(shè)計對自己未來將從事的工作進(jìn)行一次適應(yīng)性訓(xùn)練，從中鍛煉自己分析問題、解決問題的能力，同時，在課程設(shè)計過程

7、中，我們認(rèn)真查閱資料，切實地鍛煉了我們自我學(xué)習(xí)的能力。另外，在設(shè)計過程中，經(jīng)過老師的悉心指導(dǎo)和同學(xué)們的熱心幫助，我順利完成了本次設(shè)計任務(wù)。 由于能力所限，設(shè)計尚有許多不足之處，懇請各位老師給予批評指正。這次課程設(shè)計是我這三年來的綜合性的總復(fù)習(xí),也是一次理論聯(lián)系實際的訓(xùn)練,因此,它在我們四年的大學(xué)生活中占有重要的地位。 就我個人而言，我希望能通過這次課程設(shè)計，了解并認(rèn)識一般電子器具的工作過程，鞏固和加深已學(xué)過的技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的知識，理論聯(lián)系實際，對自己未來將從事的工作進(jìn)行一次適應(yīng)性訓(xùn)練，從中鍛煉自己分析問題、解決問題的能力，為今后的工作打下一個良好的基礎(chǔ)，并且為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)大好基礎(chǔ)。 由于

8、能力所限，設(shè)計尚有許多不足之處，懇請各位老師給予指導(dǎo)。 第1章 壓力測試系統(tǒng)設(shè)計方案1.1壓力測試系統(tǒng)設(shè)計方框圖 壓力傳感器放大器放大濾波器模數(shù)轉(zhuǎn)換單元 ADC0809CPU中央處理器8086三態(tài)門接口74LS244三位數(shù)碼顯示管圖1 壓力測試系統(tǒng)方框圖1.2 設(shè)計思路開始由壓阻式壓力傳感器來感應(yīng)壓力大小,其測壓范圍是15700pa,經(jīng)過放大器放大,其放大倍數(shù)為100400,由于放大之后原來信號里的噪聲也會被放大,要經(jīng)過濾波器濾掉噪聲部分,再將其通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號輸入CPU中央處理器處理,處理后經(jīng)過74LS138進(jìn)行譯碼,再將其通過并行接口芯片8255做

9、輸入接口用,最后將其通過驅(qū)動LED三位數(shù)碼管顯示出來.第2章 壓力測試系統(tǒng)設(shè)計2.1 傳感器 目前, 壓力傳感器種類很多, 有振動筒式、石英波登管式、壓阻式、應(yīng)變片式等多種。其中振動筒式壓力傳感器雖然不確定度可達(dá)012% FS, 但它僅適用于測量以氣體為介質(zhì)的壓力, 測壓范圍很小; 石英波登管式壓力傳感器不確定度能達(dá)到0102% , 測壓范圍也很大, 可達(dá)60M Pa 以上, 但這種傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高; 應(yīng)變式壓力傳感器測量上限一般不超過25M Pa, 不確定度為1%FS, 目前市場上有上限達(dá)60M Pa 的這類壓力傳感器, 但制作工藝較差, 可靠性低, 特別是1M Pa 以下的傳感器,

10、不確定度很難達(dá)到0104%FS; 壓阻式壓力傳感器利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成, 它采用集成電路工藝, 結(jié)構(gòu)簡單, 測壓上限可達(dá)到60M Pa, 具有工作可靠、耐腐性、抗干擾能力強(qiáng)等特點, 國內(nèi)有些廠家利用美國生產(chǎn)的傳感器芯片, 加上嚴(yán)格的組裝工藝, 其不確定度可達(dá)0104%FS 以上, 在壓力測量領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用。2.1.1 傳感器原理及其應(yīng)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、 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、 壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感

11、器、諧振式壓力傳感 器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器， 器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有 極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。1、應(yīng)變片壓力傳感器原理與應(yīng)用： 在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認(rèn)識一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變 片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。2、陶瓷壓力傳感器原理及應(yīng)用：抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳

12、遞， 力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶 瓷膜片的背面，連接成一個惠斯登電路閉橋，由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電 橋產(chǎn)生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號， 橋產(chǎn)生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，標(biāo)準(zhǔn) 的信號根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為 2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V 等，可以和應(yīng)變式傳 感器相兼容。3、擴(kuò)散硅壓力傳感器原理及應(yīng)用：被測介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上 擴(kuò)散硅壓力傳感器原理及應(yīng)用： 原理及應(yīng)用 （不銹鋼或陶瓷），使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻 不銹鋼或陶瓷），使膜片產(chǎn)生與

13、介質(zhì)壓力成正比的微位移， ），使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移 值發(fā)生變化，和用電子線路檢測這一變化， 值發(fā)生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個對應(yīng)于這一壓力的 標(biāo)準(zhǔn)測量信號。 標(biāo)準(zhǔn)測量信號。 4、藍(lán)寶石壓力傳感器原理與應(yīng)用 利用應(yīng)變電阻式工作原理，采用硅-藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體敏感元件， 利用應(yīng)變電阻式工作原理，采用硅-藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體敏感元件，具有無與 倫比的計量特性。藍(lán)寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象； 藍(lán)寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象；藍(lán) 寶石比硅要堅固，硬度更高，不怕形變； 寶石比硅要堅固，硬度更高，不怕形變；藍(lán)寶石有著非

14、常好的彈性和絕緣特性，因此，利用硅-藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)體敏感元件， ），對溫度變化 不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的工作特性；將被測壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片形變，從而達(dá)到壓力測量的目的。5.壓電壓力傳感器原理與應(yīng)用 壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。壓電材料包括有石英 其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的， 在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個范圍之后，由于隨著應(yīng)力的變化電場 性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場 變化微?。ㄒ簿驼f壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。所以

15、石英逐漸被其他的壓電晶體所替代 而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)， 而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比 較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體， 較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。 我采用的是氣體壓力傳感器MPX5700系列的壓阻式壓力傳感器.其輸出是與氣體壓力成正比的電壓,在0-85 度工作溫度范圍內(nèi)誤差小于2.5%,具有良好的互換性.測量精度高.響應(yīng)速度快.便于與微處理器連接等特性.MPX5700在工作電壓直流+5V.工作溫度085度的范圍內(nèi)工作.壓阻式傳感器可以用恒壓源供電, 也可用恒流源供電, 但恒壓源供電與恒流源供電相比存在環(huán)境溫度影響不能消

16、除的問題, 電阻式傳感器是將輸入的機(jī)械量應(yīng)變E轉(zhuǎn)換為電阻值變化的變換元件。MPX5700主要性能參數(shù): 表1 MPX5700主要性能參數(shù)特性參數(shù)最小值典型值最大值測量壓力范圍/kpa15-700工作電壓/V4.7555.25工作電流/mA-7.0100壓力時輸出值/V0.184-0.409最大輸出/V4.5874.74.813靈敏度/mv /kpa-6.4-響應(yīng)時間/ms-1.0- 圖2 恒壓供電時壓阻式傳感器電路圖圖3 恒流源供電時壓阻式傳感器電路圖2.2 放大濾波器的設(shè)計電路 2.2.1 放大器介紹與選用 壓阻式傳感器的滿量程輸出信號為70350mV 不等, 其輸出阻抗很高, 這就要求放大

17、電路須有更高的輸入阻抗, 不從傳感器輸出端吸收電流, 以免破壞傳感器的工作狀態(tài), 這里介紹的放大電路如圖4 所示,其放大倍數(shù)100-400。 圖4 放大器的電路設(shè)計這一電路具有很高的輸入阻抗和很高的共模抑制比和開環(huán)增益; 失調(diào)電流、電壓、噪聲和漂移都很小。圖中A 1,A 2 組成第一級同相并聯(lián)差動放大器, 這一級的放大輸出為V 0= V 01 - V 02 = 1+ (R 1+ R 2)/W V i; A 1,A 2 輸入端不吸收電流, 并且電路結(jié)構(gòu)對稱, 漂移和失調(diào)相互抵消, 具有抑制共模信號干擾的能力; A 3 構(gòu)成第二級差動放大, 提高放大倍數(shù), 欲有效地抑制共模信號干擾, 須使電路中R

18、 3= R 4= R , R 5= R 6= R f 則放大器總輸出為 V 0 = - (R f /R)V 0= - (R f /R) 1+ (R 1+ R 2)/W V i2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC08092.3.1 ADC0809信號引腳2.4.2信號引腳功能 ADC0809芯片為28引腳為雙列直插式封裝，其引腳排列見圖。對ADC0809主要信號引腳的功能說明如下： IN7IN0模擬量輸入通道 ALE地址鎖存允許信號。對應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。START轉(zhuǎn)換啟動信號。START上升沿時，復(fù)位ADC0809；START下降沿時啟動芯片，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)

19、換期間，START應(yīng)保持 低電平。本信號有時簡寫為ST.A、B、C地址線。 通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。其地址狀態(tài)與通道對應(yīng)關(guān)系見表9-1。CLK時鐘信號。ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHz的時鐘信號EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請求信號使用。D7D0數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為最低位，D7為最高 OE輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)

20、輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。Vcc +5V電源。 Vref參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V).2.4.3 微型處理器CPU8086/80888088是一個Intel以8086為基礎(chǔ)的微處理器，擁有16位元暫存器和8位元外部資料總線。8088使用8位元的設(shè)計，所針對的是較為經(jīng)濟(jì)之系統(tǒng)。在它推出時候，大的資料總線寬度電路板還是相當(dāng)?shù)匕嘿F。8088的預(yù)取(prefetch)貯列(queue)是4字節(jié)，相對于8086的是6字節(jié)。1979年，英特爾公司開發(fā)

21、出了8088。8086和8088在芯片內(nèi)部均采用16位數(shù)據(jù)傳輸，所以都稱為16位微處理器，但8086每周期能傳送或接收16位數(shù)據(jù)，而8088每周期只采用8位。因為最初的大部分設(shè)備和芯片是8位的，而8088的外部8位數(shù)據(jù)傳送、接收能與這些設(shè)備相兼容。2.3.4 8088引腳功能8086微處理器引腳，在邏輯上可分為3類：地址總線信號、數(shù)據(jù)總線信號、控制總線信號。還有一些專用信號：電源、地、時鐘。8086采用引腳分時復(fù)用技術(shù)，一條引腳不同時間代表不同信號,解決引腳不夠問題。AD15AD0（I/O,三態(tài)）：地址/數(shù)據(jù)復(fù)用引腳。A19/S6 A16/S3（O,三態(tài)）：地址/狀態(tài)復(fù)用引腳。BHE /S7

22、（O,三態(tài)）:數(shù)據(jù)線高8位允許/狀態(tài)復(fù)用引腳。NMI（In）：非屏蔽中斷請求線，上升邊觸發(fā)。INTR (In) ：可屏蔽中斷請求線，高電平有效。RD (O,三態(tài)) ：讀選通信號，低電平有效。CLK (In) : 時鐘信號，處理器基本定時脈沖。RESET (In) :復(fù)位信號，高電平有效。2.3.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換器與微處理器的連接圖5 ADC0809與8086的連接2.4 LED數(shù)碼顯示管 首先數(shù)碼管有共陰極和共陽極之分，區(qū)別他們的方法是若公共端接地，其他端接電源，若各段測試能亮，說明是共陰的，反之共陽的；若公共端接電源，其他端分別接的，測得各端亮，則說明是共陽的，反之為共陰的。世面上的四位一體的數(shù)

23、碼管一般都沒有datasheet，所以掌握他們管腳的分布是很重要的一個環(huán)節(jié)。下面是一張四位一體數(shù)碼管引腳分布圖4位一體數(shù)碼管，其內(nèi)部段已連接好，引腳如圖所示（正面朝自己，小數(shù)點在下方）。a、b、c、d、e、f、g、dP為段引腳，1、2、3、4分別表示四個數(shù)碼管的位。第3章 軟件設(shè)計3.1主流程圖 開始數(shù)據(jù)采集初始化是否超出壓力測定范圍模數(shù)轉(zhuǎn)換8255并行接口8088工作LED驅(qū)動顯示結(jié)束YN 圖6 主流程圖3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計3.2.1流程圖開 始設(shè)地址指針優(yōu)先級中斷設(shè)中斷方式開外部中斷 開總中斷啟動A/D3.3 LED顯示軟件設(shè)計3.3.1流程圖結(jié)束語通過這次課程設(shè)計使我充分理解到

24、微機(jī)原理課程的重要性和實用性，更特別是對模電.傳感器及其操作各方面的了解和設(shè)計，對實際單元操作設(shè)計中所涉及的個方面要注意問題都有所了解。通過這次對壓力測試系統(tǒng)的設(shè)計，不僅讓我將所學(xué)的知識應(yīng)用到實際中，而且對知識也是一種鞏固和提升充實。在老師和同學(xué)的幫助下，及時的按要求完成了設(shè)計任務(wù)，通過這次課程設(shè)計，使我獲得了很多重要的知識，同時也提高了自己的實際動手和知識的靈活運用能力。通過這兩個周的學(xué)習(xí)，學(xué)到了不少的知識！不僅糾正了課程學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的許多錯誤，還在試驗中驗證了自己的一些猜想。在學(xué)習(xí)的過程中有失敗，當(dāng)然也有困惑，有成功，當(dāng)然就有喜悅。雖然只是課程設(shè)計，但我拿出了自己的全部精力去對待，能學(xué)到知識固然值得驕傲，能認(rèn)識到自己的過錯和不足不也是一件幸事嗎！做學(xué)問也是做人，再作學(xué)問的過程中體味做人的道理不也是一種收獲嗎？記得古語中說：“學(xué)，然后知不足”！希我必將更加努力的學(xué)習(xí)它完善自己。我想這就是我學(xué)習(xí)這門課的最大感受吧.附錄附錄A A/D轉(zhuǎn)換器的具體匯編語言示例程序如下：INTR_8255 PROC NEAR MOV DX,037BH MOV AL,91H OUT DX,AL RETINTR_8255 ENDP數(shù)據(jù)采集代碼如下START: MOV AX,SEG DATA MOV DS,AX MOV SI,OFFSET DATA CALL INIT_8255 MO