智能压力测量仪的研制.docx
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智能压力测量仪的研制
智能压力测量仪的研制
毕业设计
题目智能压力测量仪的研制
学院自动化与电气工程学院
专业电气工程及其自动化
班级
学生
学号
指导教师
二〇一五年五月三十一日
摘要
本文介绍的是可调量程智能压力测量仪的设计。
其功能要紧是实现多量程的压力的检测，范畴0~10-100MP。
该压力测量仪的工作原理为，电阻应变式压力传感器采集的信号通过放大器放大后传送给ADC0809转换器，A/D将模拟信号转换为数字信号后送给89C51单片机。
数据经由单片机处理后可由显示系统显示出具体的压力测量值。
其中硬件部分还包括按键和AT24C02储备系统用于量程的调剂。
本文还包括软件流程设计，以及PCB板的绘制。
关键词：
89C51单片机；ADC0809；电阻应变式压力传感器；AT24C02储备器
ABSTRACT
Thepaperintroducedthedesignoftheintelligentpressuremeter,witchhasthe functionofregulatingrange.Itsmainfunctionistorealizethemultiplerangeofpressuretest,intherangeof0~10-100mp.TheworkingprincipleofpressuremeasuringinstrumentforresistancestraintypepressuresensoracquisitionsignalamplifieramplificationprocesswillbesenttoADC0809converter,A/Dconvertsanalogsignalstodigitalsignalssentafter89c51.Dataafterprocessedbysinglechipmicrocomputercanbedisplayedbythesystemshowsthespecificpressuremeasurements.ThehardwarepartincludesbuttonsandAT24C02storagesystemforregulatingrange.Thisarticlealsoincludesthesoftwareprocessdesign,aswellasthePCBdrawing.
Keywords：
89c51;ADC0809;Resistancestraintypepressuresensor;AT24C02memory
1.前言
1.1背景与进展
17到18世纪期间，第一个测定到标准大气压力的是意大利籍托里拆里，他的发觉为液柱式压力测量外表的设计打下了坚决地基础。
我们所熟知的波登管压力表因为其的有用性，和简便性，被工业领域较为宽泛的应用。
20世纪初，由于压力测量带来专门多限制性难题，人们开发出了电接点压力表、远传压力表。
使得压力测量变得更为方便，效率，应用范畴更为广泛。
二十世纪后半叶，压力测量仪的设计得到了改进，更为轻便，适应的工作环境更为苛刻。
使得其能够专门好地被应用于航空、医学检测等领域，现在数字显示也被引进压力测量的应用当中。
二十世纪六十年代左右，多数工程项目中差不多都采纳了弹簧式压力外表来完成压力参数的测量。
但由于科学技术的进展和对压力测试技术的要求，专门是航空领域给压力测试技术提出了许多困难要求，要求必须迅速反映测量过程发生的变化情形，并将变化的信息送给运算机，以使达到测试过程或生产线要求，实现自动化操纵，或者能直截了当输入给显示、记录、数据处理系统，如此就进展产生了电测试压力仪，以代替过去那些只能测试静态压力的弹簧压力计。
压力是我们生产生活中的一种常用的参数。
为了保证生产和仪器的安全性能，压力的测量是必不可少的。
而且压力测量的智能化，也是大势可趋。
近来压力传感器种类可谓多之又多，而且体积越来越小，越来越轻便，各个领域，各个行业无不有其的踪影。
为实现压力的更精确的测量，人们将压力传感器和其他硬件，扩展单元，电路原理结合在一起，使压力的测量更为方便，准确。
例如，脉搏测量仪，将柔弱的脉搏跳动信号通过传感器后通过放大器的信号放大，AD的数模转换传送给中央处理单元，信号通过处理后，用显示电路显示出来，就能够得到具体的脉搏跳动次数。
因此其中包括了软件的处理过程。
压力测量过程中也会幸免不了误差的存在，除了在传感器设计优化方面提高传感器的质量，减少误差外，人们在测量压力时候，也会采取一些措施，比如信号防干扰措施，数据误差处理等等。
本文的目的在于设置一种简单的智能压力测量仪，来实现简单的压力测量，里面涉及到可调量程功能，可编程按键。
其中包括硬件原理，软件，外部扩展电路，仪器外形设计等等。
误差处理还引用了专门多科学性强的公式。
1.2意义
本文设计的可调量程智能压力测量仪，是一种把压力信号转换成数字信号，通过显示单元展现给我们的有用性外表。
压力信号的采集必须要先防止信号的干扰，传感器选型要合理，A/D和单片机的选择应该适应传感器的工作环境要求，以得到周密的仪器。
文中设计的按键电路和E2PROM模块实现了量程的调剂和储存功能，E2PROM模块一次性输入后将永久性保留这些数据，再次使用能够直截了当通过按键进行选择。
仪器外表的设计中误差是不可幸免的，包括，传感器带来的误差，硬件电路部分带来的误差，为了测量更为方便本文中涉及到了误差的分析以及处理，误差能够通过电路的设计，例如阻容滤波对传感器输入信号进行滤波和数学公式来处理掉，使测量的结果尽可能的符合实际情形。
我觉得仪器外表的设计多少是有些缺陷的，对应的外表只能测量一定的压力，这在生产过程中，增加了外表的使用量，也使同一工作原理的外表重复性的被设计出来，我感受这是一种白费。
也许我们能够设计一种万能的外表，关于同一物理量的测量只用这一种外表就够了。
仪器的设计也需要符合全球的大环境，即有用也要环保。
因此外表技术的进展应该是创新和与时俱进的。
现在的人们离不开外表，外表的进展也离不开人们的聪慧，他们是相辅相成的，一些仪器给人们的生活带来专门多方便，使人们的生活效率也得到了提高，人们的出行，社交，学习，工作甚至于健康问题现今随着技术的进展都依靠于这些东西。
因此这些功能的存在差不多上有意义的。
科学是不断进展的，技术是不断被优化，不断被开发的，前人留下的财宝是宝贵的，过去用传统的方式制造生活，这些差不多上值得去怀念学习的，基础必须要铭记，但同时进展不能止步，现代生活要用更高端的技术来制造，因此为了以后，所有技术还要不断的被改进，以便于让生产生活更高效的进行。
2.工作原理
2.1整机工作原理
本设计中所采纳的是MPM283压阻式OEM压力敏锐元件，当该传感器受力时将产生压力信号，传感器将压力信号以电压信号的形式输出，在单片机的操纵下，能够将该电信号通过A/D转换模块处理转换为数字信号然后再由单片机运算处理，最后由4位数码管显示出来，实现压力的测量。
2.2应变式传感器的工作原理
应变片的工作原理来自于金属形变会导致阻值变化这一效应，金属片的阻值会随着它的形变而发生大小变化的现象被称之为金属的电阻的应变效应。
此电阻表示为
（2-1）
式中，金属片电阻率为ρ；金属片长为l；横截面积为A。
导体受到外力时会引起ρ、l、A的变化，从而导致R阻值的变化，它的相对的变化量可表示为
（2-2）
对半径是r的圆形截面电阻丝
（2-3）
可知电阻丝的径向和轴向的变化关系为
（2-4）
上式，μ为材料的泊松比，（μ一样取值0.3~0.5）。
把式（2-4）代入到式（2-3），再代入式（2-2）得
（2-5）
式（2-1-5）等号中间第一项表示应变片的几何尺寸效应；第二项表示应变引起的电阻率变化效应即为压阻效应，k0电阻丝的灵敏度系数，其物理意义为单位应变所引起的电阻相对变化量，k0要紧由几何尺寸效应和压阻效应两个因素决定。
2.3应变式传感器的电桥原理
（1）直流电桥平稳条件
直流桥路见图2-1示，E为电源，R1、R2、R3、R4为桥路电阻，RL为负载。
当RL趋向于无穷大时，电桥输出电压为
（2-6）
当桥路平稳时，Vab=0，那么有
（2-7）
该式称为电桥平稳条件。
即电桥要平稳，其相邻的两电阻的乘积（比值）应该一样。
图2-1直流桥路电路图
〔2〕直流电桥电压灵敏度
应变片在工作的时候，它阻值几乎是不变的。
因此我们通常通过放大电桥输出的电压来运算，得到电桥电压灵敏度和供电电压成正比，即灵敏度会随着电压的升高而不断地升高。
但供电电压不能无限制提高，因此一样在承诺范畴内尽可能做出最恰当的选择。
3.硬件电路结构设计图
图3-1硬件电路设计图
硬件电路结构图要紧包括压力敏锐元件、放大电路、AD转换电路、单片机处理单元、按键操纵、LED显示、串行数据输出端口等。
3.1压力传感器
3.1.1压力敏锐元件
选择MPM283压阻式OEM压力敏锐元件如图3-2。
图3-2压力敏锐元件实物图
MPM283型压阻式压力敏锐元件是一种应用不锈钢波浪膜片隔离的OEM压力测量元件。
其优点使耐压值高、稳固适合中高压的测量，精度高，可广泛用于过程操纵系统，石油化工，液压等领域。
其测量范畴为：
0～0.7MPa…100MPa。
表3-1压力敏锐元件的规格参数表
参数
最小
典型
最大
单位
非线性
±0.2
±0.25
%FS,BFSL
重复性
±0.05
±0.075
%FS
迟滞
±0.05
±0.075
%FS
零点输出
±3
mVDC
满量程输出
70
mVDC
零点温度误差
±0.75
±1.0
%FS,参比35℃
满度温度误差
±0.75
±1.0
%FS,参比35℃
补偿温度范畴
-10~80
℃
工作温度范畴
-40~125
℃
贮存温度范畴
-40~125
℃
长期稳固性
±0.1
±0.2
%FS/年
膜片材质
不锈钢316L
壳体材质
不锈钢316L
供电电源
≤2.0
mADC
安全过载
150
%FS
输入阻抗
3~8
KΩ
输出阻抗
3.5~6
KΩ
3.2放大模块
放大电路包含4个运算器和定值电阻。
为了让信号更稳固，运算电路插入了阻容滤波模块。
还包括调零单元。
运算器采纳了低噪声、输入偏置电流低、开环收益高的OP07。
依照电路图能够看出放大电路一级放大倍数为4倍、二级5、三级2.4倍，因此总的放大倍数为48倍。
本设计用到的OP07噪声专门低，是我们所熟知的非斩波稳零的双极性运算放大器。
其温漂小，有专门低的输入失调电压，因此一样情形下没必要进行调零。
它还具有高开环增益的特性，因此OP07最适用于高增益测量装置。
电路图中采纳了阻容滤波的滤波方法，其作用是，信号在传输的过程中通过放大电路时能够专门好地过滤掉干扰波。
滑动变阻器实现调零的功能。
整个电路电流传输过程如下传感器提供的电信号通过差分放大正向和逆向的转换完成3级放大，最后把得到的正电信号输送给A/D转换器。
完成放大工作。
图3-3放大模块连接图
3.3A/D转换模块
本设计采纳的是ADC0809转换器。
与单片机的硬件连接图如图3-4。
单片机所识别的二进制码，是数字量，传感器采集的信号属于模拟信号，假如要对该信号进行识别、处理那么必须将其转换成数字信号。
数字信号即数字量，由0和1组成，该数字位数是无限制的，字数越多说明精确度越高，反之越低。
而将模拟线号处理成数字信号需要A/D转换；同样的也可完成数模转换。
ADC0809是系统中最常用的8位二进制码转换器。
其内部含有锁存功能，具有8路模拟电子开关，能同时对输入的8路信号采取采样、转换，效率高。
如下图，P2.6引脚与处理器
〔读入〕、
〔写〕选通相逻辑组合，把它作为转换器的选通输入信号。
由逻辑组合可知P2.6低电平有效。
当P2.6为低电平常，令低3位地址码作为8路模拟量输入通道IN0~IN7，每有一个采样指令，就选通某一输入通道，启动一次A/D转换。
转换终止时，OE呈高电平，单片机就能够从ADC0809读取一个转换结果。
如此才算完成该路的A/D转换。
在A/D转换的过程中还通过放大电路传输过来的电信号通过滤波后送给转换器，在转换其中实现模数转换，转换出来的数字信号，会通过数学公式运算出合理的测量值，测量过程中也会显现一些偏差比较大的数据，这些数据通过转换后会被处理掉。
A/D转换器在数据转换的过程中需要足够的延迟，以便于转换过程更高效的进行。
A/D0809与单片机的硬件连接图如图3-4。
图3-4A/D0809与89C51的硬件连接图
3.4AT89C51单片机
图3-5AT89C51单片机
单片机内部包含运算器和操纵器的、4K字节FLASH闪速储备器、128字节数据储备器、32个I/O接口，两个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构等组成。
单片机应用专门广泛，这归功于它的高速处理性能，本设计中单片机要紧作用是操纵A/D转换，与按键模块交互实现量程调剂，与外置储备器连接，以及数据的处理、运算和输出等功能。
3.5显示模块
数码管显示部分由4个74LS164和4个8位数码管组成如图。
数码管的显示是靠点亮里面的发光二极管来实现的。
数码管的公共端分为共阴和共阳两种情形。
共阴即
8个阴极连接在一起。
共阳确实是8个阳极连接在一起。
静态显示以及动态显示是数码管显示的方式，此次设计所用的是静态。
当通过位选信号选择某个数码管的亮灭时，由于共阴共阳，因此其他数码管显示的数字也是一致的，这确实是静态显示。
显示单元电路图的如图3-6。
74LS164是用来实现8位同时串入，是一种常用的移位寄存器。
串行输入，而后并行输出。
其运行方式是任意输入端置为高电平以操纵另一个输入端口的数据输入。
因此输入端一样是连在一起的，不用的一样接高电动势。
通过单片机处理后的数据会输送给显示单元完成显示。
图3-6数码管显示
3.6串行输出单元
串行输出的工作方式是把构成字符的二进制数，有序的逐位进行传输。
大多数仪器所读取的数据是并行数据，因此需要把并行数据变换成串行数据才能正常的传输。
在接收端再把串行数据变换成并行数据才能被仪器识别。
上述转换能够通过软件和硬件连接来实现。
如图3-7。
中涉及的MAX220是一种双组驱动器/接收器，其功能要紧是实现双向数据的通信。
为了防止干扰在其两端接入了抗阻。
TXD和RXD分别和单片机、PC连接起来，PC发出数据，命令单片机，而后单片机做出响应，将处理的数据通过串
口再发送给PC。
从而完成整个的出入输出过程。
图3-7串行数据输出电路图
3.7按键模块
按键分为弹性小按键，其特点是按下后松开会自动断开；自锁式按键，按下闭合后会自动锁住，再次按下会弹出，通常会将其用作电源开关。
而在本设计中，操纵单片机的按键采纳的是弹性小按键，其工作原理是：
把按键的一端接地，将初始状态设为高电平，让单片机不断地检测I/O口的电平，按键被按下时，电路接通，变为低电平，被单片机检测到后执行相应的命令。
此处设置了两个按键，S1和S2。
S1的功能是调剂智能压力测量仪的量程〔0~10-100MPa〕，S2被用来确认当前被选择的某个量程。
它们的工作原理是，每按一次S1能够给单片机一个低电势，相应的单片机会执行增加量程的功能。
现在单片机还把对应的数据储备到了E2ROM单元，为后续的测量工作做预备。
当选择到所需要的量程时，能够通过按下S2来确认一下该量程已被选择。
当量程达到上限时，再次按下S1能够实现重新从10MPa开始往上增加。
按键电路如图3-8所示。
图3-8按键电路
3.8E2PROM储备模块
图3-9AT24C02与单片机的硬件图
本设计中采纳AT24C02储备器模块来实现压力量程的调剂。
AT24C02内部分为32页，每页8个字节，共256个字节，有两种寻址方式：
芯片和片内子地址寻址。
芯片寻址，其地址是1010，操纵字格式是1010A2A1A0R/W。
A0、A1、A2是可编程的地址选择位，他们引脚接高、低时能产生3位编码，与1010合起来组成7位编码，此编码确实是该元件的地址码。
R/W为读写位，当其为低电平常对芯片进行写操作；为高电平常进行读操作；片内子地址寻址，可对内部256B中任意一个进行读写操作，寻址范畴是00~FF，总共有256个寻址单元。
该储备器一样有两种写入方式，字节写入和页写入，后者承诺在一个写周期内对一字节到一页的对个字节采取编程写入，效率高。
片内地址在同意到一个字节数据后会自动加1，从而实现连续写入，在第8个数据后将地址强制加1，就会防止数据丢失，令写入连续到下一页。
字节写入，即是一次写入一个数据，先发动启动信号，后送一个一位操纵字，到第8位时发送一位停止信号，完成一次8位写入。
按键的实时操纵所得到的所有数据将会及时传入此储备单元，所有数据将会依照上述的工作原理进行储备。
也确实是实现了量程数据的储备功能，当再次使用此仪器时，这些量程数据将会直截了当从该储备器提取，通过按键来实现。
点路图中两个串电阻是为了降低芯片对单片机的传入电信号到适当范畴，起到爱护电路的作用。
4.系统软件设计
整件系统软件设计流程图如图4-1。
图4-1软件设计流程图
4.1A/D转换模块程序
A/D转换程序段
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitd1=P0^1;
sbitd2=P0^2;
sbitd3=P0^3;
sbitd4=P0^4;
sbitSTART=P2^6;
voidAD（）
{
ST=0;
delay
（2）;
ST=1;//启动AD转换
delay
（2）;
ST=0;
Wile（EOC==0）;
OE=1;
dianyaz=P0;
OE=0;
}
voiddelayms（uintxms）//延时
{
uinti,j;
for（i=xms;i>0;i--）
for（j=110;j>0;j--）;
}
voidnum
{
uintn,
num=num+num;
for（n=4;n=1;n++）;
floataverage;
average=sum/4;
}
图4-2A/D转换程序流程图
4.2按键模块流程图
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitkey1=P2^2;
sbitkey2=P2^3;
voiddelayms（uintxms）
{
uinti,j;
for（i=xms;i>0;i--）
for（j=110;j>0;j--）;
}
voidinit（）
{
TMOD=0x01;
TH0=（65536-45872）/256;
TL0=（65536-45872）%256;
EA=1;
ET0=1;
}
voidkeyscan（）
{
if（key1==0）
{
delayms（10）;
If（key==0）
{
num=num+10;
If（num=100）
num=0;
wile（!
key1）;
}
}
if（key2==0）
{
delayms（10）
if（key2==0）
{
wile（!
key2）;
TR0=~TR0;
}
}
图4-3按键流程图
4.3串行输出程序设计
SMO=0;voidinit（）//定时器初始化程序
TMOD=0x20;//T1的工作方式
TH1=0xfd;//TH1,TL1赋初值
TL1=0xfd;
TR1=1;//启动T1
REN=1;//承诺串口就收位
SM1=1;//串口的工作方式
EA=1;//定时器使能
ES=1;//串口中断承诺
}
voidUART（）//串口发送数据程序
{
init（）;
while
（1）
{
If（flag==1）//标志位
{
ES=0;//关闭串口中断，防止发送〔同意〕数据时，进入串口中断
for（i=0;i＜6;i++）
{
SBUF=table[i];
while（!
TI）;//发送完后由硬件将其置1
TI=0;
}
SBUF=a;
while（!
TI）;
TI=0;
ES=1;
flag=0;
}
}
}
voidser（）interrupt4
{
RI=0;
a=SBUF;
flag=1;
}
4.4显示电路模块
图4-4显示电路流程图
5.误差分析
5.1直流电桥非线性误差补偿
采纳差动电桥法，将电桥四臂接入4片应变片，如图5-1所示，构成全桥差动电路。
假设ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，那么
（5-1）
（5-2）
现在全桥差动电路不存在非线性误差且电压较精确，同时还有对温度补偿有一定的作用。
图5-1全桥差动电路
5.2应变式传感器的温度误差和其补偿方法
5.2.1温度误差产生的缘故
将应变片安装在装置上，在不受外力作用的情形下，假如环境温度发生变化，应变片的阻值也会发生变化。
这会导致测量结果产生专门大的误差。
该误差称为温度误差。
产生误差的缘故有两种：
（1）应变片阻值本身随温度变化而变化
电阻与温度的关系可表示为
（5-3）
（5-4）
式中，Rt—温度t时的电阻值；
R0—温度在t0点的阻值；
Δt—温度的变化值；
ΔRrα—温度变化Δt时对应的阻值变化；
α—应变片的阻值温度系数，温度提高或减少1℃时阻值的相对变化。
〔2〕仪器材料与应变片的线行膨胀系数不一致，导致应变片产生变形造成阻值的变化。
5.2.2温度补偿方法
〔1〕电桥补偿法
电桥补偿法是一种常见的高效的补偿法。
在桥路上安装一工作应变片，在另外一个与被测件的材料相同，但不受外力的补偿件上安装一个补偿应变片。
补偿片与被测片同在室温下。
有时也能够不设补偿件，而是将补偿片贴在被测件上，使其既能起到温度补偿作用又能提高灵敏度。
〔2〕应变片自补偿法
这种应变片是一种比较专门的，温度产生变化，会使附加应变相互抵消。
用自补偿应变片的这种方式称为自补偿法。
〔3〕串热敏电阻补偿法
在桥路电压输出端串入一热敏电阻，在温度增加的情形下，导致应变片灵敏度下滑，而热敏电阻的阻值随着变低，使电桥输入电压增加，进而提高电桥输出。
5.3A/D转换器标准不确定度
模拟量经A/D转换器转换后，输出的数字信号和理论上是有差别的。
因此A/D存在标
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