智能壓力傳感器的設計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】智能壓力傳感器的設計專心-專注-專業(yè)密級：NANCHANG UNIVERSITY學士學位論文THESISOFBACHELOR（20092013年）題目智能化壓力傳感器的設計學院：環(huán)化學院系測控系專業(yè)班級：測控技術與儀器093班學生姓名：鐘剛學號：指導教師：劉誠職稱：講師起訖日期：南昌大學學士學位論文原創(chuàng)性申明本人鄭重申明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成

2、果作品。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔。作者簽名：日期：學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權南昌大學可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。保密，在年解密后適用本授權書。本學位論文屬于不保密。（請在以上相應方框內(nèi)打“”）作者簽名：日期：導師簽名：日期：摘要傳感器及轉(zhuǎn)換器形成系統(tǒng)的“前端”，沒有它，許多現(xiàn)代化的電子系統(tǒng)都無法正

3、常工作。傳感器已廣泛的應用于工業(yè)控制系統(tǒng)和能源工業(yè)裝置當中（如石油和天然氣的生產(chǎn)、配電工業(yè)）。它們也是制造錄音機和錄像機這些原始設備產(chǎn)品的重要內(nèi)在組成部分。大多數(shù)這些數(shù)字電子系統(tǒng)之所以具有普遍性和強大優(yōu)勢是得益于傳感器廣泛應用于這些電子電路中。本課題將深入研究智能壓力傳感器系統(tǒng)理論及其在壓力測試方面的應用，對新型智能壓力傳感器系統(tǒng)的智能化功能、智能化軟件和硬件配置進行全面的設計。提出了一種差動電容式傳感器的前置電路,基于電容/電壓轉(zhuǎn)換的原理,對微小電容變化量進行測量。電路輸出的直流電壓與差動電容變化量成線性關系,且能對偏差電容和電路的漂移進行自動補償。完善智能化軟件，實現(xiàn)溫度補償、自動校準、總

4、線數(shù)字通訊、自動增益控制等多種智能化特性，使智能化程度盡可能的提高。關鍵詞：傳感器；壓力；智能化。AbstractSensorsandtransducersformthe“front-ends”,：Sensor；pressure；intelligent目錄第一章壓力傳感器壓力傳感器的概述根據(jù)我國國家標準對傳感器的定義，對于壓力傳感器，我們可以給出定義：能夠感受規(guī)定的被測量（壓力信號）并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。壓力傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。組成框圖如圖1-1所示。被測壓力敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路電信號圖1-1壓力傳感器組成框圖壓力傳感器的類型

5、壓力傳感器通常的分類標準是按工作原理分類，分為：電容式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、智能式壓力傳感器等。還有一種分類方式是按壓力傳感器所使用的材料分類：半導體壓力傳感器、光學壓力傳感器、金屬壓力傳感器、金屬-氧化物壓力傳感器等?，F(xiàn)在應用最廣泛的一種壓力傳感器是壓阻式壓力傳感器。它是利用的原理時壓阻效應，并采用微電子技術制成。這種壓力傳感器準確度高、動態(tài)響應好、靈敏度高、集成化程度高并易于微型化，因此得到廣泛的應用，得到迅速發(fā)展，屬于新的物性型傳感器。壓力傳感器的結構特點本課題采用差壓式電容傳感器作為敏感元件。電容式壓力傳感器結構簡單，價格便宜，靈敏度高，零磁

6、滯，真空兼容，過載能力強，動態(tài)響應特性好和對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應性強等，在惡劣的環(huán)境下對測量靜態(tài)或低頻變化的壓力有比較好的優(yōu)勢。傳統(tǒng)壓力傳感器的局限性傳統(tǒng)的壓力傳感器往往在性能和成本上不能兩全其美，為了提高性能，就要有居高不下的成本，因為制作材料必須品種多，性能高，制作過程要求非常嚴格，寸偏大，但是時間相應特性不高；2、系統(tǒng)非線性導致隨時間漂移；3、環(huán)境變化很容易影響到參數(shù)的變換；4、器件信噪比不高，是傳感器容易受到噪聲的干擾致使結果不穩(wěn)定；5、交叉靈敏度的存在導致傳感器的選擇性和分辨率都不高。這些因素就造成了傳統(tǒng)壓力傳感器可靠性差、精確度低、性能不穩(wěn)定等缺點，也注定了傳統(tǒng)壓力傳感

7、器必將被更高級的智能化壓力傳感器所取代。第二章智能壓力傳感器智能壓力傳感器的結構智能傳感器主要是指利用集成電路工藝和微機械技術將敏感元件與功能強大的電子線路集成在同一芯片上，具有信號提取、信號處理、邏輯判斷、決策、自檢、自診斷和計算等功能。和經(jīng)典傳感器相比，智能傳感器具有體積小、成本低、功耗小、速度快、精度高以及功能強等優(yōu)點。智能壓力傳感器的結構如圖2-1所示，其中作為作為“大腦”的微型計算機，可以是單片機，也可也是微型計算機系統(tǒng)。被測壓力傳感器預處理及接口微型機輸出接口模擬信號數(shù)字化輸出接口信息處理及校正軟件顯示和記錄D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路圖2-1智能壓力傳感器的結構框圖智能壓力傳感器的功能具有

8、邏輯判斷、統(tǒng)計處理功能：可對檢測數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計和修正，還可進行線性、非線性、溫度、噪聲、響應時間、交叉感應以及緩慢漂移等的誤差補償，提高了測量準確度。具有自診斷、自校準功能：可在接通電源時進行開機自檢，可在工作中進行運行自檢，并可實時自行診斷測試以確定哪一組件有故障，提高了工作可靠性。具有自適應、自調(diào)整功能：可根據(jù)待測物理量的數(shù)值大小及變化情況自動選擇檢測量程和測量方式，提高了檢測適用性。具有組態(tài)功能：可實現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)的復合測量，擴大了檢測與使用范圍。具有記憶、存儲功能：可進行檢測數(shù)據(jù)的隨時存取，加快了信息的處理速度。具有數(shù)據(jù)通訊功能：智能化傳感器具有數(shù)據(jù)通訊接口，能與計算機直接聯(lián)機

9、，相互交換信息，提高了信息處理的質(zhì)量。智能壓力傳感器的特點與傳統(tǒng)傳感器相比，智能壓力傳感器的特點是：高的性能價格比：由于智能壓力傳感器的種種優(yōu)點都是通過調(diào)試微處理器和計算機之間的配合達到的，所以在工藝本身不會追求過多，可以采用廉價的集成電路、芯片加上調(diào)試軟件實現(xiàn)，從而性能價格比自然會高與傳統(tǒng)的壓力傳感器。適應能力強：系統(tǒng)在進行分析、判斷和處理信號時，可以根據(jù)工作狀況決定各個部分的供電和上極位傳輸速率，能夠是系統(tǒng)功耗最低，傳送率最優(yōu)，并具有多種動能自動補償。精度高：智能壓力傳感器的自校準、自選量程、自動補償和自動修正各類誤差等功能保證了它的高精確度，通過系統(tǒng)軟件達到這些功能，相比以前依靠硬件解決

10、的方式來說方便和容易實現(xiàn)很多。量程寬：智能壓力傳感器的測量范圍很寬，具有很強的過載能力。集中控制：由于微處理器控制整個系統(tǒng)，自身的控制和數(shù)字處理能力都很強大，所以智能壓力傳感器通過軟件程序充分利用微處理器，使系統(tǒng)的多種功能和優(yōu)點充分發(fā)揮，從而實現(xiàn)了集中的控制方式。智能壓力傳感器的應用與發(fā)展智能壓力傳感器主要應用于檢測流體或固體的壓力并進行信號遠距離傳輸。它是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，常常作為一種自動化控制的前端元件，因此其廣泛應用于各種工業(yè)自控環(huán)境，包括石油化工、造紙、水處理、電力、船舶、機床和公用設備等行業(yè)。目前，傳感器的發(fā)展主要集中在集成化和智能化兩個方面。傳感器的集成化是指將多個功

11、能相同或不同的敏感器件制作在同一個芯片上構成傳感器陣列。傳感器的智能化是將傳感器與信號處理電路和控制電路集成在同一芯片上。系統(tǒng)能夠通過電路進行信號提取和信號處理，根據(jù)具體情況自主地對整個傳感器系統(tǒng)進行自檢、自校準和自診斷，并能根據(jù)待測物理量的大學及變化情況自動選擇量程和測量工作方式。本次論文的主要工作是在現(xiàn)在研究基礎上，設計出具有體積小、成本低、壽命長、量程范圍大、反應速度快、智能化程度高的智能壓力傳感器。第三章系統(tǒng)結構設計傳感器系統(tǒng)總體結構設計本次課題將采用差動式電容傳感器作為系統(tǒng)前端，A/D轉(zhuǎn)換模塊采用ADC0809芯片進行實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，微處理器采用單片機89C52，顯示器采用LCD160

12、2進行顯示，本次課題總體設計方框圖如圖3-1所示信號調(diào)理電路ADC0809單片機89C52LCD1602被測壓力模擬電壓信號送顯示差動式傳感器電容值數(shù)字信號圖3-1總體方案設計圖系統(tǒng)的特點本次課題設計的智能壓力傳感器結構簡單，造價便宜，采用特定的信號調(diào)理電路，利用單片機和A/D、D/A轉(zhuǎn)換器自動調(diào)節(jié)信號Uc1和Uc2,采用負反饋技術,實現(xiàn)了對偏差電容的自動補償,并且采用差動測量方式以消除寄生電容、熱零點漂移、共模干擾和其它環(huán)境因素的影響,使電路具有很強的抗干擾能力。具有自動報警功能，本次設計電路圖中加了一個發(fā)光二極管，若所施加壓力超出壓力傳感器的正常承受范圍，發(fā)光二極管將會自動點亮，以保護傳感

13、器安全。報警系統(tǒng)用軟件實現(xiàn)。第四章硬件設計本次課程設計的硬件共分為前端傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換、微處理器和顯示部分這五個模塊組成，下面將一一對這五個模塊做出詳細的介紹。前端傳感器模塊從經(jīng)濟、測量精度、穩(wěn)定性以及對人體無害等因素，本課題采用陶瓷電容作為傳感器材料，且采用圓柱差動變面積式電容位移傳感器，如圖4-1所示。圖4-1圓柱差動變面積式電容位移傳感器圓柱電容的計算公式為：C=.其中，X為內(nèi)外電極重疊部分長度；D、d分別為外電極內(nèi)徑與內(nèi)電極外徑。當重疊部分長度X發(fā)生變化時，電容的變化量為：=-=.靈敏度為：K=.傳感器由兩組定片和一組動片組成。當動片上、下改變位置時，與兩組定片之間重疊

14、面積發(fā)生相應變化，成為差動電容。將上層定片與動片行形成的電容記為，下層定片與動片形成的電容記為。信號調(diào)理電路模塊測量差動電容變化量的電路原理圖如圖4-2所示。圖4-2信號調(diào)理電路圖電路的結構對稱,兩邊都以相同的方式工作,只對其中的一邊進行分析。一正弦電壓Us用于激勵電路,其頻率為f(Hz),幅值為A(V)。被測傳感器電容器C1的一個極板與電壓源相連,另一極板與電流檢測器A1的輸入端相連。電壓信號也作為乘法器M的一個輸入端,M的另一個輸入端與控制信號Uc1相連。乘法器的輸出電壓信號為K1Us,系數(shù)K1=Uc1/10。電流Im和I1之和被放大器A1轉(zhuǎn)換成電壓信號UA1,經(jīng)放大器A2后,輸出電壓信號

15、Uo1。Us=Asint.;式中C1=C10+C1,C10為C1的初始值,C1為變化量。同理,Uo2有類似的表達式。Uo1和Uo2同時輸入差動放大器A3,其增益為Hi,得到輸出電壓信號Uo為Uo=Uo1-Uo2(1)假設C10=C20,C1=C2=C,K1=K2,則式(1)可以簡化為Uo=2HiRfCR1Asin(t+/2)/R2.將Uo輸入相敏檢波器PSD中,輸出直流電壓信號Ud為Ud=8HiR1RfAC/R2(2)式中,系數(shù)4/可由相敏檢波器PSD對輸入信號的整流和放大作用得出。由式(2)可見,Ud與被測電容的變化量C成線性關系。因此,利用AD轉(zhuǎn)換器將Ud轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,再經(jīng)過單片機進行數(shù)據(jù)

16、處理,即可實現(xiàn)對差動電容傳感器電容變化量的測量。根據(jù)式(2)有下式式中C為最小可測電容變化量;Ud為Ud測量分辨力;VADC為AD轉(zhuǎn)換器的工作電壓范圍;n為AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)。電容測量分辨力理論上主要取決于輸出電壓的測量分辨力?？梢酝ㄟ^提高輸出電壓的測量分辨力來提高電容的測量分辨力。所提出的測量電路可以實現(xiàn)對偏差電容的自動補償,原理如圖4-3所示。移相器90°相敏檢波器A/D轉(zhuǎn)換器單片機UsUrUdUc1圖4-3自動補償原理框圖電壓信號Uo1和參考信號Ur分別為相敏檢波器PSD1的兩個輸入,輸出信號Ud1可以表示為Ud1=4HiRf(C1+K1Cm)R1A/R2=4HiRf(C10

17、+C1+Uc1 Cm/10)R1A/R2.（3）根據(jù)式(3),有下式Ud1(Uc1)=2HiRfCmR1A/5R2.因此,利用信號Uc1可以對電容器C1的固定值C10進行補償,則在理論上,Ud1可表示為Ud1=4HiRfR1AC1/5R2.（4）利用單片機控制A/D和D/A轉(zhuǎn)換單元對Ud1進行轉(zhuǎn)換,并通過負反饋的方式將信號Uc1加到乘法器M的一個輸入端,便可實現(xiàn)對偏差電容的自動補償。令電壓Us的幅值A=,頻率f=,Cm=100pF,Rf=47k,R1=R2=1k,運算放大器為TL071,相敏檢波器為AD630,乘法器為MC1495,差動放大器為INA102(Hi=100),8位的AD/DA轉(zhuǎn)換

18、器工作電壓為±5V。在當壓力傳感器所受壓力處于0100KPa時，通過對差動式電容應變力的設計，使得C處于06.65F上下限范圍內(nèi)。根據(jù)式（4）可知，AD轉(zhuǎn)換器接收的電壓范圍為05V。4.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊本次課題選擇ADC0809作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。4.3.1 ADC0809的內(nèi)部邏輯結構由圖4-4可知，ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時

19、輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。圖4-4ADC0809內(nèi)部結構4.3.2 ADC0809引腳結構ADC0809各腳功能如下：D7-D0：8位數(shù)字量輸出引腳。IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳。VCC：+5V工作電壓。GND：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（-）：參考電壓負端。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。ALE：地址鎖存允許信號輸入端。（以上兩種信號用于啟動A/D轉(zhuǎn)換）EOC：轉(zhuǎn)換結束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當轉(zhuǎn)換結束時為高電平。OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)

20、輸出鎖存器。CLK：時鐘信號輸入端（一般為500KHz）。A、B、C：地址輸入線。圖4-5ADC0809引腳圖ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進入轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示。表4-1ADC0809通道選擇CBA選

21、擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7數(shù)字量輸出及控制線：11條ST為轉(zhuǎn)換啟動信號。當ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結束信號。當EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結束；否則，表明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，

22、VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。4.3.3 ADC0809應用說明（1）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機直接相連。（2）初始化時，使ST和OE信號全為低電平。（3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。（5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。（6）當EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。微處理器本次課題采用單片機STC89C52作為處理芯片，STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位

23、CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復位電路，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口。另外STC89X52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35Mhz，6T/12T可選。單片機

24、STC89C52引腳圖如下。圖4-6單片機STC89C52引腳圖顯示模塊4.5.1LCD1602的優(yōu)點本次課題的顯示模塊采用LCD1602液晶顯示屏進行顯示。選擇LCD1602進行顯示具有如下優(yōu)點：顯示質(zhì)量高：由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。數(shù)字式接口液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。體積小、重量輕：液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。功耗低：相對而言，液晶顯示器

25、的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。字符型LCD簡介字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。下面以長沙太陽人電子有限公司的1602字符型液晶顯示器為例介紹其用法。一般1602字符型液晶顯示器實物如圖4-7圖4-7LCD1602實物圖的基本參數(shù)及引腳功能1602LCD主要技術參數(shù)：顯示容量:16×2個字符；芯片工作電壓:；工作電流:；模塊最佳工作電壓:；字符尺寸:×(W×H)mm。引腳功能說明1602LCD的引腳圖如圖4-8所示。圖4-8160

26、2LCD的引腳圖1602采用標準的16腳接口，其中：第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)

27、行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。的指令說明及時序 1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表4-2所示表4-21602LCD控制指令表1602LCD基本操作時序圖圖4-9讀操作時序圖圖4-10寫操作時序圖溫度補償模塊課程設計采用DS18B20芯片進行溫度的采集，并實現(xiàn)溫度補償。以20為標準溫度，實際溫度每高一度壓力值補償，每低一度壓力值減小。4.6.1DS18B20的主要特征1、全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。2、先進的單總線數(shù)據(jù)通信。3、最高12位分辨率，精度可達土0.5攝氏度。4、12位分辨率時的最大工作周期為750毫秒。5、可選擇

28、寄生工作方式。6、檢測溫度范圍為55°C+125°C(67°F+257°F)7、內(nèi)置EEPROM，限溫報警功能。8、64位光刻ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號，方便多機掛接。9、多樣封裝形式，適應不同硬件系統(tǒng)。4.6.2DS18B20引腳功能GND電壓地DQ單數(shù)據(jù)總線VDD電源電壓4.6.3DS18B20工作原理及應用DS18B20的溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。在講解其工作流程之前我們有必要了解18B20的內(nèi)部存儲器資源。18B20共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是：ROM只讀

29、存儲器，用于存放DS18B20ID編碼，其前8位是單線系列編碼（DS18B20的編碼是19H），后面48位是芯片唯一的序列號，最后8位是以上56的位的CRC碼（冗余校驗）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設置不由用戶更改。DS18B20共64位ROM。RAM數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20共9個字節(jié)RAM，每個字節(jié)為8位。第1、2個字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第3、4個字節(jié)是用戶EEPROM（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復位時其值將被刷新。第5個字節(jié)則是用戶第3個EEPROM的鏡像。第6、7、8個字節(jié)為計數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設計的，同樣也是內(nèi)部

30、溫度轉(zhuǎn)換、計算的暫存單元。第9個字節(jié)為前8個字節(jié)的CRC碼。EEPROM非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報警值和校驗數(shù)據(jù)，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在鏡像，以方便用戶操作。4.6.4DS18B20時序圖圖4-11控制器對DS18B20操作流程1、復位：首先我們必須對DS18B20芯片進行復位，復位就是由控制器（單片機）給DS18B20單總線至少480uS的低電平信號。當18B20接到此復位信號后則會在1560uS后回發(fā)一個芯片的存在脈沖。2、存在脈沖：在復位電平結束之后，控制器應該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在1560uS后接收存在脈沖，存在脈沖為一個6

31、0240uS的低電平信號。至此，通信雙方已經(jīng)達成了基本的協(xié)議，接下來將會是控制器與18B20間的數(shù)據(jù)通信。如果復位低電平的時間不足或是單總線的電路斷路都不會接到存在脈沖，在設計時要注意意外情況的處理。3、控制器發(fā)送ROM指令：雙方打完了招呼之后最要將進行交流了，ROM指令共有5條，每一個工作周期只能發(fā)一條，ROM指令分別是讀ROM數(shù)據(jù)、指定匹配芯片、跳躍ROM、芯片搜索、報警芯片搜索。ROM指令為8位長度，功能是對片內(nèi)的64位光刻ROM進行操作。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個器件并作處理。誠然，單總線上可以同時掛接多個器件，并通過每個器件上所獨有的ID號來區(qū)別，一般只掛接單個18B2

32、0芯片時可以跳過ROM指令（注意：此處指的跳過ROM指令并非不發(fā)送ROM指令，而是用特有的一條“跳過指令”）。ROM指令在下文有詳細的介紹。4、控制器發(fā)送存儲器操作指令：在ROM指令發(fā)送給18B20之后，緊接著（不間斷）就是發(fā)送存儲器操作指令了。操作指令同樣為8位，共6條，存儲器操作指令分別是寫RAM數(shù)據(jù)、讀RAM數(shù)據(jù)、將RAM數(shù)據(jù)復制到EEPROM、溫度轉(zhuǎn)換、將EEPROM中的報警值復制到RAM、工作方式切換。存儲器操作指令的功能是命令18B20作什么樣的工作，是芯片控制的關鍵。5、執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：一個存儲器操作指令結束后則將進行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫，這個操作要視存儲器操作指令而定。如執(zhí)行溫

33、度轉(zhuǎn)換指令則控制器（單片機）必須等待18B20執(zhí)行其指令，一般轉(zhuǎn)換時間為500uS。如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫指令則需要嚴格遵循18B20的讀寫時序來操作。若要讀出當前的溫度數(shù)據(jù)我們需要執(zhí)行兩次工作周期，第一個周期為復位、跳過ROM指令、執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換存儲器操作指令、等待500uS溫度轉(zhuǎn)換時間。緊接著執(zhí)行第二個周期為復位、跳過ROM指令、執(zhí)行讀RAM的存儲器操作指令、讀數(shù)據(jù)（最多為9個字節(jié)，中途可停止，只讀簡單溫度值則讀前2個字節(jié)即可）。圖4-12DS18B2寫時序圖寫時間隙分為寫“0”和寫“1”，時序如圖4-12。在寫數(shù)據(jù)時間隙的前15uS總線需要是被控制器拉置低電平，而后則將是芯片對總線數(shù)據(jù)的采樣時間，

34、采樣時間在1560uS，采樣時間內(nèi)如果控制器將總線拉高則表示寫“1”，如果控制器將總線拉低則表示寫“0”。每一位的發(fā)送都應該有一個至少15uS的低電平起始位，隨后的數(shù)據(jù)“0”或“1”應該在45uS內(nèi)完成。整個位的發(fā)送時間應該保持在60120uS，否則不能保證通信的正常。圖4-13DS18B20讀時序圖讀時間隙時控制時的采樣時間應該更加的精確才行，讀時間隙時也是必須先由主機產(chǎn)生至少1uS的低電平，表示讀時間的起始。隨后在總線被釋放后的15uS中DS18B20會發(fā)送內(nèi)部數(shù)據(jù)位，這時控制如果發(fā)現(xiàn)總線為高電平表示讀出“1”，如果總線為低電平則表示讀出數(shù)據(jù)“0”。每一位的讀取之前都由控制器加一個起始信號

35、。注意：如圖4-13所示，必須在讀間隙開始的15uS內(nèi)讀取數(shù)據(jù)位才可以保證通信的正確。硬件設計原理圖本次課程設計采用protel軟件原理圖的繪制。原理圖中，LCD1602與單片機P0口相連，因本次設計只需讓LCD1602從52單片機中讀取數(shù)據(jù)，因此將它的R/W引腳電平拉低，直接與地相連。如圖4-14所示。圖4-14硬件電路原理圖本次課程設計采用protues仿真軟件對原理圖進行仿真。圖中，采用滑動變阻器代替?zhèn)鞲衅鞒鋈胄盘栠M行信號的采集。如圖4-15所示。圖4-15硬件電路仿真圖第五章軟件程序設計語言介紹本次設計采用C語言進行編程，C語言的特點是：簡潔緊湊、靈活方便；運算符豐富；數(shù)據(jù)類型豐富；C

36、是結構式語言：結構式語言的顯著特點是代碼及數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。這種結構化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護以及調(diào)試。C語言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函數(shù)可方便的調(diào)用，并具有多種循環(huán)、條件語句控制程序流向，從而使程序完全結構化。允許直接訪問物理地址，對硬件進行操作：由于C語言能夠直接訪問物理地址，并且可以直接操作硬件，因此它既具有高級語言的功能，又具有低級語言的許多功能，C語言可以像匯編語言一樣，對位、字節(jié)和地址進行操作，而這三者是計算機最基本的工作單元，可用來寫系統(tǒng)軟件。使用Keil軟件進行程序的編譯。程序流程圖如圖所示結果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)字濾波讀A/D

37、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)初始化開始溫度數(shù)據(jù)讀取壓力顯示溫度補償結果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電流輸出圖5-1程序流程圖智能數(shù)字濾波經(jīng)硬件抗干擾措施后，大部分干擾已經(jīng)被消除，但在模擬信號中還殘存有少量的噪聲干擾，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后輸入微控制器的數(shù)字量也相應地受到干擾，影響測量的準確性，因此需要用軟件進行數(shù)字濾波，去除干擾。數(shù)字濾波常用的方法有算術平均濾波、去極值平均濾波、加權平均濾波和滑動平均濾波等，為了提高濾波的效果，盡量減少噪聲數(shù)據(jù)對結果的影響，本系統(tǒng)采用復合濾波的方法。所謂的復合濾波指采用兩種或兩種以上不同功能的濾波方法，達到相互補充、改善濾波效果的目的。加權均值濾波是對一個采樣序列進行處理得出個結果數(shù)據(jù)，如果樣本數(shù)據(jù)較大時，數(shù)

38、據(jù)采樣時間較長將造成結果數(shù)據(jù)的實際采樣周期過長。不能滿足實時性的要求。為了彌補加權均值濾波這一缺點，在程序設計中我們采用把滑動濾波和加權平均濾波結合起來組成復合濾波的方法。對不同時刻的數(shù)據(jù)加以不同的權，越接近時刻的數(shù)據(jù)，取得的權越大。這里我們?nèi)?組數(shù)據(jù)，將第一個數(shù)值的權值設置為1/9，第二個數(shù)值的權值設置為3/9，第三個數(shù)值的權值設置為5/9。由于這種濾波方法兼容了加權平均濾波算法和滑動濾波算法的優(yōu)點，所以無論對緩慢變化的信號，還是對快速變化的信號，都能取得較好的濾波效果。voidFilter()temp1=P1;delay(1);temp2=P1;delay(1);temp3=P1;dela

39、y(1);temp=(temp1*1+temp2*3+temp3*5)/9;5.4 C語言程序程序見附錄第六章系統(tǒng)抗干擾性分析本課題設計的的只能壓力傳感器的抗干擾主要靠硬件實現(xiàn)，且都實施與信號調(diào)理電路中，具體分析如下。一般來講,實際應用中的電容式傳感器及其連接導線都需要屏蔽和接地保護措施,用來減小外界電磁干擾和電場等效應的影響。但是這些技術卻引入了寄生電容和分布電容,與被測的電容量或電容的變化量相比,它們的值往往能達到與之相同的數(shù)量級甚至更大。因此必須減小或消除它們對測量所造成的影響。電容傳感器的寄生電容模型(只討論其中一個電容器C1)可用圖3表示。圖3寄生電容等效圖圖3中,寄生電容器Cp1和

40、Cp2分布于傳感電容器C1的兩端和地線之間,與電壓源和A1相并聯(lián),它們不影響流過C1的電流。寄生電容器Cp3與C1并聯(lián),會對測量產(chǎn)生一定的影響,但當Cp3的值保持恒定或在測量電路的兩邊均等時,采用調(diào)零技術或差動測量的方法可以消除它的影響。由溫度和其他干擾所引起的漂移很難用模型來表示,所以在討論中沒有考慮。但是,因為僅對差動電容的變化量進行測量,所以這些漂移也可以通過差動測量得以消除。第七章總結智能壓力傳感器已經(jīng)廣泛應用于我們生活的各個角落，尤其是在化工制藥方面對它的應用更是數(shù)不勝數(shù)，對于將要進入制藥廠工作的我來說，日后我的工作當中肯定會與之有相當多的接觸。所以說此次畢業(yè)設計讓我對它進行研究，以

41、后肯定會對自己有很大的幫助，正是由于這一點，讓我在設計它的時候就更加有了興趣，每一次更深的了解壓力傳感器，我都會有一次小小的驚喜和滿足感。在它不斷的給我驚喜的過程中，我對它也越來越有了解。經(jīng)過接近兩個月的努力，我對智能壓力傳感器已經(jīng)有了一個全新的認識，在這兒寫畢業(yè)論文總結，心情也顯得很輕松。一次畢業(yè)設計，會讓每個人學到很多東西，每一個課題，都需要準備很多的知識才能去完成它。智能壓力傳感器這一個課題，就需要準備傳感器、單片機及其外圍芯片、程序語言、繪圖軟件以及編程軟件的使用等很多方面的知識?？梢哉f，做一個畢業(yè)設計就相當于要去學會一個知識系統(tǒng)。本文按要求完成智能壓力傳感器的設計，達到了預期目的。設

42、計過程中補充學習了有關學科知識及國內(nèi)外相關新技術，掌握了該項技術情況的發(fā)展趨勢和未來研究方向。本課題對智能壓力傳感器系統(tǒng)的硬件及軟件進行了全面設計，其內(nèi)容主要反映在以下幾方面：1本系統(tǒng)采用微處理器AT89C52、ADC0809、DS18B20、LCD1602設計硬件電路，這些芯片都具有穩(wěn)定可靠，體積小，結構簡單等特點。使硬件電路設計簡單，攜帶方便并減小誤差。2整個系統(tǒng)在優(yōu)化硬件配置的基礎上采用小型化一體化設計，所有電路芯片都采用低價格、小體積、高集成度的器件，從而使電路板尺寸很小，使智能壓力傳感器系統(tǒng)具有體積小、成本低的特點。3進行了較為完善的抗干擾設計，提出一種帶有程序判斷的智能數(shù)字濾波算法

43、，它既具有較好的平滑能力，又具有較快的響應速度。用這種復合濾波法來克服隨機誤差，提高了系統(tǒng)在不同場合下工作的穩(wěn)定性。4設計了較完善的智能化功能，通過軟軟硬件對智能壓力傳感器進行了電容漂移補償、溫度補償、自動報警等功能。使傳感器具有了較高的智能化程度。5我們把電路模塊與傳感元件組裝在同一殼體里構成智能化壓力傳感器，通過仿真試驗證明各項指標基本能夠得到滿足。但是，我們的設計還處于初級階段，還有存在許多不足的地方，并且由于受客觀條件的限制，有很多的測試和仿真工作無法實現(xiàn)，因此對于整個系統(tǒng)的實現(xiàn)還有很多的工作需要進一步的完善。參考文獻1.劉迎春.傳感器原理、設計和應用.天津天津大學出版社.1997:1

44、102王化祥.傳感器原理及應用.國防工業(yè)出版社.1999:1203崔淑琴.智能壓力傳感器的研究和設計.哈爾濱理工大學.2008,黃曉東.單片集成MEMS電容式壓力傳感器研究.東南大學.2005:30356.程素娥.基于FPGA的智能壓力傳感器系統(tǒng).濰坊學院.20097.李瑜芳.傳感器原理及應用.電子科技大學出版社.2001:45608.祈樹勝.傳感器與檢測技術.北京航空航天大學出版社.2010:1159孫以材,劉新福孟慶浩.傳感器非線性信號的智能處理和融合.冶金工業(yè)出版社.2010:428010.來清民.傳感器與單片機接口實例.北京航空航天大學出版社.2008:11511曹文明,王瑞.傳感器網(wǎng)

45、絡覆蓋定位模糊信息處理方法.電子工業(yè)出版社2010:8712212.呂俊芳,錢政,袁梅.傳感器調(diào)理電路設計理論及應用.北京航空航天大學出版社.2010:115613.唐文彥.傳感器.機械工業(yè)出版社.200614.李朝青.單片機原理及接口技術.北京航空航天大學出版社.199915.陳德福，林君.智能儀器.機械工業(yè)出版社.200916.康華光.電子技術基礎.高等教育出版社.2006致謝本論文是在劉誠導師和班上同學的悉心指導下完成的。在拿到課題的一開始，劉誠老師給了我們一張書單，共有十二本書，照著書單，我到圖書館逐一將它們找出來，找不到的就到網(wǎng)上去買下，然后對每本書都有一個仔細的閱讀，主要側(cè)重于自己

46、所選課題的那一部分?？赐赀@些書，只能壓力傳感器的輪廓概念就由模糊轉(zhuǎn)為清晰了，這相當于前期資料的準備工作。接下來便是網(wǎng)上找資料了，查閱芯片資料，查找英文文獻。在完成前期任務之后，每一周劉誠老師都要求與我們進行一次會議，并在會議中為我們具體的每一位同學解答在畢業(yè)設計中所遇到的疑難與困惑。他認真負責的態(tài)度給了我很深的印象。由此對劉誠老師致以衷心的感謝。在設計的過程中，得到了班上許多同學的大力輔導與支持，特別感謝為我提供資料的曾劍鋒與何強同學。在此，作者一并致以真心的感謝。最后，向評閱本論文的各位專家和老師致以謝意。附錄程序：#include<>#include<>#defin

47、eucharunsignedchar#defineuintunsignedintucharcodesbitlcden=P21;sbitlcdrs=P20;sbitCLK=P27;/接時鐘接口為ADC0809提供時鐘sbitEOC=P25;sbitST=P24;sbitOE=P26;sbitA0=P36;sbitA1=P30;sbitDQ=P23;/數(shù)據(jù)傳輸線接單片機的相應的引腳unsignedchartempL=0;/設全局變量unsignedchartempH=0;unsignedintsdata;/測量到的溫度的整數(shù)部分unsignedcharxiaoshu1;/小數(shù)第一位unsigned

48、charxiaoshu2;/小數(shù)第二位unsignedcharxiaoshu;/兩位小數(shù)bitfg=1;/溫度正負標志uinttemp,result,bai,shi,ge,fen,li,temp1,temp2,temp3,tmp,Al,A2,A3,A4,A5;ucharnum;/*延時1MS函數(shù)*/voiddelay(uintz)uintx,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);/*精確延時1US函數(shù)*/voiddelay1(unsignedchari)for(i;i>0;i-);/*DS18B20復位函數(shù)*/voidInit_Ds18b20(

49、)/DS18B20初始化unsignedcharx=0;DQ=1;/DQ先置高delay1(8);/稍延時DQ=0;/發(fā)送復位脈沖delay1(80);/延時（>480us)DQ=1;/拉高數(shù)據(jù)線delay1(5);/等待（1560us)x=DQ;/用X的值來判斷初始化有沒有成功，18B20存在的話X=0，否則X=1delay1(20);/*讀一個字節(jié)*/ReadOneChar(void)/主機數(shù)據(jù)線先從高拉至低電平1us以上，再使數(shù)據(jù)線升為高電平，從而產(chǎn)生讀信號unsignedchari=0;/每個讀周期最短的持續(xù)時間為60us，各個讀周期之間必須有1us以上的高電平恢復期unsign

50、edchardat=0;for(i=8;i>0;i-)/一個字節(jié)有8位DQ=1;delay1(1);DQ=0;dat>>=1;DQ=1;if(DQ)dat|=0x80;delay1(4);return(dat);/*寫一個字節(jié)*/voidWrite_One_Byte(unsignedchardat)unsignedchari=0;/數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平，產(chǎn)生寫起始信號。15us之內(nèi)將所需寫的位送到數(shù)據(jù)線上，for(i=8;i>0;i-)/在1560us之間對數(shù)據(jù)線進行采樣，如果是高電平就寫1，低寫0發(fā)生。DQ=0;/在開始另一個寫周期前必須有1us以上的高電平恢復期

51、。DQ=dat&0x01;delay(5);DQ=1;dat>>=1;delay1(4);/讀溫度值（低位放tempL;高位放tempH;）voidReadTemperature(void)Init_Ds18b20();/初始化Write_One_Byte(0xcc);/跳過讀序列號的操作Write_One_Byte(0x44);/啟動溫度轉(zhuǎn)換delay(125);/轉(zhuǎn)換需要一點時間，延時Init_Ds18b20();/初始化Write_One_Byte(0xcc);/跳過讀序列號的操作Write_One_Byte(0xbe);/讀溫度寄存器（頭兩個值分別為溫度的低位和高位）tempL=ReadOneChar();/讀出溫度的低位LSBtempH=ReadOneChar();/讀出溫度的高位MSBif(tempH>0x0f)/最高位為1時溫度是負tempL=t