微機化壓力檢測系統(tǒng)設計

1、 專業(yè)課課程設計 微機化壓力檢測系統(tǒng)設計2 15微機化壓力檢測系統(tǒng)設計2設計說明書目 錄一 緒論.1 1.1設計目的.1 1.2技術要求.1 1.3實用價值.1二 系統(tǒng)設計方案.1 2.1設計總體思路.2 2.2硬件設計與實現(xiàn).2 2.2.1壓力傳感器.2 2.2.2轉換電路部分.3 2.2.2.1放大電路.4 2.2.2.2信號解調電路.4 2.2.2.3模數(shù)轉換器.5 2.2.3單片機部分.7 2.2.4 LED顯示電路.8 2.3軟件編程與實現(xiàn).8 2.3.1軟件流程圖.8 2.3.2程序代碼.9三 結論與體會.14參考文獻.15微機化壓力檢測系統(tǒng)設計2摘要本文主要介紹了一種測量和檢測壓

2、力的系統(tǒng)。在實際應用中，許多非電量如：位移、流量、加速度等都可以轉換為壓力進行檢測。通過傳感器感應被測壓力，并經(jīng)過電路的轉換傳輸?shù)絾纹瑱C部分實現(xiàn)壓力參數(shù)的檢測，并由LED進行顯示。關鍵詞：微機化；壓力傳感器；轉換電路；51單片機；LED顯示一緒論1.1設計目的壓力傳感器是一種將被測壓力轉換成電壓或電流輸出的裝置。在實際應用中，許多非電量如：位移、流量、加速度等都可以轉換為壓力進行檢測。壓力檢測的方法很多，如：電阻變化型，電容變化型及自生電型壓電式壓力傳感器等。本設計要求學生采用MCS-51系列單片機實現(xiàn)壓力參數(shù)的檢測。通過這一設計，掌握一般微機化檢測系統(tǒng)的設計方法，達到專業(yè)課綜合訓練的目的。此

3、外要求學生復習 傳感器、測控電路、單片機、智能儀器等專業(yè)課知識，訓練綜合所學知識解決實際問題的能力。1.2技術要求測量范圍：0500kg(相當于50MPa)分辨力： 50g（相當于5KPa)顯示：LED1.3實用價值此次設計的壓力檢測裝置可用在各種壓力測量場合中，例如可用于小型地秤系統(tǒng)中，小型轎車等的超載檢測，升降電梯的超重測量等，此外，還可將位移，加速度，流量等非電量轉換成壓力進而用此壓力檢測系統(tǒng)進行測量，如天然氣石油管道等的流量檢測等。根據(jù)其量程和較高的分辨率可應用于多種場合中，實現(xiàn)對被測量的實時監(jiān)測。二系統(tǒng)設計方案2.1設計總體思路整個系統(tǒng)主要由五部分組成：壓力傳感器部分，測控電路部分，

4、51單片機部分,LED顯示電路以及相應的報警設備。壓力傳感器將感應到的壓力信號轉換為電壓信號或電流信號輸出，輸出的電信號經(jīng)過放大整流濾波及A/D轉換器形成數(shù)字型號進入單片機系統(tǒng)，最后由單片機編程控制LED顯示出相應的數(shù)字，若被測壓力超過量程，則由單片機程序控制發(fā)出報警信號。系統(tǒng)總體框圖如1所示：超過量程量程內LED顯示A/D轉換器51單片機放大整流濾波電路壓力傳感器 發(fā)出報警圖1 系統(tǒng)總體設計框圖2.2硬件設計與實現(xiàn)2.2.1壓力傳感器 根據(jù)設計的技術參數(shù)要求，最終選擇了空調壓力傳感器PT707。其生產(chǎn)廠家有長沙拓力電子儀器公司和佛山賀迪電子儀器有限公司PT707屬于變極距型電容式傳感器，其工

5、作原理如下：由絕緣介質分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器, 如果不考慮邊緣效應, 其電容量為 圖1.1平行板電容器為電容極板間介質的介電常數(shù),=0·r,其中0為真空介電常數(shù),r為極板間介質相對介電常數(shù);A為兩平行板所覆蓋的面積;d為兩平行板之間的距離。當被測參數(shù)變化使得上式中的A，d或發(fā)生變化時, 電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變, 而僅改變其中一個參數(shù), 就可把該參數(shù)的變化轉換為電容量的變化, 通過測量電路就可轉換為電量輸出。PT707采用進口機芯，內螺紋7/16-20UNF機械接口，內帶頂針，適用于空調壓力的測量與控制。其主要參數(shù)如下：量  &#

6、160;   程: 050(MPa)  綜合精度: 0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS 輸出信號: 420mA(二線制)、05V、15V、010V(三線制) 供電電壓: 24DCV(936DCV) 介質溫度: -2085150環(huán)境溫度: 常溫(-2085) 負載電阻: 電流輸出型：最大800；電壓輸出型：大于50K 絕緣電阻: 大于2000M (100VDC 密封等級: IP65 長期穩(wěn)定性能: 0.1%FS/年 振動影響: 在機械振動頻率20Hz1000Hz內，輸出變化小于0.1%FS 電氣接口:四芯航接插（標件）機械連接: 7/16-20UNF2.2.2

7、轉換電路部分單片機要求輸入數(shù)字信號，因此需要對傳感器輸出的模擬信號進行處理，即對其進行放大、解調濾波、模數(shù)轉換。整體電路圖如圖2所示：圖2 測控電路部分原理圖測控電路實質上是由三部分組成的：放大電路，解調電路和模數(shù)轉換器。下面分別對這三部分進行詳細介紹。2.2.2.1放大電路傳感器輸出的信號較小，并且伴隨著很大的共模電壓，考慮到壓力檢測系統(tǒng)所需精度較高，電路中選用三運放高共模抑制比放大電路，如圖3所示。圖3 三運放高共模抑制比放大電路三運放高共模抑制比放大電路由三個集成運算放大器組成，U1、U2為兩個相同的同相輸入通用集成運算放大器構成對稱平衡差動放大輸入級，提高了電路的輸入阻抗；U3構成雙端

8、輸入單端輸出的輸出級，用來進一步抑制U1、U2的共模信號并適應接地負載的需要。為了消除U1、U2偏置電流的影響，同時獲得高共模抑制比，在電阻選擇時應滿足R1=R2、R3=R4、R5=R6；在電路設計時注意將輸入級的增益設計得大些，輸出級的增益小一些，同時將輸出級的外部電阻取得較小以提高電阻的匹配程度，進而提高整個電路的共模抑制比，通常情況下CMRR120dB，共模輸入電壓范圍為+6到-10V。此電路設計的優(yōu)點在于：U1、U2的性能一致，輸入級的差動輸出及其差模增益只與輸入電壓有關，其共模輸出、失調及漂移均在R0兩端相互抵銷，因此電路具有良好的共模抑制能力，達到同時不要求外部電阻的匹配；此電路具

9、有增益調節(jié)能力，調節(jié)電位器R0的大小可以改變增益而不影響電路的對稱性。缺點在于：U1、U2性能不可能完全一致，再加上外界其他因素的影響，不可能保證共模抑制比完全相同，因此可能會引入附加的共模誤差，使電路共模抑制能力下降；各級電阻不匹配也可能引入共模誤差。2.2.2.2信號解調電路前面采用的T2高性能壓力傳感器屬于電容式傳感器，它采用交流電源供電，除了是本身需要之外，同時還是為了調制，因此需要對其輸出信號進行解調。解調電路主要有以下兩種：包絡檢波電路和相敏檢波電路。在包絡檢波電路中存在兩個問題:一是無法從檢波器的輸出鑒別出調制信號的相位，二是不具有區(qū)分不同載波頻率信號的能力，為了使檢波電路具有判

10、別信號相位和選頻的能力，需采用相敏檢波電路。其中相乘式和相加式相敏檢波電路中開關器件導通時的等效電阻和截止時的漏電流的變化和存在會引起一定誤差，為減小開關器件的不理想帶來的誤差，可以采用如圖4所示的精密整流型全波相敏檢波電路。圖4 精密整流型全波相敏檢波電路在Uc為正的半周期，V1截止，V2導通，N1用作反相放大器，Ua為Us的反相信號；在Uc為負的半周期，V1導通，V2截止，N1的輸出Ua為零。這樣，Ua的波形為一半波整流信號。取R1=R2，R'3=2R3，N2對Ua的放大倍數(shù)比對Us的放大倍數(shù)大一倍，在不接電容C的情況下Uo的波形為全波整流信號。電容C濾去經(jīng)全波檢波后Us中的高頻成

11、分，獲得調制信號Ux。此電容的引入可以省略了信號分離環(huán)節(jié)，達到同樣的濾波效果。2.2.2.3模數(shù)轉換器 微機化壓力檢測系統(tǒng)要求的檢測范圍是0-500kg，分辨力是50g，500kg/50g=10000，需要14位以上的A/D轉換器，又考慮到系統(tǒng)的精度要求較高，因此選擇分辨率較高、線性度好、易集成、成本低的16位-A/D轉換器AD7705。AD7705內部主要由模擬多路轉換器、輸入緩沖器和可編程增益放大器PGA、-調制器、可編程數(shù)字濾波器、串行SPI接口、狀態(tài)/控制寄存器及時鐘發(fā)生器等組成，如圖5所示；芯片如圖6所示。 AD7705在使用時考慮以下幾點：基準電壓：AD7705的基準電壓UREF由

12、REF（+）和REF（-）引入，數(shù)字輸出是模擬輸入相對于其基準的比率，因此基準電壓的穩(wěn)定性直接影響測量精度，其大小決定了模擬輸入的最大范圍。與模擬輸入的連接：輸入為經(jīng)過放大、解調、濾波之后的測量信號，所用電壓源與基準電壓相同，保證電壓源有所波動時兩個電壓源所受影響比例相同，從而降低對電壓基準源電壓穩(wěn)定性的要求。與單片機的連接：AD7705采用SPI/QSPI兼容的三線串接口，能夠方便的與各種微控制器相連，比并行接口方式節(jié)省了CPU的I/O口的占用。本測量電路中，AD7705的片選端接到低電平，DIN、DOUT引腳連接在一起，與單片機的P1.0通信；SCLK與P1.1相連，為傳輸數(shù)據(jù)提供時鐘信號

13、，無數(shù)據(jù)傳送時，P1.1閑置為高電平；轉換結束信號DRDY/連接至P3.2，單片機可通過查詢或者中斷方法實現(xiàn)對AD7705轉換數(shù)據(jù)的讀取。圖5 AD7705內部組成圖6 AD7705芯片2.2.3單片機部分通過比較各種單片機的性能，最終選擇了ATmega128芯片。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，ATmega128 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。（1）ATmega128芯片的性能參數(shù)如下： 工作電壓 ：2.7 - 5.5V ATmega128L； 4.5 -

14、5.5V ATmega128 速度等級 ：0 - 8 MHz ATmega128L；0 - 16 MHz ATmega128（2）ATmega128芯片的主要特點如下： 它是高性能低功耗的具有128K系統(tǒng)內可編程Flash的8位微處理器； 先進的 RISC 結構； 非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器； JTAG 接口( 與IEEE 1149.1 標準兼容)；外設特點：兩個具有獨立的預分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計 數(shù)器；兩個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(shù)器； 具有獨立預分頻器的實時時鐘計數(shù)器；兩路8 位PWM；6路分辨率可編程 （2 到16 位）的PWM；輸出比較調制

15、器等；特殊的處理器特點：上電復位以及可編程的掉電檢測；片內經(jīng)過標定的 RC 振蕩器；片內/ 片外中斷源；6種睡眠模式；可以通過軟件進行選擇 的時鐘頻率；通過熔絲位可以選擇ATmega103 兼容模式；全局上拉禁止 功能；I/O 和封裝：53個可編程I/O 口線；64引腳TQFP 與 64 引腳 MLF 封裝。（3） 將ATmega128 接入電路中，如圖7所示。圖7 ATmega1282.2.4 LED顯示電路LED由若干個發(fā)光二極管按一定規(guī)律排列而成，當某一個發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫被點亮，控制不同組合的二極管導通，就能顯現(xiàn)出不同的字符。其結構有兩種形式，即共陰極和共陽極。我

16、們采用的是共陰極LED。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應用時應將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮，當某一字段的陽極為低電平時，相應字段就不亮。 2.3軟件編程與實現(xiàn)2.3.1軟件流程圖是否超重發(fā)出報警聲LED顯示處理控制電路傳輸代碼讀取輸入信號初始化LED顯示屏，并復位輸入信號示值在0500kg范圍內開始 2.3.2程序代碼根據(jù)上述程序框圖，可利用C語言編寫程序代碼，實現(xiàn)用LED顯示所測壓力數(shù)值和提示超載功能。部分代碼如下：#include <reg52.h> #includ

17、e <stdio.h> #include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intunsigned int LedOut6;Unsigned char code Disp_Tab = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40; /段碼控制sbit AdDrdy = P32; sbit AdDin = P11; sbit AdDout = P11; /*AD7705 input & output*/sbit Ad

18、Clk = P10; /*AD7705時鐘脈沖*/sbit Ad_CS = P33; /*AD7705片選*/sbit dula=P26;sbit wela=P27;sbit led=P27;unsigned long ADC=0; unsigned int intj0; /*延時程序*/void delay(unsigned int x) /延時 X msunsigned int i,j;for(i = x;i > 0;i-)for(j = 110;j > 0;j-);/* 向AD7705寫入一個字節(jié) */void WriteByte7705(unsigned char x)un

19、signed char a;AdClk = 1;for (a=0; a<8; a+)AdClk=0;if(x & 0x80)AdDin=1;elseAdDin=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();AdClk=1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();x<<=1;AdDin=1;/* 從AD7705讀一個字 */unsigned int ReadWord7705(void)unsigned char b;unsigned long y=0; WriteByte7705(0x38);/設置AD7705數(shù)據(jù)寄存器通

20、道1AdClk = 1 ;for(b=0;b<16;b+)y<<=1;AdClk=0;_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();if(AdDout = 1)y+;AdClk=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); AdDin=1; AdClk=1;return y; /*ad7705通信端口復位*/ void reset7705(void) uchar c; for(c=0;c<35;c+) AdClk=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); AdDin=1; AdClk=1; _nop_();

21、_nop_(); _nop_(); delay(1); void AdStart(void) /初始化 uchar i; delay(1); AdClk=1; AdDin=1; for(i=0;i<40;i+)AdClk=1;AdClk=0; WriteByte7705(0X20); WriteByte7705(0X00); WriteByte7705(0X10); WriteByte7705(0X44); delay(100);void int0 () interrupt 0 /AD7705中斷0讀取AD intj0 = 1;Ad_CS=0; ADC = ReadWord7705();

22、ADC = (2.5 * ADC) / 65535;ADC=123;delay(20);AdDrdy = 1;/*顯示程序*/void display(unsigned char A,unsigned char B,unsigned char C,unsigned char D,unsigned char E,unsigned char F)/顯示程序 P2=0x1f; P0=Disp_TabA;/顯示百位 delay(5); P2=0x2f; P0=Disp_TabB; delay(5); P2=0x37; P0=Disp_TabC; delay(5); P2=0x3b; P0=Disp_T

23、abD; delay(5); P2=0x3d; P0=Disp_TabE; delay(5); P2=0x3e; P0=Disp_TabF; delay(5);/*/void main(void) EX0 = 1; /允許外部中斷0中斷IT0 = 0; /外部中斷0為跳變觸發(fā)方式 EA = 1; /開中斷 reset7705();AdStart(); delay(10);while(1)if(intj0) LedOut1=(ADC % 1000000) /100000; LedOut2=(ADC % 100000) /10000; LedOut3=(ADC % 10000) /1000; /千位 LedOut4=(ADC % 1000) /100|0x80; /百位帶小數(shù)點 LedOut5=(ADC % 100) /10; /十位 LedOut6=ADC % 10; /個位 display(LedOut1,LedOut2,LedOut3,LedOut4,LedOut5,LedOut6); led=1; delay (100); intj0 = 0; if(intj0) display(LedOut1,LedOut2,Le