数字压力传感器设计Word文件下载.docx

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1.系数转换6

2.数值转换6

（二）数据采集子程序的设计7

（三）显示子程序的设计7

（四）程序清单8

参考文献11

绪论

本次设计要研究压力传感器电路的工作原理和弱信号传感电路，熟悉A/D变换电路的工作原理，利用实验板上提供的压力传感电路，完成压力的采样和显示。

同时根据所选试件的要求，所测压力的范围为0-80N，精度为0.1N。

一、硬件部分基本模块介绍

（一）基本工作原理框图

（二）基本模块介绍

主要由四个部分组成，传感器桥路模块，A/D转换器模块，数码管显示模块，8051芯片模块。

1.传感器桥路模块

传感器电路原理图如图一所示

图2传感器电路原理图

压力传感器的工作原理，本质上是惠斯通电桥，这里采用的是最常见的电阻应变片式的压力传感器。

它得到广泛应用的原因是温度特性好，减小温度变化带来的误差。

膜片上的压力使得电桥不平衡，从而产生一个差动的输出信号，这种结构的基本特性之一是它的差动输出电压U与偏置电压成正比关系，这种关系隐含压力测量精度直接决定偏置电源的容限值，当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出同时，它也能提供一种温度补偿最通用的方法。

首先，

给出一定值，15V，由于这里电容主要起滤除交流信号的作用，对分压作用影响不大，可以忽略，从而5点的电压近似为

=3V，根据虚短，7点电压也为3V。

然后经过电桥，由于是单臂桥路变化，所以经过电桥以后，

U=

，应变片电阻通常取值有100

，120

，160

，其中以120

最为常见，这里取

。

再经过放大电路的放大作用，放大倍数为

，最终结果为

应变片应变为

，这里根据所选材料取S为

，

在

—5V变化，把5V最大值代入得到F的最大值为80N，所以量程为0-80N。

2.A/D转换器模块

实验仪上有一个0~5V的可调电位器，将可变电压输出端接入A/D转换电路的输入端，通过CPU软件处理，读进A/D转换值，再将转换值送数码管显示。

我们可以调节电位器，使之输出不同电压值，通过数码管的显示，检验A/D转换正确与否。

A/D转换器大致有三类：

一是双积分A/D转换器，优点是精度高，抗干扰性好；

价格便宜，但速度慢；

二是逐次逼近A/D转换器，精度，速度，价格适中；

三是并行A/D转换器，速度快，价格也昂贵。

实验用的ADC0809属第二类，是八位A/D转换器。

每采集一次一般需100us。

本程序是用延时查询方式读入A/D转换结果,也可以用中断方式读入结果,在中断方式下，A/D转换结束后会自动产生EOC信号，将其与CPU的外部中断相接,也可以得到实验结果。

表1A/D转换器接线表

连线

连接孔1

连接孔2

1

IN0

压力传感器输出

2

AD_CS

CS2

图3A/D转换器原理图

A/D转换器的结构如图所示，外部只有四个引脚可以连线，IN0，IN1，EOC,A/D_CS。

AD0-AD7为八位数字量输出端，IN0-IN7为八位模拟信号输入端，A0、A1、A2与ALE控制八路模拟通道的交换，分别与三根地址线与数据线相连，三个编码对应8个通道口地址，AD0809虽然有八路模拟通道可以输入八路模拟信号，但是每个瞬间只能转换一路，各路之间的切换由软件变换通道地址实现，这里采用IN0为输入通道，由压力传感器的输出端直接与其相连作为输入信号。

AD0809的工作过程如下：

首先用指令选择0809的一个模拟输入通道，当执行MOVX@DPTR,A时，产生一个启动信号给START引脚送入脉冲，开始对选中通道转换。

当转换结束后发出结束信号，置EOC引脚信号为高电平，该信号可以作为中断申请信号，当读允许信号到，OE端有高电平，则可以读出转换的数字量，利用MOVXA,@DPTR把该通道转换结果读到累加器A中。

转换电压为0—5V，调节桥路中的电位器，使其输出电压为0—5V，可以在较小范围内波动，当满量程输出时对应八个1的输出，由于前边计算的电压变化和电阻变化成正比关系，而且电阻变化和应变成正比，进而得出的压力和电压是成正比的。

传感器桥路输出的电压经过比例变换后转换成二进制码的形式送入P0口。

3.数码显示管模块

LED显示电路如图和连线表如下

图4LED及键盘原理图

表2LED显示接线表

KEY/LED_CS

CS0

用6位8段码LED显示电路，只要按地址输出相应数据，就可以实现对显示器的控制。

显示共有6位，用动态方式显示。

8位段码、6位位码是由两片74LS374输出。

位码经MC1413或ULN2003倒相驱动后，选择相应显示位。

本实验仪中8位段码输出地址为0X004H，位码输出地址为0X002H。

此处X是由KEY/LEDCS决定，参见地址译码。

做键盘和LED实验时，需将KEY/LEDCS接到相应的地址译码上。

以便用相应的地址来访问。

例如，将KEY/LEDCS接到CS0上，则段码地址为08004H，位码地址为08002H八段数码管的字型显示表如下:

表3数码管显示字形表

显示字形

dp

g

f

e

d

c

b

a

段码

3FH

06H

5BH

3

4HF

4

66H

5

6DH

6

7DH

7

07H

8

7FH

9

6FH

A

77H

B

7CH

C

39H

D

5EH

E

79H

F

71H

显示过程如下：

经过单片机P0输出的八位二进制码，变换成BCD码，在数码管上显示，经过段选信号和位选信号的控制，最后在相应数码管上显示出相应的压力值。

4.8051芯片介绍

本设计采用8051单片机，其管脚图如下图所示。

图58051管脚图

其管脚功能如下：

1.电源

（1）VCC-芯片电源，接+5V；

（2）VSS-接地端；

2.时钟

XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。

3.控制线（4根）

（1）ALE/PROG:

地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。

①ALE功能：

用来锁存P0口送出的低8位地址。

②PROG功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

（2）PSEN:

外ROM读选通信号。

（3）RST/VPD:

复位/备用电源。

①RST（Reset）功能：

复位信号输入端。

②VPD功能：

在Vcc掉电情况下，接备用电源。

（4）EA/Vpp:

内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

①EA功能：

内外ROM选择端。

②Vpp功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

4.I/O线

80C51共有4个8位并行I/O端口：

P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

P3口还有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

二、软件部分及其介绍

（一）数据处理子程序的设计

数据处理子程序是整个程序的核心。

主要用来调整输入值系数，使输出满足量程要求。

另外完成A/D的采样结果从十六进制数向十进制数形式转化。

1.系数转换

在IN0输入的数最大为5V，要求压力80N对应的是5V，为十六进制向十进制转换方便，将系数进行一定倍数的变换，并用小数点位置的变化体现这一过程。

2.数值转换

数制之间的转换：

在二进制数制中，每向左移一位表示数乘二倍。

要求压力80N对应的是5V，而压力与电压的变换是线性关系，对应AD转换器的输出为八个1，当有一定的压力值输入时，对应这个关系转化成相应的二进制代码送入P0口。

然后再反过来应用这个变化关系，经最终得到的数值进行二进制到BCD码转化，然后逐位在LED数码管上显示。

（二）数据采集子程序的设计

数据采集用A/D0809芯片来完成，主要分为启动、读取数据、延时等待转换结束、读出转换结果、存入指定内存单元、继续转换（退出）几个步骤。

ADC0809初始化后，就具有了将某一通道输入的0～5模拟信号转换成对应的数字量00H—FFH，然后再存入存储器的指定单元中。

在控制方面有所区别。

可以采用程序查询方式，延时等待方式和中断方式。

图6A/D转换流程图

（三）显示子程序的设计

显示子程序是字符显示，首先调用事先编好数码管显示子程序。

初始化命令，然后输出写显示命令。

在显示过程中一定要调用延时子程序。

当输入通道采集了一个新的过程参数，当有压力信号输入时，调用显示子程序在数码管上显示。

图7显示部分流程图

（四）程序清单

AD0809equ0a000h;

AD0809片选

lOWFequ0

HIGHFequ80

OUTBITequ08002h;

位控制口

OUTSEGequ08004h;

段控制口

LEDBufequ60h;

显示缓冲

Numequ70h;

显示的数据

DelayTequ75h;

ADResultequ76h;

A/D转换结果

org0000h

ljmpStart

AD0809Read:

;

读AD口子程序

movdptr,#AD0809

mova,#0

movx@dptr,a;

起动A/D

mova,#40h

djnzacc,$;

延时>

100us

movxa,@dptr;

读入结果

movADResult,a

ret

LEDMAP:

八段管显示码

db3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h

db7fh,6fh,77h,7ch,39h,5eh,79h,71h

Delay:

延时子程序

movr7,#0

DelayLoop:

djnzr7,DelayLoop

djnzacc,DelayLoop

SearchLedMap:

查表子程序

movdptr,#LEDMAP

movca,@a+dptr

DisplayLED:

movr0,#LEDBuf

movr1,#3;

共3个八段管

movr2,#00001000b;

从左边第三个开始显示

Loop:

movdptr,#OUTBIT

关所有八段管

mova,@r0

movdptr,#OUTSEG

movx@dptr,a

mova,r2

显示一位八段管

mova,#01h

calldelay

mova,r2;

显示下一位

rra

movr2,a

incr0

djnzr1,Loop

Start:

主程序

nop

callAD0809Read;

调用读AD口子程序

mova,ADResult

movb,#（HIGHF-LOWF）

mulab

pusha

mova,b

movb,#0ah

divab

callSearchLedMap;

调用显示子程序

movledbuf+0,a;

显示十位数

adda,#80h

movledbuf+1,a;

显示个位数及小数点

popa

callsearchledmap;

movledbuf+2,a;

显示小数位

movdelayT,#80H

DisplayAgain:

callDisplayLED

djnzDelayT,DisplayAgain

sjmpStart

end

参考文献

[1]张淑清.单片机微型计算机接口技术及其应用.国防工业出版社

[2]张淑清.单片机原理及应用技术.国防工业出版社

[3]单片机应用技术汇