远程压力监测系统设计与实现电气工程及其自动化学士学位论文.docx
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远程压力监测系统设计与实现电气工程及其自动化学士学位论文
xx学院
HUIZHOUUNIVERSITY
毕业论文（设计）
中文题目：
远程压力监测系统设计与实现
英文题目：
TheDesignAndImplementationofTheRemotePressureDetectionSystem
姓名
学号
专业班级10电气工程及其自动化1班
指导教师讲师
提交日期2014年5月11日
远程压力监测系统的设计与实现
作者:
专业班级:
10电气
（1）班
指导老师:
职称:
讲师
（惠州学院电子科学系,广东,惠州,516007）
摘要
远程通信技术是现代实现智能化的重要技术之一，在未来具有广阔的应用和发展的空间。
而压力测量技术在军事，工业，生活中随处可见，占据着不可忽视的地位。
因此，将压力测量技术与远程通信技术相结合成的远程压力监测系统具有重要的研究价值。
本文介绍了基于STC89C51单片机的一种远程压力监测系统。
采用压力传感器以及远程通信模块，利用Labview这一个基于图形化的编程语言的虚拟仪器集成开发环境，将在下位机测量的压力值远程的在上位机实时的显示出来，从而实现远程压力的监测。
其具有系统简单，灵活性高，实时性好等特点。
关键词：
压力监测远程Labview单片机
Thedesignandimjplementationoftheremotepressuredetectionsystem
Author:
ChenPingyangProfessionalclasses:
10ElectricalEngineeringandAutomationclasses
（1）
Instructor:
XieHengTitle:
Lecture
（HuizhouUniversity,DepartmentofElectronicScience,Guangdong,Huizhou,516007）
Abstract
Remotecommunicationtechnologyisanimportanttechnologyofthemodernintelligent,hasbroadapplicationanddevelopmentspaceinthefuture.Thepressuremeasurementtechnologyinmilitary,industrial,lifeeverywhere,occupythepositioncannotbeignored.Therefore,thepressuremeasurementtechnologyandtelecommunicationstechnologycombinedintoaremotepressuremonitoringsystemhasimportantresearchvalue.
ThispaperdescribesaremotepressuremonitoringsystembasedonSCMSTC90C51.Usingpressuresensorsandremotecommunicationsmodule,thisonebasedontheuseofLabviewgraphicalprogramminglanguageintegrateddevelopmentenvironmentofvirtualinstrument,willbedisplayedinrealtimeonaremotehostcomputerthenextbitmachinepressurevaluesmeasured,enablingremotemonitoringofpressure.Ithasasystemofsimple,highflexibility,goodreal-timecharacteristics.
Keywords:
PressureMonitoringRemoteLabviewSCM
第一章绪论
1.1本课题的提出及意义
远程通信技术是现代实现智能化的重要技术之一，在未来具有广阔的应用和发展空间。
而压力测量技术在军事，工业，生活中随处可见，占据着不可忽视的地位。
因此，将压力测量技术与远程通信技术相结合成的远程压力监测系统具有重要的研究价值。
在前端的压力采集方面，参考电子秤的原理，采用双孔悬臂平行梁应变式压力传感器。
具有精度高，易加工，结构简单紧凑，偏载能力强，固有频率高等优点。
采集信号与pc的通讯主要利用各种不同类型的数据采集卡，这样的好处是直接利用采集卡的完整功能，缺点是采集卡价格较昂贵。
本课题利用单片机，采用目前广泛一个用的简单的串口通讯接口与无线模块传送采集到的数据，由于价格便宜，接口简单方便，在一些小型系统和低速系统中具有广泛的应用。
因此，本课题运用单片机，压力传感器以及远程模块，利用Labview这一个基于图形化的编程语言的虚拟仪器集成开发环境，将在下位机测量的压力值远程的在上位机实时的显示出来，从而实现远程压力监测。
其具有系统简单，灵活性高，实时性好等特点。
1.2研究现状
1.2.1数据采集系统
数据采集系统的基本概念：
随着计算机、微型机及信息技术的告诉发展，数据采集及过称控制变得越来越重要。
为了把需要处理的信息输入给计算机，把计算机处理的结果输出到所需要的场所，就需要一系列输入、输出设备（计算机外围设备）来完成信息的调理、采样、A/D、D/A、转换、打印、显示等工作。
这些处理信息的输入输出设备与计算机一起就构成一个数据采集系统DAS（DataAcquisitionSystem）。
DAS的组成部分：
一般的，一个数据采集系统包括六个组成部分：
（1）传感器将非电量（如压力、流量、温度、位移等）变成电信号。
（2）信号调理开关信号调理电路的主要功能包括信号的转换和标准化。
（3）多路模拟开关使多路被测信号共享一路A/D。
（4）采样保持电路（S/H）获取输入信号并在其后A/D转换期间使信号保持不变。
（5）A/D转换电路（ADC）DAS的核心器件是A/D转换器。
（6）计算机及数据输出设备一半次啊用工控机及打印机、绘图仪等，用于将采集处理后的数据打印或显示出来（报表、曲线等）
DAS的应用：
数据采集系统广泛应用于工业过称控制、遥测控制、计算机仿真系统等领域，以及各种智能仪表、测试一起和各类家用电器、民用电子产品等。
1.2.2虚拟仪器
1虚拟仪器的概念
所谓虚拟仪器，就是基于计算机的软硬件测试平台，在必要的数据采集硬件和通用计算机支持下，通过软件来实现仪器的部分或全部功能。
虚拟仪器是现代计算机技术、仪器技术及其它新技术完美结合的产物。
2虚拟仪器的组成
虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。
其硬件系统又可以分成计算机硬件平台和接口硬件两部分；而软件系统有驱动程序和应用软件两部分组成。
计算机管理着虚拟仪器的软、硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。
接口硬件根据不同的标准接口总线转换输入或输出信号，供其它系统使用。
按照接口标准不同，常用接口硬件可分为DAQ、VXI、PXI、和GPIB四种，其中DAQ应用最为广泛。
虚拟仪器最核心的思想，就是利用计算机的软硬件资源，使本来需要硬件或电路实现的技术软件化和虚拟化，最大限度的降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。
虚拟仪器的结构如图1.1所示。
图1.1虚拟仪器的组成
3虚拟仪器技术应用
虚拟仪器作为新兴的仪器仪表，其优势在于用户可自行定义仪器的功能和结构等，且构建容易、转换灵活，它已广泛应用于测控系统，检测系统，实验教学等方面，广泛应用于航天航空、铁路交通、生物医疗、教学及科研等各种行业。
1.2.3无线通信
1定义：
透过无线传输的方式，让上网，看电视，或收取各项影音、数据资料等活动，不再受到空间的限制。
事实上，这种技术的应用已经十分普遍，如一般常见的无线电话耳机、无线资讯家电等，甚至在安全产业里，也不乏无线应用产品；而发展趋势多元的闭路电视监控系统（CCTV）产业，随着无线传输技术的不断演进，其无线产品的功能与特性也不断翻新；可见，无线传输技术对于无线电视监控系统产业的发展，尤其不可忽视的重要性。
2分类：
目前的短距无线可简单分类为红外线、IEEE802.11、蓝牙以及HomeRF等四项技术。
1.3本课题的研究内容
本课题研究的基本内容：
（1）硬件器件的选择
（2）单片机与传感器，远程模块以及PC通讯的编程
（3）Labview程序编程与界面设计
（4）系统的功能调试
整体的思路：
本设计采用STC89C51单片机和无线模块相结合，配合Labview实现远程压力监测功能，压力传感器采用双孔悬臂平行梁应变式压力传感器，通过单片机与压力传感器采集并读取数据，通过远程模块发送数据，最后接收并且通过Labview编程平台在上位机显示实时压力值，构成一个完整的压力监测系统。
本章简述了本课题的研究原因，意义，以及整体的思想和方法，接着简要的对本设计每个环节的概念、组成、应用做了介绍，这些内容有助于我们对本课题的研究，从宏观的角度对本设计进行把握。
第二章监测系统的硬件设计
2.1硬件设计的整体方案
本设计使用双孔悬臂平行梁应变式压力传感器采集压力值，得到压力值所代表的模拟量再通过HX711芯片进行AD转换得到压力值所对应的数字量，然后将STC89C51单片机作为主控制芯片，在其内部进行处理转换得到实际的压力值。
通过串口与主蓝牙模块的配合发送至上位机的蓝牙模块从机部分，接收后，上位机的显示部分，采用显示界面开发平台LabVIEW，应用于数据采集与控制、信号分析，界面设计从而实现远程压力监测的功能。
硬件系统框图如图2.1所示。
图2.1系统硬件框图
2.2器件的选择
2.2.1处理器
本设计采用了STC89C51单片机，以下介绍该款单片机的主要性能参数。
（1）与MCS.51产品指令系统完全兼容
（2）4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器
（3）1000次擦写周期
（4）4.0-5.5v的工作电压范围
（5）全静态工作模式：
0Hz-33MHz
（6）三级程序加密锁
（7）128ｘ8字节内部RAM
（8）32个可编程I/O口线
（9）2个16位定时器/计数器
（10）6个中断源
（11）全双工串行UART通道
（12）低功耗空闲和掉电模式
（13）中断可从空闲模唤醒系统
（14）看门狗（wDT）及双数据指针
STC89C51芯片管脚如图2.2。
图2.2STC89C51最小系统
2.2.2传感器
本设计采用了双孔悬臂平行梁应变式压力传感器。
工作原理：
应变式力传感器的受力工作原理如图2.3所示。
将应变片粘贴到受力的力敏型弹性元件上，当弹性元件受力产生形变时，应变片产生相应的应变，转化成电阻变化。
将应变片接成如图2.4所示的电桥，力引起的电阻变化将转化为测量电路的
电压变化，通过测量输出电压的数值，再通过转换即可得到所受的压力。
图2.3应变式力传感器的受力工作原理图2.4压力传感器的接线图
双孔悬臂平行梁应变式压力传感器参数如表2-1所示。
表2-1双孔悬臂平行梁应变式压力传感器参数
量程（kg）
5
综合误差（%F.S）
0.05
额定输出温度漂移
（%F.S/10℃）
≤0.15
灵敏度（mv/v）
1.0±0.1
零点输出（mV/V）
±0.1
非线性（%F.S）
0.05
输入电阻（Ω）
1000±50
重复性（%F.S）
0.05
输出电阻（Ω）
1000±50
滞后（%F.S/3min）
0.05
绝缘电阻（MΩ）
≥2000（100VDC）
蠕变（%F.S/3min）
0.05
励磁电压（V）
3~12
零点漂移（%F.S/1min）
0.05
工作温度范围（℃）
-10~+50
零点温度漂移（%F.S/10℃）
0.2
过载能力（%F.S）
150
2.2.3AD转换芯片
本设计采用了24位高精度AD转换芯片HX711.
1简介：
HX711采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度电子称而设计的24位A/D转换器芯片。
与同类型其他芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其他同类型所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性能强等特点。
降低了电子称的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。
特点：
（1）两路可选择差分输入
（2）片内低噪声编程放大器，可选增益为32，64，128
（3）片内稳压电路可直接向外部传感器和芯片内A/D转换器提供电源
（4）片内时钟振荡器无需任何外接器件，必要时也可以用外接晶振或时钟
（5）上电自动复位电路
（6）简单的数字控制和串口通讯，所有控制由管脚输入，芯片内寄存器无需编程
（7）可选择10Hz或80Hz的输出数据速率
（8）同步抑制50Hz和60Hz的电源干扰
1HX711芯片的串口通信
串口通讯线由管脚PD_SCK和DOUT组成，用来输出数据，选择输入通道和增益。
当数据输出管脚DOUT为高电平时，表明A/D转换器还未准备好输出数据，此时串口时钟输入信号PD_SCK应为低电平。
当DOUT从高电平变低电平后，PD_SCK应输入25至27个不等的时钟脉冲（图二）。
其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出24位数据的最高位（MSB），直至第24个时钟脉冲完成，24位输出数据从最高位至最低位逐位输出完成。
第25至27个时钟脉冲用来选择下一次A/D转换的输入通道和增益，如表2-2所示。
表2-2输入通道和增益选择
PD_SCK脉冲数
输入通道
增益
25
A
128
26
B
32
27
A
64
PD_SCK的输入时钟脉冲数不应少于25或多于27，否则会造成串口通讯错误。
当A/D转换器的输入通道或增益改变时，A/D转换器需要4个数据输出周期才能稳定。
DOUT在4个数据输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据。
其接线方式如图2.5所示：
图2.5HX711的接线方式
2.2.4无线模块
目前无线传输可简单分类为红外线、IEEE802.11、蓝牙以及HomeRF等四项技术：
1红外线（Infared）
这是利用红外线进行点到点视距传输的技术，它是在1993年由红外线数据标准协会制订的。
目前红外线的传送速率最高为16Mbps，接收角度120度。
红外传输设备体积小，功耗低，技术成熟，进入市场早，价格便宜，应用广泛。
但红外线的最大缺点是只能进行视距传输，即通信设备中间不能存在阻挡物，从而把红外线应用限制在特定领域之内。
2IEEE802.11
IEEE802.11系列这是IEEE（Institute for Electrical and Electronic Engineers电气和电子工程师协会）制定的无线局域网标准，用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线数据业务接入。
目前最为常见的是802.11b无线局域网，它使用开放的2.4GHZ微波频段，最高速率为11Mbps；在恶劣环境下，可动态切换到较低的速率上以保证通信。
在办公环境下作用范围约100米，在室外可以达到300米。
另一种802.11a无线局域网工作在5G的频段上，速率可达到54Mbps，但设备昂贵，应用较少。
3蓝牙（Bluetooth）
蓝牙是一种开放性的短距无线通信技术标准，它主要应用于移动设备间的小范围连接，因而本质上是一种代替线缆的技术。
蓝牙也使用2.4G频段，采用快跳频技术进行通信，因而具有较高的抗干扰能力和安全性能。
蓝牙技术可以支持数据和语音传输，最高速率为1Mbps，其作用范围视微波发射功率而定：
0dbm的功率的作用距离为10米，20dbm的功率作用距离为100米。
与802.11系列局域网的组网方式不同，蓝牙技术支持一种灵活的组网方式。
即通过无线方式将若干蓝牙设备组织成微微网（pico—net），多个微微网之间又可以互连成为分散网（Scatter－net）。
同时，蓝牙也是唯一能够嵌入在手机中的短距离全向射频通信技术。
4HomeRF
这是由HomeRF工作组开发的，目标是在家庭范围内，实现计算机与其他设备间的无线通信，HomeRF是IEEE802.11与DECT的结合，作用距离为100米，传输速率为1～2Mbps，支持流媒体传输，在抗干扰能力上略有不足。
然而HomeRF技术没有公开，目前仅有为数很少的企业支持，因此应用前景并不广泛。
综合上面四种无线通信方式的优缺点，基于本设计需要一种短距离、低功率、低成本的无线通信标准，同时不存在穿透性问题，因此本设计的无线通信方式选择了HC-05蓝牙模块。
第三章测量系统的软件设计
3.1软件的整体设计方案
本设计利用KeilC51和LabVIEW编程软件编写程序实现测压显示功能。
系统主要分两部分程序，KeilC51编写单片机读取压力值并通过串口传送压力值程序；LabVIEW
编程进行数据的处理和直观界面显示程序。
系统的流程图如图3.1所示。
图3.1系统流程图
3.2下位机编程
3.2.1下位机软件开发环境——KeilC51简介
单片机的程序设计需要在特定的编译器中进行。
编译器完成对程序的编译、连接等工作，并最终生成可执行文件。
对于单片机程序的开发，一般采用Keil公司的uVison系列的集成开发环境。
KeiluVison3是集成的可视化Windows操作界面，其提供了丰富的库函数和各种编译工具，能够对51系列单片机以及和51系列兼容的绝大部分类型的单片机进行设计。
KeiluVison系列可以支持单片机C51程序设计语言，也可以直接进行汇编语言的设计与编译。
KeiluVison系列是一个非常优秀的编译器，受到广大单片机设计者的广泛使用。
其主要特点如下：
（1）支持汇编语言、C51语言等多种单片机设计语言
（2）可视化的文件管理，界面友好
（3）支持丰富的产品线，除了51及其兼容内核的单片机外，还新增加了对ARM
内核产品的支持；且内嵌RTX-51实时多任务操作系统
（4）具有完善的编译连接工具；具有丰富的仿真调试功能，可以仿真串口、并口、
A/D、D/A、定时器/计数器以及中断等资源，同时也可以和外部仿真器联合进行在线调试；支持多级代码优化
3.2.2编程思路和整体流程
1单片机压力传感器的信号采集
压力的采集是通过双孔悬臂平行梁应变式压力传感器对不同压力的应变产生不同的电阻值，从而输出对应的模拟量电压值，对于本设计所用的传感器，满两成输出电压=激励电压×灵敏度1.0mV/V，例如：
供电电压是5V乘以灵敏度1.0mV/V等于满量程5mV。
相当于有50N的重力的时候产生5mV的电压。
通过24位AD转换模块将模拟量电压值处理成数字量，模块A通道带有128倍信号增益，可以将5mV的电压放大128倍,然后采样输出24bitAD转换的值，单片机通过指定时序将24bit数据读出再经过处理还原成实际的压力值。
测压的原理：
（1）计算传感器的供电电压
HX711可以产生VAVDD和AGND电压，即模块上的E+和E-电压。
该电压通过VAVDD=VBG（R1+R2）/R2计算。
VBG为模块基准电压1.25V，R1=20k，R2=8.2k，因此得出VAVDD=4.3V
（2）AD输出的最大值
在4.3v的供电电压下50N的传感器最大输出电压是：
4.3V×1mV/V=4.3mV
经过128倍放大后，最大电压：
4.3mV×128=550.4mV，
经过AD转换后输出的24bit数字值最大：
550.4mV×224/4.3V≈2147483
（3）程序中的数据转换
程序中通过HX711_Buffer=HX711_Read（）;获取当前采样的AD值，最大2147483，存放在long型变量HX711_Buffer中，因long型变量计算速率和存放空间占用资源太多，固除以100，缩放为int型，便于后面的计算。
Weight_Shiwu=HX711_Buffer/100;Weight_Shiwu最大为21474
（4）将AD值反向转化为重力值
假设重力为Akg，（x＜5kg），测量出来的AD值为y，传感器输出发送给AD模块的电压为Akg×4.3mV/5kg=0.86AmV，
经过128倍增以后128×0.86A=110.08AmV，
转换为24bit数字信号为110.08A×224/4.3V=429496.7296A，
所以得出A=y/4294.967296kg≈y/4.30g。
所以在程序中的计算公式为：
Weight_Shiwu=（unsignedint）（（float）Weight_Shiwu/4.30+0.05）
后面的0.05是为了四舍五入百分位。
2串口通讯的编程
图3.2串口通讯流程图
3.3上位机编程
3.3.1上位机软件开发环境——LabVIEW简介
LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言（G语言）它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
LabVIEW集成了满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能。
它还内置了便于应用TCP／IP、ActiveX等软件标准的库函数。
这是一个功能强且灵活的软件，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
LabVIEW应用程序包括前面板（FrontPanel）、流程图（BlockD1agram）。
在LabVIEW应用界面上用的最多的是它的操作模板，其中包括工具模板（Tools）、控制模板（Controls）和函数模板（Functionless）。
LabVIEW中有许多控件，不同的控件有各自不同的作用，正是这些控件造就了LabVIEW强大功能，从而使LabVIEW在科学的各领域发挥着不可估量的作用。
3.3.2编程思路和流程
1本设计的主要的编程主要由压力的读取、压力值的显示和压力的监测组成的。
（1）压力值的读取与显示
由于labview的串口只能传送字符串类型的数据，所以要收发数值型数据首先要进行数据类型的转换，单片机向Labview串口发送数据，在程序中经过字符串至字节数组的转换，在索引数组即可得到发送的数值。
（2）压力的监测
将压力值通过表达式节点计算，输出不同的值，再将值进行条件结构判断，不同值条件结构内不同布尔开关开启，结果不同指示灯亮，从而实现监测功能。
图3.3Labview压力取与显示框图
2程序主要功能块的编程
本设计的上位机程序有三个功能模块，分别为串口数据转换模块、压力值计算显示模块、压力监测模块，分别为图3.4–3.6所示。
图3.4串口数据转换模块程序图3.5压力值计算显示模块
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