基于单片机的压力传感器实验

课程设计说明书题目：基于单片机压力传感器设计学院（系）：年级专业：电子信息科学与技术学号：学生姓名：指导教师：贵州大学课程设计说明书-1-目录摘要-----------------------------------------------------------------------------------------------------2关键字--------------------------------------------------------------------------------------------------2第一章总体设计方案及模块划分---------------------------------------------------------------21.1总体设计方案--------------------------------------------------------------------------------31.2模块划分--------------------------------------------------------------------------------------41.3设计框图如下图所示-----------------------------------------------------------------------5第二章各模块设计参数-------------------------------------------------------------------------------52.1传感器元件模块------------------------------------------------------------------------------52.2A/D转换模块---------------------------------------------------------------------------------82.3控制器处理模块-----------------------------------------------------------------------------122.4AD0809接口电路及LED接口电路------------------------------------------------------14第三章压力传感器实验数据采集、显示及程序---------------------------------------------143.1数据采集及显示-----------------------------------------------------------------------------14第四章心得体会--------------------------------------------------------------------------------------15附录-----------------------------------------------------------------------------------------------------16程序设计--------------------------------------------------------------------------------------16参考文献资料---------------------------------------------------------------------------------25实物图--------------------------------------------------------------------------------------25贵州大学课程设计说明书-2-摘要此次设计是基于8051单片机的压力检测系统，简要介绍了压力传感器电路的工作原理和弱信号传感器电路以及A/D变换电路的工作原理,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ADC0808，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。关键词：单片机压力传感器A/D变换电路LED显示器第一章总体设计方案及模块划分1.1总体设计方案本次设计是基于8051单片机的测量与显示。电路采用ADC0809模数转换电路，ADC0809是CMOS工艺，采用逐次逼近法的8位A/D转换芯片，片内有带锁存功能的8路模拟电子开关，先用ADC0809的转换器对各路电压值进行采样，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。本次设计是以单片机组成的压力测量，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，再经放大贵州大学课程设计说明书-3-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。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。1.2模块划分（1）传感器元件模块传感器元件主要是对压力这样的物理量转变成电信号。（2）A/D转换电路模块A/D转换电路是将模拟量转换为数字量，便于单片机的处理。（3）控制器处理模块控制器是通过51系列单片机对数字信号，按照预定目的进行处理。（4）显示与报告模块显示与报告是对于最终输出结果进行直观的表达。1.3设计框图如下图所示：图1.3.1设计框图第二章各模块设计参数贵州大学课程设计说明书-4-2.1传感器元件模块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，本实验采用电阻应变式传感器作为压力传感器。压力传感器构成：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。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U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。本实验研究压力传感器电路如图2.1.1所示，为压力传感器的电路，其由三部分组成（1）电源电路部分；（2）电桥电路部分；（3）放大电路部分。贵州大学课程设计说明书-5-图2.1.1压力传感器电路如图示，传感器采用恒压源供电，CCV为+15V，经过23R与40R分压(电容起滤波作用)，点5、6、7三点处有相同电压1U:)/(4023231RRVRUCC(2.1.1)根据上式，带入数据KR123，KR440，VVCC15，求得VU31。经过电路电桥部分，简化如下图2.1.21UUO图2.1.2压力传感器电桥电路贵州大学课程设计说明书-6-设桥臂电阻分别为4321,,,RRRR，118))/(1/1/(112111031RRRRRR，120'42RRR，则当压力传感器受力时,电阻变化对应的输出电压值为''11''ORRUURRRRRR，由于R1，则上式可化简为''11'ORRUURRRR(2.1.2)带入电阻、电压值得0.75'ORUR.（2.1.3）最后经过放大部分，如图2.1.3，为压力传感器的微弱电压输出的放大电路。分析它是一个差分放大电路,其放大倍数为32200025002.43RAR,那么放大后的电压值为250'0.756253''ORRURR又SFRR'，选定材料，这里取410S，代入式（4.1.3）得0.0625OUF.因为A∕D转换器的最大输入电压为5v，所以该压力传感器的测量范围为0~80N。贵州大学课程设计说明书-7-UOUO图2.1.3放大电路2.2.A/D转换模块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。A/D转换电路的核心元件是ADC0808芯片ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。2.2.1ADC0809的内部逻辑结构由下图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。贵州大学课程设计说明书-8-图2.2.12.2.2ADC0809的引脚结构ADC0809各脚功能如下：D7-D0：8位数字量输出引脚IN0-IN7：8位模拟量输入引脚VCC：+5V工作电压GND：地REF（+）：参考电压正端REF（-）：参考电压负端START：A/D转换启动信号输入端。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。ALE：地址锁存允许信号输入端，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。EOC：转换结束信号输出引脚。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。贵州大学课程设计说明书-9-OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。A、B、C：地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。2.2.3ADC0809应用说明1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。（4）ADC0809工作时序图贵州大学课程设计说明书-10-在ALE=1期间，模拟开关的地址（ADDC、ADDB和ADDA）存入地址锁存。输入启动信号