單片機(jī)控制的智能壓力傳感器系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u29793單片機(jī)控制的智能壓力傳感器系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例 110037一、智能壓力傳感器的硬件設(shè)計(jì) 1223971.1壓力傳感器 1271481.1.1基本結(jié)構(gòu) 138711.1.2測(cè)量電路 1299061.1.3工作原理 2172501.1.4性能參數(shù) 275261.2信號(hào)放大電路 3123361.3A/D轉(zhuǎn)換器 4326441.1.1A/D轉(zhuǎn)換器的簡介 4317131.1.2A/D轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì) 58721.4單片機(jī) 610001.2.1AT89C51單片機(jī)簡介 6221061.2.2管腳說明 7224301.2.3振蕩器特性 7196391.2.4芯片擦除 868291.5報(bào)警模塊 885071.6顯示模塊 95044二、智能壓力傳感器的軟件設(shè)計(jì) 10254892.1軟件編程 1043692.2軟件程序組成 11144572.2.1系統(tǒng)的主程序 12238002.3系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì) 13245792.1.1A/D轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計(jì) 138302.1.2ADC0832芯片接口應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和編寫 14232092.1.3LCD數(shù)碼管顯示程序設(shè)計(jì) 15一、智能壓力傳感器的硬件設(shè)計(jì)1.1壓力傳感器1.1.1基本結(jié)構(gòu)覆蓋層、基底、靈敏性元件和導(dǎo)線是電阻應(yīng)變片的四個(gè)主要組成部分。1.1.2測(cè)量電路我們?cè)谑褂脩?yīng)變計(jì)的過程中，可以將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮?。之后，我們需要使用改變電壓或者電流的方式來改變電阻值，從而顯示和記錄應(yīng)變電阻的變化。為了達(dá)到這個(gè)目的，我們需要采用特殊的檢驗(yàn)電路，通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，直流電橋或者交流電橋是一般的最常見的選擇。1.1.3工作原理因?yàn)閭鞲衅魉敵龅男盘?hào)一般都比較弱，所以目前大多數(shù)該類傳感器的電橋輸出端通常與直流放大器連接。如圖1.1所示。本次設(shè)計(jì)選用87型壓阻式壓力傳感器。對(duì)于直流電橋來說，可以假設(shè)電橋的四個(gè)電阻的阻值分別為R1R2R3R4，并把它們當(dāng)作為應(yīng)變片。在現(xiàn)實(shí)使用中可能會(huì)有電阻的輸入值要比此直流電橋的電阻值要大的情況，這時(shí)，電橋的輸出端會(huì)被當(dāng)成開路的狀態(tài)，也可以叫做電壓的輸出橋，而得出電壓的輸出值為U0=(R1R3)-(R2R4)US/（R1+R2)(R3+R4)。為了達(dá)到一種平衡時(shí)的狀態(tài)，故需要R1R3=R2R4，之后就可以使直流電橋的的輸出電壓值為0。同時(shí)需要考慮一種情況，就是以防超過最大工作電流的時(shí)要采取溫度補(bǔ)償提高靈敏度的輸出。電橋中的IC電子元件是壓電傳感器的輸出端，根據(jù)對(duì)電阻片上的電阻相應(yīng)變化情況ΔR/R轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱臏y(cè)量輸出，使壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，方便接受和處理信號(hào)。為了消除非線性誤差，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中一般采用半橋和全橋差動(dòng)電路。查閱資料得知，半橋電路的輸出電壓為U0=UΔR/2R，全橋差動(dòng)電路的輸出電壓為U0=UΔR/R。由此可見，半橋差動(dòng)電路消除非線性誤差的同時(shí)使輸出靈敏度提高了一倍，還能起到溫度補(bǔ)償作用；全橋電路的電壓靈敏度是單臂工作時(shí)的4倍，可以消除非線性誤差，也具有溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。圖1.SEQ圖3.\*ARABIC1壓力傳感器元件結(jié)構(gòu)1.1.4性能參數(shù)表1.1列出了87型壓阻式壓力傳感器在電源電流為1.5mA，室溫是25℃條件下的性能參數(shù)。參數(shù)最小最大單位滿量程輸出75125mV零壓失調(diào)-11mV壓力非線性-0.250.25±%量程輸入輸出電阻20004000Ω供電電流0.52.0mA輸出負(fù)載電阻5--MΩ絕緣電阻50--MΩ補(bǔ)償溫度-20℃~+85℃工作溫度-40℃~+125℃存貯溫度-55℃~+125℃重量11克表1.1壓力傳感器性能參數(shù)1.2信號(hào)放大電路本次設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)三運(yùn)放儀表放大器。它由三個(gè)可以集成的運(yùn)算放大器組合而成，如圖1.2所示。圖1.SEQ圖3.\*ARABIC2標(biāo)準(zhǔn)三運(yùn)放儀表放大器電路圖A1和A2為OP2177，A3為OP1177。其中A1和A2同為兩個(gè)輸入阻抗相同性質(zhì)的同向輸入端，它們是信號(hào)放大部分的雙端輸入級(jí)，而經(jīng)過信號(hào)的放大后從A3單端輸出級(jí)發(fā)出。A3的作用就是再次抑制雙端輸入的共模信號(hào)，也能達(dá)到接地負(fù)載的需要。電壓總和是輸入端的每個(gè)電壓的附加電壓，即都集中體現(xiàn)在RG兩端的電壓。經(jīng)過同向輸入端的A1和A2兩個(gè)放大器后，差分電壓取決于R5、RG和R6上。所以，信號(hào)放大的的實(shí)質(zhì)就是通過改變RG電阻來調(diào)整的。最后，假設(shè)R5和R6相等，R1和R3相等，R2和R4相等，那么最后經(jīng)過放大處理后的A3的輸出VOUT是(VIN2-VIN1)(1+2R5/RG)(R2/R1)。但是，還應(yīng)該注意一點(diǎn)，因?yàn)锳1和A2在RG兩端的電位都是一樣的，此時(shí)的電流是為0。那么，A1和A2就會(huì)是另外一種狀態(tài)，即僅僅作為一個(gè)單位的增益進(jìn)行，使共模信號(hào)以這種狀態(tài)輸入緩沖器。此時(shí)的增益系數(shù)就是以(1+(2R5/RG))的數(shù)值不斷被放大。跟之前的相比共模抑制比作比較會(huì)發(fā)現(xiàn)，差分電路的增大倍數(shù)就是(1+(2R5/RG))倍。1.3A/D轉(zhuǎn)換器在數(shù)字輸入輸出通道設(shè)計(jì)中，模擬量輸入通道是用來把模擬量的變化轉(zhuǎn)為一個(gè)數(shù)值。能夠自動(dòng)完成這一任務(wù)的轉(zhuǎn)換器稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，也就是A/D轉(zhuǎn)換器。在本設(shè)計(jì)中，A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換器的主要任務(wù)是將來自信號(hào)放大器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成位字節(jié)輸出。1.1.1A/D轉(zhuǎn)換器的簡介在本文的設(shè)計(jì)中，選擇一個(gè)8位ADC0832作為一個(gè)具有兩個(gè)輸出通道的A/D轉(zhuǎn)換器。它指的是由一個(gè)美國國家半導(dǎo)體公司自主開發(fā)設(shè)計(jì)研制生產(chǎn)出來的8位元全精度高頻雙通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器微控制系統(tǒng)芯片。ADC0832是一個(gè)8高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它能夠充分滿足數(shù)據(jù)模擬器和數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)換的各種普遍性。而其模擬電源的輸入與電壓的相互重用會(huì)導(dǎo)致芯片更加靈活，使模擬電壓范圍控制在0-5V之間，且數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間也只有32微秒，為了使多個(gè)實(shí)驗(yàn)的器材之間的連接更加的簡潔明了，可以選擇使用一個(gè)單獨(dú)的芯片進(jìn)行控制。然后使用DI輸入數(shù)據(jù)，很輕松的就完成了通道功能的選取。圖1.SEQ圖3.\*ARABIC3ADC0832結(jié)構(gòu)示意圖1.1.2A/D轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)如圖1.4所示，是ADC0832轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)相連，使得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，達(dá)成模數(shù)轉(zhuǎn)換的效果，適應(yīng)于單片機(jī)的輸入端口的信號(hào)內(nèi)容。在ADC0832轉(zhuǎn)換器中，共有8位引腳，其中常把D0和D1作為一個(gè)并聯(lián)整體處理，這樣會(huì)比較的方便而且使用也很常規(guī)。在ADC0832轉(zhuǎn)換器還沒有進(jìn)行工作時(shí)，CS端顯示為高電平，表示此芯片是不可用的狀態(tài)。只有當(dāng)CS兩端的電壓為低電平時(shí)，芯片才可以正常的運(yùn)行，并且一直要等到轉(zhuǎn)換結(jié)束，說明了A/D轉(zhuǎn)換的過程是有序進(jìn)行的。在芯片開始工作時(shí)，CLK時(shí)鐘脈沖會(huì)有輸入端的進(jìn)入，D1就是利用自身的通道進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的選擇。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)的時(shí)鐘脈沖進(jìn)入之前，D1引腳為高電平才正常。而當(dāng)?shù)?第3個(gè)脈沖進(jìn)入之前，D1引腳要輸入的2位數(shù)據(jù)，才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇的效果。圖1.4ADC0832與單片機(jī)的連接圖1.4單片機(jī)隨著我國現(xiàn)代信息技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能將越來越完善，在當(dāng)代我國，單片機(jī)的應(yīng)用范圍將越來越寬。它們將在我國廣泛地應(yīng)用到智能儀表，家用電器，以及工業(yè)生產(chǎn)過程管理中。1.2.1AT89C51單片機(jī)簡介AT89C51單片機(jī)在各種的設(shè)計(jì)研究型的項(xiàng)目中都是占據(jù)著很大的分量，具備基礎(chǔ)的寄存器和存儲(chǔ)器，功能的效果也是最完善的。每個(gè)單片機(jī)能擦除功率只有一百次。AT89C51是一種精密且效率的八位閃存管理微控制器，AT89C51是一款具有更簡化菜單的閃存版本，如圖1.5所示。AT89C51為各種類型的采用嵌入式微處理器和運(yùn)動(dòng)控制集成單元的操作系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)者用戶提供靈活便宜、低廉的系統(tǒng)解決模式方案。圖1.5AT89C51結(jié)構(gòu)示意圖1.2.2管腳說明Vcc：電壓。GND：接地線。RST：復(fù)位輸入。ALE/PROG：當(dāng)需要訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，地址數(shù)據(jù)鎖存器需要設(shè)置一個(gè)允許的固定輸出輸入電平，該電平可以作為地址鎖存器輸入地址的固定位置輸入字節(jié)。/PSEN：外部存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：反向振蕩器的輸出。P0口：擁有一個(gè)8位的I/O端口，就可以提供8位邏輯電平供顯示器進(jìn)行連接，并且每個(gè)I/O端口都可以與其他的引腳相連接。P1口：可以提供的8位的I/O端口，并結(jié)合上拉電阻使得電路的整體設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定。P2口：擁有一個(gè)8位的雙向I/O端口。P2端口上的緩沖器主要用于與之進(jìn)行雙向無線通信，且通信時(shí)輸出4個(gè)雙向TTL門的輸入電流。當(dāng)每個(gè)P2端口都被放在一個(gè)大寫字母“1”中時(shí)，其中一個(gè)輸入引腳可以用作電流的輸入。P3口：是單片機(jī)的最重要的引腳部分，其功能的用處最大，包含著時(shí)鐘頻率。1.2.3振蕩器特性XTAL1和XTAL2能夠搭配芯片的振蕩器。若是驅(qū)動(dòng)采用外部的時(shí)鐘，就不接XTAL2。內(nèi)部脈沖時(shí)鐘輸入信號(hào)的冗余脈沖輸出必須通過二進(jìn)制脈沖觸發(fā)器。所以，雖然內(nèi)外部脈沖輸出信號(hào)的外部脈沖輸出寬度并不是一個(gè)嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，但需要確定想要的脈沖高低電平及其寬度。1.2.4芯片擦除AT89C51還特別為用戶配備了一種新型的穩(wěn)態(tài)掉電邏輯，它不僅使用戶可以為每個(gè)頻率從低到零適合各種靜態(tài)掉電邏輯，還支持兩個(gè)處理軟件所選擇的動(dòng)態(tài)掉電響應(yīng)模型。在此模式下，CPU很有可能就會(huì)自動(dòng)地停止正常運(yùn)行操作。然而其相應(yīng)的硬件系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。在自動(dòng)切換或者斷電的模式下，RAM數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)，并且一個(gè)振蕩器也就可以被自動(dòng)地凍結(jié)。在下次硬件驅(qū)動(dòng)程序重置之前，禁止再次嘗試使用其他配置芯片功能。1.5報(bào)警模塊該模塊由蜂鳴器和三極管組成。當(dāng)蜂鳴器的輸出壓力大大增加超過其設(shè)計(jì)壓力范圍時(shí)，單片機(jī)的輸出電壓報(bào)警將其調(diào)高，蜂鳴器的輸出電壓隨時(shí)自動(dòng)變化，發(fā)出新的聲音值并發(fā)出電壓報(bào)警，液晶屏給出提示。當(dāng)壓力輸入和控制器的輸出電壓信號(hào)較低時(shí)，蜂鳴器就不會(huì)產(chǎn)生聲音。蜂鳴器和單片機(jī)的相互連接結(jié)構(gòu)如圖1.6所示。圖1.6報(bào)警電路圖1.6顯示模塊在本設(shè)計(jì)中，需要對(duì)單片機(jī)測(cè)量出的壓力數(shù)值進(jìn)行顯示，故需要加上LM016L液晶顯示器。如圖1.7所示，VSS引腳接地，VDD引腳接5V電源，VEE引腳是顯示對(duì)比度的調(diào)整，加上這個(gè)可以更加清楚的觀察壓力數(shù)值的顯示。RS引腳選擇寄存器的功能，以高電平為主，則表示數(shù)據(jù)寄存器，反之則為指令寄存器。RW引腳是讀寫信號(hào)線，以高電平為主，則表示讀信號(hào)線，反之則為寫信號(hào)線。E引腳稱為使能端，就是液晶顯示器只會(huì)在低電平進(jìn)行顯示，促使高電平變成低電平。引腳D0~D7與單片機(jī)的P2引腳對(duì)應(yīng)相連。通過按鍵的輔助和調(diào)整，然后單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算和處理之后，顯示在LM016L液晶顯示器上。圖1.7顯示電路圖

二、智能壓力傳感器的軟件設(shè)計(jì)2.1軟件編程軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的一項(xiàng)非常重要的組成部分。軟件主要負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)輸入和送回、數(shù)據(jù)處理等功能。這些功能都是保證整個(gè)系統(tǒng)能夠正常、可靠地運(yùn)行的一個(gè)重要前提。C語言是一種常用的計(jì)算機(jī)編程語言。它還有匯編語言的功能。C語言已經(jīng)被廣泛地移植到大、中、小型和微型個(gè)人計(jì)算機(jī)上。也可以直接作為基于主機(jī)工作系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的編程語言應(yīng)用，幫助基于操作系統(tǒng)的主機(jī)應(yīng)用編程，同樣，也可以直接作為基于主機(jī)應(yīng)用硬件設(shè)計(jì)的編程語言應(yīng)用。它應(yīng)用范圍廣泛，具有較強(qiáng)的工程數(shù)據(jù)處理和信息分析計(jì)算能力。它不僅可以用于工業(yè)軟件的開發(fā)，還可以在教學(xué)和科研過程中具有很強(qiáng)的實(shí)用性。它需要充分利用這種C語言，適合用戶編寫工業(yè)系統(tǒng)管理軟件、三維和二維工程圖形及視頻動(dòng)畫。2.2軟件程序組成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的兩個(gè)軟件模塊包括一個(gè)主程序與兩個(gè)軟件模塊，均由子程序共同開發(fā)構(gòu)建，編寫與軟件運(yùn)行都相對(duì)比較簡單。該軟件主要功能包括了啟動(dòng)主程序、AD轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)的啟動(dòng)子程序、LCD轉(zhuǎn)換顯示器的啟動(dòng)子程序、中斷及延時(shí)器的子程序。2.2.1系統(tǒng)的主程序圖2.1主程序流程圖2.3系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)2.1.1A/D轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計(jì)根據(jù)電路中輸出的信號(hào)格式不同，常用的A/D電流轉(zhuǎn)換模式控制方法一般可以劃分為直接并行模式A/D和串行模型A/D兩種，直接并行模式控制器可以通過電流直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但芯片引腳選擇的方式相對(duì)較多；串行模式采用了相對(duì)少量的線針和小封裝，但它們也要求軟件處理才能夠獲得必要的數(shù)據(jù)。然而，單片機(jī)中的I/O引腳卻不是很多。采用一個(gè)串行裝置的控制系統(tǒng)能夠有效地降低I/O資源的浪費(fèi)。2.1.2ADC0832芯片接口應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和編寫單片機(jī)以串行方式工作時(shí)，串行口作為同步移位寄存器。P1.3端是數(shù)據(jù)的出入口，P1.6提供脈沖。單片機(jī)串行口方式0與ADC0832接口，單片機(jī)P2.0接芯片的CS，P1.6接芯片的CLK提供時(shí)鐘輸出，P1.7接0832的D0、DI當(dāng)開始位。在CS變低之后，ADC0832的D0側(cè)處于高電阻狀態(tài)，一直持續(xù)三個(gè)循環(huán)；在開始轉(zhuǎn)換之后，需要停止DI線，所以DO和DI可以接在一起。ADC0832的劃分輸出和輸入數(shù)據(jù)段的總分為15位，切兩個(gè)相同的輸出數(shù)據(jù)段都組合應(yīng)該總分是8位。第一段首先一節(jié)使用的號(hào)碼是最高位，第二段最后一節(jié)所依次使用