智能压力传感器地设计.docx

1、智能压力传感器地设计密级： NANCHANG UNIVERSIT Y学士学位论文THESIS OF BACHELOR(2009 2013 年)题 目 智能化压力传感器的设计学 院:环化学院 系测控系专业班级：测控技术与仪器093班学生姓名：钟刚 学号:5801209114指导教师：刘诚 职称: 讲师起讫日期：2013.3.15 2013.6.6南昌大学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以

2、明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。（请在以上相应方框内打“V” ）作者签名： 日期：导师签名： 日期：摘要传感器及转换器形成系统的“前端”，没有它，许多现代化的电子系统都无 法正常工作。传感器已广泛的应用于工业控

3、制系统和能源工业装置当中 （如石油和天然气的生产、配电工业）。它们也是制造录音机和录像机这些原始设备产品 的重要内在组成部分。大多数这些数字电子系统之所以具有普遍性和强大优势是 得益于传感器广泛应用于这些电子电路中。本课题将深入研究智能压力传感器系统理论及其在压力测试方面的应用， 对新型智能压力传感器系统的智能化功能、智能化软件和硬件配置进行全面的设 计。提出了一种差动电容式传感器的前置电路，基于电容/电压转换的原理，对微 小电容变化量进行测量。电路输出的直流电压与差动电容变化量成线性关系 ，且能对偏差电容和电路的漂移进行自动补偿。完善智能化软件，实现温度补偿、自动校准、总线数字通讯、自动增益

4、控制 等多种智能化特性，使智能化程度尽可能的提高。关键词：传感器；压力；智能化。AbstractSensors and transducers form the “front-ends ” , without which many modern electronic systems could not function. Such components areimpleme nted exte nsively in in dustrial con trol systems and en ergy in dustryinstallations (e.g. the oil and gas prod

5、uction and distributionindustries). They are also essential components within OEMproducts suchas tape recorders and VCRs. In most of these systems digital electronicsis pervasive and con siderable adva ntages are obta ined where the sen sor is provided complete with exte nsive electr onic circuitry.

6、This article delves into the smart pressure sensor system theory and its application of pressure testing, the intelligent features of the newcan only pressure sensor systems, intelligent software and hardwarecon figurati on to con duct a comprehe nsive desig n. A prepositive circuit for differe ntia

7、l capacita nee tran sducers is proposed. It can be used to detect smallcapacitanee changes based on capacitanee to voltageconversion. The output dc voltage is a linear with the complementary capacita nee cha nge and can be used to compe nsate for offset capacita nee and drifts automatically.improve

8、the in tellige nt software, temperature compe nsati on,automatic calibratio n, bus digital com muni cati ons, AGC and otherintelligent features, in order to degree of intelligenee to improve as much as possible.Keywords： Sensor ； pressure ； intelligent摘 要 IAbstract I I第一章压力传感器 11.1压力传感器的概述 11.2压力传感器

9、的类型 11.3压力传感器的结构特点 1第二章智能压力传感器 32.1智能压力传感器的结构 32.2智能压力传感器的功能 32.3智能压力传感器的特点 4与传统传感器相比，智能压力传感器的特点是： 42.4智能压力传感器的应用与发展 4第三章系统结构设计 53.1传感器系统总体结构设计 53.2系统的特点 5第四章硬件设计 64.1前端传感器模块 64.2信号调理电路模块 64.3 A/D转换模块 94.3.1ADC0809的内部逻辑结构 94.3.2ADC0809 引脚结构 104.3.3ADC0809 应用说明 124.4微处理器 124.5显示模块 134.5.1LCD1602 的优点

10、134.5.21602 字符型LCD简介 134.5.31602LCD的基本参数及引脚功能 144.5.41602LCD 的指令说明及时序 154.6温度补偿模块 164.6.1DS18B20的主要特征 164.6.2DS18B20 引脚功能 174.6.3DS18B20工作原理及应用 174.6.4DS18B20 时序图 174.7硬件设计原理图 20第五章软件程序设计 225.1语言介绍 225.2程序流程图 225.3智能数字滤波 225.4 C语言程序 23第六章系统抗干扰性分析 24第七章总结 25致谢 28参考文献 27附录 29第一章压力传感器1.1压力传感器的概述根据我国国家标

11、准对传感器的定义，对于压力传感器，我们可以给出定义: 能够感受规定的被测量（压力信号）并按照一定规律转换成可用输出信号的器 件或装置。压力传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。组成 框图如图1-1所示。图1-1压力传感器组成框图1.2压力传感器的类型压力传感器通常的分类标准是按工作原理分类，分为：电容式压力传感器、 压阻式压力传感器、压电式压力传感器、电感式压力传感器、智能式压力传感器 等。还有一种分类方式是按压力传感器所使用的材料分类：半导体压力传感器、 光学压力传感器、金属压力传感器、金属-氧化物压力传感器等。现在应用最广泛的一种压力传感器是压阻式压力传感器。它是利用的原

12、理时 压阻效应，并采用微电子技术制成。这种压力传感器准确度高、动态响应好、灵 敏度高、集成化程度高并易于微型化，因此得到广泛的应用，得到迅速发展，属 于新的物性型传感器。1.3压力传感器的结构特点本课题采用差压式电容传感器作为敏感元件。电容式压力传感器结构简单， 价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高 温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等，在恶劣的环境下对测量静态或低频变 化的压力有比较好的优势。1.4传统压力传感器的局限性传统的压力传感器往往在性能和成本上不能两全其美， 为了提高性能，就要有居高不下的成本，因为制作材料必须品种多，性能高，制作过程要求非常严格，

13、寸偏大，但是时间相应特性不高；2、系统非线性导致随时间漂移；3、环境变化 很容易影响到参数的变换；4、器件信噪比不高，是传感器容易受到噪声的干扰 致使结果不稳定；5、交叉灵敏度的存在导致传感器的选择性和分辨率都不高。 这些因素就造成了传统压力传感器可靠性差、精确度低、性能不稳定等缺点， 也注定了传统压力传感器必将被更高级的智能化压力传感器所取代。第二章 智能压力传感器2.1智能压力传感器的结构智能传感器主要是指利用集成电路工艺和微机械技术将敏感元件与功能强 大的电子线路集成在同一芯片上，具有信号提取、信号处理、逻辑判断、决策、 自检、自诊断和计算等功能。和经典传感器相比，智能传感器具有体积小、

14、成 本低、功耗小、速度快、精度高以及功能强等优点。智能压力传感器的结构如 图2-1所示，其中作为作为“大脑”的微型计算机，可以是单片机，也可也是 微型计算机系统。图2-1智能压力传感器的结构框图2.2智能压力传感器的功能1具有逻辑判断、统计处理功能：可对检测数据进行分析、统计和修正，还 可进行线性、非线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应以及缓慢漂移等的误差 补偿，提高了测量准确度。2具有自诊断、自校准功能：可在接通电源时进行开机自检，可在工作中进 行运行自检，并可实时自行诊断测试以确定哪一组件有故障， 提高了工作可靠性。3具有自适应、自调整功能：可根据待测物理量的数值大小及变化情况自动 选择检

15、测量程和测量方式，提高了检测适用性。4具有组态功能：可实现多传感器、多参数的复合测量，扩大了检测与使用 范围。5具有记忆、存储功能：可进行检测数据的随时存取， 加快了信息的处理速 度。6具有数据通讯功能：智能化传感器具有数据通讯接口，能与计算机直接联 机，相互交换信息，提高了信息处理的质量。2.3智能压力传感器的特点与传统传感器相比，智能压力传感器的特点是：1高的性能价格比：由于智能压力传感器的种种优点都是通过调试微处理器 和计算机之间的配合达到的，所以在工艺本身不会追求过多，可以采用廉价的集 成电路、芯片加上调试软件实现，从而性能价格比自然会高与传统的压力传感器。2适应能力强：系统在进行分析

16、、判断和处理信号时，可以根据工作状况决 定各个部分的供电和上极位传输速率， 能够是系统功耗最低，传送率最优，并具 有多种动能自动补偿。3精度高：智能压力传感器的自校准、自选量程、自动补偿和自动修正各类 误差等功能保证了它的高精确度， 通过系统软件达到这些功能，相比以前依靠硬 件解决的方式来说方便和容易实现很多。4量程宽：智能压力传感器的测量范围很宽，具有很强的过载能力。5集中控制：由于微处理器控制整个系统，自身的控制和数字处理能力都很 强大，所以智能压力传感器通过软件程序充分利用微处理器，使系统的多种功能 和优点充分发挥，从而实现了集中的控制方式。2.4智能压力传感器的应用与发展智能压力传感器

17、主要应用于检测流体或固体的压力并进行信号远距离传输。 它是工业实践中最为常用的一种传感器，常常作为一种自动化控制的前端元件， 因此其广泛应用于各种工业自控环境，包括石油化工、造纸、水处理、电力、船 舶、机床和公用设备等行业。目前，传感器的发展主要集中在集成化和智能化两个方面。传感器的集成化 是指将多个功能相同或不同的敏感器件制作在同一个芯片上构成传感器阵列。 传感器的智能化是将传感器与信号处理电路和控制电路集成在同一芯片上。 系统能够通过电路进行信号提取和信号处理，根据具体情况自主地对整个传感器系统进 行自检、自校准和自诊断，并能根据待测物理量的大学及变化情况自动选择量程 和测量工作方式。本次

18、论文的主要工作是在现在研究基础上，设计出具有体积小、成本低、寿 命长、量程范围大、反应速度快、智能化程度高的智能压力传感器。第三章系统结构设计3.1传感器系统总体结构设计本次课题将采用差动式电容传感器作为系统前端， A/D转换模块采用ADC0809芯片进行实现模数转换，微处理器采用单片机 89C52显示器采用LCD16024行显示，本次课题总体设计方框图如图 3-1所示图3-1总体方案设计图3.2系统的特点本次课题设计的智能压力传感器结构简单， 造价便宜，采用特定的信号调理 电路，利用单片机和A/ D、D/ A转换器自动调节信号Uc1和Uc2,采用负反馈技 术,实现了对偏差电容的自动补偿，并且

19、采用差动测量方式以消除寄生电容、 热零 点漂移、共模干扰和其它环境因素的影响，使电路具有很强的抗干扰能力。具有自动报警功能，本次设计电路图中加了一个发光二极管， 若所施加压力 超出压力传感器的正常承受范围，发光二极管将会自动点亮，以保护传感器安全。 报警系统用软件实现。第四章硬件设计本次课程设计的硬件共分为前端传感器、信号调理电路、 A/D转换、微处理器和显示部分这五个模块组成，下面将一一对这五个模块做出详细的介绍。4.1前端传感器模块从经济、测量精度、稳定性以及对人体无害等因素，本课题采用陶瓷电容作 为传感器材料，且采用圆柱差动变面积式电容位移传感器，如图 4-1所示。图4-1圆柱差动变面积

20、式电容位移传感器其中，X为内外电极重叠部分长度；D d分别为外电极内径与内电极外径 当重叠部分长度X发生变化时，电容的变化量为：C =C0 - C =2： ： 人 x =C,(D C X .In IId丿灵敏度为：Ac 2胧K= =,、.Ax , D !In . (3)根据式，有下式U d1(Uc1)= 2Hi R f Cm R1 3 A/5 n 忠因此,利用信号Ucc可以对电容器0的固定值Co进行补偿,则在理论上,Udi 可表示为5= 4 Hi R f Rs AA 0/5 n 电 (4)利用单片机控制A/ D和D/ A转换单元对Udi进行转换,并通过负反馈的方 式将信号Ubi加到乘法器M的一

21、个输入端，便可实现对偏差电容的自动补偿。令电压Us的幅值A =0. 5V,频率 f =1.0k Hz,Cm =100p F,Rf =47k Q,R1 = R2 =1k Q ,运算放大器为TL 071,相敏检波器为AD630乘法器为MC1495,差动放大器 为INA102( Hi =100) ,8 位的AD/ DA转换器工作电压为土 5V。在当压力传感器所受压力处于 0100KPa时，通过对差动式电容应变力的设计，使得A C处于06.65 10 F上下限范围内。根据式(4)可知，AD转换器接 收的电压范围为05V。4.3A/D转换模块本次课题选择ADC0809乍为模数转换芯片。ADC0809是带

22、有8位A/D转换器、 8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS&件。它是逐次逼近式A/D 转换器，可以和单片机直接接口。4.3.1ADC0809的内部逻辑结构由图4-4可知，ADC080抽一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。 多路开关可选通8个模拟通道，允许 8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D转 换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数 据。图4-4 ADC0809内部结构432 ADC0809引脚结构ADC0809各脚功能如下：D7-D0 8位数字量输出引脚。IN0-

23、IN7 : 8位模拟量输入引脚。VCC +5V工作电压。GND 地。REF( +):参考电压正端。REF (-):参考电压负端。START A/D转换启动信号输入端。ALE地址锁存允许信号输入端。(以上两种信号用于启动A/D转换).EOC转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电 平。OE输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK时钟信号输入端(一般为 500KHZ。A、B、C:地址输入线。图4-5 ADC0809引脚图ADC0809寸输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0 5V,若信号太小， 必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，

24、 则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当 ALE线为高电平时，地址锁存 与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存， 经译码后被选中的通道的 模拟量进入转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0 IN7上的 一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。表4-1 ADC0809通道选择CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线：11条ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开 始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持

25、低电平。EOC为转换结束信号。当EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行 A/D转换。OE为输出允许信 号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。 OB 1,输出转换得到的数据；OE= 0,输出数据线呈高阻状态。D7- D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC080啲内部没有时钟电路，所需时钟信号必 须由外界提供，通常使用频率为 500KHZ VREF( + ), VREF()为参考电压 输入。433 ADC0809应用说明(1). ADC0809内部带有输出锁存器，可以与 AT89S51单片机直接相连。(2).初始化时，使ST和OE信号全为低电平。(3)

26、.送要转换的哪一通道的地址到 A, B, C端口上。(4).在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。(5).是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。(6) .当EOC变为高电平时，这时给 OE为高电平，转换的数据就输出给 单片机了。4.4微处理器本次课题采用单片机STC89C52乍为处理芯片，STC89C5是一种低功耗、高 性能CMOS位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上， 拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C5为众多嵌入式控制 应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能：8k字节Flash , 512字节RAM 32位I

27、/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPRQMMAX810复 位电路，三个16位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行 口。另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。 空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM定时器/计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到 下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz6T/12T可选。单片机STC89C52 引脚图如下。4.5显示模块4.5.1LCD1602 的优点本次课题的显示模块采用 LCD1602液晶显示屏进行显示。选择LCD1602进行 显示具有如下优点：1显示质量高：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩 和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT那样需要不断刷新新亮点。 因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。 数字式接口液晶显示器都是数字式的， 和 单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。2体积小、重量轻：液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达