數(shù)字壓力計(jì)的仿真設(shè)計(jì).doc

目錄目錄 1 概述 1 1 壓力傳感器簡(jiǎn)介 2 1 2 總體設(shè)計(jì)方案 2 2 硬件電路的設(shè)計(jì) 2 1 傳感器的選型 3 2 2 傳感器接口電路設(shè)計(jì) 3 2 3 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 2 4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 5 2 5 顯示電路設(shè)計(jì) 6 2 6 電源電路設(shè)計(jì) 7 3 軟件部分的設(shè)計(jì) 3 1 程序設(shè)計(jì)及分析 7 4 仿真及結(jié)果 4 1 仿真圖 12 5 設(shè)計(jì)小結(jié) 14 6 參考文獻(xiàn) 15 1 概述 1 1 壓力傳感器簡(jiǎn)介 壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器 其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自 控環(huán)境 涉及水利水電 鐵路交通 智能建筑 生產(chǎn)自控 航空航天 軍工 石 化 油井 電力 船舶 機(jī)床 管道等眾多行業(yè) 而我們通常使用的壓力傳感器 主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的 這樣的傳感器也稱(chēng)為壓電傳感器 壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英 酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺 其中石英 二氧化硅 是一種天然晶體 壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的 在一定 的溫度范圍之內(nèi) 壓電性質(zhì)一直存在 但溫度超過(guò)這個(gè)范圍之后 壓電性質(zhì)完全 消失 這個(gè)高溫就是所謂的 居里點(diǎn) 由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微小 也就說(shuō)壓 電系數(shù)比較低 所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代 而酒石酸鉀鈉具有很大 的壓電靈敏度和壓電系數(shù) 但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用 磷酸二氫胺屬于人造晶體 能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度 所以已經(jīng)得到了廣泛 的應(yīng)用 壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理 壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量 因?yàn)榻?jīng)過(guò)外力 作用后的電荷 只有在回路具有無(wú)限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存 現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在 多晶體上 比如現(xiàn)在的壓電陶瓷 包括鈦酸鋇壓電陶瓷 PZT 鈮酸鹽系壓電陶瓷 鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等 1 2 總體設(shè)計(jì)方案 壓力傳感器主要是用來(lái)測(cè)量壓力并將相應(yīng)的壓力值轉(zhuǎn)換為可直接讀取的值 因此 需要一個(gè)能智能顯示的壓力計(jì) 本設(shè)計(jì)方案本著低碳 綠色的理念設(shè)計(jì) 將成本縮減到最小 壓力傳感器主要由壓力傳感器 AD 轉(zhuǎn)換器 單片機(jī) AT89C51 LED 顯示器構(gòu)成 分別對(duì)應(yīng)著信息采集 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 信息處理和數(shù)據(jù)顯 示四個(gè)模塊 其間關(guān)系與操作流程如下兩圖所示 2 硬件電路的設(shè)計(jì) 2 1 傳感器的選型 MPX4115系列壓電電阻傳感器是一個(gè)硅壓力傳感器 這個(gè)傳感器結(jié)合了高級(jí) 的微電機(jī)技術(shù) 薄膜鍍金屬 還能為高水準(zhǔn)模擬輸出信號(hào)提供一個(gè)均衡壓力 在 0 85 的溫度下誤差不超過(guò)1 5 溫度補(bǔ)償是 40 125 MPX4115壓力傳感器檢測(cè)的范圍是15KPA 115KPA 輸出電壓信號(hào)0 2V 4 8V ADC0808的參考電壓 VREF 5V VREF 0V 則 0V 5V 對(duì)應(yīng) 0 255 0 2V 4 8V 對(duì)應(yīng) 其線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖所示 系統(tǒng)最小分辨率 2 2 傳感器接口電路的設(shè)計(jì) 采用 C1 47PF 的電容作濾波電路 以及內(nèi)部原理圖如 下圖所示 內(nèi)部原理圖 濾波電路 2 3 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 選用的單片機(jī)為 AT89C51 系列芯片 該芯片的最小系統(tǒng)由時(shí)鐘電路 復(fù)位電 路 片選信號(hào)構(gòu)成 在最小系統(tǒng)構(gòu)成的 基礎(chǔ)上 將 P1 口作為模擬量的轉(zhuǎn)換為數(shù) 字量的接收端 P0 口作 LED 顯示屏的數(shù) 據(jù)發(fā)送端 P2 口作 LED 顯示屏的控制端 口 同時(shí)作為過(guò)壓及欠壓的報(bào)警電路使 用 具體最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)如右圖所示 2 4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) ADC0832 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率 雙通道 A D 轉(zhuǎn)換芯 片 由于它體積小 兼容性 性?xún)r(jià)比高而深受單片機(jī)愛(ài)好者及企業(yè)歡迎 其目前 已經(jīng)有很高的普及率 學(xué)習(xí)并使用 ADC0832 可是使我們了解 A D 轉(zhuǎn)換器的原理 有助于我們單片機(jī)技術(shù)水平的提高 8位分辨率雙通道 A D 轉(zhuǎn)換輸入輸出電平與 TTL CMOS 相兼容5V 電源供電時(shí)輸入電壓在0 5V 之間工作頻率為250KHZ 轉(zhuǎn)換時(shí)間 為32 S ADC0832 為8位分辨率 A D 轉(zhuǎn)換芯片 其最高分辨可達(dá)256級(jí) 可以適應(yīng)一般的模 擬量轉(zhuǎn)換要求 其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用 使得芯片的模擬電壓輸入在 0 5V 之間 芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32 S 據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn) 以減少數(shù) 據(jù)誤差 轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng) 獨(dú)立的芯片使能輸入 使多器件掛接和處理 器控制變的更加方便 通過(guò) DI 數(shù)據(jù)輸入端 可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇 正 常情況下 ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線(xiàn) 分別是 CS CLK DO DI 但 由于 DO 端與 DI 端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的 所以電路 設(shè)計(jì)時(shí)可以將 DO 和 DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線(xiàn)上使用 當(dāng) ADC0832未工作時(shí)其 CS 輸入 端應(yīng)為高電平 此時(shí)芯片禁用 CLK 和 DO DI 的電平可任意 當(dāng)要進(jìn)行 A D 轉(zhuǎn)換 時(shí) 須先將 CS 使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束 此時(shí)芯片開(kāi) 始轉(zhuǎn)換工作 同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端 CLK 輸入時(shí)鐘脈沖 DO DI 端則使 用 DI 端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào) 在第1 個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前 DI 端必須 是高電平 表示啟始信號(hào) 在第2 3個(gè)脈沖下沉之前 DI 端應(yīng)輸入2 位數(shù)據(jù)用于選 擇通道功能 其功能項(xiàng)見(jiàn)官方資料 如資料 所示 當(dāng)此2 位數(shù)據(jù)為 1 0 時(shí) 只對(duì) CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換 當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為 1 1 時(shí) 只對(duì) CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換 當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為 0 0 時(shí) 將 CH0作為正輸入端 IN CH1作為負(fù)輸入端 IN 進(jìn)行輸入 當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為 0 1 時(shí) 將 CH0作為負(fù)輸入端 IN CH1 作為正輸入端 IN 進(jìn)行 輸入 到第3 個(gè)脈沖的下沉之后 DI 端的輸入電平就失去輸入作用 此后 DO DI 端則開(kāi)始利用數(shù)據(jù)輸出 DO 進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取 從第4個(gè)脈沖下沉開(kāi)始由 DO 端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位 DATA7 隨后每一個(gè)脈沖下沉 DO 端輸出下一位數(shù)據(jù) 直 到第11個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù) DATA0 一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成 也正是從此位 開(kāi)始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù) 即從第11個(gè)字節(jié)的下沉輸出 DATA0 隨后輸出8 位數(shù)據(jù) 到第19 個(gè)脈沖時(shí)數(shù)據(jù)輸出完成 也標(biāo)志著一次 A D 轉(zhuǎn)換的結(jié)束 最后將 CS 置高電平禁用芯片 直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以了 作為單通道模擬信號(hào)輸入時(shí) ADC0832的輸入電壓是0 5V 且8位分辨率時(shí)的電壓 精度為19 53mV 如果作為由 IN 與 IN 輸入的輸入時(shí) 可是將電壓值設(shè)定在某一 個(gè)較大范圍之內(nèi) 從而提高轉(zhuǎn)換的寬度 但值得注意的是 在進(jìn)行 IN 與 IN 的輸 入時(shí) 如果 IN 的電壓大于 IN 的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為00H 其硬件引腳如圖所示 2 5 顯示電路設(shè)計(jì) 顯示界面利用 16X1 的 LM016L 的字符型液晶 LM020L 進(jìn)行顯示 相比 LED 顯示 能顯示更多的內(nèi)容 人機(jī)界面更友好 而且節(jié)省單片機(jī)硬件資源 其引腳接線(xiàn)以 及驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示 如上圖所示 RS RW E 分別接至 P2 0 P2 1 P2 2作為顯示器的控制端口 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7與 P0口直接相連 同時(shí)使用驅(qū)動(dòng)電路 RESPACK 8來(lái)提供足夠的 LCD 電源 2 6 電源電路設(shè)計(jì) 此設(shè)計(jì)的所有硬件電路均可有5V 的直流電源驅(qū)動(dòng) 因此使用標(biāo)準(zhǔn)的5V 的電 壓源作為電路電源 3 軟件部分的設(shè)計(jì) include include include 包含必要的頭文件 define uint unsigned int define uchar unsigned char define delay4us nop nop nop nop define NOP nop sbit HIGH P2 3 sbit LOW P2 4 sbit AD CS P1 0 sbit SCK P1 1 sbit DO P1 2 sbit DI P1 2 sbit RS P2 0 sbit RW P2 1 sbit E P2 2 必要的位定義 unsigned char adval uchar Display Buffer 000 0KPa uchar code Line1 Current Press 初始化所顯示的字符 uchar adc0832 uchar channel 讀 ADC0832 函數(shù) 采集并返回 uchar i 0 uchar j uint dat2 0 uchar ndat 0 if channel 0 channel 2 if channel 1 channel 3 AD CS 0 NOP NOP 拉低 CS 端 AD 片選 DI 1 NOP NOP 在第一個(gè)脈沖下降之前 DI 必須是高電平 表示啟始信號(hào) SCK 1 NOP NOP SCK 0 NOP NOP SCK 1 DI channelNOP NOP 在第二和第三個(gè)脈沖下降之前 DI 輸入兩位表示通道 SCK 0 NOP NOP SCK 1 DI channel 1 NOP NOP SCK 0 寫(xiě)命令完成 DI 失去輸入作用 DI 1 NOP NOP dat2 0 for i 0 i 8 i 讀出 8 字節(jié)數(shù) 據(jù) dat2 DO SCK 1 NOP NOP SCK 0 NOP NOP dat2 1 if i 7 dat2 DO for i 0 i 8 i j 0 j j DO SCK 1 NOP NOP SCK 0 NOP NOP j j 7 ndat ndat j if i 1 AD CS 1 SCK 0 DO 1 dat2 8 dat2 ndat return dat2 返回?cái)?shù)據(jù) void DelayMS uint ms 延時(shí)程序 相應(yīng)數(shù)值為相應(yīng)毫秒數(shù) uchar i while ms for i 0 i 120 i 1mS 延時(shí) uchar Read LCD State 檢測(cè) LCD 是否 忙 uchar state RS 0 RW 1 E 1 DelayMS 1 state P0 返回 P0 的值 E 0 DelayMS 1 return state 返回狀態(tài) void LCD Busy Wait while Read LCD State DelayMS 5 void LCD Write Command uchar cmd 寫(xiě)命令函數(shù) LCD Busy Wait RS 0 RW 0 E 0 nop nop P0 cmd 將 CMD 值寫(xiě)入 LCD 產(chǎn)生相應(yīng)的控制 delay4us E 1 delay4us E 0 void Set LCD Pos uchar pos LCD Write Command pos 0 x80 void LCD Write Data uchar dat 寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù) LCD Busy Wait RS 1 RW 0 E 0 P0 dat delay4us E 1 delay4us E 0 void LCD Initialise LCD 初始化函數(shù) LCD Write Command 0 x38 DelayMS 1 LCD Write Command 0 x0c DelayMS 1 LCD Write Command 0 x06 DelayMS 1 LCD Write Command 0 x01 DelayMS 1 void Display LCD String uchar p uchar s LCD 顯示函數(shù) uchar i Set LCD Pos p for i 0 i246 判斷過(guò)壓函數(shù) HIGH 1 LOW 0 開(kāi)啟過(guò)壓報(bào)警燈 DelayMS 1 write sfm 6 bai write sfm 7 sh write sfm 8 ge write sfm 10 xiaoshu 寫(xiě)數(shù)據(jù) else if c 10 開(kāi)啟欠壓報(bào)警燈 LOW 1 HIGH 0 write sfm 6 bai write sfm 7 sh write sfm 8 ge write sfm 10 xiaoshu 寫(xiě)數(shù)據(jù) else HIGH 0 LOW 0 正常狀態(tài) 顯示壓力 值 write sfm 6 bai write sfm 7 sh write sfm 8 ge write sfm 10 xiaoshu 程序完 4 仿真及結(jié)果 如下圖所示 是當(dāng)壓力值小于和大于 115kPa 時(shí)的顯示與報(bào)警電路 5 小結(jié) 壓力計(jì)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的課程設(shè)計(jì)課題 其中具體體現(xiàn)