数字式压力流量单片机测控系统.docx

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数字式压力流量单片机测控系统

毕业设计说明书

设计题目：

数字式压力流量单片机测控系统

——压力部分

院（系）

专业年级

学生姓名学号

指导教师职称

设计地点

日期2012年5月5日

数字式压力流量单片机测控系统

——压力部分

摘要：

流体的压力和流量是工业生产过程中的重要参数，通过一个管道流体压力和流量测控系统，能同时检测压力和流量这两种物理量，可以大大提高检测效率和检测的准确性，使仪表的调校和维护也变得简单。

利用MCS-51系列单片机设计一个流体压力和流量测控系统，使系统具有压力和流量两个通道的信息输入和处理功能。

本文介绍了基于单片机的压力测量通道，它以AT89C51为核心，通过扩散硅压力传感器对压力信号进行采集，再经过运算放大器进行信号放大，送至8位A／D转换器，将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，送至单片机进行处理，用LED显示数值，最终实现压力的测量。

关键词：

压力；AT89C51单片机；压力传感器；流体

Abstract:

Fluidpressureandflowrateareimportantparametersintheindustrialproductionprocess，afluidpressureandflowmeasurementandcontrolsystemcandetectpressureandflowofthesetwophysicalquantities，cangreatlyimprovethedetectionefficiencyandaccuracyofdetection，sothatthetuningoftheinstrumentandmaintenanceeasier．ThedesignisbasedonmeasurementanddisplayofAT89C51single-chip，throughthepressuresensorsconvertingthepressureintoelectricalsignals．Afterusingoperationalamplifier，thesignalisamplified，andtransferredtothe8-bitA/Dconverter．Thentheanalogsignalisconvertedintodigitalsignalswhichcanbeidentifiedbysingle-chipandthenconvertedbysingle-chipintotheinformationwhichcanbedisplayedonLEDmonitor，andeventuallyachievethepressuremeasurement．

Keywords:

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

目录

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

1.1研究背景1

1.2测量压力的意义2

第二章硬件设计……………………………………………………………………………...3

2.1总体设计方案3

2.2压力传感器4

2.3信号放大电路7

2.4A/D转换器9

2.5AT89C51单片机13

2.6键盘设计14

2.7显示器15

第三章软件设计…………………………………………………………………………….18

3.1软件主程序18

3.2A/D转换器的程序设计18

3.3单片机与键盘的接口程序设计20

3.4LED数码管显示程序设计21

第四章总结………………………………………………………………………………….23

参考文献……………………………………………………………………………………...24

致谢…………………………………………………………………………………………...26

附件A硬件电路图………………………………………………………………………...27

附录B程序清单……………………………………………………………………………28

第一章绪论

1.1研究背景

近年来，随着微型计算机的发展，计算机的使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。

现在可以毫不夸张地说，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。

为了测到不同环境下的压力值，压力测量仪表按工作原理分为液柱式、弹性式、负荷式和电测式等类型。

液压式压力测量仪表常称为液柱式压力计，它是以一定高度的液柱所产生的压力，与被测压力相平衡的原理测量压力的。

大多是一根直的或弯成U形的玻璃管，其中充以工作液体。

常用的工作液体为蒸馏水、水银和酒精。

因玻璃管强度不高，并受读数限制，因此所测压力一般不超过0.3兆帕。

它的特点是灵敏度高，因此主要用作实验室中的低压基准仪表，以校验工作用压力测量仪表。

由于工作液体的重度在环境温度、重力加速度改变时会发生变化，对测量的结果常需要进行温度和重力加速度等方面的修正。

弹性式压力测量仪表是利用各种不同形状的弹性元件，在压力下产生变形的原理制成的压力测量仪表。

弹性式压力测量仪表按采用的弹性元件不同，可分为弹簧管压力表、膜片压力表、膜盒压力表和波纹管压力表等；按功能不同分为指示式压力表、电接点压力表和远传压力表等。

这类仪表的特点是结构简单，结实耐用，测量范围宽，是压力测量仪表中应用最多的一种。

负荷式压力测量仪表常称为负荷式压力计，它是直接按压力的定义制作的，常见的有活塞式压力计、浮球式压力计和钟罩式压力计。

由于活塞和砝码均可精确加工和测量，因此这类压力计的误差很小，主要作为压力基准仪表使用，测量范围从数十帕至2500兆帕。

电测式压力测量仪表是利用金属或半导体的物理特性，直接将压力转换为电压、电流信号或频率信号输出，或是通过电阻应变片等，将弹性体的形变转换为电压、电流信号输出。

代表性产品有压电式、压阻式、振频式、电容式和应变式等压力传感器所构成的电测式压力测量仪表。

精确度可达0.02级，测量范围从数十帕至700兆帕不等。

压阻式压力传感器是利用半导体材料硅在受压后，电阻率改变与所受压力有一定关系的原理制做的。

用集成电路工艺在单晶硅膜片的特定晶向上扩散一组等值应变电阻，将电阻接成电桥形式。

当压力发生变化时，单晶硅产生应变，应变使电阻值发生与被测压力成比例的变化，电桥失去平衡，输出一电压信号至显示仪表显示。

随着硅、微机械加工技术、超大集成电路技术和材料制备与特性研究工作的进展，使得压力传感器在光纤传感器的批量生产、高温硅压阻及压电结传感器的应用成为可能，在生物医学、微型机械等领域，压力传感器有着广泛的应用前景。

从世界范围来看，压力传感器的发展日渐趋于小型化、智能化、集成化、广泛化、标准化，主要集中在两个方面：

一是利用微机械加工技术和十分成熟的集成化技术，使得压力传感器的体积尽可能的小，以适应一些特殊场合的需要，或便于与计算机连接而开发智能化压力传感器。

二是利用新兴的半导体材料，如SiC，多孔硅等，或是对惠斯通电路加以改进，在电桥结构推陈出新，如：

双惠斯通电桥电路、八臂电桥电路等。

1.2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，也影响化学反应速度，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，而这个差压靠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。

第二章硬件设计

2.1总体设计方案

利用MCS-51系列单片机设计一个流体压力和流量测控系统，使系统具有压力和流量两个通道的信息输入和处理功能。

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。

然后通过键盘控制LED显示的两个物理参数。

它的原理图如图1.1所示。

图2.1原理方框图

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。

2.2压力传感器

2.2.1压力传感器的选择

压力传感器是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的仪器。

本设计采用扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器广泛用于石油、海洋、水库、河流、化工、冶金、电力、科研等企事业单位，实现对流体压力的测量，并适用于各种全天候环境及腐蚀性流体。

另外它还具有准确度高、稳定性好，对系统在使用温度范围内的综合性温度漂移、非线性进行精细地补偿，因此在使用温度范围内非线性小，温度稳定性好。

它具有4~20mA的DC标准电流信号输出，二线性工作，带负载抗干扰能力强，体积小、重量轻，安装、调试、维护、使用方便。

参数指标如下：

被测介质：

与316不锈钢兼容的液体、气体、蒸汽

测量范围：

-95kPa~60Mpa

输出：

4~20mADC二线制

精度：

0.25%F·S0.5%F·S

电源电压：

12~24VDC

机械保护：

IP65

防爆等级：

iaⅡCT5

使用温度：

-10~+80℃

存储温度：

-40~+125℃

过载极限：

额定量程的1.5~3倍

相对湿度：

小于95%

负载电阻：

不大于750欧姆

安装位置：

无影响

零点温度系数：

小于0.02%／℃

满程温度系数：

小于0.02%／℃

2.2.2扩散硅压力变送器的工作原理

扩散硅压力传感器的工作原理是：

被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

2.2.3扩散型半导体应变片的基本结构

图2.2

 　这种应变片是将P型杂质扩散到一个高电阻N型硅基底上，形成一层极薄的P型导电层，然后用超声波或热压焊法焊接引线而制成（图2.1）。

它的优点是稳定性好，机械滞后和蠕变小，电阻温度系数也比一般体型半导体应变片小一个数量级。

缺点是由于存在P-N结，当温度升高时，绝缘电阻大为下降。

新型固态压阻式传感器中的敏感元件硅梁和硅杯等就是用扩散法制成的。

2.3压力变送器的测量电路。

图2.3

在由半导体应变片组成的传感器中，由四个应变片组成全桥电路，将四个应变片粘贴在弹性元件上，其中两个在工作时受拉伸，而另外两个则受压缩，这样可以使电桥输出的灵敏度最高。

由于电桥的供电电源既可采用恒流源，也可采用恒压源，所以桥路输出的电压与应变片阻值变化的关系也就不同。

对于恒压源来说，其关系是：

UOUT=U.△R/（R+△R1）（式2.1）

式中:

UOUT---电桥输出电压（V）；

U------电桥供电电压（V）；

△R-----应变片阻值变化量（Ω）；

△R1----应变片由于环境温度变化而产生的阻值变化量（Ω）；

R------应变片阻值（Ω）。

上式说明电桥输出电压与△R/R成正比，同时也说明采用恒压源供电时，桥路输出电压受环境温度的影响。

对恒流源来讲，其关系是:

UOUT=I.△R

式中:

I——电桥的供电电流（A）

上式说明电桥输出电压与△R成正比，且环境温度的变化对其没有影响。

2.2.4非线性误差和温度补偿

由式（2.1）的线性关系是在应变片的参数变化很小，极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2.3所示，以改善非线性误差和提高输出灵敏度。

（a）半桥差动电路（b）全桥差动电路

图2.4差动电桥

图2.4（a）为半桥差动电路，在传感器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

（式2.2）

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2.4（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

（式2.3）

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用，该电路也得到了广泛的应用。

2.3信号放大电路

2.3.1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，本设计采用三运放放大器，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。

2.3.2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。

2.4A/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成数字量进行输出。

2.4.1A/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是并行接口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。

2.4.2ADC0832

1、A/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。

8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装。

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、配置位说明

ADC0832工作时，模拟通道的选择及单端输入和差分输入的选择，都取决于输入时序的配置位。

当差输入时，要分配输入通道的极性，两个输入通道的任何一个通道都可作为正极或负极。

ADC0832的配置位逻辑表如表2.1所示。

表2.1的配置位逻辑表

表中“+”表示输入通道的端点为正极性；“-”表示输入端点为负极性H或L表示高、低电平。

输入配置位时，高位（CH0）在前，低位（CH1）在后。

3、ADC0832工作时序图

当CS由高变低时，选中ADC0832。

在时钟的上升沿，DI端的数据移入ADC0832内部的多路地址移位寄存器。

在第一个时钟期间，DI为高，表示启动位，紧接着输入两位配置位。

当输入启动位和配置位后，选通输入模拟通道，转换开始。

转换开始后，经过一个时钟周期延接着在第一个时钟周期延迟，以使选定的通道稳定。

ADC0832紧接着在第4个时钟下降沿输出转换数据。

数据输出时先输出最高位（D7～D0）输出完转换结果后，又以最低位开始重新遍数据（D7～D0），两次发送的最低位共用。

当片选CS为高时，内部所有寄存器清零，输出变为高阻态。

如果要再进行一次模数转换，片选必须再次从高向低跳变，后面再输入启动位和配置位。

如图2.7。

图2.7ADC083工作时序图

4、单片机对ADC0832的控制原理

图2.8ADC0832与单片机的接口电路

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。

当ADC0832未工作时，其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。

当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。

此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。

在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。

在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。

其功能项见表2.2。

表2.2ADC0832的功能表

MUXAddress

Channel

SGL/

DIF

ODD/

SIGN

0

1

1

0

+

1

1

+

MUXAddress

Channel

SGL/

DIF

ODD/

SIGN

0

1

1

0

+

-

1

1

-

+

如表2.2所示，当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。

当2位数据为“1”、“1”时，只对C