毕业设计---智能压力传感器系统设计_智能压力传感器原理

毕业设计任务书

一、题目

智能压力传感器系统设计

二、指导思想和目的要求

1. 培养学生综合运用所学职业基础知识、职业专业知识和职业技能，提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、深化所学的知识与技能；

2. 培养学生建立正确的科学思想，培养学生认真负责、实事求是的科学态度和严谨求实作风；

3. 培养学生调查研究，收集资料，熟悉有关技术文件，锻炼学生的科研工作能力和培养学生的团结合作攻关能力。

三、主要技术指标

1. 培养学生综合运用所学职业基础知识、职业专业知识和职业技能，提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、深化所学的知识与技能；

2. 培养学生建立正确的科学思想，培养学生认真负责、实事求是的科学态度和严谨求实作风；

3. 培养学生调查研究，收集资料，熟悉有关技术文件，锻炼学生的科研工作能力和培养学生的团结合作攻关能力。

三、主要技术指标

本设计主要设计一个智能压力传感器的设计，要求如下：

被测介质： 气体、液体及蒸气

量程： 0Pa ～500pa

综合精度：±0.25%FS

供电： 24V Dc（12～36VDC ）

介质温度：-20～150℃

环境温度：-20～85℃

过载能力： 150%FS

响应时间：≤10mS

稳定性：≤±0.15%FS/年

能实时显示目标压力值和保存参数，并能和上位机进行通信，并具有较强的抗干扰能力。

所需要完成的工作：

1. 系统地掌握控制器的开发设计过程，相关的电子技术和传感器技术等，进行设计任务和功能的描述；

2. 进行系统设计方案的论证和总体设计；

3. 从全局考虑完成硬件和软件资源分配和规划，分别进行系统的硬件设计和软件设计；

4. 进行硬件调试，软件调试和软硬件的联调；

5. 查阅到15篇以上与题目相关的文献，按要求格式独立撰写不少于15000字的设计说明书及1.5万（或翻译成中文后至少在3000字以上）字符以上的英文翻译。

四、进度和要求

第01周----第02周：查阅相关资料，并完成英文翻译；

第03周----第04周：进行市场调查，给出系统详细的设计任务和功能，进行系统设计方案的论证和总体设计；

第05周----第07周：完成硬件电路设计，并用PROTEL 画出硬件电路图； 第08周----第10周：完成软件模块设计与调试；

第11周----第12周：进行硬件调试，软件调试和软硬件的联调；

第13周----第14周：撰写毕业设计论文；

五、主要参考书及参考资料

1. 单片机原理及应用，张鑫等，电子工业出版社

2. MCS51单片机应用设计，张毅刚等，哈尔滨工业大学

3. MCS51系列单片机实用接口技术，李华等，北京航天航空大学

4. PROTEL2004电路原理图及PCB 设计，清源科技，机械工业出版社

学，2005．5

6. 单片机应用技术选编，何立民，北京航空航天大学出版社，2000

7. 检测技术与系统设计，张靖等，中国电力出版社，2001 5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究，曹卫芳，山东科技大

摘要

压力是工业生产过程中的重要参数之一。压力的检测或控制是保证生产和设备安全运行必不可少的条件。实现智能化压力检测系统对工业过程的控制具有非常重要的意义。本设计主要通过单片机及专用芯片对传感器所测得的模拟信号进行处理, 使其完成智能化功能。介绍了智能压力传感器外围电路的硬件设计, 并根据硬件进行了软件编程。

本次设计是基于AT89C51单片机的测量与显示。是通过压力传感器将压力转换成电信号，再经过运算放大器进行信号放大，送至8位A ／D 转换器，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。而在显示的过程中通过键盘，向计算机系统输入各种数据和命令，让单片机系统处于预定的功能状态，显示需要的值。

本论文根据压力传感器零点补偿与非线性补偿原理，设计出了测量压力传感器的硬件，应用单片机技术测量电路简单，成本低，应用面广，但是由于自身的稳定性其测量结果仍存在误差。

关键词: 压力；AT89C51单片机；压力传感器；A/D转换器；LCD 显示；

Abstract

Pressure is one of the important parameters in the process of industrial production. Pressure detection or control is an essential condition to ensure production and the equipment to safely operating, which is of great significance. The single-chip is infiltrating into all fields of our lives, so it is very difficult to find the area in which there is no traces of single-chip microcomputer. In this graduation design, primarily through by using single-chip and dedicated chip, handling of analog signal measured by the sensor to complete intelligent function. This design illustrates external hardware circuit design of intelligent pressure sensor, and conduct software development to the hardware.

The design is based on measurement and display of AT89C51 single-chip. This

is the pressure sensors will convert the pressure into electrical signals. After using operational amplifier, the signal is amplified, and transferred to the 8-bit A/D converter. Then the analog signal is converted into digital signals which can be identified by single-chip and then converted by single-chip into the information which can be displayed on LED monitor, and finally display output. In the course of show, through the keyboard to input all kinds of data and commands into the computer, the single-chip will locate in a predetermined function step to display required values.

In addition，based sensor thermal drift and nonlinearity principle，this paper has designed Intelligent sensor hardware circuit and edited a C51Program.The circuit with micro-Process is simple and cheap，though the result has still a little error.

Key words : pressure; AT89C51 single-chip; pressure sensor; A/D converter; LCD monitor;

目录

第一章 绪 论 ............................................................................................................... 1

1.1前言 ..................................................................................................................... 1

1.2选题的背景和意义 . ............................................................................................ 1

1.3智能压力传感器的发展方向 . ............................................................................ 2

1.4本文研究的内容 . ................................................................................................ 3

第二章 系统总体方案设计 ......................................................................................... 4

2.1系统任务描述 . .................................................................................................... 4

2.1.1控制系统要求 ............................................................................................................... 4

2.1.2主要仪器的选择............................................................................................................ 4

2.2系统总体设计 . .................................................................................................... 6

2.2.1系统组成 ....................................................................................................................... 6

2.2.2基于单片机的智能压力检测的原理 . ........................................................................... 6

第三章 压力传感系统硬件设计 ............................................................................... 7

3.1压力传感器 . ........................................................................................................ 7

3.1.1金属应变片的工作原理................................................................................................ 7

3.1.2 电阻应变片的基本结构............................................................................................... 8

3.1.3电阻应变片的测量电路................................................................................................ 8

3.1.4电桥电路的工作原理.................................................................................................... 9

3.1.5非线性误差及温度补偿.............................................................................................. 10

3.2信号放大电路 . .................................................................................................. 11

3.2.1三运放放大电路.......................................................................................................... 11

3.3 A/D转换器 ....................................................................................................... 12

3.3.1 A/D转换器的简介 ..................................................................................................... 12

3.3.2 配置位说明 ................................................................................................................ 13

3.3.3 工作时序图 ................................................................................................................ 14

3.3.4 单片机对ADC0832的控制原理................................................................................. 15

3.4 单片机 .............................................................................................................. 17

3.4.1 AT89C51单片机简介 ................................................................................................. 17

3.4.2主要特性 ..................................................................................................................... 17

3.4.3管脚说明 ..................................................................................................................... 18

3.4.4振荡器特性 ................................................................................................................. 19

3.4.5芯片擦除 ..................................................................................................................... 20

3.5 液晶屏LCD 简介 . ............................................................................................ 20

3.5.1液晶显示器原理.......................................................................................................... 20

3.5.2液晶显示器分类.......................................................................................................... 20

3.5.3字符的显示 ................................................................................................................. 21

3.5.4 LM016L引脚功能说明 ............................................................................................... 21

3.6 报警模块 .......................................................................................................... 22

第四章 软件设计 ....................................................................................................... 23

4.1 系统的主程序 .................................................................................................. 23

4.2 A/D转换器的软件设计 ................................................................................... 25

4.2.1 ADC0832芯片接口程序的编写 ................................................................................. 26

4.3 LCD 数码管显示程序设计 ............................................................................... 27

4.3.1 LM016LCD的RAM 地址映射及标准字库表.............................. 错误！未定义书签。

第五章 PROTEUS 仿真调试................................................................................... 29

5.1仿真软件了解 . .................................................................................................. 29

5.1.1proteus 软件介绍 ....................................................................................................... 29

5.1.2protuse 功能和特点 ................................................................................................... 29

5.2本次设计仿真过程 . ........................................................................................... 30

5.2.1 创建原理图 ................................................................................................................ 30

5.2.2 绘制仿真原理图......................................................................................................... 30

5.2.3 系统调试 .................................................................................................................... 31

5.2.4 开始仿真 .................................................................................................................... 31

第六章 总结 ............................................................................................................... 33

6.1 设计总结 .......................................................................................................... 33

6.2展望和不足 . ...................................................................................................... 34

致谢 ............................................................................................................................. 35

参考文献 ..................................................................................................................... 35

附录一 PROTEL 图 .................................................................................................. 36

附录二 源程序 ......................................................................................................... 38

第一章 绪 论

1.1前言

在信息高速发展的今天，传感器检测系统的智能化和集成化成为其发展的两个重要方向，而传感器检测系统智能化和集成化的程度主要取决于与之相结合的微处理器的性能。具有数据处理能力，能够进行自动检测、自动校准、自动误差补偿、自动抽样、以及标度变换功能的智能压力传感器检测系统已成为国内外开发和研究的热点。传感器技术是现代测量和自动化技术的重要技术之一。 从宇宙探索到海洋开发，从生产过程的控制到现代文明生活，几乎每一项现代科学技术都离不开传感器。在工业、农业、国防、科技等各个领域，传感器技术都得到了广泛的应用，并展现出极其广阔的前景。因此，许多国家对传感器技术的发展十分重视。例如在日本传感器技术被列为六大核心技术（传感器、通信、激光、半导体、超导和计算机）之一，并且是将传感器列为十大技术之首；美国将90年代看作是传感器时代，将传感器技术列为90年代22项关键技术之一。我国对传感器的研究也有二十多年的历史并取得了很大的成就。目前，在" 科学技术就是第一生产力" 的思想指引下，各项科学技术取得了突飞猛进的发展，传感器技术也越来越受到各方面的重视，虽然在某些方面已赶上或者接近世界先进水平。但是从总体来看，与国外传感器技术的发展相比，我国对传感器技术的研究和生产还比较落后，现正处于方兴未艾的阶段。由于智能传感器系统的研究起步较晚，其理论和实践远未成熟，离实际应用需求差距很大，尤其是用于压力测量的高性能、小体积、低成本智能压力传感器系统更是有待于进一步开发。因此，研究开发高性能的智能压力传感器系统对于促进信息技术及自动化技术的发展、提高设备的性能及自动化水平具有不可低估的意义。

1.2选题的背景和意义

近年来，随着微型计算机的发展，他的应用在人们的工作和日常生活中越来越普遍。工业过程控制是计算机的一个重要应用领域。其中由单片机构成的嵌入式系统已经越来越受到人们的关注。现在可以毫不夸张的说，没有微型计算机的仪器不能称为先进的仪器，没有微型计算机的控制系统不能称其为现代控制系统的时代已经到来。

压力测量对实时监测和安全生产具有重要的意义。在工业生产中，为了高效、安全生产，必须有效控制生产过程中的诸如压力、流量、温度等主要参数。由于压力控制在生产过程中起着决定性的安全作用，因此有必要准确测量压力。为了测到不同位置的压力值，本次设计为基于单片机智能压力测量系统。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，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LCD 显示器可以识别的信息，最后显示输出。基于单片机的智能压力检测系统，选择的单片机是基于AT89C51单片机的测量与显示，将压力经过压力传感器变为电信号，再通过三运放放将电信号放大为标准信号为0-5V 的电压信号，然后进入A/D转换器将模拟量转换为数字量，我们所采样的A/D转换器为ADC0832，ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。芯片转换时间仅为32μS ，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS 、CLK 、DO 、DI 。但由于DO 端与DI 端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO 和DI 并联在一根数据线上使用。

为了提高单片机系统I/O口线的利用效率, 利用单片机AT87C51的串行口和液晶显示屏LM016L 来显示.

1.3智能压力传感器的发展方向

（1）向高智能高精度发展:随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。目前能生产精度在万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产最也远远不能满足要求。

（2）向高可靠性、宽温度范围发展:传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在一20℃~70℃，在军用系统

中要求工作温度在一40OC 一85OC 范围，而汽车锅炉等场合要求传感器工作在一20OC~1200C，在冶炼、焦化等方面对传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料(如陶瓷) 的传感器将很有前途。

（3）向微型化发展:各种控制仪器设备的功能越来越人，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积己经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。

（4）高智能化：将压力传感器和单片机联系在一起，使其能够在实际应用中能更好地实现人机互换交流，增加仪器的数字化和智能化。

1.4本文研究的内容

研究开发一个智能压力传感器，要实现的主要目标是：

1. 系统地掌握单片机的开发设计过程，相关的电子技术和传感器技术等，进行设计任务和功能的描述。

2. 进行系统设计方案的论证和总体设计。

3. 从全局考虑完成硬件和软件资源分配和规划，分别进行系统的硬件设计和软件设计。

4. 进行硬件调试，软件调试和软硬件的联调。

第二章 系统总体方案设计

2.1系统任务描述

该系统的任务是能够测量出被测物的压力并能实时显示目标压力值和保存参数，并能和上位机进行通信，并具有较强的抗干扰能力。

2.1.1控制系统要求

该控制系统要求满足以下几点要求：

（1）被测介质： 气体、液体及蒸气

（2）量程： 0Pa～500pa

（3）综合精度：±0.25%FS

（4）供电： 24V Dc（12～36VDC ）

（5）介质温度：-20～150℃

（6）环境温度：-20～85℃

（7）当压力超过一定范围是可以报警

（8）能实时显示目标压力值和保存参数，并能和上位机进行通信，并具有较强的抗干扰能力。

2.1.2主要仪器的比较选择

1、压力传感器的选择

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。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，可以用来测量各种参数。