管道内压力测量 1DOC.docx

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题目：

流体管道压力测量系统设计

基于单片机的智能压力检测系统的设计

摘要

压力是工业生产过程中的重要参数之一。

压力的检测或控制是保证生产和设备安全运行必不可少的条件。

实现智能化压力检测系统对工业过程的控制具有非常重要的意义。

本设计主要通过单片机及专用芯片对传感器所测得的模拟信号进行处理,使其完成智能化功能。

介绍了智能压力传感器外围电路的硬件设计,并根据硬件进行了软件编程。

本次设计是基于AT89C51单片机的测量与显示。

是通过压力传感器将压力转换成电信号，再经过运算放大器进行信号放大，送至8位A／D转换器，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，再经单片机转换成LED显示器可以识别的信息，最后显示输出。

而在显示的过程中通过键盘，向计算机系统输入各种数据和命令，让单片机系统处于预定的功能状态，显示需要的值。

本设计的最终结果是，将软件下载到硬件上调试出来了需要显示的数据，当输入的模拟信号发生变化的时候，通过A/D转换后，LED将显示不同的数值。

关键词:

压力；AT89C51单片机；压力传感器；A/D转换器；LED显示；

目录

摘要.............................................................................................................................................I

Abstract………………………………………………………………………………………..II

第一章绪论…………………………………………………………………………………...1

1.1研究背景1

1.2基于单片机的智能压力检测的原理2

1.2.1压力的概念2

1.2.2测量压力的意义3

第二章基于单片机的智能压力检测系统的硬件设计…………………………………….4

2.1压力传感器4

2.1.1压力传感器的选择4

2.1.2金属电阻应变片的工作原理4

2.1.3　电阻应变片的基本结构6

2.1.4电阻应变片的测量电路6

2.2信号放大电路8

2.1.2放大器的选择8

2.2.4三运放大电路9

2.3A/D转换器10

2.3.1A/D转换模块器件选择10

2.3.2A/D转换器的简介10

2.3.3配置位说明11

2.3.4ADC0832工作时序图12

2.3.3单片机对ADC0832的控制原理13

2.4单片机14

2.4.1AT89C51单片机简介14

2.4.2主要特性….15

2.4.3管脚说明15

2.4.5芯片擦除17

2.5单片机于键盘的接口技术18

2.5.1键盘功能及结构概述18

2.5.2键盘抖动及去除18

2.5.3单片机与键盘的连接19

2.6LED显示接口21

2.6.1发光二极管及LED显示器21

2.6.2七段数码显示器22

2.6.3LED数码管静态显示接口24

第三章软件设计…………………………………………………………………………….26

3.1A/D转换器的软件设计26

3.1.1ADC0832芯片接口程序的编写26

3.2单片机与键盘的接口程序设计27

3.4LED数码管显示程序设计28

第四章总结………………………………………………………………………………….30

参考文献……………………………………………………………………………………...31

附录A………………………………………………………………………………………...32

附录B…………………………………………………………………………………………33

致谢…………………………………………………………………………………………...38

第一章绪论

1.1研究背景

近年来，随着微型计算机的发展，他的应用在人们的工作和日常生活中越来越普遍。

工业过程控制是计算机的一个重要应用领域。

其中由单片机构成的嵌入式系统已经越来越受到人们的关注。

现在可以毫不夸张的说，没有微型计算机的仪器不能称为先进的仪器，没有微型计算机的控制系统不能称其为现代控制系统的时代已经到来。

压力测量对实时监测和安全生产具有重要的意义。

在工业生产中，为了高效、安全生产，必须有效控制生产过程中的诸如压力、流量、温度等主要参数。

由于压力控制在生产过程中起着决定性的安全作用，因此有必要准确测量压力。

为了测到不同位置的压力值，本次设计为基于单片机智能压力测量系统。

通过压力传感器将需要测量的位置的压力信号转化为电信号，再经过运算放大器进行信号放大，送至8位A／D转换器，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，再经单片机转换成LED显示器可以识别的信息，最后显示输出。

基于单片机的智能压力检测系统，选择的单片机是基于AT89C51单片机的测量与显示，将压力经过压力传感器变为电信号，再通过三运放放将电信号放大为标准信号为0-5V的电压信号，然后进入A/D转换器将模拟量转换为数字量，我们所采样的A/D转换器为ADC0832，ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。

芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。

通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。

但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。

为了提高单片机系统I/O口线的利用效率,利用单片机AT87C51的串行口和串行移位寄存器74LS164扩展输出多位LED显示.

键盘是单片机系统实现人机对话的常用输入设备。

我们通过键盘，向计算机系统输入各种数据和命令，亦可通过使用键盘，让单片机系统处于预定的功能状态。

要想实现压力的显示需硬件与软件配合，最终调试出来。

1.2基于单片机的智能压力检测的原理

本次设计是以单片机组成的压力测量，系统中必须有前向通道作为电信号的输入通道，用来采集输入信息。

压力的测量，需要传感器，利用传感器将压力转换成电信号后，再经放大并经A/D转换为数字量后才能由计算机进行有效处理。

然后用LED进行显示，而键盘的作用是改变输入量的系数的。

它的原理图如图1.1所示。

图1.1压力测量仪表原理方框图

我们这次主要做的是A/D转换，单片机键盘和显示，我们选用的A/D转换器是ADC0832，单片机为AT89C51，键盘为4乘4的键盘，显示为4位数码管显示。

根据硬件电路编程，调试出来并显示结果。

1.2.1压力的概念

压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证生产正常运行，必须对压力进行测量和控制，但需说明的是，这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。

在压力测量中，常用绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。

所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，用符号pj表示。

用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。

地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用符号pq表示。

用来测量大气气压力的仪表叫气压表。

绝对压力与大气压力之差。

称为表压力，用符号pb表示。

即pb=pj-pq。

当绝对压力值小于大气压力值时，表压力为负值（即负压力），此负压力值的绝对值，称为真空度，用符号pz表示。

压力是工业生产中的重要参数，如高压容器的压力超过额定值时便是不安全的，必须进行测量和控制。

在某些工业生产过程中，压力还直接影响产品的质量和生产效率，如生产合成氨时，氮和氢不仅须在一定的压力下合成，而且压力的大小直接影响产量高低。

此外，在一定的条件下，测量压力还可间接得出温度、流量和液位等参数。

1643年，意大利人托里拆利首先测定标准的大气压力值为760毫米汞柱，奠定了液柱式压力测量仪表的基础。

1847年，法国人波登制成波登管压力表，由于结构简单、实用，很快在工业中获得广泛应用，一直是常用的压力测量仪表。

二十世纪上半叶出现了远传压力表和电接点压力表，从而解决了压力测量值的远距离传送和压力的报警、控制等问题。

60年代以后，为适应工业控制、航空工业和医学测试等方面的要求，压力测量仪表日益向体积轻巧、耐高温、耐冲击、耐振动和数字显示等方向发展。

1.2.2测量压力的意义

压力是过程生产中四大重要参数之一，它在检测生产过程能否完全可靠正常运行的重要参数指标，尤其在化工生产过程中压力这一参数更显得尤为重要。

在化工生产过程中，压力即影响物料平衡，也影响化学反应速速，是标志生产过程能否正常进行的重要参数。

安全生产的需要，从确保安全生产的角度，压力检测也是非常重要的。

如：

确保压力容器内的压力在安全指标之内，确保易燃易爆介质的压力不超标。

在其他工业生产中压力检测于控制也非常重要。

常可见到一些工业装置上都有压力表。

如：

汽包压力,当压力过高容易爆炸，压力低动力不足；还有炉膛压力；一般维持在0mmH2O,高了炉门缝冒烟尘，低了膛内出现负压降低温度。

若维持在10mmH2O，节能20%。

压力也是间接测量物位的手段，用孔板测量流量仅能产生差压，而这个差压考压力检测的方法来测取才能最终求出流量。

液面的高度可以靠测取压力的大小来表示。

总之，压力检测是一般成产过程所不可缺少的环节，只有按工艺要求保持压力的稳定，才能维持生产的正常进行。

所以压力准确测量在实际过程是非常重要的。

第二章基于单片机的智能压力检测系统的硬件设计

2.1压力传感器

2.1.1压力传感器的选择

压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分，由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作输出，给显示仪表显示压力值，或供控制和报警使用。

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。

而电容应变式传感器具有悠久的历史。

由于它具有结构简单、体积小、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高动态响应快、适合静态及动态测量、测量精度高等诸多优点，因此是目前应用最广泛的传感器之一。

尤其是在航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动测量与计量、称量等技术领域。

电容式压力传感器是应用最广泛的一种压力传感器。

2.1.2电​容​应​变​式​压​力​传​感​器​的原理

压力传感器的结构

压力传感器的结构如图1所示。

固定电极的半径为r0，厚度为h的膜片组成可动电极，固定电极与可动电极间距离为d，用绝缘体将可动电极固定。

图1压力传感器结构图

压力传感器的工作原理

在流体压力p的作用下，膜片弯曲变形，则在r处的挠度为

式中:

μ为弹性元件材料的泊松比，E为杨氏模量。

在r=0处，挠度最大，为

由于膜片弯曲，改变了可动电极与固定电极之间的距离，任意r处，当压力增加时，两极板之间的距离为d-W（r），故在r处取宽度为dr，周长为2πr的窄圆环，其电容为

（1）

式中C0为初始值，即C0=επr2/d。

当压力减少时，膜片向下变形，间隙为d+W（r），则

（2）

若Wmax/d≤1，省略高阶小量，则

（1），

（2）式可化为

可见，电容相对变化量与被测压力p成正比。

电容式压力传感器

电容式传感器的原理及其分类

电容式传感器的原理

科学技术的不断发展极大地丰富了压力测量产品的种类，现在，压力传感器的敏感原理不仅有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等等但仍以电容式、压阻式和金属应变式传感器最为多见。

金属应变式压力传感器是一种历史较长的压力传感器，但由于它存在迟滞、蠕变及温度性能差等缺点，其应用场合受到了很大的限制。

压阻式传感器是利用半导体压阻效应制造的一种新型的传感器，它具有制造方便，成本低廉等特点。

电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有可变参数的电容器。

由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为

（5）

式中:

ε——电容极板间介质的介电常数，ε=ε0εr，其中ε0为真空介电常数，εr极板间介质的相对介电常数；

S——两平行板所覆盖的面积；

d——两平行板之间的距离。

当被测参数变化使得式（5）中的S、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。

如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。

电容式传感器的分类

电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。

图2所示为常用电容器的结构形式。

图（b）、（c）、（d）、（f）、（g）和（h）为变面积型，图（a）和（e）为变极距型，而图（i）～（l）则为变介电常数型。

图2电容式传感元件的各种结构形式

那么什么是电容式压力传感器呢？

电容式压力传感器（capacitivetypepressuretransducer）利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。

它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。

电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。

1单电容式压力传感器

　它由圆形薄膜与固定电极构成。

薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。

另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的方法制成（图1）。

这种型式适于测量低压，并有较高过载能力。

还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。

这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。

它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。

这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。

单电容式压力传感器还有传声器式（即话筒式）和听诊器式等型式。

2差动电容式压力传感器

　它的受压膜片电极位于两个固定电极之间，构成两个电容器（图2）。

在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。

它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。

过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。

差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难（特别是难以保证对称性），而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。

电容式压力传感器的工作原理

膜片上有两个电极，工作电极为圆形，参考电极为环形，工作电极与公共电极组成敏感电容CS，参考电极与公共电极组成参考电容CR。

被测压力通过导管均匀作用在膜片上，引起膜片变形，从而引起敏感电容CS变化。

CR变化很小，在此忽略。

CS由（3）式得

若dmWmax，则由（4）式得

（6）

由

（7）

可知电容的相对变化量为：

（8）

当|Δd/d0|<<1时，上式可按级数展开，可得

（9）

由式（9）可见，输出电容的相对变化量ΔC/C0与输入位移Δd之间成非线性关系，当|Δd/d0|<<1时可略去高次项，得到近似的线性关系，如下式所示：

（10）

电容传感器的灵敏度为：

（11）

它说明了单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。

如果考虑式（9）中的线性项与二次项，则

（12）

由此可得出传感器的相对非线性误差δ为：

（13）

由式（11）与式（12）可以看出：

要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。

在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。

电容式压力传感器的等效电路

电容式传感器的等效电路可以用图3电路表示。

图中考虑了电容器的损耗和电感效应，Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和介质损耗。

这些损耗在低频时影响较大，随着工作频率增高，容抗减小，其影响就减弱。

Rs代表串联损耗，即代表引线电阻、电容器支架和极板电阻的损耗。

电感L由电容器本身的电感和外部引线电感组成。

图3电容式传感器的等效电路

由等效电路可知，它有一个谐振频率，通常为几十兆赫。

当工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。

因此，工作频率应该选择低于谐振频率，否则电容传感器不能正常工作。

传感元件的有效电容Ce可由下式求得（为了计算方便，忽略Rs和Rp）:

（14）

在这种情况下，电容的实际相对变化量为：

（15）

式（15）表明电容式传感器的实际相对变化量与传感器的固有电感L的角频率ω有关。

因此，在实际应用时必须与标定的条件相同。

电容式压力传感器的检测电路

检测电路

传感器的测量电路如图4所示。

1）电桥的工作电压UL

由电路可知，反相比例放大器的输入电压为Ue，故其输出电压Uo为[

（16）

故加到电桥上的工作电压UL为：

（17）

图4检测电路

2）电桥单臂工作时的输出电压Ua平衡时，由于CR∥CS=C1∥C2，故Ua=0，当压力通过膜片时，引起CS的变化，则此时若忽略CR的变化，即认为CR=CR0，可把电桥认为是单臂CS工作的电桥。

无负载时，单臂电桥的输出电压Ua为：

（18）

式中

由于运放的输入电阻很高，故电路可认为是无负载电桥单臂工作的情况，将（17）代入上式得

（19）

3）电路输出电压与被测压力的关系将（6）式代入（19）式得：

（20）

由（20）式可知，被测压力与输出电压成正比，通过测输出电压Ua，可求被测压力p的大小。

2.2信号放大电路

2.1.2放大器的选择

被测的非电量经传感器得到的电信号幅度很小，无法进行A/D转换，必须对这些模拟电信号进行放大处理。

为使电路简单便于调试，本设计采用三运算放大器，因为在具有较大共模电压的条件下，仪表放大器能够对很微弱的差分电压信号进行放大，并且具有很高的输入阻抗。

这些特性使其受到众多应用的欢迎，广泛用于测量压力和温度的应变仪电桥接口、热电耦温度检测和各种低边、高边电流检测。

2.2.4三运放大电路

本次设计的放大器采用了三运放，因为它具有高共模抑制比的放大电路。

它由三个集成运算放大器组成，如图2.5所示。

2.5三运放高共摸抑制比放大电路

其中A1和A2为两个性能一致（主要指输入阻抗，共模抑制比和增益）的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，A3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制A1和A2的共模信号，并适应接地负载的需要。

由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压，因此，整个差分输入电压现在都呈现在RG两端。

因为输入电压经过放大后（在A1和A2的输出端）的差分电压呈现在R5，RG和R6这三只电阻上，所以差分增益可以通过仅改变RG进行调整。

这种连接有另外一个优点：

一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后，在改变增益时不再对电阻匹配有任何要求。

如果R5＝R6，R1＝R3和R2＝R4，则VOUT=（VIN2－VIN1）（1＋2R5/RG）（R2/R1）。

由于RG两端的电压等于VIN，所以流过RG的电流等于VIN/RG，因此输入信号将通过A1和A2获得增益并得到放大。

然而须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，从而不会在RG上产生电流。

由于没有电流流过RG（也就无电流流过R5和R6），放大器A1和A2将作为单位增益跟随器而工作。

因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将按〔1＋（2RF/RG）〕的增益系数被放大。

这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了〔1＋（2RF/RG）〕倍。

在理论上表明，得到所要求的前端增益（由RG来决定），而不增加共模增益和误差，即差分信号将按增益成比例增加，而共模误差则不然，所以比率〔增益（差分输入电压）/（共模误差电压）〕将增大。

因此CMR理论上直接与增益成比例增加，这是一个非常有用的特性。

最后，由于结构上的对称性，输入放大器的共模误差，如果它们跟踪，将被输出级的减法器消除。

这包括诸如共模抑制随频率变换的误差。

2.3A/D转换器

模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量。

能够完成这一任务的器件称之为模数转换器，简称A/D转换器。

本次设计的中A/D转换器的任务是将放大器输出的模拟信号转换位数字量进行输出。

2.3.1A/D转换模块器件选择

目前单片机在电子产品中已得到广泛应用，许多类型的单片机内部已带有A/D转换电路，但此类单片机会比无A/D转换功能的单片机在价格上高几元甚至很多，我们采用一个普通的单片机加上一个A/D转换器，实现A/D转换的功能，这里A/D转换器可选ADC0832、ADC0809等；串行和并行接口模式是A/D转换器诸多分类中的一种，但却是应用中器件选择的一个重要指标。

在同样的转换分辨率及转换速度的前提下，不同的接口方式会对电路结构及采用周期产生影响。

对A/D转换器的选择我们通过比较ADC0809和ADC0832来决定。

这两个转换器都是常见的A/D转换器，其中ADC0809的并行接口A/D转换器，ADC0832是串行接口A/D转换器。

我们所做的设计选择ADC0832，A/D转换在单片机接口中应用广泛,串行A/D转换器具有功耗低、性价比较高、芯片引脚少等特点。

2.3.2A/D转换器的简介

在这次设计中我们A/D转换器选用两通道输入的八位ADC0832，ADC0832[3]是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。

由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。

芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变得更加方便。

通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

有关引脚说明如下：

•CS片选使能，低电平芯片使能。

•CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

•CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

•GND芯片参考0电位（地）。

•DI数据信号输入，选择通道控制。

•DO数据信号输出，转换数据输出。

•CLK芯片时钟输入。

•Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。

正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。

它的结构示意图如图2.6所示。

图2.6ADC0832结构示意图

2.3.3配置位说