【正文】 單片機的壓力傳感器設(shè)計方案第一章 緒 論　　近年來隨著微型計算機的發(fā)展他的應(yīng)用在人們的工作和日常生活中越來越普遍工業(yè)過程控制是計算機的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域其中由單片機構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注現(xiàn)在可以毫不夸張的說沒有微型計算機的儀器不能稱為先進的儀器沒有微型計算機的控制系統(tǒng)不能稱其為現(xiàn)代控制系統(tǒng)的時代已經(jīng)到來　　壓力測量對實時監(jiān)測和安全生產(chǎn)具有重要的意義在工業(yè)生產(chǎn)中為了高效、安全生產(chǎn)必須有效控制生產(chǎn)過程中的諸如壓力、流量、溫度等主要參數(shù)由于壓力控制在生產(chǎn)過程中起著決定性的安全作用因此有必要準確測量壓力為了測到不同位置的壓力值本次設(shè)計為基于單片機智能壓力測量系統(tǒng)通過壓力傳感器將需要測量的位置的壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號再經(jīng)過運算放大器進行信號放大送至8位A／D轉(zhuǎn)換器然后將模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可以識別的數(shù)字信號再經(jīng)單片機轉(zhuǎn)換成LCD顯示器可以識別的信息最后顯示輸出基于單片機的智能壓力檢測系統(tǒng)選擇的單片機是基于AT89C51單片機的測量與顯示將壓力經(jīng)過壓力傳感器變?yōu)殡娦盘栐偻ㄟ^三運放放將電信號放大為標準信號為05V的電壓信號然后進入A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量我們所采樣的A/D轉(zhuǎn)換器為ADC0832ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片其最高分辨可達256級可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32μS據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗以減少數(shù)據(jù)誤差轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強獨立的芯片使能輸入使多器件掛接和處理器控制變的更加方便通過DI數(shù)據(jù)輸入端可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇 　　正常情況下ADC0832與單片機的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線分別是CS、CLK、DO、DI但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的所以電路設(shè)計時可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用 　　為了提高單片機系統(tǒng)I/O口線的利用效率利用單片機AT87C51的串行口和液晶顯示屏LM016L來顯示. （1）向高智能高精度發(fā)展:隨著自動化生產(chǎn)程度的不斷提高對傳感器的要求也在不斷提高必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應(yīng)速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產(chǎn)自動化的可靠性目前能生產(chǎn)精度在萬分之一以上的傳感器的廠家為數(shù)很少其產(chǎn)最也遠遠不能滿足要求 （2）向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展:傳感器的可靠性直接影響到電子設(shè)備的抗干擾等性能研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向提高溫度范圍歷來是大課題大部分傳感器其工作范圍都在一20℃~70℃在軍用系統(tǒng)中要求工作溫度在一40OC一85OC范圍而汽車鍋爐等場合要求傳感器工作在一20OC~1200C在冶煉、焦化等方面對傳感器的溫度要求更高因此發(fā)展新興材料(如陶瓷)的傳感器將很有前途　?。?）向微型化發(fā)展:各種控制儀器設(shè)備的功能越來越人要求各個部件體積能占位置越小越好因而傳感器本身體積也是越小越好這就要求發(fā)展新的材料及加工技術(shù)目前利用硅材料制作的傳感器體積己經(jīng)很小如傳統(tǒng)的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的體積較大、穩(wěn)定性差、壽命也短而利用激光等各種微細加工技術(shù)制成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好　?。?）高智能化：將壓力傳感器和單片機聯(lián)系在一起使其能夠在實際應(yīng)用中能更好地實現(xiàn)人機互換交流增加儀器的數(shù)字化和智能化 研究開發(fā)一個智能壓力傳感器要實現(xiàn)的主要目標是：　　相關(guān)的電子技術(shù)和傳感器技術(shù)等進行設(shè)計任務(wù)和功能的描述　　　　分別進行系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計　　軟件調(diào)試和軟硬件的聯(lián)調(diào)第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 該系統(tǒng)的任務(wù)是能夠測量出被測物的壓力并能實時顯示目標壓力值和保存參數(shù)并能和上位機進行通信并具有較強的抗干擾能力 該控制系統(tǒng)要求滿足以下幾點要求：　?。?）被測介質(zhì)： 氣體、液體及蒸氣　　（2）量程： 0Pa～500pa　?。?）綜合精度：177。%FS　?。?）供電： 24V Dc（12～36VDC）　　（5）介質(zhì)溫度：20～150℃　?。?）環(huán)境溫度：20～85℃ （7）當壓力超過一定范圍是可以報警　?。?）能實時顯示目標壓力值和保存參數(shù)并能和上位機進行通信并具有較強的抗干擾能力壓力傳感器的選擇　　壓力傳感器是壓力檢測系統(tǒng)中的重要組成部分由各種壓力敏感元件將被測壓力信號轉(zhuǎn)換成容易測量的電信號作輸出給顯示儀表顯示壓力值或供控制和報警使用力學(xué)傳感器的種類繁多如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等 而電阻應(yīng)變式傳感器具有悠久的歷史由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便、性能穩(wěn)定、可靠、靈敏度高動態(tài)響應(yīng)快、適合靜態(tài)及動態(tài)測量、測量精度高等諸多優(yōu)點因此是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一電阻應(yīng)變式傳感器由彈性元件和電阻應(yīng)變片構(gòu)成當彈性元件感受到物理量時其表面產(chǎn)生應(yīng)變粘貼在彈性元件表面的電阻應(yīng)變片的電阻值將隨著彈性元件的應(yīng)變而相應(yīng)變化通過測量電阻應(yīng)變片的電阻值變化可以用來測量各種參數(shù)放大器的選擇　　被測的非電量經(jīng)傳感器得到的電信號幅度很小無法進行A/D轉(zhuǎn)換必須對這些模擬電信號進行放大處理為使電路簡單便于調(diào)試本設(shè)計采用三運算放大器因為在具有較大共模電壓的條件下儀表放大器能夠?qū)芪⑷醯牟罘蛛妷盒盘栠M行放大并且具有很高的輸入阻抗這些特性使其受到眾多應(yīng)用的歡迎廣泛用于測量壓力和溫度的應(yīng)變儀電橋接口、熱電耦溫度檢測和各種低邊、高邊電流檢測A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 目前單片機在電子產(chǎn)品中已得到廣泛應(yīng)用許多類型的單片機內(nèi)部已帶有A/D轉(zhuǎn)換電路但此類單片機會比無A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機在價格上高幾元甚至很多我們采用一個普通的單片機加上一個A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的功能這里A/D轉(zhuǎn)換器可選ADC083ADC0809等；串行和并行接口模式是A/D轉(zhuǎn)換器諸多分類中的一種但卻是應(yīng)用中器件選擇的一個重要指標在同樣的轉(zhuǎn)換分辨率及轉(zhuǎn)換速度的前提下不同的接口方式會對電路結(jié)構(gòu)及采用周期產(chǎn)生影響對A/D轉(zhuǎn)換器的選擇我們通過比較ADC0809和ADC0832來決定這兩個轉(zhuǎn)換器都是常見的A/D轉(zhuǎn)換器其中ADC0809的并行接口A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832是串行接口A/D轉(zhuǎn)換器我們所做的設(shè)計選擇ADC0832A/D轉(zhuǎn)換在單片機接口中應(yīng)用廣泛 串行 A/D轉(zhuǎn)換器具有功耗低、性價比較高、芯片引腳少等特點主控制器的選擇　　單片機是一種在線式實時控制計算機在線式就是現(xiàn)場控制需要的是有較強的抗干擾能力較低的成本這也是和離線式計算機的（比如家用PC）的主要區(qū)別它擁有基于復(fù)雜指令集（CISC）的單片機內(nèi)核雖然其速度不快12個振蕩周期才執(zhí)行一個單周期指令但其端口結(jié)構(gòu)為準雙向并行口可兼有外部并行總線故使其擴展性能非常強大51的內(nèi)部硬件預(yù)設(shè)可用特殊功能寄存器對其進行編輯 經(jīng)過上述總結(jié)本設(shè)計采用89C51單片機作為控制芯片采用電阻應(yīng)變片壓力傳感器采集壓力信號通過壓力傳感器將采集的壓力信號轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電信號經(jīng)過ADC0832放大處理通過89C51在LCD屏幕上顯示壓力數(shù)據(jù)在超過壓力限制時由蜂鳴器報警 智能壓力傳感器原理方框圖 本次設(shè)計是以單片機組成的壓力測量系統(tǒng)中必須有前向通道作為電信號的輸入通道用來采集輸入信息壓力的測量需要傳感器利用傳感器將壓力轉(zhuǎn)換成電信號后再經(jīng)放大并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后才能由計算機進行有效處理然后用LCD進行顯示　　我們這次主要做的是A/D轉(zhuǎn)換單片機和顯示我們選用的A/D轉(zhuǎn)換器是ADC0832單片機為AT89C51顯示為液晶顯示LCD根據(jù)硬件電路編程調(diào)試出來并顯示結(jié)果　　　　第三章 壓力傳感系統(tǒng)硬件設(shè)計 應(yīng)變式壓力傳感器是把壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化來進行測量的應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上當基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機構(gòu)其阻值隨壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變而變化金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)對于金屬導(dǎo)體一段圓截面的導(dǎo)線的金屬絲設(shè)其長為L截面積為A（直徑為D） 原始電阻為 R金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：　　 R=ρL∕A ()　　式中：ρ金屬導(dǎo)體的電阻率（Ωcm2/m） S導(dǎo)體的截面積（cm2） L導(dǎo)體的長度（m）　　當金屬絲受到軸向力 F而被拉伸或壓縮產(chǎn)生形變 其電阻值會隨之變化 通過對（）式兩邊取對數(shù)后再取全微分得: 　　　　　　　　　　　　　　 （）　　式中為材料軸向線應(yīng)變 且 跟據(jù)材料力學(xué) 在金屬絲單向受力狀態(tài)下 有 () 式中μ為導(dǎo)體材料的泊松比因此 有　　　　　　　　　 ()　　試驗發(fā)現(xiàn) 金屬材料電阻率的相對變化與其體的相對變化間的關(guān)系為 ()　　式中 c為常數(shù)(由一定的材料和加工方式?jīng)Q定)將式 ()代入 () 且當ΔR=R時 可得 ()　　式中k=(1+2μ)+c(12μ)為金屬絲材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)　　上式表明 金屬材料電阻的相對變化與其線應(yīng)變成正比這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)　　電阻變化率 △R/R 的表達式為：K=ΔR/Rμ/ε式中μ材料的泊松系數(shù)；ε應(yīng)變量　　當金屬絲受外力作用時其長度和截面積都會發(fā)生變化從上式中可很容易看出其電阻值即會發(fā)生改變假如金屬絲受外力作用而伸長時其長度增加而截面積減少電阻值便會增大當金屬絲受外力作用而壓縮時長度減小而截面增加電阻值則會減小只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓）即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情 電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)　　 電阻應(yīng)變片主要由四部分組成電阻絲是應(yīng)變片敏感元件?；?、覆蓋片起定位和保護電阻絲的作用并使電阻絲和被測試件之間絕緣。引出線用以連接測量導(dǎo)線 應(yīng)變片可以將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化為了顯示于記錄應(yīng)變的大小還要將電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化因此需要有專用的測量電路通常采用直流電橋和交流電橋　　 由于應(yīng)變片的電橋電路的輸出信號一般比較微弱所以目前大部分電阻應(yīng)變式傳感器的電橋輸出端與直流放大器相連　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　設(shè)電橋的各臂的電阻分別為R1R3R2R4 它們可以全部或部分是應(yīng)變片由于直流放大器的輸入電阻比電橋電阻大的多因此可將電橋輸出端看成開路這種電橋成為電壓輸出橋輸出電壓U0 為　 U0= （）　　由上式可見：若R1R3=R2R4則輸出電壓必為零此時電橋處于平衡狀態(tài)稱為平衡電橋　　平衡電橋的平衡條件為：　　　　　　　　　　　R1R3=R2R4 　 應(yīng)變片工作時其電阻變化ΔR此時有不平衡電壓輸出