基于单片机的压力控制模块设计.docx

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基于单片机的压力控制模块设计

学号

毕业论文（设计）

课题基于单片机的压力控制模块设计

学生姓名

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指导教师

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；

Designofpressuredetectingsystembasedonsingle-chip

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.

Theendresultofthisdesignisthatbydownloadingsoftwaretothehardware,itwillgetthedatawhichisrequiredtodisplaybydebugging.Whentheinputanalogsignalschange,theLEDmonitorwilldisplaydifferentvaluesthroughtheA/Dconverting.

Keywords:

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

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基于单片机的压力控制的原理

本次设计是以单片机组成的压力控制，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压力控制的硬件设计

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，可以用来测量位移加速度、力、力矩、压力等各种参数。

2.1.2金属电阻应变片的工作原理

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，如图2.1所示，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（2.1）

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）

图2.1金属电阻丝应变效应

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（2.1）式两边取对数后再取全微分得:

（2.2）

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

（2.3）

式中μ为导体材料的泊松比。

因此,有

（2.4）

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

（2.5）

式中,c为常数（由一定的材料和加工方式决定）

将式（2.5）代入（2.4）,且当ΔR=R时,可得

（2.6）

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。

2.1.3　电阻应变片的基本结构

电阻应变片主要由四部分组成。

如图2.2所示,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。

图2.2　电阻应变片的基本结构

2.1.4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。

2.1.4.1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2.3所示。

图2.3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=

（2.7）

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。

（2.8）

由式（2.8）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。

2.1.4.2非线性误差及温度补偿

由式（2.8）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2.4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2.4差动电桥

图2.4（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

（2.9）

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

（2.10）

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。

2.2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