智能壓力傳感器的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、前言1壓力傳感器11.1壓力傳感器的簡(jiǎn)介11.2壓力傳感器的種類11.3壓力傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)12智能壓力傳感器12. 1智能壓力傳感器的構(gòu)造12.2智能壓力傳感器的作用22. 3智能壓力傳感器的優(yōu)勢(shì)2與傳統(tǒng)傳感器相比，智能壓力傳感器的特點(diǎn)是：22.4智能壓力傳感器的前景33智能壓力傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)33. 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)33.2系統(tǒng)的特點(diǎn)34系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)44.1前端傳感器模塊44. 2信號(hào)調(diào)理電路模塊54.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊54. 4微處理器84. 5顯示模塊94. 6溫度補(bǔ)償模塊114.7硬件設(shè)計(jì)原理圖115軟件程序設(shè)計(jì)165.1軟件程序語(yǔ)言介紹165. 2程序流程圖165.3 C語(yǔ)言程

2、序設(shè)計(jì)166問(wèn)題與探究167總結(jié)錯(cuò)誤!未定義書簽。17參考文獻(xiàn)前W壓力傳感器是目前最為大眾常見(jiàn)所知的傳統(tǒng)傳感器，這種傳感器以壓力形變 為指標(biāo)體現(xiàn)壓力變化，這種結(jié)構(gòu)傳感器存在質(zhì)量大，敏感度低，不能和電路器件 相連使用等缺陷。隨便科技的進(jìn)步，半導(dǎo)體的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體壓力傳感器的誕 生彌補(bǔ)了這些不足，半導(dǎo)體壓力傳感器，不僅體積小，重量輕，而且可以和電路 元器件配套使用，從而大大的提高了智能化和可操作性。壓力傳感器大大的推動(dòng) 了傳感器的發(fā)展，讓人們能夠更好的實(shí)現(xiàn)壓力體現(xiàn)發(fā)展。1壓力傳感器1.1壓力傳感器的簡(jiǎn)介壓力傳感器是最為普遍的一種傳感器，大多使用在各種自動(dòng)化環(huán)境中，涉及 到電力石化，軍工科技，船舶

3、制造，數(shù)碼產(chǎn)品等多方面。一般壓力傳感器都是用 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)，將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)值表現(xiàn)。這種轉(zhuǎn)換方式大大的提 高了工作效率。進(jìn)而為智能化提供了強(qiáng)有力的發(fā)展基礎(chǔ)。1.2壓力傳感器的種類壓力傳感器通常分為以下幾種：1;電容式，2；電阻式，3；壓電式，4；電 感式，5；智能式。智能式傳感器是通過(guò)和微處理器相連，與傳感器相結(jié)合，從 而產(chǎn)生了智能化效果，它具有信號(hào)處理，信號(hào)記憶和邏輯思辨的能力。1.3壓力傳感器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)本次論文采用差壓式電容傳感器，電容式傳感器靈敏度高，性價(jià)比高，操作 簡(jiǎn)單，質(zhì)量高，過(guò)載能力強(qiáng)，在極端環(huán)境下，能夠穩(wěn)定工作，提供持續(xù)的傳感能 力，保證了整個(gè)元器件工作，并把環(huán)境影

4、響降到最低，特點(diǎn)鮮明。2智能壓力傳感器2.1智能壓力傳感器的構(gòu)造智能壓力傳感器是利用精密機(jī)械制造工藝和集成電路原理，將智能芯片和傳感器 緊密結(jié)合在一個(gè)半導(dǎo)體原件上，與傳統(tǒng)傳感器相比，智能式傳感器體積更小，質(zhì) 量小，適用圍更大。整個(gè)智能壓力傳感器結(jié)構(gòu)如下圖所示；圖2-1智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)框圖2.2智能壓力傳感器的作用 邏輯判斷和處理功能：對(duì)于收入的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算糾正也可以進(jìn)行溫度，線 性，非線性，相應(yīng)時(shí)差等進(jìn)行補(bǔ)償，提升了準(zhǔn)確效率。 自檢測(cè)功能：在開(kāi)機(jī)和運(yùn)行中都可以進(jìn)行自行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)故障，解決 故障，提升了機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)效率。 自適應(yīng)、自調(diào)整功能：可依據(jù)不同的測(cè)量物體數(shù)據(jù)和結(jié)果，選擇相適應(yīng)的 測(cè)量方式

5、。 組態(tài)功能：通過(guò)符合測(cè)量，拓展測(cè)量圍。 記憶、存儲(chǔ)功能：存取檢測(cè)數(shù)據(jù)，提升了信息處理速度。 數(shù)據(jù)通訊功能：擁有數(shù)據(jù)通訊接口，可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。2.3智能壓力傳感器的優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)傳感器相比，智能壓力傳感器的特點(diǎn)是： 性價(jià)比高：智能壓力傳感器通過(guò)調(diào)節(jié)核心芯片和計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)工作，對(duì)于 制作工藝要求不高，采購(gòu)性價(jià)比高的芯片，并不影響，所以比傳統(tǒng)傳感器造價(jià)低。 適應(yīng)能力強(qiáng)：傳感器運(yùn)行時(shí)，會(huì)根據(jù)各個(gè)部件運(yùn)轉(zhuǎn)效率以及功耗，通過(guò)分 析信號(hào)，調(diào)節(jié)運(yùn)行，提升了效率。 準(zhǔn)確度髙：智能壓力傳感器的自行校準(zhǔn)、自設(shè)量程、自動(dòng)補(bǔ)償和自動(dòng) 修正各類誤差等保證了它的高準(zhǔn)確度，通過(guò)程序軟件實(shí)現(xiàn)這些功能，相比以前更 易實(shí)現(xiàn)

6、。 量程寬：智能壓力傳感器的測(cè)量圍大，負(fù)載能力強(qiáng)。 集中控制：微處理器控制整個(gè)系統(tǒng)，自身控制處理數(shù)字能力大，智能壓力 傳感器經(jīng)由軟件程序利用微處理器，發(fā)揮系統(tǒng)的多功能和優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了集中的控 制。2.4智能壓力傳感器的前景智能壓力傳感器體積小，靈敏度高，性價(jià)比高，穩(wěn)定性強(qiáng)，而且集中程度 高，這些優(yōu)點(diǎn)促使其發(fā)展迅速，使用圍更為寬廣，質(zhì)量高，使用時(shí)間長(zhǎng)這些都是 當(dāng)今傳感器發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，未來(lái)汽車業(yè)，醫(yī)療行業(yè)，手機(jī)制造業(yè)對(duì)于高度 智能的壓力傳感器需求大，要求高，這些都是智能壓力傳感器發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。 3智能壓力傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)本次論文將采用ADC0809芯片實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換,AT

7、C89C52為芯片，采用LCD 1602 進(jìn)行顯示，本次論文總體設(shè)計(jì)方框圖如圖3-1所示單片機(jī) 89C52圖3-1總體方案設(shè)計(jì)圖LCD 1602送3.2系統(tǒng)的特點(diǎn)本次論文設(shè)計(jì)壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，利用單片機(jī)和A/D模塊轉(zhuǎn)換進(jìn)行調(diào)節(jié)信 號(hào)，偏差電容補(bǔ)償利用負(fù)反饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用差動(dòng)測(cè)量方式消除環(huán)境影響，提高 抗干擾能力。本次論文添加了一個(gè)發(fā)光二極管做報(bào)警，報(bào)警功能可用軟件實(shí)現(xiàn)。論文采用LCD1602作為顯示器，整個(gè)流程即被測(cè)壓力通過(guò)傳感器變化為電容值， 進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，輸入至ADC0809, ADC0809轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào), 單片機(jī)處理信號(hào)送入顯示器顯示，系統(tǒng)特點(diǎn)清晰流暢。4系統(tǒng)硬件設(shè)

8、計(jì)4.1前端傳感器模塊本次論文采用陶瓷電容作為傳感器材料，從價(jià)格，功耗，已經(jīng)環(huán)境影響角度 出發(fā)，陶瓷最優(yōu)。如下圖所示。圖4-1圓柱差動(dòng)變面積式電容位移傳感器圓柱電容的計(jì)算公式：C2朧X其中，X為外電極重疊部分長(zhǎng)度；D、d分別為外電極的外徑。當(dāng)重疊部分長(zhǎng)度X發(fā)生變化時(shí)，電容變化量為:靈敏度為:C 二 C。- C111kJAxYxhi傳感器三組定動(dòng)片組成，當(dāng)改變上下定片時(shí)，疊加重合面積部分會(huì)產(chǎn)生相關(guān) 效應(yīng)，稱為差動(dòng)電容。4. 2信號(hào)調(diào)理電路模塊測(cè)量計(jì)算差動(dòng)電容變化量的電路原理圖如圖4-2所示。圖4-2信號(hào)調(diào)理電路圖4.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊本次論文選擇ADC0809作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。ADC0809是逐

9、次逼近式A/D轉(zhuǎn)換 器，部結(jié)構(gòu)如圖所示。4.3. 1 ADC0809的部邏輯結(jié)構(gòu)由下圖知，ADC0809擁有很多多路模擬類開(kāi)關(guān)，A/D轉(zhuǎn)換器，地址鎖存 編譯器和三態(tài)輸出鎖存器的組成。模擬通道有多個(gè)，分時(shí)輸入可以多路進(jìn)行，A/D 轉(zhuǎn)換也可以進(jìn)行多路進(jìn)行。三態(tài)輸出鎖存器轉(zhuǎn)換數(shù)字量，可以從三態(tài)輸出轉(zhuǎn)換完 數(shù)據(jù)。圖4-4 ADC0809部結(jié)構(gòu)me mim2DEDT4 niinieDI7AB c ALE4.3.2 ADC0809引腳結(jié)構(gòu)DC0809各腳功能如下：D7-D0： 8位數(shù)字量輸出引腳。IN0-IN7： 8位模擬量輸入引腳。VCC： +5V工作電壓。GND：地。REF ( + )：參考電壓正端。

10、REF (-):參考電壓負(fù)端。START：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)的輸入端。ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入端。EOC：用于轉(zhuǎn)換輸出引腳的信號(hào)，初始轉(zhuǎn)換時(shí)表現(xiàn)為低電平，當(dāng)顯示高電平 時(shí)表明轉(zhuǎn)換結(jié)束。0E：用于輸岀控制端，方便打開(kāi)三態(tài)輸岀器。CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端(一般為500KHz)。A、B、C：地址輸入線。ADC0809對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)應(yīng)單極性，電壓圍在0至5V,信號(hào)太小， 放大器進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持不變，若模擬量變化過(guò)快，需 在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線有多條；ALE是輸入鎖存地址線，顯示高電平時(shí)才有效。當(dāng)該線表現(xiàn)高電平時(shí)，地址 鎖存譯碼器將相對(duì)應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行鎖存，編譯

11、后被鎖定的通道的模擬量傳輸入轉(zhuǎn)換 器進(jìn)行轉(zhuǎn)換相關(guān)三條輸入線，用于選通IN0-IN7上進(jìn)行模擬量輸入。選擇表如 下圖所示。表4-1 ADC0809通道選擇CBA選 擇的通 道000INO001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7數(shù)字量輸出及控制線：11條開(kāi)啟信號(hào)必須ST轉(zhuǎn)換，ST進(jìn)行上調(diào)，部寄存器則可以清零；下調(diào)時(shí)，A/D 轉(zhuǎn)換；此過(guò)程中，ST保持低電平。轉(zhuǎn)換結(jié)束高電平。0E是輸出允許信號(hào)，可以 向單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)。0E二1,通過(guò)輸出轉(zhuǎn)換得到新的數(shù)據(jù)；0E二0,輸出數(shù)據(jù)的狀態(tài) 為高阻形式。時(shí)鐘輸入信號(hào)是CLKoADC00809部沒(méi)有時(shí)鐘電路存在，信號(hào)只能由

12、外界提供, VREF正負(fù)為參考電壓輸入。4.3.3 ADC0809解釋說(shuō)明（1）.ADC0809自身帶有用于輸岀鎖存器，可以直接與AT89S51芯片直接相連使用。（2）.初始化時(shí)，讓ST等0E信號(hào)全部低電平。（3）.需送轉(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）.判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，可以依據(jù)信號(hào)E0C進(jìn)行判斷。（6）.當(dāng)EOC表現(xiàn)為高電平時(shí)，OE就需要高電平，單片機(jī)就接受了處理 信號(hào)。4. 4微處理器本次論文采用單片機(jī)ATC89C52作為處理芯片，該芯片是一種低能耗、高 性能8位微控制器，片含可多次刪除重寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器

13、和256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括部存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)RAM等部 件初始化，相關(guān)單片機(jī)AT89C52引腳圖如下；89C5212345678| 1312X-ZX-/1 1514311918S91716X-JP10/TPll/TP121 1 1 1 1 p p p p PRESETT1TOINTIINTORD WRXIX2POOP01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27RXDTXDALE/PPSEN39383736353433322123242526272810113029圖4-6單片機(jī)ATC89C52引腳圖4. 5顯示

14、模塊4.5. 1 LCD 1602 的優(yōu)點(diǎn)本次論文顯示模塊采用LCD 1602液晶顯示屏，該顯示屏具有以下特點(diǎn)； 顯示對(duì)比度高，顯示質(zhì)量高，不會(huì)有重影出現(xiàn)，而且是數(shù)字型，顯示可靠, 與單片機(jī)相連更為方便，使用便捷。 與傳統(tǒng)顯示器相比，顯示質(zhì)量更高，而且質(zhì)量更輕。 效率高，相比于傳統(tǒng)傳感器，耗電量更低。4.5.2 LCD 1602字符型LCD簡(jiǎn)介L(zhǎng)CD 1602液晶顯示器是一種點(diǎn)陣式，工作電壓有兩種模式可選，3.3或5隊(duì) 對(duì)比度可調(diào)，并含有復(fù)位電路，提供多種控制命令，我們可以自定義字符發(fā)生器 CGRAMo顯示器實(shí)物如下圖所示；圖4-7 LCD1602實(shí)物圖4.5.3 LCD 1602的基本參數(shù)及

15、引腳功能1602LCD主要技術(shù)參數(shù)： 顯示容量:16X2即32個(gè)個(gè)字符; 芯片工作電壓:4. 55. 5V ； 工作電流：2. 0mA；模塊最佳工作電壓：5. 0V ；字符尺寸：2. 95X4. 35(WXH)mm<>引腳功能說(shuō)明1602LCD的引腳圖如圖4-8所示。1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：第1腳：VSS是地電源。第2腳：VDD接+5V電源。第3腳：此腳是用于調(diào)整對(duì)比度，接>0電源時(shí)，對(duì)比度降低，當(dāng)接地時(shí),對(duì)比度升高，對(duì)比度偏高時(shí)有重影產(chǎn)生，10K電位器用于調(diào)整重影。第4腳：RS為寄存器選擇。第5腳：當(dāng)讀寫信號(hào)線高電平時(shí)為讀操作，反之，低電平寫操作。RS和R/W

16、共為低電平可以寫入和顯示地址。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命 令。第714腳：DOD7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：正背光源。第16腳：負(fù)背光源。4. 6溫度補(bǔ)償模塊本次論文采用DS18B20采集溫度，作為常用溫度傳感器，體積小，質(zhì)量輕， 價(jià)格低，精密度高的特點(diǎn)。4.6. 1 DS18B20的主要特征1、可進(jìn)行全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換和輸出。2、單總線數(shù)據(jù)通信。3、最髙分辨率是十二位，精度可達(dá)-0. 5-+0. 5攝氏度。4、12位分辨率的一般最大工作達(dá)750毫秒每周期。5、選擇工作方式多種多樣其中可以寄生6、檢測(cè)溫度圍在負(fù)55度至正125度（負(fù)66F 正275F）7、置

17、EEPROM,溫度報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)。8、64位光刻ROM,置設(shè)有相關(guān)的序列號(hào)，便捷幾臺(tái)機(jī)器的連接使用。4.6.2 DS18B20的引腳功能GND電壓地DQ單數(shù)據(jù)總線VDD電源電壓4.7硬件設(shè)計(jì)原理圖本次課程設(shè)計(jì)采用protel軟件原理圖的繪制。原理圖中，LCD 1602與單片 機(jī)相關(guān)接口相連，因本次設(shè)計(jì)只需讓LCD 1602從該單片機(jī)中讀取數(shù)據(jù)，因此將它 的R/W引腳電平拉低，直接與地相連。如圖4-14所示。圖4-11硬件電路原理圖本次課程設(shè)計(jì)采用protues仿真軟件對(duì)原理圖進(jìn)行仿真。圖中，采用滑動(dòng)變 阻器代替?zhèn)鞲衅鲗缛胄盘?hào)進(jìn)行信號(hào)的采集，調(diào)節(jié)溫度也能測(cè)量出壓力變化值，如 圖4-15所示。-is

18、nEH» VWw Ech Tooh Omign Graph Sourc* Oebug Library TetrpUtv Sycm Me©D 曰PR盤(3 品令+鶴9C- Xiba ZAHH « > «/ % MX Bi±)K a Q 2:0-生亠土士242ACOA MOO MOC ALTcifXtiPPTUL<nI祕(mì)eocss -L弭 c 00000000XT<1XTMJF-i tnx*HJ ru,14 r«j r««Pi?Eg© F-2VTX- S亞 nnwr*P2 VTX. -J7p

19、”趕亠rzg r： g rzvn r?5«fKrMi11- z 二K» t*P SUM nsBZSBE口sLtoirutw _L1 1 U 1 | WW- <x-2>»0 M0 宅$観目睡0 IT迓='WKtt 1耶g、二; »1 丁弓閽 ® O二匕0J】：爲(wèi)©«P j °.e» >一，在常溫25度下，通過(guò)改變電阻仿真出結(jié)果如下圖;(1) 電阻為1K時(shí)Cir>3TAlI-JLjU2ClCUKXr<i r<2STMTr<5 ruCOZr<5o<j

20、nraOJT2r<?OUR0UT4MO AoursMOR Wwrs mir?2»rSES2SS8S咳"CH 8I3VW BEKIDOw LVUI Lm匸I刃11Ckf . ETT2.1 21 出jo2flCl竹-<- lflclEJ!iour?R1*xuu遜33 FtMGDI ".2M2KTA12FC.4CAO1 CC-iOMRS1ft). 23V 丿 U»A2>PT< M£ tAP2 HA9 P3 2TA10 P2 VA11 P2 46M2 P2“MJP2KA15P10iT2P30ft«DPHIT2EX O1

21、 0P3.5D 如R?r(2)電阻為2K時(shí)9TARTI.id士土土tQ|AGl107.39KPa025.00-C丄平j(luò)pU11-.s-:-*mr% 03sn N b17"0"S or11695.67KPa02500°C綁 Sim 858SBS8Sjf I半也雅瓣mo IN1 IN2 noIM4 IM5 IMGIN7Mg /COD rr.fno UOCTAL,KTAL2fTSTPStrTAl£ gP1(W2PIPC aw roP0 2WS M3WD3阿 5626 POS “ po rwrrP2IMA0P2.1U9 P2XU0 PZAII P24M12 PZ

22、"MP2"A152134%22 IQgT7TT(3)電阻為3K時(shí)R1 1h -iE«r*匚獺eTEXT；JU1til燈JUJQ-CW SI知A£OA ADOB ime丄T 1xj&WH CtJ12 0U13 OH4 GUIS 0U15 fin?P3g©P346DPI 042PIEd .UW* MXiia.DQSO roCTADO TOVAD1 R兩2 roAO3 KWH PO.A&S wt/ADe K»7W?P2(W»F2.1XA9 P22AM0 P23AM1 P24AM2 PZWAO P2CWU P27/A

23、15983.48KFa 025.90BC97 Lu4x E m c4kB34 C6r33即力2OB21VQ蘆2524DQR2藥L(T孕6”鉛w7n<U I10ua?ELL6YAQ 匚Qrs?C41SCQ0申二，在電阻為5K時(shí)，通過(guò)改變溫度仿真出結(jié)果如下圖;(1)溫度為40度時(shí)I uota.059.73KPa 040.00BCfI CR/STMRP1U2IMOIN1IN2IMJIN4IX5IMOIM?MO AMOB "GLKTAL1KUL2ESTFaOU17 (.W5 3MIM4R3CUXK STARTHJJ<T2P1.HT26XI PO-OTAM WVA£

24、87;1 R兩2 roAO3 PO4<A£Mroe/Ai»g toiOCUT1WT2CUT3CUT4CVT$CUTEL.E殆備P21XK9 P21O PZMM P2UM2 P231M P2WAU P2 7M153 22P3gDP31Q2L(2) 溫度為60度時(shí)1U1HTALf:匚巴？ 3M_E KPgT2 5 ffTXXP3AFM- P31/TXDR1 u -TEXT-CLOCK<5WTBXCCIT1CVT2CUTSCUHAM>ACUTSA£oage m二.i nrwKDi rm 'J etmkqSI u»L»i3 廠

25、T咆CRvrSTAJ.*TAL2COWAD0KJ1UD1«J2«AD2H)4«AD* RJMDS R>£*0& CO 7從“:.VOC co oo ILW31CLr#7(!賈警LfD-YtiLcy/ ITL ,1-03993KPa060.00°C：?jiǎn)?«z01<?t D2(遂 D3CM5 &5? a上b ：，P2£r*aPZVA3 P2MM0 P21KM< P2«M2 P2£<M3 P2W&14 P2 7XM5-rEa.D1廣 crc :(3) 溫度為80度時(shí)K7AL2i)e 1X7A£OA ACODIsIM1IK2IM3IMSTARTCVT1C52CUT3 CVT< CUTSCVW11QXUL1J5KT2CXIC«> orrsrw. <TM-P3Crt?XD FM/L2LPOCWClO roiwi 2.2M2W3WD3 ro<wi PO5.