基于80C51單片機(jī)的數(shù)字壓力傳感器的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、. . . . 基于80C51單片機(jī)的數(shù)字壓力傳感器的設(shè)計(jì)摘要： 本課題主要介紹數(shù)字壓力傳感器，包括應(yīng)變計(jì)/壓電傳感器為敏感元件的硬件電路設(shè)計(jì)、運(yùn)算元件（80C51單片機(jī)）數(shù)據(jù)處理、4位數(shù)碼顯示系統(tǒng)以與相應(yīng)的通信接口與協(xié)議； 實(shí)現(xiàn)在一路測(cè)量圍在0250PSI，測(cè)量精度在1PSI，分辨率在1PSI。關(guān)鍵詞：PIC單片機(jī) 數(shù)字 通訊 智能1 引言數(shù)字壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉與水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)，下面就簡(jiǎn)單介紹一些常用傳感器原理與其應(yīng)用。本課程設(shè)計(jì)的數(shù)字壓力傳感器以單

2、片機(jī)為主要部件，利用全橋測(cè)量原理，通過(guò)對(duì)電路輸出電壓和標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)的線性關(guān)系，建立具體的數(shù)學(xué)模型，將電壓量綱（V）改為壓強(qiáng)綱（pa）即成為一臺(tái)原始電子稱。其中測(cè)量電路中最主要的元器件就是電阻應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器是傳感器中應(yīng)用最多的一種，本設(shè)計(jì)采用全橋測(cè)量電路，使系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差更小，輸出的數(shù)據(jù)更精確。而三運(yùn)放大電路的作用就是把傳感器輸出的微弱的模擬信號(hào)進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)電平的要求。ADC0809 的A/D轉(zhuǎn)換作用是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后把數(shù)字信號(hào)輸送到顯示電路中去，最后由顯示電路顯示出測(cè)量結(jié)果。并且能實(shí)現(xiàn)數(shù)字傳感器之間的通訊，達(dá)到數(shù)據(jù)共享

3、的目的。從而更好的滿足當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的需求。2 方案論證21方案一：本方案采用電阻應(yīng)變片作為敏感元件采集信息，經(jīng)三運(yùn)放大器放大處理，再送入ADC0809進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，運(yùn)用80C51單片機(jī)作為運(yùn)算處理元件處理數(shù)據(jù)，并進(jìn)行通訊和LED顯示?；竟ぷ髟砜驁D如下：電阻應(yīng)變片傳感器三運(yùn)放大器ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器80518155LED顯示器RS-485通訊MAX7219圖 1.2-1 基本工作原理框圖22方案二：本方案采用壓電傳感器作為敏感元件采集信息，經(jīng)三運(yùn)放大器放大處理，再送入ADC0809進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，運(yùn)用DSP單片機(jī)作為運(yùn)算處理元件處理數(shù)據(jù)，并進(jìn)行通訊和LED顯示?；竟ぷ髟砜驁D如下：壓

4、電傳感器三運(yùn)放大器PIC8155RS-485通訊LED顯示器MAX72192.3方案選擇：本次設(shè)計(jì)要求精度不高，考慮其成本、自身的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。本次設(shè)計(jì)采取方案一。3 各電路設(shè)計(jì)和論證 31電源電路設(shè)計(jì)和論證直流穩(wěn)壓電源是電子設(shè)備中必不可少的組成部分，它通常由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。 電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路u1U1u2UrUfUo220V直流穩(wěn)壓電源的組成與構(gòu)成圖 311 方案一圖3-1所示為CW7800系列三端固定輸出采集集成穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用電路。圖中表明了從交流電網(wǎng)電壓經(jīng)電源變壓器降壓，又經(jīng)橋式整流和電容濾波后加在穩(wěn)壓器的輸入端的連接方法，并提供各種有關(guān)元器件

5、的參考參數(shù)。正常工作時(shí)，穩(wěn)壓器的輸入輸出電壓差一般為2-3V。圖中V5是保護(hù)二極管，當(dāng)輸入端短路時(shí)，給輸出電容器C4存儲(chǔ)的電荷提供一個(gè)放大電路，防止C4兩端電壓作用于集成穩(wěn)壓器部調(diào)整管的發(fā)射結(jié)，造成發(fā)射結(jié)擊穿而損壞三端集成穩(wěn)壓器。 312 方案二串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路組成框圖如圖所示，它由調(diào)整管、取樣電路、基準(zhǔn)電壓和比較放大電路等部分組成。圖是典型的串聯(lián)型雙極型晶體管穩(wěn)壓電路。圖中R1、Rp2和R2所組成的分壓器稱為取樣電路，它能將輸出電壓的變化取回一部分送到雙極型晶體管V2的基極。由限流電阻R3和穩(wěn)壓管V3組成的電路提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓Uz，使雙極型晶體管V2的發(fā)射極電位保持恒定。雙極型晶體

6、管V2將取樣電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，所的誤差電壓通過(guò)V2進(jìn)行放大，因此將V2所組成的放大電路電路或誤差放大電路。雙極型晶體管V1在電路中起電壓調(diào)節(jié)作用，稱為調(diào)整管。R4既是V2的集電極負(fù)載電阻，又是V1管的基極偏置電阻。調(diào)整管比較放大電路基準(zhǔn)電壓取樣電路IO+OUT-RL3.1.3方案論證由于三端穩(wěn)壓管只有三個(gè)引出端子，具有應(yīng)用時(shí)外接元件少、使用方便、性能穩(wěn)定、價(jià)格廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。所以本課題用第一方案。32 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)和論證321 方案一3.2.1.1 電阻應(yīng)變式傳感器的組成以與原理電阻應(yīng)變式傳感器是將被測(cè)量的力，通過(guò)它產(chǎn)生的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料彈性變形轉(zhuǎn)換成電阻變化的元件。由

7、電阻應(yīng)變片和測(cè)量線路兩部分組成。常用的電阻應(yīng)變片有兩種：金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片，金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式與薄膜式等結(jié)構(gòu)形式。本設(shè)計(jì)中采用的是金屬電阻應(yīng)變片絲式結(jié)構(gòu)，為獲得高電阻值，電阻絲排成網(wǎng)狀，并貼在絕緣的基片上，電阻絲兩端引出導(dǎo)線，線柵上面粘有覆蓋層，起保護(hù)作用。電阻應(yīng)變片也會(huì)有誤差，產(chǎn)生的因素很多，所以測(cè)量時(shí)我們一定要注意，其中溫度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：A. 電阻絲溫度系數(shù)引起的。B. 電阻絲與被測(cè)元件材料的線膨脹系數(shù)的不同引起的。對(duì)于因溫度變化對(duì)橋接零點(diǎn)和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變片，也會(huì)因應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對(duì)要求

8、精度較高的傳感器，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當(dāng)溫度系數(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償片，并從外部對(duì)它加以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點(diǎn)。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來(lái)說(shuō)主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，通過(guò)線性補(bǔ)償，也可得到改善。 滯后和蠕變是關(guān)于應(yīng)變片與粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度圍使用。全橋測(cè)量電路中，將受力性質(zhì)一樣的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，?dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1R+R,R2R-R,R3R+R,R4=R-R，其電路輸出電壓UoutUK。由于充分利用了雙差動(dòng)作用，它的輸出電壓為單臂工作時(shí)的4倍，所以大大提高了

9、測(cè)量的靈敏度。3.2.1.2 電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路常規(guī)的電阻應(yīng)變片K值很小，約為2，機(jī)械應(yīng)變度約為0.0000010.001，所以，電阻應(yīng)變片的電阻變化圍為0.00050.1歐姆。所以測(cè)量電路應(yīng)當(dāng)能精確測(cè)量出很小的電阻變化，在電阻應(yīng)變傳感器中做常用的是橋式測(cè)量電路。 橋式測(cè)量電路有四個(gè)電阻，其中任何一個(gè)都可以是電阻應(yīng)變片電阻，電橋的一個(gè)對(duì)角線接入工作電壓U，另一個(gè)對(duì)角線為輸出電壓Uo。其特點(diǎn)是：當(dāng)四個(gè)橋臂電阻達(dá)到相應(yīng)的關(guān)系時(shí)，電橋輸出為零，或則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計(jì)來(lái)測(cè)量，所以電橋能夠精確地測(cè)量微小的電阻變化。 測(cè)量電路是電子稱設(shè)計(jì)電路中是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，我們?cè)谥谱鞯倪^(guò)程中應(yīng)盡量

10、選擇好元件，調(diào)整好測(cè)量的圍的精確度，以避免減小測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差。圖 1.2-4 全橋測(cè)量電橋圖它由電阻應(yīng)變片電阻R1、R2、R3、R4組成測(cè)量電橋，R1R2R3R4350，加熱絲阻值為50左右，測(cè)量電橋的電源由穩(wěn)壓電源Uin供給。將差動(dòng)放大器調(diào)零，合上電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)電橋平衡電位RW1，使數(shù)顯表顯示0.00V。將10只標(biāo)準(zhǔn)砝碼全部置于傳感器的托盤上，調(diào)節(jié)電位器RW3（增益即滿量程調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.200V(2V檔測(cè)量)或0.200V。拿去托盤上的所有砝碼，調(diào)節(jié)電位器R W4（零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.0000V。重復(fù)2、3步驟的標(biāo)定過(guò)程，一直到精確為止，把電壓量綱V改為壓強(qiáng)綱p，就可以稱重

11、。3.2.2.1 三運(yùn)放大電路本次課程設(shè)計(jì)中，需要一個(gè)放大電路，我們將采用三運(yùn)放大電路，主要的元件就是三運(yùn)放大器。在許多需要用A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集的單片機(jī)系統(tǒng)中，多數(shù)情況下，傳感器輸出的模擬信號(hào)都很微弱，必須通過(guò)一個(gè)模擬放大器對(duì)其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)電平的要求，在此情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。圖 1.2-6 三運(yùn)放大電路結(jié)構(gòu)圖3.2.3 ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開(kāi)關(guān)以與微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。 3.1.3.1ADC0809的部邏輯結(jié)構(gòu)：由上

12、圖可知，ADC0809由一個(gè)8路模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開(kāi)關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 3.2.3.2引腳結(jié)構(gòu)：IN0IN7：8條模擬量輸入通道 ADC0809對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓圍是05V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線：4條 ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高

13、電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示。 CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7數(shù)字量輸出與控制線：11條 ST為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)：當(dāng)ST上跳沿時(shí)，所有部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得

14、到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為數(shù)字量輸出線。 CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線：因ADC0809的部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ， VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。 3.2.3.3 ADC0809應(yīng)用說(shuō)明：1) ADC0809部帶有輸出鎖存器，可以與8031直接相連。 2) 初始化時(shí)，使ST和OE信號(hào)全為低電平。 3) 送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 4) 在ST端給出一個(gè)至少有100ns寬的正脈沖信號(hào)。 5) 是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號(hào)來(lái)判斷。 6) 當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給OE為

15、高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。 3.2.4 LED顯示電路設(shè)計(jì)3.2.4.1 LED顯示器結(jié)構(gòu)與原理LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常使用的是七段LED。這種顯示塊有共陰極與共陽(yáng)極兩種。共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管陰極共地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮；共陽(yáng)極LED顯示塊的發(fā)光二極管陽(yáng)極并接。3.2.4.2 LED顯示器與顯示方式在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用LED顯示塊構(gòu)成N位LED顯示器。N位LED顯示器有N根位選線和8*N根段選線。根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。段選線控制字符選擇，位選線控制顯示位的亮，暗。LED顯示器有

16、靜態(tài)顯示與動(dòng)態(tài)顯示兩種方式。我們使用的為動(dòng)態(tài)顯示 LED動(dòng)態(tài)顯示方式。 在多位LED顯示時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，降低成本，將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè)4位I/O口控制，而共陰極點(diǎn)或共陽(yáng)極點(diǎn)分別由響應(yīng)的I/O口線控制。圖 2.4-1LED顯示電路圖3.2.4.3總體工作電路原理圖AR1AR2R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11AR3AR4R12R1315vR1R2R3R4R5R6R7R8POT2UIN3.2.1.5RS-485通訊1.RS-485協(xié)議典型的串行通訊標(biāo)準(zhǔn)是RS232和RS485，它們定義了電壓,阻抗等，但不對(duì)軟件協(xié)議給予定義，區(qū)別于RS232, RS485的特性包括：1

17、. RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（26）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（26）V表示。接口信號(hào)電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片， 且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL 電路連接。2. RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps 。3. RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。4. RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實(shí)際上可達(dá) 3000米，另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個(gè)收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。即具有多

18、站能力,這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。因?yàn)镽S485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。 RS485接口連接器采用DB-9的9芯插頭座，與智能終端RS485接口采用DB-9（孔），與鍵盤連接的鍵盤接口RS485采用DB-9（針）。RS485編程串口協(xié)議只是定義了傳輸?shù)碾妷?，阻抗等，編程方式和普通的串口編程一樣因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。因?yàn)镽S485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。 RS485接口連接器采用DB-9的9芯插頭座，與智能終端RS485接口采用DB-9（孔），與鍵盤連接的鍵盤接口RS485采用DB-9（針）。2. RS485接口 RS485簡(jiǎn)介 智能儀表是隨著80年代初單片機(jī)技術(shù)的成熟而發(fā)展起來(lái)的，現(xiàn)在世界儀表市場(chǎng)基本被智能儀表所壟斷。究其原因就是企業(yè)信息化的需要，企業(yè)在儀表選型時(shí)其中的一個(gè)必要條件就是要具有聯(lián)網(wǎng)通信接口。最初是數(shù)據(jù)模擬信號(hào)輸出簡(jiǎn)單過(guò)程量，后來(lái)儀表接口是RS232接口，這種接口可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，但這種方式不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。隨后出現(xiàn)的RS485解決了這個(gè)問(wèn)題。