51单片机的压力传感器毕业设计.docx

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51单片机的压力传感器毕业设计

51单片机的压力传感器毕业设计

设计

论文

毕业任务书

一、题目

智能压力传感器系统设计

二、指导思想和目的要求

1.培养学生综合运用所学职业基础知识、职业专业知识和职业技能，提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、深化所学的知识与技能；

2.培养学生建立正确的科学思想，培养学生认真负责、实事求是的科学态度和严谨求实作风；

3.培养学生调查研究，收集资料，熟悉有关技术文件，锻炼学生的科研工作能力和培养学生的团结合作攻关能力。

三、主要技术指标

1.培养学生综合运用所学职业基础知识、职业专业知识和职业技能，提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、深化所学的知识与技能；

2.培养学生建立正确的科学思想，培养学生认真负责、实事求是的科学态度和严谨求实作风；

3.培养学生调查研究，收集资料，熟悉有关技术文件，锻炼学生的科研工作能力和培养学生的团结合作攻关能力。

三、主要技术指标

本设计主要设计一个智能压力传感器的设计，要求如下：

被测介质：

气体、液体及蒸气

量程：

0Pa～500pa

综合精度：

±%FS

供电：

24VDc（12～36VDC）

介质温度：

-20～150℃

环境温度：

-20～85℃

过载能力：

150%FS

响应时间：

≤10mS

稳定性：

≤±%FS/年

 能实时显示目标压力值和保存参数，并能和上位机进行通信，并具有较强的抗干扰能力。

所需要完成的工作：

1.系统地掌握控制器的开发设计过程，相关的电子技术和传感器技术等，进行设计任务和功能的描述；

2.进行系统设计方案的论证和总体设计；

3.从全局考虑完成硬件和软件资源分配和规划，分别进行系统的硬件设计和软件设计；

4.进行硬件调试，软件调试和软硬件的联调；

5.查阅到15篇以上与题目相关的文献，按要求格式独立撰写不少于15000字的设计说明书及万（或翻译成中文后至少在3000字以上）字符以上的英文翻译。

四、进度和要求

第01周----第02周：

查阅相关资料，并完成英文翻译；

第03周----第04周：

进行市场调查，给出系统详细的设计任务和功能，进行系统设计方案的论证和总体设计；

第05周----第07周：

完成硬件电路设计，并用PROTEL画出硬件电路图；

第08周----第10周：

完成软件模块设计与调试；

第11周----第12周：

进行硬件调试，软件调试和软硬件的联调；

第13周----第14周：

撰写毕业设计论文；

五、主要参考书及参考资料

1.单片机原理及应用，张鑫等，电子工业出版社

2.MCS51单片机应用设计，张毅刚等，哈尔滨工业大学

3.MCS51系列单片机实用接口技术，李华等，北京航天航空大学

4.PROTEL2004电路原理图及PCB设计，清源科技，机械工业出版社

5.基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究，曹卫芳，山东科技大学，2005．5

6.单片机应用技术选编，何立民，北京航空航天大学出版社，2000

7.检测技术与系统设计，张靖等，中国电力出版社，2001

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。

本论文根据压力传感器零点补偿与非线性补偿原理，设计出了测量压力传感器的硬件，应用单片机技术测量电路简单，成本低，应用面广，但是由于自身的稳定性其测量结果仍存在误差。

关键词:

压力；AT89C51单片机；压力传感器；A/D转换器；LCD显示；

Abstract

Pressureisoneoftheimportantparametersintheprocessofindustrialproduction.Pressuredetectionorcontrolisanessentialconditiontoensureproductionandtheequipmenttosafelyoperating,whichisofgreatsignificance.Thesingle-chipisinfiltratingintoallfieldsofourlives,soitisverydifficulttofindtheareainwhichthereisnotracesofsingle-chipmicrocomputer.Inthisgraduationdesign,primarilythroughbyusingsingle-chipanddedicatedchip,handlingofanalogsignalmeasuredbythesensortocompleteintelligentfunction.Thisdesignillustratesexternalhardwarecircuitdesignofintelligentpressuresensor,andconductsoftwaredevelopmenttothehardware.

ThedesignisbasedonmeasurementanddisplayofAT89C51single-chip.This

isthepressuresensorswillconvertthepressureintoelectricalsignals.Afterusingoperationalamplifier,thesignalisamplified,andtransferredtothe8-bitA/Dconverter.Thentheanalogsignalisconvertedintodigitalsignalswhichcanbeidentifiedbysingle-chipandthenconvertedbysingle-chipintotheinformationwhichcanbedisplayedonLEDmonitor,andfinallydisplayoutput.Inthecourseofshow,throughthekeyboardtoinputallkindsofdataandcommandsintothecomputer,thesingle-chipwilllocateinapredeterminedfunctionsteptodisplayrequiredvalues.

Inaddition，basedsensorthermaldriftandnonlinearityprinciple，thispaperhasdesigned

Intelligentsensorhardwarecircuitandeditedacircuitwithmicro-Processis

simpleandcheap，thoughtheresulthasstillalittleerror.

Keywords:

pressure;AT89C51single-chip;pressuresensor;A/Dconverter;LCDmonitor;

第一章绪论

前言

在信息高速发展的今天，传感器检测系统的智能化和集成化成为其发展的两个重要方向，而传感器检测系统智能化和集成化的程度主要取决于与之相结合的微处理器的性能。

具有数据处理能力，能够进行自动检测、自动校准、自动误差补偿、自动抽样、以及标度变换功能的智能压力传感器检测系统已成为国内外开发和研究的热点。

传感器技术是现代测量和自动化技术的重要技术之一。

从宇宙探索到海洋开发，从生产过程的控制到现代文明生活，几乎每一项现代科学技术都离不开传感器。

在工业、农业、国防、科技等各个领域，传感器技术都得到了广泛的应用，并展现出极其广阔的前景。

因此，许多国家对传感器技术的发展十分重视。

例如在日本传感器技术被列为六大核心技术（传感器、通信、激光、半导体、超导和计算机）之一，并且是将传感器列为十大技术之首；美国将90年代看作是传感器时代，将传感器技术列为90年代22项关键技术之一。

我国对传感器的研究也有二十多年的历史并取得了很大的成就。

目前，在"科学技术就是第一生产力"的思想指引下，各项科学技术取得了突飞猛进的发展，传感器技术也越来越受到各方面的重视，虽然在某些方面已赶上或者接近世界先进水平。

但是从总体来看，与国外传感器技术的发展相比，我国对传感器技术的研究和生产还比较落后，现正处于方兴未艾的阶段。

由于智能传感器系统的研究起步较晚，其理论和实践远未成熟，离实际应用需求差距很大，尤其是用于压力测量的高性能、小体积、低成本智能压力传感器系统更是有待于进一步开发。

因此，研究开发高性能的智能压力传感器系统对于促进信息技术及自动化技术的发展、提高设备的性能及自动化水平具有不可低估的意义。

选题的背景和意义

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LCD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的串行口和液晶显示屏LM016L来显示.

智能压力传感器的发展方向

（1）向高智能高精度发展:

随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。

目前能生产精度在万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产最也远远不能满足要求。

（2）向高可靠性、宽温度范围发展:

传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。

提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在一20℃~70℃，在军用系统中要求工作温度在一40OC一85OC范围，而汽车锅炉等场合要求传感器工作在一20OC~1200C，在冶炼、焦化等方面对传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途。

（3）向微型化发展:

各种控制仪器设备的功能越来越人，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积己经很小。

如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。

（4）高智能化：

将压力传感器和单片机联系在一起，使其能够在实际应用中能更好地实现人机互换交流，增加仪器的数字化和智能化。

本文研究的内容

研究开发一个智能压力传感器，要实现的主要目标是：

1.系统地掌握单片机的开发设计过程，相关的电子技术和传感器技术等，进行设计任务和功能的描述。

2.进行系统设计方案的论证和总体设计。

3.从全局考虑完成硬件和软件资源分配和规划，分别进行系统的硬件设计和软件设计。

4.进行硬件调试，软件调试和软硬件的联调。

第二章系统总体方案设计

系统任务描述

该系统的任务是能够测量出被测物的压力并能实时显示目标压力值和保存参数，并能和上位机进行通信，并具有较强的抗干扰能力。

2.1.1控制系统要求

该控制系统要求满足以下几点要求：

（1）被测介质：

气体、液体及蒸气

（2）量程：

0Pa～500pa

（3）综合精度：

±%FS

（4）供电：

24VDc（12～36VDC）

（5）介质温度：

-20～150℃

（6）环境温度：

-20～85℃

 （7）当压力超过一定范围是可以报警

（8）能实时显示目标压力值和保存参数，并能和上位机进行通信，并具有较强的抗干扰能力。

2.1.2主要仪器的比较选择

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。

而电阻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。

电阻应变式传感器由弹性元件和电阻应变片构成，当弹性元件感受到物理量时，其表面产生应变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片的电阻值将随着弹性元件的应变而相应变化。

通过测量电阻应变片的电阻值变化，可以用来测量各种参数。

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。

3、A/D转换器的选择

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。

4、主控制器的选择

单片机是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。

它拥有基于复杂指令集（CISC）的单片机内核，虽然其速度不快，12个振荡周期才执行一个单周期指令，但其端口结构为准双向并行口，可兼有外部并行总线，故使其扩展性能非常强大。

51的内部硬件预设，可用特殊功能寄存器对其进行编辑。

总体方案的选择

经过上述总结，本设计采用89C51单片机作为控制芯片，采用电阻应变片压力传感器采集压力信号。

通过压力传感器将采集的压力信号转换成与之对应的电信号，经过ADC0832放大处理，通过89C51在LCD屏幕上显示压力数据，在超过压力限制时由蜂鸣器报警。

系统总体设计

2.2.1系统组成

图智能压力传感器原理方框图

2.2.2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LCD进行显示。

我们这次主要做的是A/D转换，单片机和显示，我们选用的A/D转换器是ADC0832，单片机为AT89C51，，显示为液晶显示LCD。

根据硬件电路编程，调试出来并显示结果。

第三章压力传感系统硬件设计

压力传感器

3.1.1金属应变片的工作原理

应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。

它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。

电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。

金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。

通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。

这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

其阻值随压力所产生的应变而变化。

金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象,俗称为电阻应变效应。

对于金属导体，一段圆截面的导线的金属丝,设其长为L,截面积为A（直径为D）,原始电阻为R，金属导体的电阻值可用下式表示：

R=ρL∕A

式中：

ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）S——导体的截面积（cm2）

L——导体的长度（m）

当金属丝受到轴向力F而被拉伸或压缩产生形变,其电阻值会随之变化,通过对（）式两边取对数后再取全微分得:

（）

式中

为材料轴向线应变,且

跟据材料力学,在金属丝单向受力状态下,有

式中μ为导体材料的泊松比。

因此,有

试验发现,金属材料电阻率的相对变化与其体的相对变化间的关系为

式中,c为常数（由一定的材料和加工方式决定）

将式代入,且当ΔR=R时,可得

式中，k=（1+2µ）+c（1-2µ）为金属丝材料的应变灵敏系数。

上式表明,金属材料电阻的相对变化与其线应变成正比。

这就是金属材料的应变电阻效应。

电阻变化率△R/R的表达式为：

K=ΔR/Rµ/ε，式中μ—材料的泊松系数；ε—应变量。

当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。

当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。

只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情。

3.1.2电阻应变片的基本结构

电阻应变片主要由四部分组成。

电阻丝是应变片敏感元件;基片、覆盖片起定位和保护电阻丝的作用,并使电阻丝和被测试件之间绝缘;引出线用以连接测量导线。

3.1.3电阻应变片的测量电路

应变片可以将应变转换为电阻的变化，为了显示于记录应变的大小，还要将电阻的变化再转换为电压或电流的变化，因此需要有专用的测量电路，通常采用直流电桥和交流电桥。

3.1.4电桥电路的工作原理

由于应变片的电桥电路的输出信号一般比较微弱，所以目前大部分电阻应变式传感器的电桥输出端与直流放大器相连，如图所示。

图直流电桥

设电桥的各臂的电阻分别为R1R3R2R4它们可以全部或部分是应变片。

由于直流放大器的输入电阻比电桥电阻大的多，因此可将电桥输出端看成开路，这种电桥成为电压输出桥，输出电压U0为

U0=

（）

由上式可见：

若R1R3=R2R4，则输出电压必为零，此时电桥处于平衡状态，称为平衡电桥。

平衡电桥的平衡条件为：

R1R3=R2R4

应变片工作时，其电阻变化ΔR，此时有不平衡电压输出。

（）

由式（）表明：

ΔR《R1时，电桥的输出电压于应变成线性关系。

若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变活压应变时，输出电压为两者之差，若不同时，则输出电压为两者之和。

若相对两桥臂的极性一直，输出电压为两者之和，反之则为两者之差。

电桥供电电压U越高，输出电压U0越大，但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。

基于这些原因可以合理的进行温度补偿和提高传感器的测量灵敏度。

3.1.5非线性误差及温度补偿

由式（）的线性关系是在应变片的参数变化很小，ΔR《R1的情况下得出的，若应变片承受的压力太大，则上述假设不成立，电桥的输出电压应变之间成非线性关系。

在在这种情况下，用按线性关系刻度的仪表进行测量必然带来非线性误差。

为了消除非线性误差，在实际应用中，常采用半桥差动或全桥差动电路，如图所示，以改善非线性误差和提高输出灵敏度。

UU

（a）半桥差动电路（b）全桥差动电路

图差动电桥

图（a）为半桥差动电路，在传感器这中经常使用这种方法。

粘贴应变片时，使两个应变片一个受压，一个受拉。

应变符号相反，工作时将两个应变片接入电桥的相邻两臂。

设电桥在初始时所示平衡的，且为等臂电桥，考虑到ΔR=ΔR1=ΔR2则得半桥差动电路的输出电压为

（）

由上式可见，半桥差动电路不仅可以消除非线性误差，而且还使电桥的输出灵敏度提高了一倍，同时还能起到温度补偿的作用。

如果按图（b）所示构成全桥差动电路同样考虑到ΔR=ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时得全桥差动电路的输出电压为

（）

可见，全桥的电压灵敏度比单臂工作时的灵敏度提高了4倍非线性误差也得到了消除，同时还具有温度补偿的作