基于mcs51单片机的压力采集与显示系统设计.docx
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基于mcs51单片机的压力采集与显示系统设计
压力采集与显示系统的设计
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。
实现压力采集与显示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单片机的测量采集与显示。
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;
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。
为了测到不同位置的压力值,本次设计为基于单片机压力采集与显示系统。
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。
基于单片机的压力采集与显示系统,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,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。
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基于单片机的压力采集与显示系统的原理
本次设计是以单片机组成的压力测量采集信息,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。
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。
第二章基于单片机的压力采集与显示系统的硬件设计
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。
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。
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)
2.2信号放大电路
2.2.1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。
2.2.2三运放大电路
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;“-”表示输入端点为负极性H或L表示高、低电平。
输入配置位时,高位(CH0)在前,低位(CH1)在后。
2.3.4ADC0832工作时序图
当CS由高变低时,选中ADC0832。
在时钟的上升沿,DI端的数据移入ADC0832内部的多路地址移位寄存器。
在第一个时钟期间,DI为高,表示启动位,紧接着输入两位配置位。
当输入启动位和配置位后,选通输入模拟通道,转换开始。
转换开始后,经过一个时钟周期延接着在第一个时钟周期延迟,以使选定的通道稳定。
ADC0832紧接着在第4个时钟下降沿输出转换数据。
数据输出时先输出最高位(D7~D0)输出完转换结果后,又以最低位开始重新遍数据(D7~D0),两次发送的最低位共用。
图2.7ADC083工作时序图
2.3.5单片机对ADC0832的控制原理
图2.8ADC0832与单片机的接口电路
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。
当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平,此时芯片禁用,CLK和DO/DI的电平可任意。
当要进行A/D转换时,须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。
此时芯片开始转换工作,同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲,DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。
在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平,表示启始信号。
在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。
其功能项见表2.2。
表2.2ADC0832的功能表
MUXAddress
Channel
SGL/
DIF
ODD/
SIGN
0
1
1
0
+
1
1
+
MUXAddress
Channel
SGL/
DIF
ODD/
SIGN
0
1
1
0
+
-
1
1
-
+
如表2.2所示,当此2位数据为“1”、“0”时,只对CH0进行单通道转换。
当2位数据为“1”、“1”时,只对CH1进行单通道转换。
当2位数据为“0”、“0”时,将CH0作为正输入端IN+,CH1作为负输入端IN-进行输入。
当2位数据为“0”、“1”时,将CH0作为负输入端IN-,CH1作为正输入端IN+进行输入。
到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用,此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。
从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7,随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。
直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0,一个字节的数据输出完成。
也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据,即从第11个字节的下沉输出DATD0。
随后输出8位数据,到第19个脉冲时数据输出完成,也标志着一次A/D转换的结束。
最后将CS置高电平禁用芯片,直接将转换后的数据进行处理就可以了。
2.4单片机
随着电子技术的发展,单片机的功能将更加完善,因而单片机的应用将更加普及。
它们将在智能化仪器、家电产品、工业过程控制等方面得到更广泛的应用。
单片机将是智能化仪器和中、小型控制系统中应用最多的有种微型计算机。
2.4.1AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本,如图2.9所示。
AT89C51单机为很多嵌入式控制系统提供灵活性高且廉价的方案。
图2.9AT89C51单片机的结构示意图
2.4.2主要特性
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
寿命:
1000写/擦循环
数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2.4.3管脚说明
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口:
P3口管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期
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- 基于 mcs51 单片机 压力 采集 显示 系统 设计