基于51单片机压力检测系统设计.doc

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基于51单片机的压力检测系统设计

摘要：

本设计借助压力传感器将压力信号转换成电信号，经过信号放大，使用高精度A/D转换器件，将模拟信号转换成数字信号，再经单片机运算处理转换成LCD液晶可以识别的信息，最后显示输出。

初始化后可以重设阈值，系统能够实现手动存储八个以内的数据，并可以查询历史记录，对存储的数据进行统计分析，并且在实时压力检测的过程中，预警电路一直监视系统的运行。

本设计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电路。

采用单片机设计实现，具有精度高、功能强等特点。

但是由于自身的稳定性其测量结果仍存在误差。

本课题设计的压力检测系统具有压力测量、超重报警、压力存储及历史数据查阅和压力值数据的统计分析。

该系统的压力检测范围为0-10Kg，测量精度可以达到10g，具有高精度，低成本，易携带的特点。

采用LCD12864液晶显示测量结果，比传统压力检测系统的精确度更高和直观性更好。

另外，该系统电路简单，成本低，使用寿命长，应用范围广等优点。

关键词：

压力传感器；A/D转换器；LCD12864

DesignofpressuredetectionsystembasedonMCU51

Abstract：

Usingpressuresensorconvertsthepressuresignalintoelectricalsignal,afteramplification,usinghighprecisionA/Dconversiondevicethatconvertsanalogsignalsintodigitalsignalsinthisdesign,thenthroughsinglechipmicrocomputerprocessingintotheinformationthatLCDcanidentify,atlastdisplayingandoutputtinginformation.Afterinitializationthesystemcanresetthethreshold,achievestoringwithineightdatamanually,andcanquerythehistoryrecords,thestatisticanalysisthestoreddataandintheprocessofreal-timepressuredetection,earlywarningcircuithasbeenmonitoringtheoperationofthesystem.

Thispaperaccordingtotheprincipleofzerocompensationandnonlinearcompensationforpressuresensor,designingmeasuringpressuresensorhardware.Single-chipimplementationhasthecharacteristicsofhighprecision,strongfunction.Becauseofitsstabilityerrorsstillexistinthemeasurement.Thetopicfunctionsforpressuredetectionsystemareoverweightalarm,storage,statisticalanalysisofhistoricaldataaccessandpressurevalue.Themeasurementrangeofthesystemisfrom0to10kg,measurementaccuracycanreachto10g.Ithastheadvantageofhighprecision,lowcost,easytocarry.MeasurementresultsdisplaywithLCD12864,Contrasttothetraditionalpressuretestsystem,ithashigheraccuracyandintuitive.Inaddition,thesystemcircuitissimple,lowcost,longservicelifeandwidescopeofapplication.

Keywords：

Pressuresensor;A/Dconverter;LCD12864

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

1引言 1

1.1研究背景及意义 1

1.2压力检测系统的研究现状 1

1.3课题任务 2

2系统分析与总体方案设计 3

2.1压力检测系统的整体设计 3

2.2压力检测系统的设计方案 3

2.2.1实时压力测量显示方案 4

2.2.2实时压力监控预警方案 4

3系统硬件电路设计 5

3.1单片机系统 5

3.1.1单片机选型 5

3.1.2单片机晶振电路和复位电路 7

3.2数据采集模块 8

3.2.1压力传感器 9

3.2.2信号放大电路 10

3.2.3A/D模数转换 11

3.3人机交互模块 15

3.3.1液晶显示单元 15

3.3.2矩阵键盘单元 17

3.4声光报警模块 18

3.5电源供电模块 18

4软件程序设计 20

4.1软件开发环境 20

4.2I/O端口分配 21

4.3软件主程序构架 22

4.4主要功能子程序的设计 23

4.4.1A/D子程序设计 24

4.4.2中断子程序设计 25

4.4.3查询历史数据子程序设计 25

4.4.4数据统计分析子程序设计 26

4.4.5阈值重设子程序设计 27

4.4.6人机交互子程序设计 28

5系统调试 33

5.1数据采集调试 33

5.2数据统计分析调试 33

5.3声光报警调试 34

5.4软件调试 34

5.5实物展示 34

6结束语 39

参考文献 40

致谢 41

附录A 42

附录B 44

III

1引言

1.1研究背景及意义

近年来，微型计算机越来越普遍地应用于人们的日常工作、生活中。

计算机的使用在工业过程控制生产中是一个重要环节。

人们越来越关注由单片机构成的嵌入式系统。

可以毫不夸张的说，高端先进仪器是其构造中含有微型计算机系统，微型计算机控制系统的产生促使现代控制系统时代的到来。

在这信息高速发展的时代，传感器检测系统的发展有两个及其重要的方向，分别为智能化与集成化。

而传感器检测系统智能化和集成化的程度主要取决于系统内部微处理器的性能[1]。

当前国内外开发和研究的热点是具有数据处理能力，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。

传感器技术是现代测量和自动化技术的重要技术之一。

压力测量在工业安全生产的实时监测中具有重要的意义。

为了确保工业制造过程中的高效与安全，必须精确地控制生产过程中的一些诸如压力、流量、温度等主要参数。

其中良好的控制压力，可以保障生产过程中的安全，因此准确地测量压力显得尤为重要。

压力是生产过程中四大重要参数之一，实时检测压力可以判断生产过程中机器是否安全可靠的运行[2]。

如：

确保密闭容器内的压力在安全指标范围以内，确保易燃易爆介质的压力不超标。

压力的检测在其他工业生产环节中对于控制生产的正常运行也非常重要。

在一些工业装置上都时常可以见到有压力表，实时的监测压力大小，如若失常则报警，很好的保证了生产的安全运作。

通过测取压力的大小也可以知晓液面的高度。

总而言之，为了保证生产的正常运行，必须按照工艺要求保持稳定的压力，所以准确测量压力在实际过程是非常重要的。

1.2压力检测系统的研究现状

压力检测系统靠的就是压力传感器去采集压力信号。

传感器从探索宇宙到海洋的开发，从生产过程的控制到现代科技文明中都有使用，使用面几乎涵盖了任何一项现代科技产物。

世界上很多国家十分重视发展传感器技术，传感器技术可以应用在工业、农业、国防、科技等各个领域，有着极其广阔的前景。

例如，在日本传感器技术被列为六大核心技术之一，其他五项核心技术为通信、激光、半导体、超导和计算机。

并且日本还将传感器列为六大技术之首；美国将上世纪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。

我国在传感器的研究上也已经有二十多年的历史并取得了很大的成就。

21世纪提出了科学技术就是第一生产力的口号，各项科学技术在这一浪潮下取得了突飞猛进的发展和进步，传感器技术也越来越受到各方面的重视，虽然在某些领域我国已赶上或者接近世界先进水平。

但是从总体来看，我国在传感器技术的研究和生产还落后于国外传感器技术，如今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，各方面理论缺乏和实践不够，离实际应用需求还有很大差距，尤其是用于压力测量的压力传感器。

如何生产高性能、小体积、低成本的智能压力传感器系统还需进一步开发和研究。

因此，研究开发高性能的智能压力传感器系统有利于促进信息技术及自动化技术的发展，对提高设备性能及自动化水平具有重要意义。

压力的实时检测和控制能够保证生产设备的安全运行。

压力传感器是工业仪器、仪表控制中最为常用的一种传感器，广泛地应用在各种工业生产环境中，涉及众多行业。

通过压力传感器将被测物体的压力信号转化为电信号，再经过放大器进行信号放大，送至24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。

1.3课题任务

该设计能够实现压力检测系统的智能检测，如实时压力测量、手动存储压力值、压力预警、数据统计分析等。

该课题以STC89C51RC单片机为控制核心，配合电阻应变式压力传感器、A/D模数转换芯片HX711、12864液晶显示等外围器件，对压力检测系统进行控制与数据采集。

LCD液晶设备显示压力值的测量结果及数据统计分析结果等，配合蜂鸣器和LED二极管进行声光报警。

压力传感器采集被测物体的压力信号，传输给单片机进行分析处理。

另外系统配有键盘，可以实现手动存储、预警值设定、系统复位，数据统计分析的有关功能。

2系统分析与总体方案设计

2.1压力检测系统的整体设计

压力检测系统装置主要由五个模块组成：

1、数据采集模块。

该模块的作用是将检测到的模拟信号转换成为数字信号，经电平保护后输出到数据处理部分。

2、信号处理模块。

用单片机作为信息处理单元，实现对数据的采样及数据分析运

算，并发出控制指令。

3、人机交互模块。

由4*3矩阵键盘及液晶显示单元组成。

通过4*3矩阵键盘对单片机下达指令实现对系统的控制；显示采用12864液晶模块，可以提供丰富、直观、友好的信息界面。

4、声光报警模块。

当报警程序启动时，蜂鸣器发出声音、发光二极管点亮。

5、电源供电模块。

系统通过USB电源供电，单片机程序也可通过USB线串行下载。

借助按键开关操作可控制电源的通断，实现系统的良性运作。

通电后电源指示灯点亮。

压力检测系统框图如图2.1所示：

图2.1压力检测系统框图

2.2压力检测系统的设计方案

实时压力测量和实时压力监控预警是压力检测系统装置的最重要两个部分，它是实现其他功能的基本条件，这两部分性能的好坏将关系到整个系统的性能，所以设计一个成本低、可靠性高、测量精度高、安装调试方便的压力检测系统是该设计的关键。

2.2.1实时压力测量显示方案

本装置中系统压力的检测，采用量程为10kg的高精度电阻应变式压力传感器，将压力信号转换为模拟信号，再传送给A/D模数转换芯片HX711。

输出数字信号给单片机进行处理分析。

压力传感器在每次单片机复位后自动校准归零。

再放上物体进行压力测量，显示器可以实时显示当前所测物体的质量，并且用户可以根据需要将压力值进行手动存储，然后通过按键查询所存储的历史数据。

2.2.2实时压力监控预警方案

为了实时监控压力大小，预先在程序中设定阈值为9.999kg，系统开启后默认的阈值即为9.999kg。

用户可以根据需要通过按键操作，在0.000~9.999kg区间内修改阈值大小。

然后按确认键即可完成阈值重设的操作。

放置被测物体在压力托盘上，当压力超过所设定的压力值时，系统报警，LED灯点亮，蜂鸣器发出声音。

被测物体的压力，经过传感器变为模拟信号，再经模数转换芯片HX711转换为数字信号。

输出给单片机，然后运算处理，判断检测到的压力和阈值，如若该压力大于阈值，则系统将显示出此时压力值，并发出报警提示；小于则在液晶上正常显示当前压力值。

3系统硬件电路设计

3.1单片机系统

单片机是集成在一块芯片上的完整计算机系统。

单片机很多功能集成在一块小芯片上，它具有一个完整计算机所需要的大部分组件：

外部总线系统、内存和CPU同时集成实时时钟通讯接口、定时器和实时时钟等外围设备。

单片机也称作单片微电脑或单片微型计算机，它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/O）等主要计算机功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

3.1.1单片机选型

世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位到16位再到32位，数不胜数，应有尽有，有很多与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，相辅相成，为单片机的应用提供广阔的天地。

自从上世纪80年代初Intel公司推出MCS-51系列单片机以后，全球诸多著名的半导体厂商相继生产与51系列兼容的单片机，使得单片机型号不断增加，功能不断增强，品种不断丰富[3]。

本系统采用STC89C51RC作为核心单片机系统，STC89C51RC是一种高性能、低功耗8位微控制器。

引脚图如下图3.1所示。

图3.1单片机引脚图

单片机各引脚介绍：

lI/O口引脚P0（第32脚~39脚）：

双向8位三态I/O口。

当接外部存储器时，总线复用，不仅可以作为数据总线，也可作为地址总线的低8位。

lI/O口引脚P1（第1脚~8脚）：

8位准双向I/O口。

由于此端口没有高阻态，所以无法输入进行锁存，所以并不是真正意义上的双向I/O。

lI/O口引脚P2（第21脚~28脚）：

8位准双向I/O口。

当使用外部存储器时，总线复用，不仅可以作为数据总线，也可作为地址总线的高8位。

lI/O口引脚P3（第10脚~17脚）：

8位准双向I/O口。

P3口不仅可以作为一般的数据总线使用，这8个引脚还有各自的特殊功能，属于复用双功能口。

作为第二功能使用时，各引脚的定义如表3.1所示，值得强调的是，P3口每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。

表3.1P3口第二功能表

引脚

特殊功能

P3.0

RXD（串行输入端）

P3.1

TXD（并行输入端）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器/计数器0输入端）

P3.5

T1（定时器/计数器1输入端）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通信号输出端）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通信号输出端）

l电源引脚Vcc（第40脚）：

接+5V电压。

l电源引脚Vss（第20脚）：

接地。

l外部晶振引脚XTAL1与XTAL2（第19脚,18脚）：

接外部晶振时，将振荡信号输入给单片机内部的时钟发生器。

lEA（第31脚）：

当EA为低电平时，不管内部是否有程序存储器（8031型号单片机没有内部存储器），单片机只访问外部程序存储器。

当EA为高电平时，先访问内部程序存储器，当寻址地址超过容量时，自动访问外部程序存储器。

lPSEN（第29脚）：

当从外部程序存储器读取指令时，每个机器周期内PSEN两次有效，时外部程序存储器的读选通信号。

lALE（第30脚）：

当不访问外部存储器时，ALE引脚周期性的输入正脉冲信号，可以作为对外输出的时钟，频率为振荡器频率的1/6。

当访问外部存储器时，ALE用于地址低位字节的锁存。

lRST（第9脚）：

当RST上出项两个机器周期以上的高电平时，单片机将复位。

单片机STC89C51RC内部ROM空间大小为4K，地址范围从0000H到0FFFH。

RAM空间大小为128字节，地址范围从00H到FFH。

地址80H到FFH为特殊功能寄存器区，用于计数器/定时器，串行通信，累加器以及一些特殊的控制寄存器。

3.1.2单片机晶振电路和复位电路

（1）晶振电路

晶振是晶体振荡器的简称在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络。

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，给单片机提供工作所需要的时钟信号[4]。

理论上来说，振荡频率越高表示单片机运行速度越快，但同时对存储器的速度和印刷电路板的要求也就越高。

如同木桶原理。

同时单片机性能的好坏，不仅与CPU运算速度有关，而且与存储器的速度、外设速度等都有很大关系。

因此一般选用6~12MHZ。

并联谐振电路对电容的值没有严格要求，但会影响振荡器的稳定、振荡器频率高低、起振快速性等。

陶瓷封装电容可以进一步提高温度稳定性STC89C51RC内部有一个高增益反相放大器用于构成振荡器。

晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值选择与负载电容值相等的并联电容就可以得到晶振标称的谐振频率。

一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地。

这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容。

一般的晶振的负载电容为15pF或12.5pF，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22pF的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。

晶振与单片机的脚XTAL0和脚XTAL1构成的振荡电路中会产生偕波。

这个波对电路的影响不大，但会降低电路的时钟振荡器的稳定性，为了电路的稳定性起见。

ATMEL公司只是建议在晶振的两引脚处接入两个10pf-50pf的瓷片电容接地来削减偕波对电路的稳定性的影响，所以晶振所配的电容在10pf-50pf之间都可以的。

本系统采用了12MHZ的晶振。

图3.2单片机时钟原理图

（2）复位电路

单片机的复位电路有两种，上电自动复位方式以及手动复位方式。

本系统已具备电源开关键，可以使用上电自动复位方式。

复位是单片机的初始化操作。

其主要功能使单片机从0000H单元开始执行程序。

51单片机是高电平复位，给单片机加5V电源（上电）启动时的情况：

这时电容充电相当于短路（电容特性：

通交流，隔直流，上电瞬间相当于交流），可以认为RST上的电压就是VCC，这是单片机就是复位状态。

随着时间推移电容两端电压升高，即造成RST上的电压降低，当低至阈值电压时，即完成复位过程。

外部复位电路是为提供两个机器周期以上的高电平而设计的。

RST脚上只要保持10ms以上高电平，系统就会有效复位。

电容C1可取10~33μF，R取10kΩ，充电时间常数为10×10-6×10×103=100ms。

其电路如图3.3所示：

图3.3单片机复位原理图

电容的作用就是缓冲使RST端保持高电平一段时间，以达到有效复位，电容越大，保持的时间就越久。

单片机的复位需要至少持续两个机器周期以上的高电平的时间，所以在刚开始上电的时候图3.3中的电容C1充电，所以在单片机的复位引脚RST上会出现大于2个机器周期的高电平，使单片机复位。

3.2数据采集模块

使用型号为CZL-A、量程为10kg的电阻应变式压力传感器，对被测物体进行压力采集并将其转换成电压信号，输出电压信号通常很小，此时需要利用HX711转换模块中的可编程放大器进行放大。

放大后的模拟电压信号经24位A/D转换芯片HX711电路转换成数字量，通过2线串行方式与单片机通信，即可完成数据的采集工作。

数字采集模块原理图如图3.4所示。

图3.4数据采集模块图

3.2.1压力传感器

（1）压力传感器的选择

在本设计中，我们需要使用压力传感器来对物品重量进行测量。

压力传感器在压力检测系统中是一个重要的元件，因此，在选择压力传感器时需要考虑其量程和参数，还要考虑它的性价比和兼容性等等。

由压力传感器将所测压力信号转换成容易测量的电信号输出，经过A/D转换及单片机处理后传送给液晶显示压力值，或供报警使用。

压力传感器的种类有很多，比如应变式传感器，电容式压力传感器、压电传感器，谐振式压力传感器直接位移式传感器或是利用磁弹性、压阻等物理效应的传感器。

压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器[5]。

但压电传感器只能用于动态测量。

由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。

电阻应变式传感器具有悠久的历史。

电阻应变式传感器具有金属的应变效应，即如果有外力存在，那么金属会发生微弱的形变，从而改变其电阻值。

它具有结构简单，精度高，易于实现小型化等特点，因此是目前应用最广泛的传感器之一。

对于大应变有较大的非线性的输出信号较弱，但可以通过一些措施来补偿。

电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，因为压力传感器在工作时应变片的形变量很小，导致电阻变化很微弱，测量得到的结果未必准确，并且由于结果数值很小，导致我们处理起来将会十分困难。

因此，我们可以把测量结果经过某些电路将电阻变化或形变量转化为电信号，以此来提高测量效率和精确度[6]。

此处通常选用测量电桥作为转换电路。

此处的测量电桥选用直流电桥，因为直流电桥抗干扰能力强，但是输出信号小，所以需要对转换的电信号通过高效的放大电路进行放大。

R1、R2、R3和R4组成惠更斯电桥，将两对电阻应变片的阻值变化转变成输出电压，其工作原理如图3.5所示。

图3.5测量电桥原理图

（2）电阻应变式传感器测量原理

电阻应变式压力传感器主要由弹性元件、电阻应变片等组成。

传感器内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，转换元件电阻应变片也会受到拉伸或变形，它的阻值将发生变化，从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。

电阻应变式传感器测量原理图如图3.6所示。

图3.6电阻应变式传感器测量结构图

当外界施加一个垂直正压力P作用于金属横梁上时，横梁产生形变，电阻应变片R1、R3受压弯拉伸，阻值增加；R2、R4受压缩，阻值减小。

电桥失去平衡，产生不平衡电压，不平衡电压与作用在传感器上的载菏P成正比，从而将非电量转化成电量输出[7]。

（3）电阻应变片的基本结构

电阻应变式压力传感器是将所测物体压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的。

应变片即是该型传感器的核心，它是由金属导体或半导体制成的电阻体，是一种将被