利用晶體的壓電效應(yīng)設(shè)計高壓鍋電控式安全閥-雨

1、目錄摘要IIIAbstractIV第一章緒論 .11.1課題背景 .11.2研究的意義 .1第二章傳統(tǒng)的高壓鍋的安全閥 .22.1高壓鍋的原理 .22.2高壓鍋的安全閥的工作原理 .3第三章壓電式傳感器 .63.1傳感器的定義 .63.2傳感器的原理 .63.3壓電傳感器的定義 .73.4壓電效應(yīng)分類 .73.4.1正壓電效應(yīng) .73.4.2逆壓電效應(yīng) .73.5無機壓電材料 .83.6有機壓電材料 .93.7壓電傳感器的應(yīng)用 .103.8影響壓電傳感器工作性能的主要原因 .103.8.1橫向靈敏度 .113.8.2環(huán)境溫度和濕度 .113.8.3安裝差異及基座應(yīng)變 .113.8.4噪聲 .1

2、2第四章整體方案設(shè)計 .134.1硬件介紹 .134.1.1壓電傳感器 .134.1.2前置放大器 .144.1.3單片機 .154.1.4電磁閥 .174.1.5蜂鳴器 .184.2電路的總體設(shè)計.184.2.1時鐘電路調(diào)制 .204.2.2復(fù)位電路設(shè)計 .20第五章設(shè)計 .225.1Proteus簡介 .225.2Proteus作用 .225.3主程序結(jié)構(gòu).24第六章系統(tǒng)設(shè)計總結(jié) .25參考文獻 .26附錄一 .27附錄二 .29致謝 .30利用晶體的壓電效應(yīng)設(shè)計高壓鍋的電控式安全閥摘要家庭用的高壓鍋普遍采用機械式安全閥，從設(shè)計上講這種安全閥的安全系數(shù)還是很高的。但偶爾也有介紹高壓鍋在使用

3、中傷人的事故，究其原因顯然是消費者在使用時未按說明書的規(guī)定認真核查安全閥的通氣狀況，一時疏忽大意后造成的。發(fā)現(xiàn)引起此類事故的消費者大多是老年人或者是低安全意識人群，為了有效避免這種由人為的安全事故，本課題模擬考慮在原有機械式安全閥的“式安全控制”基礎(chǔ)上，利用晶體的壓電效應(yīng)設(shè)計一套“主動式”的電控安全閥。以提高高壓鍋的安全系數(shù)。本文通過先對高壓鍋的原理和安全閥的介紹，再對硬件的選擇，寫出總的電路圖，再設(shè)計程序。硬件電路中單片機起控制作用，它相當(dāng)于人的大腦；壓電傳感器進行壓強，把到的壓強放大送到單片機中，單片機進行判斷，根據(jù)判斷的結(jié)果控制相應(yīng)引腳輸出高電平或低電平。繼電器用來放大單片機輸送出來的信

4、號，驅(qū)動電磁閥的工作。蜂鳴器用來當(dāng)壓強過高時發(fā)出響聲；當(dāng)壓強高于 170000pa，蜂鳴器發(fā)出聲音并且斷開電磁閥關(guān)閉煤氣。：高壓鍋;壓電傳感器;主動式電控安全閥Using Crystal Piezoelectric Effects Of Electric Safety ValveDesign Prere CookerAbstractWidely used home with mechanical safety valve, prere cooker from design sense thesafety factor of the ref was very high. But occaally

5、 a media prere cooker in useexploroduced often accident, investigate its reason is obviously consumers when useaccording to the provis of the specification without verification of the ref valveearnestly, temporary careleess ventilatory sus after creates. The survey found mostcaused such accident is

6、the elderly or the consumer is low safety consciousness crowd, inorder to effectively avoid this caused by man-made factors, this topic simulation safe accidentof the ref valvehe original mechanical consider passive safety control basis, usingcrystal piezoelectric effect design a set of active elect

7、ric control valve. In order to improvethe safety factor of the prere cooker. This prly the principle and the ref valveprere cooker androduced the selection of hardware, then, write general diagram, againdesign program. Hardware circuit single-chipputer controlling role it playsequivalent peoples bra

8、ins; Piezoelectric sensors for gathering to prere collection, theprere of single-chip microcontroller to enlarge, judgement, according to the result ofcorresponding judgement control output pins high level or the low level. Relay used tolify the signal transmisout microcontroller solenoid valve, dri

9、ve. When prere ishigh buzzer to send out sound alarm; When prere is highern 150000pa buzzer soundalarm, and disconnecectromagnetic valve shut gas.Keywords: no-air glass; Piezoelectric sensors; Active control valve第一章緒論1.1課題背景高壓鍋亦稱“壓力鍋”,是一種新型炊具,它具有省、省時間之特點.用高壓鍋蒸出來的米飯松軟爽口,做出的魚、肉菜肴肉爛骨酥。但也存在致命的缺陷長期使用有的性

10、，特別是那些還在“超齡服役”的老高壓鍋。偶爾也有介紹高壓鍋在使用中傷人的事故，究其原因顯然是消費者在使用時未按說明書的規(guī)定認真核查安全閥的通氣狀況，一時疏忽大意后造成的。發(fā)現(xiàn)引起此類事故的消費者大多是老年人或者是低安全意識人群。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計，壓力鍋的幾率在萬分之四點二，這在很大程度上影響了消費者和使用的信心?；诎踩矫娴目紤]，人們迫切的需要更高效安全的產(chǎn)品。所以，高效安全的高壓鍋的研發(fā)已迫在眉睫。1.2研究的意義本課題擬在原有高壓鍋機械式安全閥的基礎(chǔ)上，另外設(shè)計一套“主動式”的電控安全閥，以提高家庭用高壓鍋的安全系數(shù)。減少高壓鍋事故的發(fā)生，改變?nèi)藗儗Ω邏哄伆踩^念。開拓高壓鍋的商機。傳統(tǒng)高壓鍋

11、物美價廉，經(jīng)濟實用，再加一個一個安全裝置，就更加的如虎添翅，一定能在市場上占有應(yīng)有的份額。本課題的主要意義就在于隨所學(xué)的知識進行很好的應(yīng)用，并且使加深對壓電效應(yīng)的理解和學(xué)會利用高級語言在 Keil 下對單片機進行編程、使用 Protues 對原理圖的設(shè)計及仿真應(yīng)用等知識良好應(yīng)用到畢業(yè)設(shè)計中，提高的的實際工作技能。第二章傳統(tǒng)的高壓鍋的安全閥世界上第一只高壓鍋是在 1681 年發(fā)明的，發(fā)明人是法國的醫(yī)生兼物理學(xué)家和機械師丹尼斯帕平。那時高壓鍋做得十分堅固，鍋蓋是鐵制的，份量很重，緊緊地蓋在鍋上。鍋的罩了一層金屬網(wǎng)，以防意外。鍋本身有兩層，擺有內(nèi)鍋，要煮的食物就放在內(nèi)鍋里。加熱以后，蒸汽跑不出來，鍋

12、內(nèi)氣壓升高，水的沸點也升高了，食物就熟得快了。帕平在英國的時候，曾用他的高壓鍋作了一次表演。據(jù)在場的人記載，在帕平的高壓鍋里，就是堅硬的骨頭，也變得象乳酪一樣柔軟。 現(xiàn)今，在我國的許多家庭都用上了“高壓鍋”，用這種鍋做飯熟得快，很省時間。特別是在海拔高度很高的地區(qū)生活，煮飯必須用“高壓鍋”。因為高度越高，氣壓越低，水的沸點也降低。據(jù)測定在海拔 6000 米的地方，水的沸點只有 80左右。在這里用普通鍋是很難把飯煮，所以，必須用高壓鍋來提高水的沸點。2.1高壓鍋的原理高壓鍋1的原理很簡單，因為水的沸點受氣壓影響，氣壓越高，沸點越高。在高山、高原上，氣壓不到 1 個大氣壓，不到 100水就能沸騰，

13、雞蛋是用普通鍋具是煮不。在氣壓大于 1 個大氣壓時，水就要在高于 100時才會沸騰。人們現(xiàn)在常用的高壓鍋就是利用這個原理設(shè)計的。高壓鍋把水相當(dāng)緊密地封閉起來，水受熱蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣不能擴散到空氣中，只能保留在高壓鍋內(nèi)，就使高壓鍋的氣壓高于 1 個大氣壓，也使水要在高于 100時才沸騰，這樣高壓鍋就形成高溫高壓的環(huán)境，飯就容易很快做熟了。當(dāng)然高壓鍋內(nèi)的壓力不會沒有限制，不然就會。圖 2.1 壓強與溫度的關(guān)系圖高壓鍋通常是在原有的大氣壓強下，增加 40-70kpa 的壓強，所以就定出極限壓強為 170kpa。超過這一個壓強就可以認為是的壓強，就要關(guān)閉煤氣的輸送和了。2.2高壓鍋的安全閥的工作原理大

14、家對壓力是很熟悉的，每天都處在大氣的重壓之下。只是由于體內(nèi)空氣的平衡作用，所以對此沒感覺。在的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，壓力給我們帶來了很大的方便。例如大家熟悉的高壓鍋，它可以在很短的時間內(nèi)，把喜歡吃的排骨燉爛；工業(yè)上常用的鍋爐，利用鍋爐中的壓力可以使蒸汽輸送到很遠的地方。但是壓力的大小對安全。如果沒有合理的安全保護，壓力過大就會發(fā)生類似、毒氣等的事故。壓力就會從一個天使變成了。為了防范壓力的危害，人們在需要高壓的設(shè)備上設(shè)計了很多自動安全裝置。安全閥用在受壓設(shè)備、容器或管，作為超壓保護裝置。當(dāng)設(shè)備、容器或管路內(nèi)的壓力升高超過允許值時，閥門自動開啟，繼而全量排放，以防止設(shè)備、容器或管路內(nèi)的壓力繼續(xù)升

15、高；當(dāng)壓力降低到規(guī)定值時，閥門應(yīng)自動及時關(guān)閉，從而保護設(shè)備、容器或管路的安全運行。安全閥可以由閥門進口的系統(tǒng)壓力直接驅(qū)動，在這種情況下是由彈簧或重錘提供的機械載荷來克服作用在閥瓣下方的介質(zhì)壓力。它們還可以由一個機構(gòu)來先導(dǎo)驅(qū)動， 該機構(gòu)通過或施加一個關(guān)閉力來使安全閥開啟或關(guān)閉。因此按照上述驅(qū)動模式將安全閥分為直接作用式和先導(dǎo)式。安全閥可以在整個開啟高度范圍或在相當(dāng)大的開啟高度范圍內(nèi)比例開啟，也可能僅在一個微小的開啟高度范圍內(nèi)比例開啟，然后突然開啟到全開位置。因此，可以將安全閥分為比例式和全啟式。 安全閥的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用和公稱通經(jīng)的確定應(yīng)受到規(guī)范的約束，或者應(yīng)得到法定機關(guān)的同意。在不同的規(guī)范之間，其約

16、束條款以及有關(guān)定義可能不同。在應(yīng)用安全閥時，必須遵循其適用規(guī)范的要求。在工業(yè)生產(chǎn)中，一般使用可調(diào)重錘式安全閥。它的重錘就像一個秤砣?？梢愿淖冎劐N大小和改變力矩長度來改變壓強的大小。把重錘掛在橫桿上，桿的支點在最左端，中間是鍋爐的排氣孔。當(dāng)壓力過高的時候，蒸汽把橫桿連同重錘頂起來，一時鍋爐內(nèi)的蒸汽排除壓力下降。而且可以通過調(diào)節(jié)重錘離左端的距離來改變所限制的壓力值。圖2.2 可調(diào)重錘式安全閥在家用中，一般都是使用不可調(diào)重錘式安全閥。它的重錘是固定質(zhì)量，也是不可以改變力矩的。大家一定在廚房里見到過這樣的場景吧，從高壓鍋的一個小孔處，蒸汽不停地在向外冒。并且伴隨著哨聲。這個小孔就是排氣孔。排氣孔與一個

17、閥門配合使用。這個閥門就是為了控制壓力而設(shè)計的，它的名字就叫重錘式安全閥。安全閥上有一個重錘，它平時壓在高壓鍋的排氣孔上，當(dāng)高壓鍋內(nèi)的壓力達到一定的壓力值，由于壓力的作用，重錘被抬起。蒸汽從排氣孔中排除，以使高壓鍋內(nèi)的壓力下降到安全值范圍內(nèi)。圖2.3 高壓鍋的安全閥限壓閥（限壓裝置）的作用：在烹調(diào)過程中，鍋內(nèi)壓力達到工作壓力時，限壓閥通過排氣孔排氣工作，使鍋內(nèi)壓力保持在一定的范圍內(nèi)，達到烹調(diào)的目的。安全閥的作用：在烹調(diào)過程中，由于限壓閥排氣管堵塞，造成鍋內(nèi)壓力過高，這時通過安全閥排氣，以保證壓力鍋的安全。僅僅有了安全閥，壓力設(shè)備并不是就絕對安全了。如果在烹飪東西時，某一些東西不慎堵住限壓閥排氣

18、管，就會使壓強增大，達到一定程度的話，就會。產(chǎn)生安全事故。了為了保證萬無一失，人們采用了雙保險。通常在壓力設(shè)備上還安裝有一個保險片。它是由易熔的金屬片做成。當(dāng)安全閥由于故障失靈的時候，過大的壓力會把保險片沖開，防止事故的發(fā)生。如果鍋內(nèi)的水分被蒸干，鍋內(nèi)溫度的升高，會把金屬片熔化掉也可以起到安全作用。在很多壓力容器上都安裝有防爆片，它的作用類似于高壓鍋上的保險片。當(dāng)壓力超過一定值時，防爆片就會自毀而保證容器的安全。安全閥是可以重復(fù)使用的裝置，每次壓力超過一定值時起作用，當(dāng)壓力下降的時候，安全閥復(fù)位。但是保險片和防爆片起作用后就會毀壞，需要更換新的才可以，十分的麻煩。所以現(xiàn)在就利用晶體的壓電效應(yīng)設(shè)

19、計一套“主動式”的電控安全閥進一步提高高壓鍋的安全系數(shù)十分必要的。在高壓鍋蓋內(nèi)壁上裝一個傳感器，其工作不受限壓閥排氣管堵塞的影響。可以感受鍋內(nèi)壓強的大小，把到的壓強輸送到放大器中，再放大輸送都單片機中進行控制。從而提高了高壓鍋的安全系數(shù)。雖然有各種安全裝置的保護，壓力裝置也并不是絕對安全的。在使用過程中，還是要求使用者有足夠的安全意識，不能把安全問題完全留給自動裝置來保證。只有人和自動裝置共同防范事故的發(fā)生，才能夠安全地使用壓力裝置。第三章壓電式傳感器3.1傳感器的定義GB7665-87對傳感器2下的定義是:“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元

20、件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、顯示、和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。3.2傳感器的原理傳感器工作原理3的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。向傳感器提供15V 電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生400Hz 的方波，經(jīng)過 TDA2030功率放大器即產(chǎn)生交流激磁

21、功率電源，通過能源環(huán)形變壓器 T1從的初級線圈傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到5V 的直流電源，該電源做運算放大器 AD822的工作電源；由基準電源AD589與雙運放 AD822組成的高精度穩(wěn)壓電源產(chǎn)生4.5V 的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及 V/F 轉(zhuǎn)換器的工作電源。當(dāng)彈性軸受扭時，應(yīng)變橋檢測得到的 mV 級的應(yīng)變信號通過儀表放大器 AD620放大成1.5v1v 的強信號，再通過 V/F 轉(zhuǎn)換器 LM131變換成頻率信號，通過信號環(huán)形變壓器 T2從旋轉(zhuǎn)的初級線圈傳遞至次級線圈，再經(jīng)過外殼上的信號處理電路濾波、整形即到與彈性軸承受的扭矩成正比

22、的頻率信號，該信號為 TTL 電平,既可提供給二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理。由于該旋轉(zhuǎn)變壓器動-靜環(huán)之間只有零點幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內(nèi)，形成有效的，因此具有很強的能力。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)的?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問題較多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會有巨大增長。3.3壓電傳感器的定義某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓

23、電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器4。3.4壓電效應(yīng)分類壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)5。3.4.1正壓電效應(yīng)當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時,就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。圖 3.1 正壓電效應(yīng)在

24、這些電介質(zhì)的一定方向上施加機械力而產(chǎn)生變形時，就會引起它正負電荷中心相對轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致其兩個相對表面(極化面)上出現(xiàn)符號相反的電荷 Q，且其電位移 D(在 MKS制中即電荷密度 )與外應(yīng)力張量 T 成正比：或（3.4.1）式中d壓電常數(shù)矩陣。當(dāng)外力，又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向，電荷極性隨之而變。3.4.2逆壓電效應(yīng)是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現(xiàn)象。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型 5 種基本形式。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這 5 種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石

25、英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。這里再介紹一下電致伸縮效應(yīng)。電致伸縮效應(yīng)，即電介質(zhì)在電場的作用下，由于感應(yīng)極化作用而產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變大小與電場平方成正比，與電場方向無關(guān)。壓電效應(yīng)僅存在于無對稱中心的晶體中。而電致伸縮效應(yīng)對所有的電介質(zhì)均存在，不論是非晶體物質(zhì)，還是晶體物質(zhì)，不論是中心對稱性的晶體，還是極性晶體。在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng), 但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對材料的深入研究, 發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。圖 3.2 正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)在晶體兩側(cè)加以一定頻率的高頻

26、電壓，晶體薄片就能準確而迅速地隨著交變電場頻率而周期性地改變其厚度（壓縮與伸展）。由此形成超聲振周圍介質(zhì)。3.5無機壓電材料圖3.3 壓電材料分為壓電晶體和壓電陶瓷，壓電晶體一般是指壓電單晶體；壓電陶瓷則泛指壓電多晶體。壓電陶瓷是指用必要成份的原料進行混型、高溫?zé)Y(jié)，由粉粒之間的固相反應(yīng)和燒結(jié)過程而獲得的微細晶粒無規(guī)則集合而成的多晶體。具有壓電性的陶瓷稱壓電陶瓷，實際上也是鐵電陶瓷。在這種陶瓷的晶粒之中存在鐵電疇，鐵電疇由自發(fā)極化方向反向平行的 180 疇和自發(fā)極化方向互相垂直的 90 疇組成，這些電疇在人工極化（施加強直流電場）條件下，自發(fā)極化依外電場方向充分排列并在撤消外電場后保持剩余極化

27、強度，因此具有宏觀壓電性。如：鈦酸鋇 BT、鋯鈦酸鉛 PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰 PBLN、改性鈦酸鉛 PT 等。這類材料的研制成功，促進了聲換能器，壓電傳感器的各種壓電器件性能的改善和提高。壓電晶體一般指壓電單晶體，是指按晶體空間點陣長程有序生長而成的晶體。這種晶體結(jié)構(gòu)無對稱中心，因此具有壓電性。晶（石英晶體）、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。相比較而言，壓電陶瓷壓電性強、介電常數(shù)高、可以加工成任意形狀，但機械品質(zhì)因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差，因而適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應(yīng)用，但對高頻、高穩(wěn)定應(yīng)用不理想。石英等壓電單晶壓電性弱，介電常數(shù)很低，受切

28、型限制存在尺寸局限，但穩(wěn)定性很高，機械品質(zhì)因子高，多用來作標準頻率控制的振子、高選擇性（多屬高頻狹帶通）的濾波器以及高頻、高溫超聲換能器等。近來由于鈮鎂酸鉛 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3單晶體（Kp 90%, d3390010-3C/N, 20,000）性能特異，國內(nèi)外上都開始這種材料的研究，但由于其居里點太低，離使用化尚有一段距離。3.6有機壓電材料又稱壓電聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它為代表的其他有機壓電（薄膜）材料。這類材料及其材質(zhì)柔韌，低密度，低阻抗和高壓電電壓常數(shù)(g)等優(yōu)點為世人矚目，且發(fā)展十分迅速，現(xiàn)在水聲超聲測量，壓力傳感，引燃等方面獲得應(yīng)用。之處是壓電應(yīng)變

29、常數(shù)（d）偏低，使之作為有源發(fā)射換能器受到很大的限制。圖3.4 換能器第三類是復(fù)合壓電材料，這類材料是在有機聚合物基底材料中嵌入片狀、棒狀、桿狀、或粉末狀壓電材料的。至今已在水聲、電聲、超聲、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。如果它制成水聲換能器，不僅具有高的靜水壓響應(yīng)速率，而且耐沖擊，不易受損且可用與不同的深度。3.7壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用長等優(yōu)異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓

30、電式傳感器也可以用來測量發(fā)燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。3.8影響壓電傳感器工作性能的主要原因壓電傳感器是以壓電效應(yīng)的壓電器件為組成的傳感器。由于壓電效應(yīng)具有自發(fā)電和可逆性， 因此壓電器件是一種典型的雙向有源傳感器件。由于這種特性，壓電器件已被廣泛用于超聲、通信、等領(lǐng)域，并與激光、紅外等技術(shù)相結(jié)合，將成為發(fā)展新技術(shù)和

31、高科技的重要器件?；趬弘娦?yīng)的壓電傳感器，通常都需要接觸測量，它的靈敏度、頻率特性和重量，是衡量其工作性能的主要指標。影響壓電傳感器工作性能的很多，其中有系統(tǒng)，如傳感器重量的負載影響，諧振頻率、高低頻響應(yīng)相移的影響，以及橫向靈敏度、安裝差異和和某些溫度影響等，也有隨機的，如基座應(yīng)變、聲噪聲、電磁場等。在此擇其主要分析。3.8.1橫向靈敏度橫向靈敏度是衡量橫向干擾效應(yīng)的指標。一只理想的單軸壓電傳感器， 應(yīng)該僅靈軸向的作用力，而對橫向的作用力不敏感。如對壓宿式壓傳感器軸線（受力向）完全一致。但實際的壓電傳感器由于壓電切片、極化方向的偏差，壓電片各作用面的粗糙度或各作用面的不平行，以及裝配、安裝不

32、精確等種種原因， 都會造成的壓電傳感器電軸 E 向與力軸 Z 向不重合。橫向靈敏度用軸向靈敏度 Kz 的百分比表示，即定義為： 最大橫向靈敏度= Ky/Kz100%=tan100% 和一般橫向靈敏度 =Ky/Kz100%=tancos100%產(chǎn)生橫向靈敏度的必要條件： 一是伴隨軸向作用力的同時，存在橫向力；二是壓電元件本身具有橫向壓電效用消除橫向靈敏度的技術(shù)途徑一是從設(shè)計、工藝和使用諸方面確保力與電軸的一致；二是盡量采用剪切型力-電轉(zhuǎn)換方式。一只較好的壓電傳感器，最大橫向靈敏度不大于 5%。3.8.2環(huán)境溫度和濕度環(huán)境溫度對壓電傳感器工作性能的影響主要通過三個：壓電材料的性能參數(shù)；某些壓電材料

33、的熱釋點效應(yīng)；傳感器的結(jié)構(gòu)。環(huán)境溫度變化將使壓電材料壓電常數(shù) d、介電常數(shù) 、電阻率 和彈性系數(shù) k 等機電特性參數(shù)發(fā)生變化。d 和 k 的變化將影響傳感器的輸出靈敏度； 和 的變化導(dǎo)致時間常數(shù) =RC 的變化，從而使傳感器的低頻響應(yīng)變壞。在必須考慮溫度尤其是高溫對傳感器低頻特性影響的情況下， 采用電荷放大器將會得到滿意的低頻響應(yīng)。環(huán)境濕度主要影響壓電元件的絕緣電阻，使其絕緣電阻明顯下降，造成傳感器低頻響應(yīng)變壞。因此在高濕度環(huán)境工作的壓電傳感器， 必須采用高絕緣材料，并采取防潮濕的密封措施。3.8.3安裝差異及基座應(yīng)變在實際應(yīng)用中， 壓電傳感器總是要通過一定的方式緊密安裝在被測試件上進行接觸測

34、量。由于傳感器和試件都是質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，通過安裝連接后，兩者都將互相影響原來固有的機械特性（固有頻率）。因此，實際測量的頻響上限，并不由傳感器本身的固有頻率 fn。而且，安裝方式的不同，安裝質(zhì)量的差異，對傳感器的頻響特性影響很大。3.8.4噪聲壓電元件是高阻抗、小功率元件，極易受外界機、電振動引起的噪聲干擾，其中主要有聲場、電源和接地回路噪聲等。壓電傳感器在強聲中工作將受到聲波激勵而產(chǎn)生寄生電信號輸出，謂噪聲。例如，壓電加速傳感器常用聲靈敏度（指 140dB 噪聲引起的等效加速輸出）ms-2/140dB 表示聲噪聲的大小。目前大多數(shù)壓電傳感器設(shè)計成基座和獨立外科結(jié)構(gòu)，聲噪聲影響極小。第四章整體

35、方案設(shè)計4.1 硬件介紹4.1.1壓電傳感器壓電式力傳感器型號:BHX1YFF5圖 4.1 BHX1YFF5優(yōu)點：傳感器是利用石英晶體的縱向壓電效應(yīng)，將力轉(zhuǎn)換成電荷的變換裝置。傳感器產(chǎn)生的電荷正比于被測外力，通過電荷放大器將電荷按比例轉(zhuǎn)換成電壓，用電壓表或其他顯示器讀出其大小及變化。該類產(chǎn)品采用全密封結(jié)構(gòu)，具有氣密性好、強度高、剛性大、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點。最主要應(yīng)用是動態(tài)力、準靜態(tài)和沖擊力的測量，也適用于振動設(shè)備的機械阻抗和力控振動試驗，它還廣泛用于勞保產(chǎn)品的檢測、樁基的無損檢測、地質(zhì)勘部門電動力觸探的測量等。參數(shù)：測量范圍 KN:90尺 寸 D(mm):34分辨率 N:0.025d(mm):1

36、6靈敏度 PC/N:4H(mm):12非線性%F.S:1重 量 g: 60諧振頻率 KHz:40材 料：不銹鋼絕緣電阻 :1012使用溫度：- 20200，工作壓 06.4Mpa，完全能適應(yīng)高壓鍋的環(huán)境需求4.1.2前置放大器增加信號幅度或功率的裝置6，它是自動化技術(shù)工具中處理信號的重要元件。放大器的放大作用是用輸入信號控制能源來實現(xiàn)的，放大所需功耗由能源提供。由于傳感器傳輸過來的信號過弱，需要對信號進行放大。ICL7650 是ersil 公司利用動態(tài)校零技術(shù)和 CMOS 工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運放,它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強、響應(yīng)快、漂移低、性能穩(wěn)定及價格低廉等

37、優(yōu)點。ICL7650 采用 14 腳雙列直插式和 8 腳金屬殼兩種封裝形式，使用最常用的 14 腳雙列直插式封裝的引腳排列。圖 4.2 放大器的前置放大電路圖圖4.3 引腳圖系統(tǒng)中碳電極與信號調(diào)理器浮空地之間感應(yīng)的自然地空電位Vi1 和Vi2 被分別加到ICL7650的兩個輸入端, 微弱信號Vi1 和Vi2 經(jīng)放大后將從ICL7650 的第10 引腳輸出, 放大后的信號經(jīng)過一系列處理后輸入到單片機中,以供單片機的識別與判斷使用。為了防止輸入信號幅度過大而導(dǎo)致ICL7650 損壞, 圖九 電路在信號的輸入端分別加入了起保護作用的四個二極管D1D4。由于電路正常工作時的輸入信號Vi1 和Vi2 幅

38、度很小, 所以二極管不導(dǎo)通, 也就不會影響電路的正常工作。電路的增益較高, 為防止產(chǎn)生高頻振蕩, 設(shè)計時在電阻R4 上并接了電容C3 , 因其容量較小, 所以對信號放大倍數(shù)的影響也非常小。為了抬高運算放大器輸出信號的直流分量, 可將箝位端接在運算放大器的反向輸入端。4.1.3單片機單片機7是一種集成在電路，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的處理器 CPU 隨機器 RAM、只讀器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。AT89S52 簡介： AT8

39、9S52是一個低功耗，高性能 CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8kBytesISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的 Flash 只讀程序器，器件采用技術(shù)制造，兼容標準 MCS -51指令系統(tǒng)及80C51引ATMEL 公司的高密度、非易失性腳結(jié)構(gòu)，內(nèi)集成了通用8位處理器和 ISP Flash單元，功能強大的微型計算機的 AT89S52可為許多控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S52特點：40個引腳，8kBytes Flash 片內(nèi)程序器，256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中

40、斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個 全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。圖4.4 引腳圖此外，AT89S52設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz 并可通過設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU 暫停工作，而 RAM 定時計數(shù)器，串行口，外中斷 系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該還具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三 種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。主要功能特性 兼容 MCS-51指令系統(tǒng) 8k 可反復(fù)擦寫(1000次）ISP Flash ROM32個雙向 I/O 口3個16位可編程定時/計數(shù)器 4.5-5.

41、5V 工作電壓時鐘頻率0-33MHz256x8bit全雙工 UART 串行中斷口線RAM2個外部中斷源低功耗空閑和省電模式中斷喚醒省電模式3級加密位看門狗（WDT）電路設(shè)置空閑和省電功能 靈活的 ISP 字節(jié)和分頁編程雙數(shù)據(jù)寄存器指針4.1.4電磁閥電磁閥8是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥是用電磁的效應(yīng)進行控制，主要的控制方式由繼電器控制。這樣，電磁閥可以配合不同的電路來實現(xiàn)預(yù)期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統(tǒng)的不同位置發(fā)揮作用，最常用的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調(diào)節(jié)閥等。電磁閥：用于

42、液體和氣體管路的開關(guān)控制，是兩位 DO 控制。一般用于小型管道的控制。電磁閥：只能用作開關(guān)量，是 DO 控制，只能用于小管道控制，常見于 DN50及以下管道，往上就很少了。W-160-15 電磁閥圖4.5 電磁閥的側(cè)面和正面閥體材質(zhì)：黃銅;使用流體：空氣、水、油;型式：常閉式;電壓：AC220V（其它電壓均有貨）;管孔徑：1/2(即:4分);流量孔徑：16mm;油封材質(zhì)：NBR（VITON);壓力：0 1.0mpa;流體溫度：-580;電流：0.1A;功率:14W該產(chǎn)品優(yōu)點：二口二位式常閉型，閥體為銅鍛造。 配管方式可任意角度安裝，為增強最好是水平管線圈朝上。 產(chǎn)品為系列化生產(chǎn)，體積小，流量大

43、。4.1.5蜂鳴器蜂鳴器9是一種結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計算機、復(fù)印機、器、電子玩具、設(shè)備、機、定時器等電子產(chǎn)品中作為器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”（舊標準用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。蜂鳴器 AD16-22SM/R圖4.6AD16-22SM/R HYPERLINK http:/c/ http:/c/spc_192010006.html性能可靠、外觀精美、規(guī)格齊全，適用于電力、電訊、機床、船舶、紡織、印刷、礦山機械等設(shè)備的線路中作指示信號、預(yù)告信號、事故信號及其他指示用信號?？芍谱鏖W光蜂鳴器，遇到故障

44、時，同時閃光，及時發(fā)現(xiàn)故障情況。4.2電路的總體設(shè)計總體設(shè)計：圖4.7 設(shè)計圖電磁閥繼電器壓強蜂鳴器單片機前置放大器硬件電路中單片機起控制作用，它相當(dāng)于人的大腦；壓電傳感器進行壓強，把到的壓強放大送到單片機中，單片機進行判斷，根據(jù)判斷的結(jié)果控制相應(yīng)引腳輸出高電平或低電平。繼電器用來放大單片機輸送出來的信號，驅(qū)動電磁閥的工作。蜂鳴器用來當(dāng)壓強過高時發(fā)出響聲；當(dāng)壓強高于170000pa，蜂鳴器發(fā)出聲音并且斷開電磁閥關(guān)閉煤氣。圖 4.8 總體電路圖壓電傳感器 BRX1YFF5 裝在高壓鍋內(nèi)，對高壓鍋內(nèi)壓強進行采樣，把采樣信號送到ICL7650 放大器進行放大（ICL7650 前置放大器電路面，在這里

45、就不說了）輸送到單片機的 p3.4 端，再經(jīng)過單片機的處理和判斷是否對器和控制繼電器輸送信號驅(qū)動他們工作?？刂评^電器的上端連接電源，保證繼電器能正常的工作。下端連接電磁閥，控制電磁閥是否要切斷煤氣的輸送。4.2.1時鐘電路調(diào)制XTAL1 和 XTAL2 分別為振蕩電路的輸入端和輸出端。時鐘可以由方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。時鐘電路方式，在 XTAL1 和 XTAL2 引腳上外接定時元件，振蕩電路就產(chǎn)生自激振蕩。定時元件經(jīng)常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振電路。晶體可以在 1.2MHZ 至 12MHZ 之間選擇，電容值在 50PF 至 30PF 之間選擇，電容的大小可以起頻率微調(diào)的作用。外部方式的時

46、鐘電路，XTAL1 接地，XTAL2 接外部振蕩器。對外部震蕩信號無特殊要求，只要保證脈沖寬度，一般采用頻率低于 12MHZ 的方波信號。圖 4.9 時鐘電路4.2.2復(fù)位電路設(shè)計單片機的復(fù)位電路10原理是在 RESET 輸入端出現(xiàn)高電平來實現(xiàn)復(fù)位和初始化。在振蕩器運行的情況下，要實現(xiàn)復(fù)位操作，必須使 RST 引腳至少保持兩個機器周期（24 個振蕩器周期）的高電平。CPU 在第二個機器周期內(nèi)執(zhí)行復(fù)位操作，以后每一個機器周期重復(fù)一次，直至 RST 端電平變低。當(dāng) RST 引腳返回低電平以后，CPU 從 0 地址開始執(zhí)行程序。本系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)位電路如下圖所示。加電瞬間，RST 端的電平與 VCC 相

47、同，隨著RC 電路充電電流的減小，RST 端的電位逐漸下降。只要 RST 端保持兩個機器周期的高電平，單片機就能有效復(fù)位。本方案中，電容的的大小是 11uF，電阻的大小是 1k。所以根據(jù)公式，可以算出電容充電到電源電壓的 0.7 倍（單片機的電源是 5V，所以充電到0.7 倍即為 3.5V），需要的時間是 1K*11 uF =11ms。也就是說在電腦啟動的 11ms 內(nèi)，電容兩端的電壓時在 0 至 3.5V 增加。這個時候 1K 電阻兩端的電壓為從 5 至 1.5V 減少（串聯(lián)電路各處電壓之和為總電壓）。所以在 11ms 內(nèi)，RST 引腳所接收到的電壓是 5V至 1.5V。在 5V 正常工作的

48、 51 單片機中小于 1.5V 的電壓信號為低電平信號，而大于 1.5V的電壓信號為高電平信號。所以在開機 0.1S 內(nèi)，單片機系統(tǒng)自動復(fù)位（RST 引腳接收到的高電平信號時間為 11ms 左右）。在單片機啟動 11ms 后，電容 C 兩端的電壓持續(xù)充電為 5V，這是時候 1K 電阻兩端的電壓接近于 0V，RST 處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時候，開關(guān)導(dǎo)通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容之前充的電量。隨著時間的推移，電容的電壓在 11ms 內(nèi)，從 5V開始到變?yōu)榱?1.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個時候 1K 電阻兩端

49、的電壓為3.5V，甚至更大，所以 RST 引腳又接收到高電平。單片機系統(tǒng)自動復(fù)位。圖 4.10 復(fù)位電路第五章設(shè)計先利用Proteus和Keil進行仿真，設(shè)計印制板，加工好后選取器件進行焊接，編寫程序通過上述程序，向傳感器發(fā)送合適的指令，即可實現(xiàn)傳感器初始化、壓強轉(zhuǎn)換，壓強轉(zhuǎn)換數(shù)值，寫入壓強界限值，保存壓強界限值等功能在實際運行過程中，微型計算機使用28H單元同傳感器進行調(diào)試成功后通過線到單片機中，組裝整個系統(tǒng)，進行整體調(diào)試。5.1 ProteusProteus簡介是英國Labcenter electronics公司的EDA工具（該中國總代理為廣州風(fēng)標電子技術(shù)）。它不僅具有其它EDA工具的仿真

50、功能，還能仿真單片機及器件。它是目前最好的仿真單片機及器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機者、從事單片機教學(xué)的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真、PCB設(shè)計虛擬模型仿真三合一的設(shè)計，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。

51、在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。5.2 Proteus作用Proteus 是單片機課堂教學(xué)的先進助手。Proteus 不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程形象化。前者可在相當(dāng)程度上得到實物演示實驗的效果，后者則是實物演示實驗難以達到的效果。它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機實驗硬件高度對應(yīng)。這在相當(dāng)程度上替代了傳統(tǒng)的單片機實驗教學(xué)的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢測、電路修改、調(diào)試、運行結(jié)果等。課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生就業(yè)的重要實踐環(huán)節(jié)。由于 PROTEUS 提供了無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設(shè)計的靈活性、提供了在數(shù)

52、量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學(xué)生實踐精神、創(chuàng)造精神的隨著科技的發(fā)展，“計算機仿真技術(shù)”已成為許多設(shè)計部門重要的前期設(shè)計。它具有設(shè)計靈活，結(jié)果、過程的的特點?？墒乖O(shè)計時間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風(fēng)險。相信在單片機開發(fā)應(yīng)用中 Proteus 也能茯得愈來愈廣泛的應(yīng)用。使用 Proteus進行單片機系統(tǒng)仿真設(shè)計, 是虛擬仿真技術(shù)和計算機多技術(shù)相結(jié)合的綜合運用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計能力及仿真的操作能力；在單片機課程設(shè)計和大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，使用 Proteus 開發(fā)環(huán)境對學(xué)生進行培訓(xùn)，在不需要硬件投入的條件下，學(xué)生普遍反映，對單片機的學(xué)習(xí)比單純學(xué)習(xí)書本知識更容易接受，更容易提高。實踐證明，在使用 Proteus 進行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進行實際制作，能極大提高單片機系統(tǒng)設(shè)計效率。因此，Proteus 有較高的推廣利用價值。5.3主程序結(jié)構(gòu)圖5.1設(shè)計邏輯圖程序開始，對數(shù)據(jù)的初始化，從放大器中數(shù)據(jù)，判斷是否符合條件，符合條件就匹配并切斷煤氣的輸送。不匹配則繼續(xù)數(shù)據(jù)，循環(huán)執(zhí)行。第六章系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)本系統(tǒng)主要是針對高壓鍋內(nèi)壓強監(jiān)測而設(shè)計的。本系統(tǒng)具有硬件體積小、簡單靈活、可靠性高，反映時間短等特點，并且具有可編程、可