毕业设计：基于80C51单片机的数字压力传感器的设计

毕业设计:基于80C51单片机的数字压力传感器的设计

基于80C51单片机的数字压力传感器的设计 摘要: 本课题主要介绍数字压力传感器，包括应变计/压电传感器为敏感元件的硬件电路设计、运算元件(80C51单片机)数据处理、4位数码显示系统以及相应的通信接口与协议; 实现在一路测量范围在0~250PSI，测量精度在1PSI，分辨率在1PSI。 关键词:PIC单片机 数字 通讯 智能 1 引言 数字压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。 本课程设计的数字压力传感器以单片机为主要部件，利用全桥测量原理，通过对电路输出电压和标准压强的线性关系，建立具体的数学模型，将电压量纲(V)改为压强纲(pa)即成为一台原始电子称。其中测量电路中最主要的元器件就是电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，本设计采用全桥测量电路，使系统产生的误差更小，输出的数据更精确。而三运放大电路的作用就是把传感器输出的微弱的模拟信号进行一定倍数的放大，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求。ADC0809 的A/D转换作用是把模拟信号转变成数字信号，进行模数转换，然后把数字信号输送到显示电路中去，最后由显示电路显示出测量结果。并且能实现数字传感器之间的通讯，达到数据共享的目的。从而更好的满足当今社会发展的需求。 2 方案论证 2(1方案一: 本方案采用电阻应变片作为敏感元件采集信息，经三运放大器放大处理，再送入ADC0809进行数模

转换，运用80C51单片机作为运算处理元件处理数据，并进行通讯和LED显示。基本工作原理框图如下: 图 1.2-1 基本工作原理框图 2(2方案二: 本方案

采用压电传感器作为敏感元件采集信息，经三运放大器放大处理，再送入ADC0809进行数模转换，运用DSP单片机作为运算处理元件处理数据，并进行通讯和LED显示。基本工作原理框图如下: 2.3方案选择: 本次设计要求精度不高，考虑其成本、自身的学习经历。本次设计采取方案一。 3 各电路设计和论证 3(1电源电路设计和论证 直流稳压电源是电子设备中必不可少的组成部分，它通常由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。 3(1(1 方案一 图3-1所示为CW7800系列三端固定输出采集集成稳压器的基本应用电路。图中表明了从交流电网电压经电源变压器降压，又经桥式整流和电容滤波后加在稳压器的输入端的连接方法，并提供各种有关元器件的参考参数。正常工作时，稳压器的输入输出电压差一般为2-3V。图中V5是保护二极管，当输入端短路时，给输出电容器C4存储的电荷提供一个放大电路，防止C4两端电压作用于集成稳压器内部调整管的发射结，造成发射结击穿而损坏三端集成稳压器。 3(1(2 方案二 串联型晶体管稳压管稳压电路组成框图如图所示，它由调整管、取样电路、基准电压和比较放大电路等部分组成。图是典型的串联型双极型晶体管稳压电路。图中R1、Rp2和R2所组成的分压器称为取样电路，它能将输出电压的变化取回一部分送到双极型晶体管V2的基极。由限流电阻R3和稳压管V3组成的电路提供一个基准电压Uz，使双极型晶体管V2的发射极电位保持恒定。双极型晶体管V2将取样电压和基准电压进行比较，所的误差电压通过V2进行放大，因此将V2所组成的放大电路电路或误差放大电路。双极型晶体管V1在电路中起电压调节作用，称为调整管。R4既是V2的集电极负载电阻，又是V1管的基极偏

置电阻。 证 由于三端稳压管只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格廉价等优点，因而得到广泛应用。所以本课题用第一方案。 3(2 数据采集电路设计和论证 3(2(1 方案一 .1 电阻应变式传感器的组成以及原理 电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的导体或半导体材料弹性

变形转换成电阻变化的元件。由电阻应变片和测量线路两部分组成。常用的电阻应变片有两种:金属电阻应变片和半导体应变片，金属电阻应变片有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。本设计中采用的是金属电阻应变片丝式结构，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。 电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，所以测量时我们一定要注意，其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是: 电阻丝温度系数引起的。 电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。 对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。?滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。 全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值:R1,R+ΔR,R2,R-ΔR,R3,R+ΔR,R4 R-ΔR，其电路输出电压Uout,UKε。由于充分利用了双差动作用，它的输出电压为单臂工作时的4倍，所以大大提高了测量的灵敏度。 .2 电阻应变式传感器的测量电路 常规的

电阻应变片K值很小，约为2，机械应变度约为0.000001―0.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.0005―0.1欧姆。所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。 桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线为输出电压Uo。其特点是: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，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够

精确地测量微小的电阻变化。 测量电路是电子称设计电路中是一个重要的环节，我们在制作的过程中应尽量选择好元件，调整好测量的范围的精确度，以避免减小测量数据的误差。 图 1.2-4 全桥测量电桥图 它由电阻应变片电阻R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R1,R2,R3,R4,350Ω，加热丝阻值为50Ω左右，测量电桥的电源由稳压电源Uin供给。将差动放大器调零，合上电源开关，调节电桥平衡电位RW1，使数显表显示0.00V。将10只标准砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3(增益即满量程调节)使数显表显示为0.200V 2V档测量 或,0.200V。拿去托盘上的所有砝码，调节电位器R W4(零位调节)使数显表显示为0.0000V。重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为压强纲p，就可以称重。 .1 三运放大电路 本次课程设计中，需要一个放大电路，我们将采用三运放大电路，主要的元件就是三运放大器。在许多需要A/D转换和数字采集的单片机系统中，情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。 图 1.2-6 三运放大电路结构图 ADC0809 A/D转换器 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。 由上图可知，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。 IN0,IN7:8条模拟量输入通道 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。 地址输入和控制线:4条 ALE为地址锁存允许输入线，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转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0,IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。 C B A 选择的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1

0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1

IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 数字量输出及控制线:11条 ST为转换启动信号当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。EOC为转换结束信号。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。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE,1，输出转换得到的数据;OE,0，输出数据线呈高阻状态。D7,D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ， VREF(，)，VREF(,)为参考电压输入。 ADC0809内部带有输出锁存器，可以与直接相连。 初始化时，使ST和OE信号全为低电

平。 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 在ST端给出